镍基高温紧固件的防断裂设计方法
【专利摘要】本发明涉及镍基高温紧固件的防断裂设计方法，该方法包括以下步骤：S1、获取设计工况参数；S2、选择紧固件材料；S3、获取材料性能数据；S4、确定单个紧固件的预紧应力；S5、确定稳定工况下的服役应力σs；S6、设计紧固件的个数n、有效截面积A及其分布；S7、确定允许的最大裂纹尺寸；S8、结合高温裂纹扩展门槛值Kth，确定最大允许服役应力σth；S9、比较服役应力σs是否小于最大允许服役应力σth；若是则设计周期内该紧固件安全；否则返回S4步并降低预紧应力σp。
【专利说明】
镍基高温紧固件的防断裂设计方法
技术领域
[0001] 本发明属于镍基高温紧固件领域，涉及一种镍基高温紧固件的防断裂设计方法， 更具体地说，涉及以高强度、低韧性的镍基高温合金为材料的紧固件设计，如镍基高温螺 栓、螺柱、螺母等的设计方法。
【背景技术】
[0002] 为符合节能降耗、高效环保的原则，电力、炼化、冶金以及航空等领域的设备呈现 出更高温度、更大压力、更长服役时间的发展趋势。如超临界电站单机组的功率已达1000MW 以上，工作参数600-650 °C /32-35MPa，设计寿命达30年;先进航空发动机涡轮前进口温度高 达1980-2080°C，推重比达到15-20以上，最长机上寿命超过4万小时；目前致力发展的700°C 火电、第4代核电技术也均是基于高温高压参数以及长设计寿命。随着设备运行参数不断提 升，现广泛使用的铁素体、马氏体以及奥氏体等耐热钢材料将不能满足部件对材料使用性 能的要求，这些工艺设备的实现必须大量使用强度更高、蠕变特性更好的镍基高温合金。
[0003] 镍基高温紧固件是指以镍基合金为材料，高温环境下紧固两个或两个以上零件紧 固连接成为一个整体时所采用的一类机械零件的总称，主要包括:螺栓、螺柱、螺母等，广泛 应用于电力、炼化、冶金以及航空等领域。
[0004] 现行的镍基高温紧固件的设计方法以强度理论为基础，一般流程为：获取工况参 数、选材、确定预紧力、设计紧固件排布及尺寸、紧固件受力分析、各种工况下强度校核(考 虑松弛影响）。
[0005] 然而，镍基高温紧固件断裂事件屡见不鲜，如靖远第二发电有限公司汽轮机 GH4145合金螺栓断裂(2011年）、国产百万千瓦超临界电站发生大批Inconel783合金螺栓断 裂(2012年)等，严重时造成停车、停产，导致巨大经济损失。究其原因是，镍基高温合金，虽 然具有较高的高温强度及抗松弛性能，但其高温韧性具有显著的时间相关性，长时服役后 的韧性较低。保障高温镍基紧固件在服役周期内不发生断裂成为了设计关键。对于这一类 性能特性的材料，使用常规的基于强度理论的紧固件设计方法，虽然表象上表现出较高的 安全系数，但并未考虑材料断裂性能这一关键的决定性因素，故而无法保障设备的安全运 行。
[0006] 因此，针对现有技术中常规紧固件设计方法并不适用于高温强度高但韧性并不优 异的镍基高温紧固件这一问题，本领域迫切需要开发出一种高温环境下镍基材料紧固件的 防断裂设计新方法。
【发明内容】
[0007] 针对镍基高温合金强度高、韧性低的特点，本发明提出了高温环境下镍基材料紧 固件的防断裂设计新方法，提供了一种新的紧固件强度设计工艺，从而解决了现有技术中 存在的问题。
[0008] 本发明提供了一种镍基高温紧固件的防断裂设计方法，该方法包括以下步骤：
[0009] Si、获取设计工况参数，所述参数包括:设计温度T、环境介质、设计周期、被紧固材 料牌号及结构尺寸、实现紧固功能所需的力P;
[0010] &、根据步骤&中的设计温度T及环境介质选择紧固件材料；
[0011] S3、获取材料性能数据，所述数据包括:紧固件材料和被紧固材料的线性膨胀系数 ab及a v，紧固件材料的弹性模量E、拉伸性能、应力松弛性能、高温裂纹扩展门槛值Kth;
