核電汽輪機低壓焊接轉子模擬件接頭高周疲勞性能研究

孫林根　蔡志鵬　潘際鑾　劉　霞　丁玉明　許曉進

1.清華大學,北京,100084　　2.上海汽輪機廠有限公司,上海,200240

核電汽輪機低壓焊接轉子模擬件接頭高周疲勞性能研究

孫林根1蔡志鵬1潘際鑾1劉霞2丁玉明2許曉進2

1.清華大學,北京,1000842.上海汽輪機廠有限公司,上海,200240

研究并對比了25Cr2Ni2MoV焊接轉子模擬件埋弧焊和氬弧焊接頭高周疲勞性能,發現氬弧焊接頭高周疲勞性能優于埋弧焊接頭高周疲勞性能。觀察高周疲勞斷口發現：埋弧焊接頭高周疲勞裂紋啟裂于氣孔與夾雜物；而氬弧焊接頭啟裂于氣孔。針對內部啟裂源為氣孔的情況，提出通過測量啟裂區(不含啟裂源)特征尺寸求得高周疲勞裂紋啟裂速率的途徑來評價高周疲勞性能。通過白光干涉形貌儀測量啟裂區特征尺寸，發現埋弧焊接頭高周疲勞裂紋啟裂速率高于氬弧焊接頭高周疲勞裂紋啟裂速率，與實際高周疲勞性能測試結果一致。

核電焊接轉子;高周疲勞;特征尺寸;啟裂速率

0　引言

汽輪機轉子是影響整個機組安全性的重要部件,要求其具有可靠性高和壽命長的特點，其中核電轉子要求壽命達到60年。以每年運行7000 h的半轉速核電轉子為例,60年內將要循環1.89×1010周次[1]。因此,在高溫、高壓等惡劣環境中高轉速運行產生的疲勞斷裂已經成為汽輪機轉子重要破壞形式之一[2]。汽輪機的啟停以及變載等過程會產生低周疲勞損傷，對此已有文獻進行了研究[3];而在汽輪機穩定運行過程中有重力、離心力以及熱載荷等多重作用，由此引起的高周疲勞損傷事故亦有報道，但相關研究較少[4]。焊接已成為百萬千瓦級核電汽輪機低壓轉子的重要制造途徑之一[5]，因此研究核電汽輪機低壓焊接轉子的高周疲勞性能具有重要意義。

已有的高周疲勞性能研究大多基于純金屬母材的夾雜物啟裂，主要研究了內部啟裂與表面啟裂的競爭機制[6]、內部啟裂區的形貌特征[7]、啟裂區的形成機制[8-9]以及高周疲勞的影響因素[10]等方面。但目前針對內部氣孔啟裂的高周疲勞研究還較少[11]，且大多數文獻在研究啟裂區尺寸特征時忽略了啟裂源尺寸和疲勞壽命的影響，因而無法比較啟裂源尺寸差異較大的材料的高周疲勞啟裂性能。本文以此為背景，測試并比較了25Cr2Ni2MoV汽輪機低壓焊接轉子模擬件埋弧焊和氬弧焊接頭的高周疲勞性能；針對焊接接頭高周疲勞裂紋內部氣孔啟裂的情況，在使用掃描電鏡和表面形貌儀斷口觀察對比的基礎上，提出啟裂區特征尺寸和啟裂速率的概念，找到比較高周疲勞啟裂性能的方法。

1　試驗方法

本研究采用的焊接轉子模擬件為外徑2162 mm、內徑約1816 mm、寬度約592 mm的環形構件，如圖1所示。

(b)模擬件截面幾何尺寸圖1　模擬件外形圖和截面圖

母材為25Cr2Ni2MoV耐熱鋼,化學成分見表1。采用實際產品的坡口設計、裝配、預熱、焊接和焊后熱處理工藝進行制造，其中模擬件打底和底部焊縫采用填絲氬弧焊接，后續坡口采用多層多道埋弧焊接，焊絲為2.5%Ni低合金鋼,焊接接頭的力學性能見表2。

表1　25Cr2Ni2MoV耐熱鋼

表2　25Cr2Ni2MoV模擬件焊接接頭主要力學性能指標

本文高周疲勞試驗根據國家標準GB/T 3075-2008《金屬材料疲勞試驗軸向力控制方法》,在國家鋼鐵材料測試中心進行測試。埋弧焊和氬弧焊部位取樣如圖2所示，試樣尺寸如圖3所示。

圖2　高周疲勞取樣位置示意圖

圖3　高周疲勞試樣尺寸示意圖(mm)

