專利名稱：透平轉(zhuǎn)子無損檢查受力后剩余及壽命評(píng)估的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的是涉及對(duì)象的無損探傷的不連續(xù)顯示(indication)(例如裂紋)的評(píng)估，以確定顯示的大小，對(duì)象在運(yùn)行中所受應(yīng)力，與對(duì)象剩余壽命的關(guān)系;更具體地，本發(fā)明涉及一種基于超聲及磁粉探傷結(jié)果來確定高壓透平轉(zhuǎn)子的容許初始顯示大小，容許應(yīng)力及剩余壽命的方法。
在制造過程中的質(zhì)量控制和在維修中為了有助于修理決策，多種設(shè)備和部件都要作無損探傷。進(jìn)行無損評(píng)估(NDE)的試驗(yàn)包括超聲探傷及磁粉探傷。選擇合適的頻率、探頭結(jié)構(gòu)、和探頭布置，超聲探傷實(shí)際上可用于任何對(duì)象。超聲探傷在對(duì)象的成份或結(jié)構(gòu)有變化時(shí)產(chǎn)生顯示，包括對(duì)象內(nèi)部的微孔或其他的結(jié)構(gòu)不連續(xù)性。此外，如果對(duì)象可以用來形成電磁體，例如由鐵金屬所構(gòu)成時(shí)，在對(duì)象表面上而難以用視力察覺的類似缺陷，可用磁粉探傷揭示出來。這一方法使用鐵粉來顯示用作電磁體的對(duì)象所形成的磁場(chǎng)的波動(dòng)。
習(xí)慣上這兩種NDE方法都應(yīng)用于諸如發(fā)電透平轉(zhuǎn)子這樣的對(duì)象的探傷。已知有各種分析探傷結(jié)果數(shù)據(jù)的方法來預(yù)測(cè)不連續(xù)顯示處的裂紋擴(kuò)展。典型地是用線彈性及彈塑性斷裂力學(xué)(LEFM及EPFM)來評(píng)估轉(zhuǎn)子。然而高壓和中壓蒸氣透平轉(zhuǎn)子處于裂紋擴(kuò)展受到蠕變影響的溫度之下，而蠕變的影響與時(shí)間有關(guān)，也就是轉(zhuǎn)子暴露在高溫下并受到應(yīng)力的時(shí)間長短會(huì)影響蠕變裂紋擴(kuò)展速度。常規(guī)的LEFM和EPFM分析不考慮包括蠕變?cè)趦?nèi)的與時(shí)間有關(guān)的因素。其結(jié)果是，單獨(dú)運(yùn)用LEFM和EPFM來分析高壓和中壓蒸汽透平轉(zhuǎn)子的NDE顯示將對(duì)裂紋擴(kuò)展速度明顯估計(jì)過低。
本發(fā)明提供一種可選作下列用途的方法(ⅰ)分析NDE不連續(xù)顯示，并將蠕變及蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展考慮在內(nèi)。
(ⅱ)通過分析NDE不連續(xù)顯示估算對(duì)象的剩余壽命。
(ⅲ)通過對(duì)臨界裂紋尺寸及對(duì)象在預(yù)期壽命期內(nèi)所受應(yīng)力的估算，提供一種計(jì)算容許初始顯示尺寸的方法。
(ⅳ)以組成對(duì)象的材料特性、預(yù)期施加給對(duì)象的應(yīng)力、以及NDE不連續(xù)顯示大小或估算的顯示大小為基礎(chǔ)來提供一種計(jì)算對(duì)象容許應(yīng)力的方法。
本發(fā)明的廣義形式屬于一種在分析了對(duì)象被查探出的不連續(xù)顯示之后評(píng)估應(yīng)力對(duì)一個(gè)工作的影響的方法，包含以下步驟鑒別很可能互相影響的顯示，將每個(gè)鑒別出來的顯示按互相作用來分類，以及對(duì)顯示依據(jù)鑒別和分類步驟中決定的互相作用類型應(yīng)用不同的裂紋擴(kuò)展模型來確定顯示尺寸、施加于對(duì)象的應(yīng)力以及對(duì)象的剩余壽命之間的關(guān)系。更可取的是，包括蠕變影響的裂紋擴(kuò)展模型當(dāng)至少是部份應(yīng)力在對(duì)組成對(duì)象的材料來說蠕變是一個(gè)重要因素的溫度下作用于對(duì)象時(shí)。同樣，這個(gè)方法還包括合并最小缺陷孔帶距離內(nèi)的相互影響的顯示以產(chǎn)生一個(gè)新的顯示和把可應(yīng)用于用合并互相影響的顯示所產(chǎn)生的新顯示的裂紋擴(kuò)展模型予以應(yīng)用。
