用于转子材料的确定性疲劳寿命预测的方法以及系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种疲劳寿命预测方法，包括：计算所关注对象的临界裂纹尺寸；识别所关注对象的超声数据中的第一裂隙；判断第一裂隙是与第二裂隙相互作用、第一裂隙是要与第二裂隙合并、还是第一裂隙是孤立的；基于该判断，计算初始裂纹尺寸；以及，计算由于疲劳和蠕变所致的初始裂纹尺寸中的增大，以便判断在初始裂纹尺寸达到临界裂纹尺寸之前负荷循环的数量。
【专利说明】用于转子材料的确定性疲劳寿命预测的方法以及系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]根据35U.S.C.§ 119，本申请要求以在2012年I月23日提交的、美国临时专利申请序号为61/589,426的申请为优先权，其全部内容在此以引用方式并入本文。
【技术领域】
[0003]本发明涉及转子材料中的疲劳寿命预测。
【背景技术】
[0004]疲劳寿命预测在涡轮发电机中是一项重要的管理任务。在高温高压环境下经过长期运转，使机壳、阀门、以及转子材料冶金方式劣化。在恶劣条件下的多年运行，由于断裂(fracture)和螺变(creep)所致的裂纹(cracks)可能开始并且发展。本领域中已经期望可靠的寿命预测技术，用于维护以及检修计划，以便降低寿命周期成本。
[0005]虽然过去几十年来做出了努力，但本领域中仍然存在一些困难和挑战。高温和高压环境中的疲劳裂纹蔓延是一种复杂而且动态的过程，其涉及许多领域的专门知识和经验判断。恶劣环境下的疲劳寿命预测必须周密地包括两个主要内容:(I)时间-和温度-相关的疲劳与蠕变-疲劳裂纹生长，以及(2)多裂纹相互作用及其对最终疲劳寿命的影响。疲劳裂纹生长不仅受到应力强度因子(stress intensity factor)驱使,而且受到J积分驱使。多裂纹之间、或者裂纹与边界之间的相互作用影响应力强度因子和J积分。用于蒸汽轮机或燃气轮机的典型加载曲线(loading profile)中的保持时间也影响疲劳裂纹生长。对于没有专门知识的普通工程技术人员而言，成功地进行寿命预测并不容易。
[0006]期望有一种系统，能管理在此过程中所要求的有用信息和经验信息。
【发明内容】
[0007]在本发明的一种示例性实施例中，一种疲劳寿命预测方法包括:计算所关注对象的临界裂纹尺寸；识别所关注对象的超声数据中的第一裂隙；判断第一裂隙是与第二裂隙相互作用、第一裂隙是要与第二裂隙合并、还是第一裂隙是孤立的；基于上述判断，计算初始裂纹尺寸；以及，计算由于疲劳和蠕变所致的初始裂纹尺寸中的增大，以便判断初始裂纹尺寸达到临界裂纹尺寸之前负荷循环的数量。
[0008]所关注对象包括涡轮发电机的部件。该部件包括转子。当满足关于相互作用的预定准则时，第一裂隙是与第二裂隙相互作用。当满足关于合并的预定准则时，第一裂隙是要与第二裂隙合并。
[0009]重复由于疲劳和蠕变所致的初始裂纹尺寸中的增大的计算步骤，直至初始裂纹尺寸满足或超过临界裂纹尺寸。
[0010]负荷循环包括施加至对象的最小应力、施加至对象的最大应力、对象暴露的温度、以及保持时间。
[0011]在本发明的一种示例性实施例中，一种疲劳寿命预测系统，包括:存储装置，用于存储程序；处理器，与存储装置通信，该处理器以程序操作，以便:计算所关注对象的临界裂纹尺寸；识别所关注对象的超声数据中的第一裂隙；判断第一裂隙是与第二裂隙相互作用、第一裂隙是要与第二裂隙合并、还是第一裂隙是孤立的；基于该判断，计算初始裂纹尺寸；以及，计算由于疲劳和蠕变所致的初始裂纹尺寸中的增大，以便判断初始裂纹尺寸达到临界裂纹尺寸之前负荷循环的数量。
[0012]所关注对象包括涡轮发电机的部件。该部件包括转子。当满足关于相互作用的预定准则时，第一裂隙是与第二裂隙相互作用。当满足关于合并的预定准则时，第一裂隙是要与第二裂隙合并。
[0013]处理器进一步以程序代码操作，以便重复计算由于疲劳和蠕变所致的初始裂纹尺寸中的增大，直至初始裂纹尺寸满足或超过临界裂纹尺寸。