[0012] S4、根据步骤32中选择的材料，确定单个紧固件的预紧应力％，其中，〇 p = 0.5Rp〇.2， 式中RpQ.2表示紧固件的0.2%塑性延伸强度；
[0013] &、确定步骤S冲的设计温度T及设计周期下的应力松弛后的剩余应力〇r，其中， 〇r 通过材料性能数据库查询获得，或者通过进行高温松弛试验测试获得松弛曲线，采用 origin软件、excel软件或手绘绘制松弛曲线，并对曲线进行外推或内插得到;计算稳定工 况下的温度应力〇t = E(av-ab)T;确定稳定工况下的服役应力〇s，其中，〇s为〇 P+〇t和〇P中较大 者与比较取较小者；
[0014] S6、设计紧固件的个数n、有效截面积A及其分布；
[0015] S7、根据紧固件的无损检测规定，确定允许的最大裂纹尺寸；
[0016] S8、假定步骤S7中确定的允许的最大裂纹尺寸垂直于紧固件受力方法，结合高温裂 纹扩展门槛值Kth，计算得到最大允许服役应力〇th
，式中朽是通过应 力强度因子手册查询或有限元法计算获得的，a是裂纹长度；
[0017] S9、比较步骤&中的服役应力〇s是否小于步骤S 8中的最大允许服役应力〇th;若是则 执行步骤S1Q;否则返回步骤S 4,并降低预紧应力〇P;
[0018] S1Q、设计周期该紧固件不会发生裂纹扩展，构件安全;给出紧固件材料、个数n、有 效截面积A及其分布。
[0019] 在一个优选的实施方式中，步骤S3中所述的材料性能数据是通过材料性能数据库 查询获得的，若查询不到则需进行相应的试验测试获得。
[0020] 在另一个优选的实施方式中，所述线性膨胀系数采用热膨胀仪测试获得;所述弹 性模量E采用动态热机械分析仪测试获得;所述拉伸性能采用高温圆棒拉伸测试获得;所述 应力松弛性能进行高温松弛试验测试获得;所述高温裂纹扩展门槛值Kth采用紧凑拉伸试样 进行高温裂纹扩展试验测试获得初始应力强度因子与裂纹起裂时间曲线，并将曲线外推或 内插得到设计周期下的高温裂纹扩展门槛值Kth。
[0021] 在另一个优选的实施方式中，所述设计周期下的高温裂纹扩展门槛值Kth通过进行 短时高温裂纹扩展试验，对测试数据依据规律计算得到，式中，K为应力强度因子，^ 表示裂纹起裂时间，B与供为材料参数，由试验数据拟合得到；将设计周期代入拟合后的方 程，计算获得该设计周期下的应力强度因子K即为裂纹扩展门槛值K th。
[0022]在另一个优选的实施方式中，在步骤S6中，根据步骤S5中得到的服役应力〇s，综合 考虑密封面尺寸和力P，根据P = nA〇s，设计紧固件的个数n、有效截面积A及其分布。
[0023]在另一个优选的实施方式中，步骤S7中允许的最大裂纹尺寸根据无损检测技术的 最小可检出缺陷尺寸及检测和制造成本综合考量确定。
[0024]在另一个优选的实施方式中，所述无损检测技术包括目视检测、磁粉检测和射线 检测。
[0025] 有益效果：
[0026] 本发明针对现有技术中常规紧固件设计方法并不能保障高强度、低韧性的镍基高 温紧固件的完整性，开发出一种高温环境下镍基材料紧固件的防断裂设计新方法，提供了 一种新的紧固件强度设计工艺。
【附图说明】
[0027] 附图是用以提供对本发明的进一步理解的，它只是构成本说明书的一部分以进一 步解释本发明，并不构成对本发明的限制。
[0028] 图1是根据本发明的较佳实施方式的流程框图。
[0029]图2是根据本发明的较佳实施方式的由松弛试样测试获得的不同初始载荷下的应 力松弛曲线图。
[0030] 图3是根据本发明的较佳实施方式的由紧凑拉伸试样测得的初始应力强度因子与 起裂时间的曲线图。
[0031] 图4是本申请实施例中螺栓形貌及其内外表面裂纹缺陷示意图。
【具体实施方式】
[0032] 本发明提供了一种镍基高温紧固件的防断裂设计方法，该方法包括以下步骤：
[0033] Si、获取设计工况参数，如设计温度T、环境介质、设计周期、被紧固构件的材料牌 号及结构尺寸、实现紧固功能所需的力(密封力)P;
