[发明专利]一种燃气轮机高温部件裂纹扩展寿命预测方法

说明书

本发明公开了一种燃气轮机高温部件裂纹扩展寿命预测方法，主要包括部件载荷分析、短时裂纹扩展试验、裂纹扩展模型建立、模型外延和寿命积分求值等，通过测试高温部件所用合金材料在短时保载条件下的裂纹扩展速率得到裂纹扩展模型，然后外延获得任意保载时间下的高温部件裂纹扩展模型，并通过积分获得高温部件的裂纹扩展寿命。由于考虑了高温蠕变对疲劳裂纹扩展的影响，克服了传统纯疲劳下评估裂纹扩展寿命准确性差、试验耗时长，不经济等的突出问题。本发明操作简单，试验耗时短，经济性和准确性高，且对部件无任何损伤，适用性和通用性强，能够满足燃气轮机高温部件剩余寿命评估要求，并指导检修计划的合理制定。

技术领域

本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种燃气轮机高温部件裂纹扩展寿命预测方法。

背景技术

燃气轮机火焰筒、过渡段、透平叶片、护环、轮盘、轴等高温部件作为燃气轮机的核心部件，是工作环境最恶劣、结构最复杂、故障最多、更换频率极高的部件。在长时间高温循环、高应力条件下服役，高温部件不可避免地产生不同程度的疲劳裂纹损伤。对于损伤高温部件国外燃机制造商一般要求直接更换，更换部件费用极高，严重降低了国内燃气轮机发电企业的经济性和竞争力。实际上，高温部件的不同部位所受应力大小有差异，对于高温部件低应力区，其基体合金材料对于裂纹有一定的容限，即允许部件在存在一定裂纹情况下继续服役。为了合理利用部件寿命，并制定合理的检修周期和修复方案，以保证燃气轮机发电设备安全、经济、持续运行，燃气轮机透平静叶片裂纹扩展寿命分析方法已受到国内外研究者们的关注。

目前，国外燃机制造商一般通过统计分析大量同型号燃气轮机高温部件长时服役过程中的裂纹萌生与扩展规律和材料的组织损伤和性能退化规律，建立损伤统计数据库，从而确定裂纹扩展寿命，然而经验与规律统计方法的可靠性主要取决于经验数据和规律统计，数据累积周期长，数据获取难度大。同时，随着流体力学、断裂力学以及试验和计算分析手段的发展，形成的基于纯疲劳载荷下裂纹扩展规律的疲劳裂纹扩展寿命分析方法，目前在工程中应用最为广泛的方法依然是1963年由Paris和Erdogan在实验基础上提出的疲劳裂纹扩展公式，这就是著名的Paris公式，它建立了应力强度因子和裂纹扩展速率之间的关系，是当今工程应用中预测疲劳裂纹扩展寿命理论的基础，已经在航空航天、能源、矿业、交通和海洋工程等诸多工业领域得到广泛的应用。在以往研究中，这种以纯疲劳载荷为主的裂纹扩展率往往与温度无关，主要考虑循环应力强度因子范围和应力比。然而，实际服役燃机高温部件在服役过程中不仅受到频繁启停下的热循环作用，而且受到高温稳定运行阶段的蠕变损伤作用，纯疲劳相关的裂纹扩展寿命分析方法的准确性差，同时为了提高准确性，这种纯疲劳相关的裂纹扩展寿命分析方法往往需要从实际部件上取样，不利于损伤高温部件的再服役其应用受到限制。另外，完全模拟实际条件下的裂纹扩展试验耗时长，也不经济。

因此，传统疲劳裂纹扩展寿命分析方法均存在缺陷，开发一种操作简单、测试耗时短、经济性和准确性高的燃气轮机高温部件裂纹扩展寿命预测方法具有重要的现实意义。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种燃气轮机高温部件裂纹扩展寿命预测方法，本发明操作简单，测试耗时短、经济性高、结果准确，时效性、适用性和通用性强，能够满足燃气轮机高温部件剩余寿命评估要求，并指导检修计划的合理制定。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种燃气轮机高温部件裂纹扩展寿命预测方法，包括以下步骤：

S1、通过载荷分析获得燃气轮机高温部件的服役温度、应力值和应力比；

S2、采用高温部件相同材质的试样，在步骤1获得服役温度、应力值和应力比的条件下进行疲劳裂纹扩展试验，获得不同保载时间的高温合金材料疲劳裂纹扩展曲线；

S3、根据保载时间为0s和t条件下的疲劳裂纹扩展曲线，建立高温合金材料疲劳裂纹扩展模型；