[0014]在本发明的一种示例性实施例中，一种用于疲劳寿命预测的计算机程序产品，包括:非暂时性计算机可读存储介质，具有包含于其上的计算机可读程序代码，该计算机可读程序代码包括:构造成执行下列步骤的计算机可读程序代码:计算所关注对象的临界裂纹尺寸；识别所关注对象的超声数据中的第一裂隙；判断第一裂隙是与第二裂隙相互作用、第一裂隙是要与第二裂隙合并、还是第一裂隙是孤立的；基于该判断，计算初始裂纹尺寸；以及，计算由于疲劳和蠕变所致的初始裂纹尺寸中的增大，以便判断初始裂纹尺寸达到临界裂纹尺寸之前负荷循环的数量。
[0015]所关注对象包括涡轮发电机的部件。该部件包括转子。当满足关于相互作用的预定准则时，第一裂隙是与第二裂隙相互作用。当满足关于合并的预定准则时，第一裂隙是要与第二裂隙合并。
[0016]重复由于疲劳和蠕变所致的初始裂纹尺寸中的增大的计算步骤，直至初始裂纹尺寸满足或超过临界裂纹尺寸之前。
[0017]在本发明的一种示例性实施例中，一种疲劳寿命预测的方法，包括:计算所关注对象的临界裂纹尺寸；识别所关注对象的第一裂隙；判断第一裂隙是与第二裂隙相互作用、第一裂隙是要与第二裂隙合并、还是第一裂隙是孤立的；基于该判断，计算初始裂纹尺寸；以及，计算由于疲劳和蠕变所致的初始裂纹尺寸中的增大，以便判断在初始裂纹尺寸达到临界裂纹尺寸之前负荷循环的数量。
[0018]使用非超声数据，发现第一裂隙和第二裂隙。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1A至图1D图示关于不同几何结构的裂纹尖端(A和B)放大因子；
[0020]图2是相互作用说明图；
[0021]图3是合并说明图；
[0022]图4图示在远程张力下平面应变中关于双边切口板(DENO)的响应面；
一fa I
[0023]图5图示在远程张力下平面应变中关于中心裂纹板(CCPL)的A —，h响应面；
VW J
[0024]图6图示一种系统软件平台，其可以具体体现本发明的示例性实施例；
[0025]图7图示根据本发明示例性实施例的图6系统软件平台中的疲劳寿命预测模块；
[0026]图8是根据本发明示例性实施例的裂纹生长以及寿命计算的流程图；
[0027]图9A至图9B图示根据超声检测数据计算出的响应图像；
[0028]图10是图示根据本发明示例性实施例计算出的裂隙的疲劳裂纹生长轨迹的图；
[0029]图11图示其中可以实现本发明的示例性实施例的计算机系统；
[0030]图12图不一对表格；
[0031]图13图不一张表格；以及
[0032]图14图示三个示例性负荷循环。
【具体实施方式】
[0033]根据本发明的示例性实施例，提供了一种关于时间-相关的疲劳-蠕变断裂分析的方法。本方法基于断裂力学和塑性，并且为编程特别设计。系统性地包括了多个裂纹之间的相互作用、以及裂纹与转子表面之间的相互作用。本方法可以具体体现在专家系统软件诸如西门子AutoNDF中，其使用Microsoft Visual Stud1实现,并且具有成熟的三维(3D)可视化能力。该系统直接支持关于概率疲劳寿命预测的非破坏性评估(NDE)试验数据。
[0034]本披露如下组织。首先，给出高温下时间-和温度-相关的疲劳裂纹蔓延的理论基础。另外，给出使用所开发模型的疲劳寿命预测的判断分析。其次，根据本发明的示例性实施例，描述关于裂纹-裂纹以及裂纹-表面情形的相互作用准则。接着，介绍带有加入了本发明示例性实施例模块的专家系统AutoNDE。之后，用示例来示范操作本发明的方法和专家系统软件。最后，给出结论。
[0035]通用疲劳寿命预测方法
[0036]本段给出高温下疲劳寿命预测的方法、以及蠕变-疲劳裂纹生长模型、裂纹蔓延的时间-和温度-相关性。
[0037]疲劳裂纹生长模型
[0038]高温下裂纹尺寸增大通常表达为
da Γ tfo I I dal( t ^
「0039! —- = 1- + —— th\ I /
dN ldN\m UtL
[0040]其中，a是裂纹尺寸，而N是循环负荷的数量。