試驗使用QBG-50高頻疲勞試驗機,采用應力比R=-1的拉壓對稱正弦波，試驗頻率為105 Hz,試驗溫度為25 ℃。當試樣斷裂或循環次數達到107周次時，終止疲勞試驗。

本次高周疲勞測試中,埋弧焊接頭共測試了24根試樣，施加載荷范圍為360～580 MPa；氬弧焊接頭共測試了25根試樣，施加載荷范圍為400～580 MPa。

2　試驗結果及分析

2.1試驗結果

在所有測試的試樣中,埋弧焊接頭有14根試樣發生斷裂，氬弧焊接頭有16根發生斷裂，均斷在接頭焊縫區。

測試結果分析表明：埋弧焊和氬弧焊接頭均達到疲勞極限，其中埋弧焊接頭疲勞極限位于360～410 MPa范圍內,而氬弧焊接頭疲勞極限位于400～450 MPa范圍內；且在同一應力幅加載的情況下，氬弧焊接頭的高周疲勞壽命均高于埋弧焊接頭的高周疲勞壽命,故氬弧焊接頭的高周疲勞性能優于埋弧焊接頭的高周疲勞性能。

此外，兩種焊接接頭均出現了裂紋啟裂位置轉移的現象：在應力較高時,傾向于從表面氣孔、加工缺陷處啟裂，對應的疲勞壽命較低；在應力較低時,疲勞裂紋傾向于從內部氣孔或夾雜物處啟裂，對應的疲勞壽命較高。其中，埋弧焊接頭有8根試樣為內部啟裂，氬弧焊接頭有7根試樣屬于內部啟裂。

2.2斷口分析

高周疲勞裂紋內部啟裂是高周疲勞的一個重要特征。使用掃描電鏡觀察內部啟裂的高周疲勞斷口，對比兩種焊接工藝下高周疲勞內部啟裂源的差別發現：埋弧焊接頭的內部啟裂源大部分為氣孔(6根)、少部分為夾雜物(2根);使用能譜分析發現夾雜物主要元素為Ca、O、Si、Al等，將其與鋼中常見的夾雜物類型進行對比分析認為該夾雜物以CaO、SiO2和Al2O3為主。而氬弧焊接頭的內部啟裂源均為氣孔。埋弧焊使用熔渣隔絕空氣，在焊接過程中熔渣若殘留在焊縫中則成為非金屬夾雜物；而氬弧焊使用氬氣作為保護氣，焊接過程更加純凈,不易引入夾雜，這是氬弧焊接頭高周疲勞性能較優的一個重要原因。

(a)埋弧焊σa=400 MPa,Nf=6.4×106周次

(b)氬弧焊σa=400 MPa,Nf=8.7×106周次

(c)埋弧焊σa=460 MPa,Nf=2.8×106周次圖4　典型高周疲勞斷口掃描形貌圖

在圖4的斷口形貌圖中可以看到明顯的分區現象:高周疲勞裂紋以一定尺寸的氣孔為啟裂源，首先形成啟裂區;當啟裂區達到一定尺寸之后,疲勞裂紋開始穩定擴展。文獻[12-13]中的研究結果表明，對于內部啟裂的高周疲勞過程,超過90%的疲勞壽命消耗在裂紋啟裂過程。因此，研究高周疲勞啟裂區具有重要意義。

3　高周疲勞啟裂區特征參數的提出及應用

3.1特征參數的提出

Murakami[14]提出了用于計算高周疲勞啟裂區的應力強度因子幅：

(1)

式中,σa為施加的作用應力幅;S為啟裂區(含啟裂源)面積;C為表征位置的常系數,對于內部啟裂的情況,C=0.5。

考慮到不同方向上氣孔邊界到啟裂區外邊界的距離略有差異，本文針對高周疲勞裂紋內部氣孔啟裂的情況提出啟裂區(不含啟裂源)特征尺寸的概念。令l為啟裂源邊界到啟裂區外邊界的連線長度(連線的反向延長線須經過啟裂源中心)，則啟裂區(不含啟裂源)的特征尺寸a為

a=(lmax+lmin)/2

(2)

該特征尺寸可以較好地避免氣孔啟裂源尺寸的影響。

此外，式(1)針對內部啟裂的情況僅僅考慮了啟裂區大小、加載應力幅的作用，并未涉及疲勞啟裂壽命對高周疲勞性能的影響，無法比較不同材料的啟裂速率大小。因此，本文在測量啟裂區(不含啟裂源)特征尺寸的基礎上，考慮啟裂壽命的影響，提出高周疲勞裂紋啟裂速率的概念。