這個(gè)方法可用來確定對(duì)象的剩余壽命，其步驟包括定義對(duì)象的溫度及所受應(yīng)力為時(shí)間的函數(shù);計(jì)算每一顯示的最大應(yīng)力強(qiáng)度因子;積累經(jīng)過一段時(shí)間后顯示的顯示尺寸變化;合并最小缺陷孔帶矩內(nèi)互相影響的顯示而產(chǎn)生一個(gè)新的顯示;重復(fù)上述的計(jì)算和積累的步驟，直到顯示的顯示尺寸至少達(dá)到臨界裂紋尺寸為止。
此方法同樣可用來確定對(duì)象的容許應(yīng)力，其步驟包括計(jì)算一個(gè)顯示的最大應(yīng)力強(qiáng)度因子;預(yù)置裂紋尺寸為由一個(gè)顯示所代表的尺寸;通過對(duì)一個(gè)顯示應(yīng)用選定的裂紋擴(kuò)展模式積累在設(shè)定的應(yīng)力水平下作為時(shí)間函數(shù)的裂紋擴(kuò)展，直到裂紋尺寸至少達(dá)到臨界裂紋尺寸為止;將以上積累的裂紋擴(kuò)展所代表的時(shí)間量與期待的對(duì)象壽命相比較，如果在比較步驟發(fā)現(xiàn)時(shí)間量與對(duì)象的期待壽命有較大出入時(shí)，即改變?cè)O(shè)定應(yīng)力水平重復(fù)上述的預(yù)置、積累和比較的步驟。否則就可將設(shè)定的應(yīng)力水平作為對(duì)象的容許應(yīng)力而輸出。
本發(fā)明的另一實(shí)施例包括評(píng)估應(yīng)力對(duì)于對(duì)象的影響，至少一部份應(yīng)力是在組成對(duì)象的材料的蠕變成為重要因素的溫度下作用的，這種實(shí)施例包含下列步驟建立對(duì)象的溫度、所受應(yīng)力及時(shí)間之間的關(guān)系;計(jì)算在最壞條件下的臨界裂紋尺寸;給當(dāng)前的裂紋尺寸定出初始值;依據(jù)時(shí)間、應(yīng)力并包括蠕變影響在內(nèi)的已有關(guān)系計(jì)算當(dāng)前裂紋尺寸的最大應(yīng)力強(qiáng)度因子和裂紋擴(kuò)展速度;同時(shí)變化當(dāng)前(Current)裂紋尺寸，直到確定了一個(gè)對(duì)象的剩余壽命及一個(gè)容許的不連續(xù)顯示尺寸為止。當(dāng)應(yīng)力隨著時(shí)間而周期性地變化時(shí)，此方法更可以包括按加載塊限定的應(yīng)力變化循環(huán)的積累。
此方法可以用于確定初始容許顯示尺寸，其步驟是在預(yù)置當(dāng)前裂紋尺寸，將當(dāng)前裂紋賦值為臨界裂紋尺寸;變更當(dāng)前裂紋尺寸時(shí)縮減當(dāng)前裂紋尺寸，并重復(fù)計(jì)算、積累、和變更的步驟，直到一組加載塊實(shí)際上與對(duì)象的期待壽命相當(dāng)時(shí)為止，這樣，當(dāng)前的裂紋尺寸可定為初始容許顯示尺寸。
本發(fā)明的另一實(shí)施例包括對(duì)經(jīng)受周期性的應(yīng)力和溫度變化的轉(zhuǎn)子評(píng)估所受應(yīng)力的影響，其步驟包含取得至少一個(gè)組成透平轉(zhuǎn)子材料的不連續(xù)顯示的估定值;以機(jī)器可讀的形式記錄一組限定透平轉(zhuǎn)子所受的溫度和應(yīng)力循環(huán)的加載塊;并對(duì)不連續(xù)顯示應(yīng)用不同的裂紋擴(kuò)展模型;當(dāng)?shù)玫揭粋€(gè)以上顯示估定時(shí)將互相影響包括在內(nèi);當(dāng)記錄的加載塊包括了透平轉(zhuǎn)子經(jīng)受對(duì)組成透平轉(zhuǎn)子材料來說蠕變是裂紋擴(kuò)展的重要因素的溫度時(shí)將蠕變影響包括在內(nèi)。
從下列對(duì)一個(gè)最佳的實(shí)施例僅作為例子所作的說明可對(duì)本發(fā)明有更深入的了解，同時(shí)要結(jié)合附圖一起來了解，此處

圖1A-1F是按本發(fā)明的方法的流程圖。