[0034] &、根据步骤&中的设计温度及环境介质选择紧固件材料；
[0035] S3、获取材料性能数据，如紧固件材料和被紧固材料的线性膨胀系数ab及a v、紧固 件材料的弹性模量E、拉伸性能、应力松弛性能、高温裂纹扩展门槛值Kth;
[0036] S4、根据步骤32中选择的材料，确定单个紧固件的预紧应力，一般取％ = 0.51^0.2， 式中RpQ.2表示紧固件的0.2%塑性延伸强度；
[0037] &、确定步骤Si*设计温度和设计周期下的应力松弛后的剩余应力计算稳定工 况下的温度应力〇t = E(av-ab)T;确定稳定工况下的服役应力〇s;
[0038] S6、设计紧固件的个数n、有效截面积A及其分布；
[0039] S7、根据紧固件的无损检测规定，确定允许的最大裂纹尺寸；
[0040] S8、假定步骤S7中确定的允许的最大裂纹尺寸垂直于紧固件受力方法，结合高温裂 纹扩展门槛值Kth，由下式计算得到最大允许服役应力〇th
[0042]其中F:可通过应力强度因子手册查询或有限元法计算获得，a是裂纹长度；
[0043] S9、比较步骤&中的服役应力〇s是否小于步骤S 8中的最大允许服役应力〇th;若是则 执行步骤S1Q;否则返回步骤S4,并降低预紧应力〇P;
[0044] S1Q、设计周期该紧固件不会发生裂纹扩展，构件安全;给出紧固件材料、个数n、有 效截面积A及其分布。
[0045] 在本发明中，在步骤S3中，上述材料性能数据可通过材料性能数据库查询获得，若 查询不到则需进行相应的试验测试。
[0046] 较佳地，线性膨胀系数可采用热膨胀仪测试获得;弹性模量可采用动态热机械分 析仪测试获得;拉伸性能可采用高温圆棒拉伸测试获得;松弛性能可进行高温松弛试验测 试获得;高温裂纹扩展门槛值可采用紧凑拉伸试样进行短时高温裂纹扩展试验测试获得初 始应力强度因子与裂纹起裂时间曲线，曲线外推或内插得到设计周期下的裂纹扩展门槛 值。
[0047] 较佳地，初始应力强度因子与裂纹起裂时间曲线可采用origin软件、excel软件或 手绘进行绘制，并采用方程《=汝;"方程进行拟合，式中K为应力强度因子，^为裂纹起裂时 间，B与⑦为材料参数，由试验数据拟合得到。将设计周期代入拟合后的方程，计算获得该设 计周期下的应力强度因子K即为裂纹扩展门槛值K th。
[0048] 较佳地，在步骤&中，〇r可通过材料性能数据库查询获得，若查询不到可进行高温 松弛试验测试获得松弛曲线，松弛曲线可采用origin软件、excel软件或手绘进行绘制，进 行外推或内插得到;〇 s为〇P+〇t和〇P中较大者与~比较取较小者。
[0049]较佳地，根据步骤&中工作状态下的服役应力〇s，综合考虑密封面尺寸、密封力P等 因素，根据P = nA〇s，设计紧固件的个数n、有效截面积A及其分布。
[0050]较佳地，在步骤S7中，允许的最大裂纹尺寸可根据相应无损检测技术如目视检测、 磁粉检测、射线检测的最小可检出缺陷尺寸及检测、制造成本综合考量确定。
[0051 ] 以下参看附图。
[0052]图1是根据本发明的较佳实施方式的流程框图。如图1所示，本发明的镍基高温紧 固件的防断裂设计方法包括以下步骤：
[0053] S1Q1、获取工况参数:根据设计条件，如设计温度、环境介质、设计周期、被紧固构件 的材料牌号及结构尺寸、实现紧固功能所需的力(密封力)P，获取设计工况参数；
[0054] S1Q2、选材:根据步骤S1Q1中的设计温度及环境介质，选择紧固件材料；
[0055] S1Q3、获取材料性能数据:获取紧固件材料和被紧固材料的线性膨胀系数a、紧固件 材料的高温弹性模量E、高温拉伸性能如0.2%塑性延伸强度RPo.2、紧固件材料的应力松弛 性能、紧固件材料的高温裂纹扩展门槛值Kth;
[0056] SlQ4、确定预紧应力Op:根据步骤SlQ2中选择的材料，确定单个紧固件的预紧应力， 一般取。p = 〇.5Rp0.2;