已有的文獻[12-13]研究認為,90%以上的高周疲勞壽命消耗在啟裂區，故取90%的疲勞壽命Nf為高周疲勞裂紋的啟裂壽命Ni。將單位循環周次里啟裂區(不含啟裂源)特征尺寸平均變化量定義為高周疲勞裂紋啟裂速率，即

v=a/NiNi=0.9Nf

根據上述分析,可以使用啟裂區特征長度和疲勞裂紋啟裂速率來表征材料的高周疲勞性能。

3.2特征參數的應用

在本文研究的接頭中,埋弧焊和氬弧焊接頭分別有1根和2根試樣無法區分啟裂區的范圍，因而下文主要針對埋弧焊與氬弧焊接頭剩下的各5根內部氣孔啟裂的高周疲勞試樣，其高周疲勞性能見表3，其中1號～5號為埋弧焊接頭,6號～10號為氬弧焊接頭。

表3　1號～10號試樣高周疲勞性能

文獻[15]研究發現:相比于穩定擴展區，啟裂區具有較高的粗糙度,并且在裂紋由啟裂區進入穩定擴展區時，形貌會出現高度差。因此，本文使用三維白光干涉表面形貌儀測量啟裂區的特征尺寸，以提高測量精度。

圖5為高周疲勞啟裂區典型的三維形貌圖和一維形貌圖。從圖5b中可以看出，在啟裂區外邊界處存在明顯的高度差,從而可以獲得啟裂區寬度。以啟裂源為中心每旋轉30°測量一次啟裂區的寬度li(i=1,2…,12),其中最大值、最小值即為lmax和lmin，從而求得特征尺寸a,見圖6a;將從啟裂源中心到啟裂源邊界的距離記為啟裂源的寬度,如圖4中虛線所示，將啟裂源寬度的最大值和最小值的平均值記為啟裂源的特征尺寸,如圖6b所示。

由圖6a可以看出,埋弧焊與氬弧焊接頭高周疲勞啟裂區(不含啟裂源)特征尺寸平均值接近。因此，同一應力幅作用下,氣孔啟裂源尺寸越大，啟裂區就越大，啟裂區對應的應力強度因子幅就越大。而圖6b中的結果顯示，埋弧焊氣孔尺寸明顯大于氬弧焊氣孔尺寸。

(a)三維形貌圖

(b)一維形貌圖圖5　啟裂區的表面形貌觀測結果示意圖(埋弧焊,σa=430 MPa,Nf=2.03×106周次)

(a)啟裂區(不含啟裂源)

(b)啟裂源圖6　埋弧焊與氬弧焊接頭高周疲勞啟裂區和啟裂源特征尺寸對比示意圖

圖7a為使用式(1)求得的啟裂區應力強度因子幅對比示意圖，圖7b為根據測量特征尺寸求出的啟裂速率v對比示意圖。

(a)啟裂區應力強度因子幅對比

(b)啟裂速率對比圖7　埋弧焊和氬弧焊接頭高周疲勞啟裂區特征參數對比結果

從圖7a可以看出，埋弧焊接頭的高周疲勞啟裂區(含啟裂源)應力強度因子幅大多均高于氬弧焊接頭的應力強度因子幅。根據式(1)，同一加載應力幅下，埋弧焊接頭啟裂區(含啟裂源)的面積更大，由此推測出埋弧焊接頭高周疲勞性能優于氬弧焊接頭的結論與實際測試結果相悖，這主要是因為埋弧焊接頭氣孔(啟裂源)尺寸大于氬弧焊接頭的氣孔尺寸(圖6b)。而使用啟裂速率表征高周疲勞性能可以排除氣孔大小的影響，從圖7b中可以看出埋弧焊接頭高周疲勞裂紋啟裂速率平均值(3.61×10-8mm/周次)高于氬弧焊接頭高周疲勞測試結果(2.67×10-8mm/周次),與高周疲勞測試結果一致。因此，就本文研究的模擬件埋弧焊和氬弧焊接頭而言,與高周疲勞啟裂區(不含啟裂源)的特征尺寸相比，啟裂速率的差異才是引起兩者高周疲勞性能差異的原因。上述分析也證明了式(1)在內部氣孔啟裂情況中應用的局限性，而高周疲勞啟裂速率對模擬件焊接接頭具有較好的適用性。因此,高周疲勞啟裂速率可以作為衡量核電汽輪機低壓焊接轉子安全性的一個重要指標。