[0041]第一项说明纯疲劳贡献。下列公式中的Paris’模型是关于公式(I)中第一项的最常使用的模型之一。
P , -T
[0042]=Cn(AK)"1'(2)
IdNjcye 01 ；
[0043]其中，Ctl和Iitl是根据实验数据估计出的两个模型参数。Δ K是循环应力强度范围。
[0044]公式(I)的第二项说明时间-相关的蠕变或疲劳-蠕变贡献，是平均裂纹生长速率，而th是保持时间。可以使用(Ct)ave,以使时间相关的裂纹生长关于梯形加载波形相关。在保持时间，th期间、(Ct)ave定义为
[0045](€；)紐,二丄|>0(3)
f JO
1H
[0046]关于Ct参数的下列表达式已经示出，以表征在蠕变条件的较宽范围内的蠕变裂纹生长速率。
[0047]Ct = (Ct)ssc+C*(t)(4)
[0048]其中，(Ct)ss。表示在小规模蠕变(SSC)区域中(Ct)的值，而Cf⑴表征在小规模蠕变与大规模蠕变条件之间过渡区域中C*的时间相关值。下面简要介绍关于弹性、塑性、以及蠕变变形的两种一般情况。
[0049]弹性、塑性、一次和二次蠕变
[0050]转子钢片的弹性、塑性、一次和二次蠕变变形速率可以用下列单轴本构方程描述。
[0051]+ σΒ'--Λρι + Ασα(5)
E
[0052]其中，Apρ和Ii1是描述一次蠕变的常数，而A和η是描述二次蠕变的参数。σ是应力。对于根据公式⑷和(5)表现的分量，用于估计Ct值的表达式由下列公式给出
[0053](Ct )ssc = 2(1 - V2)/( 6 )
\ F J EW
[0054]以及
Γ ? cUt) *————-fC*(7)
[0055]K 1P、"
(l + p)rUp
[0056]其中，V是泊松比，E是弹性模量，K是应力强度，W是样本宽度，F是几何校正函数，F’是F相对于*的导数，而&'是由下式给出的蠕变区的变化率
产_ 2?
[0057]rc =^l —[(I + P% + ?,)4]7—^I——雨^Tl 麵(g )
2/Γ — V J(I + PfiMl — I) (I + PAfh ~ 羞)
[0058]根据有限元分析，β是确定为0.33的度量常数，而5^.(約= 0.4是裂纹尖端应力场的无量纲常数。项Inl是一次螺变指数的无因次函数(dimens1nless funct1n)。
[0059]
Inl = 6.568 — 0.4744I1J + 0,0404-- -0.001261";:( 9)
[0060]C;的值可以在关于Cf的表达式中用[(1+p) A1]1/(1+p)取代A、并且用II1取代η得到。
采用适当替代，通过积分公式(4)，可以得到通过弹性、塑性、一次和二次蠕变变形的材料关于(Ct)av6的表达式，
^β?:(β)(% 2\AK； F'\ InlE I^1fVl Yl ,2
l me ( v ^1^T'\jk(\^v2)\ ^ +P^ Λ|) Ai + pX?, —i)x
[0061]「 2 1' (10)
+^+c
J f“P
tH
[0062]Λ Kh是保持时间的应力强度范围。tpl是时移常数，其说明由于塑性所致的蠕变延迟，并且可以用下式估计
響Hl-1llhP
/ \2 I 2
「 ?I 2π\1 ^v2I ,, 2π m -1 I/ ?, \
[0063]t ( =γΓΤ-S ~ (n\ 7 ?( 11 )
\1 + ρ + η{ μ, /,,丨 E rc (θ) ? +1L2σν J J
[0064]其中，ξ?0.55是来自有限元分析的度量常数，oy是屈服应力，而m是循环塑性指数。
[0065]只有弹性、塑性和二次蠕变
[0066]如果不考虑一次蠕变行为或假设可以忽略，公式(5)简化为
[0067]e = —++Jcrn(12)
E
[0068]在这种情况下，公式(4)中的蠕变区膨胀率^是二次蠕变常数A和η的函数，并且表达为
-?..--Ι—'Λ"2
?/ fy ?-- -___..
[0069]rc = —K t n 1{ΕΑΥ χ?€(θ)( 13 )
η— 1.