[0057] SlQ5、确定稳定服役应力〇s :确定设计温度和设计周期内的剩余应力Or ; Or可通过材 料性能数据库查询获得，若查询不到可进行高温松弛试验测试获得松弛曲线，松弛曲线可 采用origin软件、excel软件或手绘进行绘制，进行外推或内插得到；
[0058]计算稳定工况下的温度应力〇t = E(av-ab)T，其中E为弹性模量，av为被紧固材料的 线性膨胀系数，ab为紧固件材料的线性膨胀系数，T为设计温度；
[0059] 确定稳定工况下的服役应力〇sS〇P+〇t和〇P中较大者与〇i?比较取较小者；
[0060] S1Q6、确定紧固件个数及尺寸:根据步骤S1Q5中工作状态下的服役应力 〇s，综合考虑 密封面尺寸、密封力P等因素，根据P = nA〇s，设计紧固件的个数n、有效截面积A及其分布； [0061] S1Q7、确定允许最大裂纹尺寸:根据紧固件的无损检测规定，确定允许的最大裂纹 尺寸；
[0062] SlQ8、确定最大允许服役应力〇th:假定步骤SlQ7确定的允许最大裂纹尺寸垂直于紧 固件受力方法，结合高温裂纹扩展门槛值Kth，计算得到最大允许服役应力〇th;最大允许服 役应力〇th可由下式计算得到
[0064]其中F:可通过应力强度因子手册查询或有限元法计算获得，a是裂纹长度；
[0065] S1Q9、比较步骤S1Q5中的服役应力〇s是否小于步骤S1Q8中的最大允许服役应力〇th;若 是则执行步骤Sno;否则降低预紧应力〇P，进行步骤&〇5至&1()直至 〇s〈〇th;
[0066] Sno、构件安全，给出设计结果:设计周期该紧固件不会发生裂纹扩展，构件安全； 步骤S1Q2及S1Q6中确定的紧固件材料、紧固件的个数n、有效截面积A及其分布为本次设计结 果。
[0067] 图4是本申请实施例中螺栓形貌及其内外表面裂纹缺陷示意图。如图4所示，D。为 螺栓外径，Di为螺栓内径，a为裂纹长度，(^为螺栓服役应力，外表面裂纹表示螺栓外表面存 在裂纹的情况，内表面裂纹表示螺栓内表面存在裂纹的情况。
[0068] 实施例
[0069] 下面结合具体的实施例进一步阐述本发明。但是，应该明白，这些实施例仅用于说 明本发明而不构成对本发明范围的限制。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常 按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。除非另有说明，所有的百分比和份数按重量 计。
[0070] 实施例1:
[0071 ]某汽轮机高温蒸汽阀门需要进行阀门螺栓设计。螺栓设计温度为560°C，大气环 境，设计周期100000小时，阀门所需的密封力为8500000N，阀门材料为GX12CrMoWVNbN10-1-1，阀门密封面外径为1695mm，内径为1085mm。
[0072] 工艺流程如下：
[0073] 一、获取设计工况参数。螺栓设计温度T为560°C，阀门材料为GX12CrMoWVNbN10-1-1，阀门密封面外径为1695mm、内径为1085mm，阀门所需的密封力P为8500000N。
[0074] GX12CrMoWVNbN10-1-l钢化学成分（质量分数，％ )
[0076] 二、根据560°C设计温度选择螺栓材料为Inconel 783合金。
[0077] Inconel 783合金化学成分(质量分数，％)
[0079]三、采用热膨胀仪(德国耐驰)测试获得Inconel 783合金560°C下的线性膨胀系数 ab为 1 ? 22E-5 1/°C，GX12CrMoWVNbN10-1-l钢560°C下的线性膨胀系数av为 1 ? 24E-5 1/°C。采 用静态法测试获得560°C下的弹性模量E为144GPa。进行560°C下圆棒拉伸试验，测试获得 0.2%塑性延伸强度R pQ.2为630MPa。进行560°C下应力松弛试样，测试获得不同载荷下的应 力松弛性能，采用origin软件绘制剩余应力 〇与时间t曲线，见图2。采用紧凑拉伸试样，进行 560°C空气环境下的高温裂纹扩展试验，获得初始应力强度因子K与裂纹起裂时间^曲线， 采用origin软件绘制并拟合曲线X=52f 14,曲线外推得到100000小时时的裂纹扩展门 滥值为l〇.4MPa Vm(m表示米），见图3。
