NiCrMoV转子钢焊接接头近门槛值区疲劳裂纹扩展行为研究

发布时间：2018-07-15 18:34

【摘要】：NiCrMoV转子钢广泛用于第三代核电、超超临界汽轮机的低压和中压转子等部件。近年来,随着发电装备的高参数和大型化趋势,焊接转子技术成为先进汽轮机制造的重要手段,NiCrMoV转子钢焊接接头的疲劳和服役性能研究,成为新型转子寿命强度设计和制造工艺优化的基础与关键。本文以NiCrMoV转子钢焊接接头为对象,开展了焊接接头的母材、焊缝和热影响区中疲劳裂纹扩展规律和微观组织影响的分析研究,重点阐明试样几何形状、应力比、焊接接头微组织及时效老化等因素对近门槛值区疲劳裂纹扩展规律的影响,建立了近门槛值区疲劳裂纹扩展速率和门槛值的预测模型,提出了焊接接头抗疲劳评定曲线的修正方法。主要研究内容和结论如下：(1)探讨了近门槛值区疲劳裂纹扩展测量及机理分析的试样形状选择问题。进行了NiCrMoV转子钢CT、SENT和SENB3试样的近门槛值区疲劳裂纹扩展试验,测量并分析了裂纹尖端的闭合水平及其影响。结果表明：试样几何形状对疲劳裂纹扩展Paris区的影响不明显,但在近门槛值区表现出较大差异。在疲劳裂纹扩展的近门槛值区,CT和SENB3试样的疲劳裂纹扩展速率高于SENT试样,这一差异主要源于几何形状导致的裂纹尖端拘束度不同。高拘束CT和SENB3试样在近门槛值区表现为粗糙度诱发的裂纹闭合机制；低拘束SENT试样由于裂纹尖端T应力较低,裂尖呈现平面应力状态主导作用的较大塑性区,因而裂纹扩展受塑性诱发裂纹闭合和粗糙度诱发裂纹闭合共同影响。比较而言,高拘束CT试样最适合用于近门槛值区疲劳裂纹扩展和疲劳门槛值的测量研究。(2)研究了转子钢焊接接头近门槛值区疲劳裂纹扩展曲线的转折行为及影响因素。以25Cr2Ni2MoV钢焊接接头为对象,进行了初始裂纹分别位于母材、焊缝和热影响区的疲劳裂纹扩展试验,利用扫描电镜和三维表面形貌仪,分析了近门槛值区裂纹转折机理。研究表明：疲劳裂纹位于母材、焊缝和热影响区扩展时,其疲劳裂纹扩展曲线在近门槛值区均存在转折点现象,且与应力比有关。低应力比下,裂纹扩展曲线的转折行为由△K主导,高应力比下则由Kmax主导。微观分析发现,母材中疲劳裂纹扩展曲线的转折行为与面型断裂分布有关,而焊缝和热影响区的裂纹转折行为由断口表面的褶皱数量及其分布变化引起。无论裂纹位于焊缝、母材还是热影响区,裂纹扩展的转折点处断面粗糙度均最小。进一步,研究提出了考虑微观组织和应力比综合影响的转折点预测模型,较好描述了焊接接头不同部位的疲劳裂纹曲线转折现象。(3)进行了时效老化对转子钢焊接接头近门槛值区疲劳裂纹扩展影响的试验研究。针对350℃×3000h时效老化处理前后的30Cr2Ni4MoV转子钢焊接接头,进行了疲劳裂纹扩展试验和微观分析研究,结果发现：时效老化主要对低裂纹扩展速率阶段(近门槛值区)产生较大影响。时效老化引起焊接接头母材中碳化物析出以及马氏体板条粗化,导致抗疲劳裂纹扩展能力降低；相对而言,时效老化引起焊缝中微观组织的均匀化及碳化物溶解,导致高应力比下的抗疲劳性能有所增强。(4)建立了考虑材料微组织和应力比影响的近门槛值区疲劳裂纹扩展预测模型。焊接接头的母材、焊缝和热影响区及服役老化导致材料的微组织不同,从而影响近门槛值区的裂纹扩展行为。首先,基于25Cr2Ni2MoV钢焊接接头的疲劳裂纹扩展数据,考察了Kujawski、Huang和Zhang等双参数模型在近门槛值区的适用性,发现其适用性受应力比与转折行为共同影响。提出了应力比和微观组织相关的等效特征参量λ,构建了嵌入微组织影响的疲劳门槛值预测模型。另一方面,建立了考虑应力比影响的裂纹闭合修正模型,实验数据验证表明,修正模型较好反映了应力比对近门槛值区裂纹扩展的闭合效应。(5)研究了考虑近门槛值区裂纹扩展行为的焊接接头疲劳评定曲线的修正。首先,采用NiCrMoV转子钢焊接接头的疲劳裂纹扩展数据,验证探讨了现有规范中焊接接头疲劳评定曲线的适用性。结果发现,现有标准曲线由于未能合理考虑焊接接头近门槛值区的裂纹扩展行为,会导致设计结果过于保守或存在失效风险。如NiCrMoV转子钢的焊接接头若按母材性能设计,WES2805疲劳评定曲线不能排除焊接热影响区的失效。进一步,基于所建立的转折点预测模型和疲劳裂纹扩展门槛值修正模型,实现了对焊接接头疲劳评定曲线的修正,为NiCrMoV钢焊接转子的接头强度设计提供了依据。
[Abstract]:NiCrMoV rotor steel is widely used in the low - pressure and medium - pressure rotor of the third generation nuclear power plant and super - supercritical steam turbine . In recent years , with the high - parameter and large - scale trend of power generation equipment , welding rotor technology has become the important means of the advanced steam turbine manufacturing .
In this paper , the fatigue crack growth curve of the welded joint is studied by means of SEM and 3D surface topography .
In this paper , the fatigue crack growth behavior of welded joints in the near threshold region is studied by using the fatigue crack propagation data of the welded joints of NiCrMoV steel .
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG407

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