核电汽轮机转子结构应力腐蚀裂纹扩展研究

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1、第55卷第2期汽轮机技术V01．55No．22013年4月TURBINETECHNOL0GYApr．2013核电汽轮机转子结构应力腐蚀裂纹扩展研究焦广臣，王炜哲，蒋浦宁，刘应征(1上海交通大学动力机械与工程教育部重点实验室，上海200240；2上海汽轮机厂，上海200240)摘要：建立二维轴对称转子模型，有限元计算转子结构的应力场和稳态温度场。以这些计算结果为基础，采用Clark裂纹扩展模型和Paris裂纹扩展模型分析在不同的裂纹尺寸下转子结构中某点的应力腐蚀裂纹扩展速率，比较两种模型在工程实际应用中的优劣。关键词：应力腐蚀；核电；汽轮机转子；应力强度因子；有限元分类号：TK

2、267文献标识码：A文章编号：1001-5884(2013)02-0113-02StudyonStressCorrosionCrackingGrowthofTurbineRotorinPowerPlantJIAOGuang—chen，WANGWei-zhe，JIANGPu—ning，UUYing-zheng(1KeyLabofEducationMinistryofChinaforPowerMachineryandEngineering，Shanghai2oo240，China；2ShanghaiTurbinePlant，Shanghai200240，China)Abstrac

3、t：Thestressfieldsandsteadytemperaturefieldsareobtainedbycalculatingtherotormodelof2Daxisymmetriemodelbyusingthefiniteelementanalysis(FEA)．Basedonthenumericalresults，thestresscorrosioncrack(SCC)growthsatacertainpointofthemodelarecalculatedbyusingtheClarkmodelandtheParismodel，andthecomparativ

4、eanalysisoftheresultsoftwocrackgrowthmodelismadeforadvantageinpracticalapplication．Keywords：SCC；powerplant；turbinerotor；stressintensityfactor；FEAClark模型是在特定腐蚀环境下针对特定材料设计的一0前言种腐蚀缺陷增长率模型。Clark模型认为材料的屈服强度和环境温度是影响转子钢材料应力腐蚀裂纹的两个最重要的应力腐蚀裂纹是核电汽轮机结构中的重要破坏形态⋯。参数，表达式为：核电汽轮机有多级叶片和转子段在湿蒸汽环境下工作，部件lnR：一9

5、．922一+0．00403．or(1)表面存在凝结液滴、液膜或溶液干涸残留物形成腐蚀环境。y同时，汽轮机转子、叶片和榫槽等结构承受着较高的静、动载式中，R为裂纹增长率，mm／s；T为开氏温度，K；or为材料的荷，容易产生腐蚀破环问题，诱发核电汽轮机事故。屈服强度，MPa。腐蚀介质，力学载荷和材料特性是影响核电汽轮机转子(2)Paris模型结构应力腐蚀破坏的主要影响因素。应力腐蚀裂纹破坏模Paris模型是基于断裂力学基础上得到的裂纹扩展速率型主要有基于断裂力学的Pairs裂纹扩展模型和工程上应方程，裂纹扩展速率和应力强度因子的关系可表示为：用较广泛的Clark模型J。Clark

6、模型更多地考虑了材料的da屈服强度和结构的工作温度对应力腐蚀裂纹扩展速率的影_：C．(2)dt响，而Paris模型在引入应力强度因子的基础上更多地考虑式中，da／dt为裂纹扩展速率，为应力强度因子，C、n为材了力学载荷对应力腐蚀裂纹扩展率的影响。这两种模型在理论分析和工程实际中均得到了应用。然而，对于核电料常数。其中，应力强度因子的表达式为：汽轮机转子，采用两种方法来分析转子结构的裂纹扩展速率K=O~or(3)方面的研究鲜有报道。式中，Or为名义应力；a为裂纹尺寸；ot为形状系数。对于半采用有限元分析计算二维轴对称转子结构的应力场和椭圆表面裂纹，裂纹深处(长半轴)的形状系数温

7、度场，采用Clark模型和Paris模型分析在不同的裂纹尺寸下转子结构中某点的应力腐蚀裂纹扩展速率，比较两种模型=1／(2丁·dO)在工程实际应用中的优劣。式中，a、b分别为半椭圆裂纹的长短半轴。1应力腐蚀裂纹扩展理论Robea的材料实验数据作为本文计算的输人数据，因此，裂纹扩展速率da／dt的单位为，mm／h；应力强度因子的单f1)Clark樟到位为MPam。收稿日期：2012-08-01作者简介：焦广臣(1983一)，男，上海交通大学在读博士。现从事结构强度研究。114汽轮机技术第55卷2转子结构的