核电汽轮机转子焊接接头超高周疲劳破坏机理与设计准则研究

Oriented at the development of welded rotors for 1000 MW steam turbine in nuclear power plants and the requirement of life design for sixty years, the long-term service performance and design concept of the simulated welded joints of rotor steels will be investigated at moderate temperature. Influence of complex factors such as temperature, material strength level, and loading modes on crack initiation mode transition behavior in very high cycle fatigue (VHCF) regime will be comprehensively discussed in the lower strength welded joints of rotor steel. In-situ observation of ultra-low crack growth in near-threshold fatigue regime in vacuum will be carried out in order to establish a model that can describe the mechanics of interior crack growth, as well as give a scientific explanation for the microscopic mechanisms of interior fatigue failure. After developing life prediction models in the VHCF regime, the long life design criterion of structures is proposed consequently. The contents of this proposal reflect the intersection of mechanics, mechanical and material science. It is expected to clarify the basic rules of VHCF failure of the welding joints, and propose long life design criteria for engineering structures. It is also believed to provide important support for welding process optimization and the reliability enhancement of welded rotors in steam turbines.

面向百万千瓦核电汽轮机新型焊接转子的开发和60年设计寿命需求，针对中温环境下模拟转子焊接接头的长寿命服役性能及设计方法开展研究。通过开展低强度转子钢焊接接头的超高周疲劳试验，研究温度、材料强度和加载方式等复杂条件对焊接接头疲劳破坏和裂纹萌生模式转变的影响；基于高真空下近门槛值区超低速疲劳裂纹扩展原位试验，建立描述内部裂纹扩展规律的力学模型，实现内部疲劳破坏微观机理的科学解释，建立超高周疲劳寿命预测模型，提出结构长寿命疲劳设计准则。本项目内容体现了机械、力学和材料等多学科领域的交叉，可望阐明中温环境下焊接接头超高周疲劳破坏的基本规律并提出结构长寿命疲劳设计准则，为核电汽轮机转子的焊接工艺优化及其可靠性的提升提供支持。

核电装备面临着60年寿命服役要求，构筑典型材料和结构长寿命区间的疲劳破坏及其设计的科学基础，已成为迫切需要解决的问题。项目围绕核电汽轮机转子焊接接头超高周疲劳问题，从试验研究、有限元模拟和理论建模三个层面，尝试解决长寿命疲劳破坏的微观机理和设计问题。项目先进行了核电汽轮机转子焊接接头微区性能表征和强度评价研究，为优化焊接工艺参数提供参考，并为焊接接头超高周疲劳试验奠定基础；通过开展温度、加载频率和试样尺寸等多种试验条件下的疲劳试验揭示了超高周疲劳的影响因素；结合试验研究和有限元模拟，指出了内部缺陷处疲劳破坏的本质；通过开展损伤容限和考虑内部缺陷的疲劳强度预测研究，初步形成了长寿命服役焊接接头疲劳设计的科学认识。本项目的研究内容和结果，基本揭示了项目拟解决的三个科学问题，达到了预期目标。. 研究已发表标注基金号的学术论文13篇，另有5篇论文待发表。已发表论文中，被SCI收录论文9篇，EI收录论文11篇，其中1篇论文入选杂志Top downloaded articles，排名8/25。申请发明专利3项。项目负责人于2012年入选上海市“晨光学者”，2013年获中国机械工业科学技术特等奖（排名第35），2014年获上海市优秀博士论文，2015年获上海市自然科学一等奖（排名4/6），其中2014/7-2015/7赴英国朴茨茅斯大学做访问学者研究，并获得三年期（2015/8-2018/7）的访问讲师（Visiting Lectureship）席位。项目共培养4名研究生，其中博、硕士生各2名。