本發(fā)明較先前的NDE顯示分析技術(shù)有幾方面改進(jìn)。所有改進(jìn)均在圖1A～1F所示流程中體現(xiàn)。首先，10步是選擇一個(gè)轉(zhuǎn)子或其他對(duì)象來進(jìn)行分析。轉(zhuǎn)子從那些有可用的NDE數(shù)據(jù)的或是已對(duì)某一特性作過如下介紹的估算的轉(zhuǎn)子中選取。其次，在12步選擇分析方式。在分析NDE顯示的互相影響之外，按照本發(fā)明的方法還包括蠕變裂紋引發(fā)分析和計(jì)算初始容許顯示尺寸。
在14步確定NDE顯示是否要進(jìn)行分析。如果不要，則在16步對(duì)蠕變裂紋引發(fā)分析是否已被選擇作出判定。18步的蠕變裂紋引發(fā)分析可以采用常規(guī)分析技術(shù)。
如果14步確定了在12步已選擇NDE顯示分析，則在20步要查證在10步中選擇的轉(zhuǎn)子確有可用的NDE文件。如上所說明的，使用對(duì)某一特性的估算可完成某一類型的分析。如果沒有可用的NDE文件，則在22步輸入一個(gè)初始顯示尺寸。如果在20步判定選擇的轉(zhuǎn)子有NDE數(shù)據(jù)可用，24步即從NDE文件26讀入NDE數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的關(guān)鍵特點(diǎn)之一是如何處理顯示之間的互相影響。對(duì)于透平轉(zhuǎn)子，NDE數(shù)據(jù)包括從超聲探傷或聲探傷及磁粉探傷(MP)來的不連續(xù)顯示。本發(fā)明可應(yīng)用于在轉(zhuǎn)子中心孔孔壁表面上進(jìn)行磁粉探傷，和從內(nèi)孔周圍選定的徑向距離上超聲探傷所提供的不連續(xù)顯示的透平轉(zhuǎn)子近孔區(qū)。因此，NDE數(shù)據(jù)一經(jīng)在24步讀入，就需要判定聲-聲、聲-MP、MP-MP互相影響的可能性。此外，靠近內(nèi)孔的聲顯示在沒有MP顯示時(shí)可能與內(nèi)孔表面互相影響。
在28步，對(duì)互相影響的顯示進(jìn)行鑒別。對(duì)于常規(guī)透平轉(zhuǎn)子，如果顯示與顯示之間或顯示內(nèi)孔之間的距離大于顯示尺寸的3倍，則可認(rèn)為顯示是孤立的而無需考慮互相影響。如果顯示與顯示之間或顯示與內(nèi)孔之間的距離小于或等于顯示尺寸的3倍，就需要考慮顯示與顯示之間及顯示與內(nèi)孔之間的互相影響。
采用的顯示尺寸數(shù)值取決于產(chǎn)生顯示的探傷方法類型。聲顯示的保守值假設(shè)每個(gè)顯示代表一個(gè)直徑為D的球狀，直徑D是從顯示面積估算出來的。顯示的面積則是如這種技術(shù)中熟知的從反射信號(hào)估算出來。顯示的直徑在28步評(píng)估互相影響時(shí)用作顯示尺寸。一群密集的聲顯示被一起考慮作為一個(gè)“桁”顯示。用桁群中最大顯示的估算面積來計(jì)算出相應(yīng)于桁顯示尺寸的直徑。所有內(nèi)孔表面上的MP顯示可以保守地假設(shè)為具有3.2mm(0.125英寸)的尺寸，此尺寸相應(yīng)于顯示所代表的裂紋深度。
在28步通過確定哪些顯示的缺陷孔帶距(S)與顯示尺寸(D)之比小于或等于3將所有互相影響的顯示予以鑒別之后，各顯示根據(jù)幾何學(xué)進(jìn)行了分類。NDE數(shù)據(jù)提供每個(gè)顯示的尺寸和位置兩方面的信息。28步的鑒別過程包括顯示的合并?？刹捎靡环N保守的假設(shè)，即任何兩個(gè)評(píng)估的顯示都代表共面裂紋。所有的合并都宜于一次處理兩個(gè)顯示。任何具有缺陷孔帶距與顯示尺寸之比(S/D)小于或等于0.1的兩個(gè)顯示被合并為一個(gè)尺寸等于每個(gè)顯示尺寸之和加上缺陷孔帶距的新的顯示。28步包括把所有這些顯示都合并為新的顯示，直到每?jī)蓚€(gè)可能合并的顯示的S/D的比值都大于0.1為止。所有初始的顯示合并完成之后，剩下來的顯示，其中現(xiàn)有原始的也有合并后的，都在30步中分類。所有S/D的比值大于3的相鄰顯示均被列入孤立的或互相無影響的一點(diǎn)。互相有影響的對(duì)子則分為聲互相影響，聲-MP互相影響，聲-表面互相影響，或MP-MP互相影響的幾類。
