超超临界汽轮机转子TMF 损伤机理以及与本构模型的耦合

In terms of start-up and shut-down process of coal-fired power plants, thermo- mechanical fatigue (TMF) accelerates the steam turbine rotor failure. In this project, a modern 9-12%Cr steel, which is used in steam turbines of ultra-supercritical (USC) power plants, is investigated. By means of cross-section transmission electron microscopy (TEM), the evolution of precipitates (M23C6, MX) and microstructure (subgrain size and dislocation density) as well as the mechanism of TMF damage is determined by multi-specimen TMF experiments under identical creep fatigue loadings. Using comparison experiments, the influences of mechanical (strain amplitude and strain rate) and thermal (isothermal and anisothermal) factors are investigated. the relationship between average subgrain size and viscoplastic deformation are analyzed. On this basis, the subrgain evolution and damage mechanism will be coupled to an existing viscoplastic material model, and furthermore the description of deformation behavior and life assessment under TMF loadings will be optimized. The project is aimed at providing a theoretical basis for design optimization, operating conditions optimization and security monitoring of USC steam turbines

火力发电机组启动关闭过程中，由于热应力引起的汽轮机转子热疲劳（TMF）加速转子失效。本课题选用现代超超临界(USC)汽轮机9-12%Cr转子钢为研究对象，通过同一疲劳蠕变载荷在多试件上的试验，结合透镜（TEM）等分析手段，探求析出相(M23C6,MX)以及组织结构（亚晶粒大小和位错密度）随载荷时间的演变关系，同时探求TMF损伤机理。通过对比试验揭示影响组织结构变化的力学因素（应变振幅，应变率）和温度因素（恒定温度，变化温度），寻求平均亚晶粒大小与粘塑性形变之间随载荷时间之间的关系。在此基础上，耦合亚晶粒的变化规律优化粘塑性材料本构模型，优化对TMF载荷下的力学性能以及疲劳损伤分析。课题旨在为超超临界汽轮机的设计优化，运行工况优化，以及安全监控等方面提供理论基础。

超超临界火电机组频繁启停用于调峰，以补充新能源间歇式输出模式的不足。面对启停过程中温差引起汽轮机转子热交变蠕变疲劳损伤（TMF）问题，本项目主要开展以下研究：（1）蠕变疲劳载荷下（恒温和TMF两种工况）下，析出相以及组织结构与低周循环次数的关系的试验研究，分析恒温以及TMF疲劳载荷下的材料微观损伤机理，分析讨论TMF载荷加速该转子钢失效的原因。（2）建立TMF载荷下，亚晶粒大小与粘塑性应变之间的关系。粘塑性应变量与材料的损伤相结合，分析微观结构演化与宏观力学性能之间的关系。（3）耦合TMF载荷下材料微观粗化的演变特征，优化基于Chaboche粘塑性材料本构模型，分析对比验证所优化模型的可靠性。恒温和TMF载荷后，裂纹呈现典型的以穿晶为主导形式的形貌。试样断口可清楚地分为裂纹源区、裂纹扩展区和终断区。冷启动载荷后，试样断面出现大量细小而密集分布的二次裂纹。随着温差幅度的减小，即温/热启动，二次裂纹的数量随之减少。因此，虽然TMF载荷的平均温度远小于其最高运行温度，但温度交变会使寿命缩短。恒温和TMF载荷后，析出相（M23C6，MX）没有出现明显的粗化，也没有出现Z相和Laves相。亚晶粒呈现明显的粗化，同时位错密度下降，位错空隙增大。对数坐标下，塑性应变速率与循环周期以及塑性应变之间在稳定区间呈线性关系，且直线斜率随总应变幅的增大而增大。平均亚晶粒大小随循环周期呈线性关系，与塑性应变之间呈指数关系。将这个指数关系引入材料循环软化变量与塑性应变变量之间的本构关系中，对基于Chaboche粘塑性本构方程进行了优化。经过反算多组总应变控制的蠕变疲劳实验，优化后的本构模型能很好的反馈出该转子钢在恒温以及TMF交变载荷时的循环力学特性。利用模型预测的TMF载荷寿命与实验测量结果在很窄的公差带内。