[0080]四、确定单个螺栓的预紧应力，〇P = 0.5RP〇.2 = 0.5 X630MPa = 315MPa。
[0081 ] 五、根据Inconel 783合金560°C不同载荷下的应力松弛曲线，外推获得100000小 时后的剩余应力为300MPa。计算稳定工况下的温度应力〇t = E(av-ab)T = 144000 X (1 ? 24E-5 - 1 ? 22E-5) X 560 = 16MPa。确定稳定工况下的服役应力〇s = [ [0P+0t，0P]max，〇r]min = [[315+16,315]max,300]min = 300MPa〇
[0082] 六、综合考虑密封面尺寸、密封力P等因素，根据P = nA〇s，确定螺栓个数为24个，螺 栓有效截面积为1180mm2。考虑到施工等要求，设计螺栓外径D。为46mm，内径Di为25mm。如图4 所示。
[0083] 七、根据无损检测规定，允许的最大裂纹尺寸为1mm深的线缺陷。
[0084] 八、当允许的最大裂纹垂直于紧固件受力方法为最危险工况，如图4所示，结合高 温裂纹扩展门槛值Kth= 10.4MPa V m，计算最大允许服役应力〇th
[0086]其中F:可通过应力强度因子手册查询获得，内、外表面裂纹的？:值均为1.19。最大 允许服役应力〇th为156MPa。
[0087]九、明显，稳定工况下的服役应力〇s大于最大允许服役应力〇th。降低预紧应力 〇1)为 140MPa。进行五至九步分析，详细如下：
[0088] 9-5、计算得到稳定工况下的服役应力〇s = [ [0p + 0t，Op] max, 〇r]min = [[ 140 + 16， 140]max,300]min=156MPa；
[0089] 9-6、确定螺栓个数为24个，螺栓有效截面积为2280mm2，螺栓外径D。为60mm，内径Di 为25mm;
[0090] 9-7、根据无损检测规定，允许的最大裂纹尺寸为1mm深的线缺陷；
[0091] 9-8、当允许最大裂纹垂直于紧固件受力方法为最危险工况，结合高温裂纹扩展门 槛值Kth，计算最大允许服役应力〇th
[0093]其中F:可通过应力强度因子手册查询获得，内、外表面裂纹的？:值均为1.16。最大 允许服役应力〇th为160MPa。
[0094] 9-9、稳定工况下的服役应力~小于最大允许服役应力〇th。
[0095] 十、560°C，100000小时设计周期内螺栓不会发生裂纹扩展，构件安全。该高温蒸汽 阀门需要螺栓24个，螺栓直径D〇 = 60mm，内径Di = 25mm，材料为Inconel 783合金。
[0096] 上述所列的实施例仅仅是本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范 围。即凡依据本发明申请专利范围的内容所作的等效变化和修饰，都应为本发明的技术范 畴。
[0097] 在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独 引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可 以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范 围。
【主权项】