此外，與式(1)相比，高周疲勞啟裂區特征尺寸和啟裂速率還可以更好地為微觀試驗提供指導性依據。首先考慮1號～5號試樣，即埋弧焊接頭試樣。從啟裂區(含啟裂源)應力強度因子幅(圖7a)的角度出發，5號試樣最大，而4號試樣最小，這與表3中的測試結果不一致。因而，需要考慮啟裂區的特征尺寸(圖6a)和啟裂速率(圖7b)；就特征尺寸而言，4號尺寸最小，5號尺寸最大；就啟裂速率而言,2號啟裂速率最慢，3號啟裂速率最快；而最終的高周疲勞性能則是特征尺寸和啟裂速率綜合影響的結果。因此，在進行微觀分析尋找高周疲勞性能薄弱環節時需要對比4號和5號試樣來研究特征尺寸的影響因素和對比2號和3號試樣來研究啟裂速率的影響因素，而不是單純地研究4號和5號試樣。同樣,對氬弧焊接頭進行分析:6號～10號試樣的啟裂區(含啟裂源)應力強度因子幅波動范圍較小;而特征尺寸和啟裂速率方面則差異較大;7號試樣特征尺寸最小,10號試樣特征尺寸最大;7號試樣啟裂最慢,9號試樣啟裂最快。因此,需要分別選擇7號和10號試樣、7號和9號試樣進行微觀對比分析。

因此,特征尺寸和啟裂速率變化的研究可以很好地區分同一個焊接接頭中高周疲勞性能的差異，為微觀試驗提供指導性的依據，對進一步研究核電汽輪機低壓焊接轉子的微觀性能影響具有重要作用。

4　結論

(1)對比埋弧焊和氬弧焊接頭高周疲勞性能發現,氬弧焊接頭高周疲勞性能優于埋弧焊接頭高周疲勞性能。比較兩種焊接方式高周疲勞斷口發現：埋弧焊接頭高周疲勞內部啟裂源為夾雜物和氣孔；而氬弧焊接頭內部啟裂源均為氣孔。

(2)針對焊接接頭高周疲勞內部氣孔啟裂的情況，提出將通過測量啟裂區(不含啟裂源)特征尺寸及進一步求得的啟裂速率作為評價核電汽輪機低壓焊接轉子接頭高周疲勞安全性的指標。

(3)使用三維白光干涉形貌儀測量啟裂區(不含啟裂源)特征尺寸，對比埋弧焊和氬弧焊接頭啟裂速率發現，埋弧焊接頭高周疲勞裂紋啟裂速率高于氬弧焊接頭高周疲勞裂紋啟裂速率，這是氬弧焊接頭高周疲勞性能優于埋弧焊接頭高周疲勞性能的重要原因。

(4)與啟裂區對應的應力強度因子幅相比，疲勞裂紋啟裂速率的大小與接頭高周疲勞性能的優劣更具有對應關系；而特征尺寸和啟裂速率的變化研究可以為進一步的微觀試驗提供指導。

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(編輯王艷麗)

Research on High Cycle Fatigue Properties for Welding Joints of Simulating Product of Nuclear Power Low Pressure Turbine Rotors

Sun Lin’gen1Cai Zhipeng1Pan Jiluan1Liu Xia2Ding Yuming2Xu Xiaojin2

1.Tsinghua University,Beijing,1000842.Shanghai Turbine Company,Ltd.,Shanghai,200240

The high cycle fatigue properties for submerged arc welding(SAW) joints and tungsten inert gas(TIG) welding joints of 25Cr2Ni2MoV simulating product of nuclear power low pressure turbine rotors were researched and compared.and the TIG welding joints were found to be better.The interior crack origins of SAW were porosities and inclusions, while these of TIG were porosities.For the conditions of porosities,an approach to evaluate the high cycle fatigue properties was established with the measurement and calculation of characteristic size of crack initiation zones (without crack origins) and crack initiation rate. For the researched welding joints,white-light interfering profilometer was used to measure the characteristic size,and the crack initiation rate of TIG joint is lower, which is in agreement with the experiments.

welded nuclear rotor;high cycle fatigue;characteristic size;crack initiation rate

2013-12-31

2015-07-08

TG405DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.22.019

孫林根,男,1989年生。清華大學機械工程系碩士研究生。研究方向為焊接冶金。蔡志鵬(通信作者)，男，1974年生。清華大學機械工程系副教授、博士。潘際鑾,男,1927年生。清華大學機械工程系教授、中國科學院院士。劉霞,女,1970年生。上海汽輪機廠有限公司技術發展處教授級高級工程師。丁玉明，男，1984年生。上海汽輪機廠有限公司技術發展處工程師。許曉進，男，1987年生。上海汽輪機廠有限公司技術發展處工程師。