[0070]α是比例因数，并且取决于来自蠕变区膨胀率表达式的η。α表示为
2
[0071]a =丄丨 fe.±l)......1"1(14)
2中W」
[0072]其中，对于3彡η彡13，a:: !: (W-λ,公式(7)中由项G描述的Cf的时间相关行为不适用。因此，对于由弹性、塑性和二次蠕变变形的材料，关于(Ct)ave的表达式具有下列形式剛 d—?.....^.....—=產]+ C- (15)
L.W γIh
[0074]这种情况下的蠕变延迟时间tpl由下式给出。
U-J
[0075]t —.......1..........二1...........1...........—(16)
pI EA r /H +1 2σν arc (Θ)
LJJ
/Ι/ι
[0076]在纯蠕变条件下，(Ct)ave和^Γ由下式校正。
at
I
[0077]= B(C, Yave(17)
Idt 丄《
[0078]其中，B和q是两个校准参数。使用关于循环相关裂纹生长的Paris’方程，公式
(I)可以写成
[0079]
【权利要求】
1.一种疲劳寿命预测方法，包括: 计算所关注对象的临界裂纹尺寸； 识别所关注对象的超声数据中的第一裂隙； 判断所述第一裂隙是与第二裂隙相互作用、所述第一裂隙是要与所述第二裂隙合并、还是所述第一裂隙是孤立的: 基于所述判断，计算初始裂纹尺寸；以及 计算由于疲劳和蠕变所致的所述初始裂纹尺寸中的增大，以便判断在所述初始裂纹尺寸达到所述临界裂纹尺寸之前负荷循环的数量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所关注对象包括涡轮发电机的部件。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述部件包括转子。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，当满足关于相互作用的预定准则时，所述第一裂隙是与所述第二裂隙相互作用。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，当满足关于合并的预定准则时，所述第一裂隙是要与所述第二裂隙合并。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，重复由于疲劳和蠕变所致的所述初始裂纹尺寸中的增大的计算步骤，直至所述初始裂纹尺寸满足或超过所述临界裂纹尺寸。
7.根据权利要求1中所述的方法，其中，负荷循环包括施加至所述对象的最小应力、施加至所述对象的最大应力、所述对象暴露的温度、以及保持时间。
8.一种疲劳寿命预测系统，包括: 存储装置，用于存储程序； 处理器，与所述存储装置通信，所述处理器以所述程序操作，以便: 计算所关注对象的临界裂纹尺寸； 识别所关注对象的超声数据中的第一裂隙； 判断所述第一裂隙是与第二裂隙相互作用、所述第一裂隙是要与所述第二裂隙合并、还是所述第一裂隙是孤立的； 基于所述判断，计算初始裂纹尺寸；以及 计算由于疲劳和蠕变所致的所述初始裂纹尺寸中的增大，以便判断在所述初始裂纹尺寸达到所述临界裂纹尺寸之前负荷循环的数量。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所关注对象包括涡轮发电机的部件。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述部件包括转子。
11.根据权利要求8所述的系统，其中，当满足关于相互作用的预定准则时，所述第一裂隙与所述第二裂隙是相互作用。
12.根据权利要求8所述的系统，其中，当满足关于合并的预定准则时，所述第一裂隙是要与第二裂隙合并。
13.根据权利要求8所述的系统，其中，所述处理器进一步以所述程序代码操作，以便重复计算由于疲劳和蠕变所致的所述初始裂纹尺寸中的增大，直至所述初始裂纹尺寸满足或超过所述临界裂纹尺寸。
14.一种用于疲劳寿命预测的计算机程序产品，包括: 非暂时性计算机可读存储介质，具有包含于其上的计算机可读程序代码，所述计算机可读程序代码包括: 构造成执行下列步骤的计算机可读程序代码: 计算所关注对象的临界裂纹尺寸； 识别所关注对象的超声数据中的第一裂隙； 判断所述第一裂隙是与第二裂隙相互作用、所述第一裂隙是要与所述第二裂隙合并、还是所述第一裂隙是孤立的； 基于所述判断，计算初始裂纹尺寸；以及 计算由于疲劳和蠕变所致的所述初始裂纹尺寸中的增大，以便判断在所述初始裂纹尺寸达到所述临界裂纹尺寸之前负荷循环的数量。
15.根据权利要求14所述的计算机程序产品，其中，所关注对象包括涡轮发电机的部件。
16.根据权利要求15所述的计算机程序产品，其中，所述部件包括转子。
17.根据权利要求14所述的计算机程序产品，其中，当满足关于相互作用的预定准则时，所述第一裂隙是与所述第二裂隙相互作用。
18.根据权利要求14所述的计算机程序产品，其中，当满足关于合并的预定准则时，所述第一裂隙是要与所述第二裂隙合并。
19.根据权利要求14所述的计算机程序产品，其中，重复由于疲劳和蠕变所致的所述初始裂纹尺寸中的增大的计算步骤，直至所述初始裂纹尺寸满足或超过所述临界裂纹尺寸。
20.一种疲劳寿命预测的方法，包括: 计算所关注对象的临界裂纹尺寸； 识别所关注对象的第一裂隙； 判断所述第一裂隙是与第二裂隙相互作用、所述第一裂隙是要与所述第二裂隙合并、还是所述第一裂隙是孤立的； 基于所述判断，计算初始裂纹尺寸；以及 计算由于疲劳和蠕变所致的所述初始裂纹尺寸中的增大，以便判断在所述初始裂纹尺寸达到所述临界裂纹尺寸之前负荷循环的数量。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，使用非超声数据，发现所述第一裂隙和所述第二裂隙。
【文档编号】G01N17/00GK104204769SQ201380014565
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2013年1月23日 优先权日:2012年1月23日
【发明者】关雪飞, H.甄, 张竞丹, 周少华, A.L.刘易斯, S.H.拉德克, 李钦圣 申请人:西门子公司, 西门子能量股份有限公司