1. 一种镍基高温紧固件的防断裂设计方法，该方法包括以下步骤： Si、获取设计工况参数，所述参数包括:设计温度T、环境介质、设计周期、被紧固材料牌 号及结构尺寸、实现紧固功能所需的力P; &、根据步骤31中的设计温度T及环境介质选择紧固件材料； &、获取材料性能数据，所述数据包括:紧固件材料和被紧固材料的线性膨胀系数ab及 ~，紧固件材料的弹性模量E、拉伸性能、应力松弛性能、高温裂纹扩展门槛值Kth; S4、根据步骤32中选择的材料，确定单个紧固件的预紧应力〇1)，其中，〇p = 0.5RpQ.2,式中 RPo. 2表示紧固件的0.2 %塑性延伸强度； &、确定步骤S冲的设计温度T及设计周期下的应力松弛后的剩余应力〇r，其中，〇r通过 材料性能数据库查询获得，或者进行高温松弛试验测试获得松弛曲线，采用origin软件、 excel软件或手绘绘制松弛曲线，并对曲线进行外推或内插得到;计算稳定工况下的温度应 力〇t = E(av-ab)T;确定稳定工况下的服役应力〇s，其中，〇s为〇 P+〇t和〇P中较大者与〇r比较取 较小者； 56、 设计紧固件的个数n、有效截面积A及其分布； 57、 根据紧固件的无损检测规定，确定允许的最大裂纹尺寸； 58、 假定步骤S7中确定的允许的最大裂纹尺寸垂直于紧固件受力方法，结合高温裂纹扩 展门槛值Kth，计算得到最大允许服役应力〇th，其中，式中F:是通过应力 强度因子手册查询或有限元法计算获得的，a是裂纹长度； 59、 比较步骤&中的服役应力〇s是否小于步骤S8中的最大允许服役应力〇th;若是则执行 步骤S 1Q;否则返回步骤S4,并降低预紧应力〇P; S1〇、设计周期该紧固件不会发生裂纹扩展，构件安全;给出紧固件材料、个数n、有效截 面积A及其分布。2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中所述的材料性能数据是通过材料性 能数据库查询获得的，若查询不到则需进行相应的试验测试获得。3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述线性膨胀系数采用热膨胀仪测试获得； 所述弹性模量E采用动态热机械分析仪测试获得;所述拉伸性能采用高温圆棒拉伸测试获 得;所述应力松弛性能进行高温松弛试验测试获得;所述高温裂纹扩展门槛值Kth采用紧凑 拉伸试样进行高温裂纹扩展试验测试获得初始应力强度因子与裂纹起裂时间曲线，并将曲 线外推或内插得到设计周期下的高温裂纹扩展门槛值K th。4. 如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述设计周期下的高温裂纹扩展门槛值Kth通 过进行短时高温裂纹扩展试验，对测试数据依据夂=樹r规律计算得到，式中，K为应力强度 因子，U表示裂纹起裂时间，B与P为材料参数，由试验数据拟合得到;将设计周期代入拟合 后的方程，计算获得该设计周期下的应力强度因子K即为裂纹扩展门槛值K th。5. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S6中，根据步骤S5中得到的服役应力 〇 s，综合考虑密封面尺寸和力P，根据P = nA〇s，设计紧固件的个数n、有效截面积A及其分布。6. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S7中允许的最大裂纹尺寸根据无损检测 技术的最小可检出缺陷尺寸及检测和制造成本综合考量确定。7. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述无损检测技术包括目视检测、磁粉检测 和射线检测。
【文档编号】G01N33/20GK106053752SQ201610353421
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月25日
【发明人】轩福贞, 谈建平, 宫建国, 刘霞
【申请人】华东理工大学, 上海汽轮机厂有限公司