在28步及30步將所有NDE顯示給予評(píng)估和分類之后，或是在22步已輸入了一個(gè)初始尺寸之后，32步就選擇一種或兩種分析型式?？赡苡?jì)算轉(zhuǎn)子(或其他對(duì)象)的剩余壽命，也可能按照對(duì)象的期待壽命來計(jì)算容許應(yīng)力。如果34步確定選擇計(jì)算容許應(yīng)力，在36步就會(huì)決定在38步是使用常規(guī)方法還是使用本發(fā)明的互相影響分析。
假設(shè)采用互相影響分析，則在40步，輸入對(duì)象在其壽命中預(yù)期經(jīng)受的條件。關(guān)心的具體條件是可以隨時(shí)間而變化的作用于對(duì)象的應(yīng)力和溫度。特別是，透平轉(zhuǎn)子的使用典型地要在透平的啟動(dòng)、停機(jī)和在不同負(fù)荷水平運(yùn)行時(shí)經(jīng)受變化的溫度和應(yīng)力的周期。透平轉(zhuǎn)子在每個(gè)循環(huán)周期所受的溫度和應(yīng)力是已被充分了解的，而一臺(tái)透平可能要經(jīng)受的循環(huán)次數(shù)也是可以預(yù)測(cè)的。這樣，這個(gè)信息被輸入到40步。
在計(jì)算剩余壽命、容許應(yīng)力及容許初始缺陷尺寸時(shí)，需要把不同材料對(duì)溫度和應(yīng)力的不同反應(yīng)考慮在內(nèi)。使用按照本發(fā)明的方法為計(jì)算機(jī)編程序時(shí)，有幾種途徑來在完成此計(jì)算中接納溫度、應(yīng)力和材料性質(zhì)的變化。在圖1A-1F所說明的方法中，文件42保留有待程序分析的不同材料與溫度之間的關(guān)系。40步中輸入的組成選定的透平轉(zhuǎn)子材料的相應(yīng)數(shù)值及循環(huán)數(shù)和應(yīng)力都在44步讀入。如果使用本發(fā)明來分析一個(gè)組成變化小的對(duì)象，則44步所讀入的數(shù)值可編碼列入分析顯示的程序中。
如46所示，進(jìn)行下列計(jì)算以便給每個(gè)顯示確定容許應(yīng)力。首先，47步對(duì)作用在對(duì)象的當(dāng)前顯示的位置上的應(yīng)力進(jìn)行估算。其次，48步以在30步(圖1A)鑒別分類為基礎(chǔ)而規(guī)定的模式計(jì)算出應(yīng)力強(qiáng)度因子(K)。對(duì)不同幾何形狀計(jì)算K的方法在斷裂力學(xué)是已知的。例如，對(duì)于半橢園形的裂紋，可用方程(1)來計(jì)算KK=1.12σπ2Q(1)]]>此處a＝裂紋寬度，σ＝應(yīng)力以及Q＝缺陷形狀參數(shù)，當(dāng)寬長比為0.2時(shí)此值為1.22，寬長比為0.5時(shí)此值為2.32。對(duì)不同形狀的半橢園裂紋的其他Q值也都是已知的。
然后在50步計(jì)算臨界裂紋尺寸，使用對(duì)象預(yù)期的“最壞情形”條件51和材料性質(zhì)42。在冷態(tài)啟動(dòng)條件下，臨界裂紋尺寸acr可按方程(2)計(jì)算acr= (KIC2)/(1.12σ) (Q)/(π) (2)
此處KIC是K的臨界值，稱為材料的斷裂韌性。這是一個(gè)由試驗(yàn)測(cè)出的材料常數(shù)而與幾何形狀無關(guān)。參數(shù)σ是冷態(tài)啟動(dòng)應(yīng)力，Q是上面已用過的缺陷形狀系數(shù)。
在52步中對(duì)40步中輸入的條件選擇合適的裂紋擴(kuò)展規(guī)律。將當(dāng)前裂紋尺寸設(shè)定為顯示的初始顯示尺寸(或是由NDE文件26供給或是在22步輸入的)，如54步所指出。其次，把52步所選擇的擴(kuò)展規(guī)律應(yīng)用到56步的當(dāng)前裂紋尺寸，當(dāng)應(yīng)力和溫度按照40步中的循環(huán)數(shù)和溫度進(jìn)行變化時(shí)，直到當(dāng)前裂紋尺寸至少與50步算得的臨界裂紋尺寸達(dá)到同樣大為止。將56步所積累的循環(huán)數(shù)與指定的循環(huán)數(shù)相比較，換而言之，將循環(huán)數(shù)所代表的時(shí)間量與58步中對(duì)象的期待壽命相比較。如果循環(huán)次數(shù)指定的次數(shù)有明顯差別，47步所假設(shè)的應(yīng)力則在60步中予以改變，從50步計(jì)算新的臨界裂紋尺寸開始50、52、54和56步重新進(jìn)行。如果循環(huán)次數(shù)與指定的次數(shù)基本相當(dāng)，則62步輸出容許應(yīng)力并繼續(xù)處理46步中的下一個(gè)顯示，直到所有的顯示都已被處理而停止在64步。當(dāng)然，如果在22步只輸入了單個(gè)的顯示，則處理終止在打印出那個(gè)顯示尺寸的許用應(yīng)力和對(duì)象的期待壽命。
回到圖1A，在12步選定了初始容許顯示尺寸后，14步和16步所作的決定使圖1B的70步接著進(jìn)行。在計(jì)算初始容許顯示尺寸時(shí)不使用NDE數(shù)據(jù)。然而在70步必需輸入相應(yīng)于轉(zhuǎn)子或其他對(duì)象的期待壽命的循環(huán)次數(shù)。
下一步72是選擇一個(gè)工作循環(huán)的輸入方法。選擇步驟72用于輸入計(jì)算初始容許顯示尺寸以及如線條74所示，也用于計(jì)算對(duì)象的剩余壽命。在透平轉(zhuǎn)子的情形下，使用電力研究所(EPRI)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)分析軟件包來分析透平轉(zhuǎn)子的溫度和應(yīng)力的分布。這個(gè)分析包稱為轉(zhuǎn)子評(píng)估應(yīng)力分析(SAFER)，并可提供詳盡的應(yīng)力和溫度信息，這些信息可以用于作為按照本發(fā)明來分析一個(gè)轉(zhuǎn)子的輸入?？晒┻x擇地，還可以用已知方法人工輸入有要求的詳盡程度的要求信息。
72步輸入方法選定后，76步中對(duì)究竟是使用SAFER分析還是以人工輸入數(shù)據(jù)作出決定。繼續(xù)進(jìn)行圖1D所說明的處理，如果用SAFER分析用作輸入，84步以顯示所在位置為基礎(chǔ)為每一個(gè)顯示從SAFER輸出文件86提取工作循環(huán)數(shù)據(jù)。如果在74步選擇了人工輸入，則在88步輸入加載塊的數(shù)據(jù)。
不論循環(huán)數(shù)據(jù)是如何輸入的，90步從材料性質(zhì)文件42″輸入指定工作循環(huán)及溫度情況下的材料性質(zhì)。材料性質(zhì)文件42″與42′在物理上是相同的，90步在圖1B上示明并介紹如上，這是為計(jì)算容許應(yīng)力的。44步中提供存儲(chǔ)在上述材料性質(zhì)文件42中的數(shù)據(jù)的替代辦法也應(yīng)用在剩余壽命及初始容許顯示尺寸的計(jì)算中。其次，94步設(shè)定了一個(gè)初始應(yīng)力以便在96步以98的“最壞情況”條件為基礎(chǔ)使用方程(2)如以上50步的說明計(jì)算臨界裂紋尺寸acr。再次，在100步，如以上52步的說明為顯示選擇合適的裂紋擴(kuò)展規(guī)律。90步到100步的進(jìn)程在計(jì)算初始容許顯示尺寸和剩余壽命時(shí)基本上是同樣的。在102步，程序決定究竟是在12步選擇了計(jì)算初始容許顯示尺寸還是在32步選擇了計(jì)算剩余壽命。如果是選擇了計(jì)算剩余壽命，則繼續(xù)以圖1E所說明的步驟進(jìn)行處理。
如圖104步所示，對(duì)每一顯示都進(jìn)行計(jì)算。在104步，當(dāng)前裂紋尺寸被賦值為相應(yīng)于24步中從NDE文件26輸入顯示之一的一個(gè)初始值。隨之在108步，對(duì)具體的幾何形狀計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子K，將裂紋擴(kuò)展速度(da/dN)及循環(huán)次數(shù)(N)予以積累，把當(dāng)前裂紋尺寸(a)增加一個(gè)由擴(kuò)展率和循環(huán)次數(shù)的增長所指明的數(shù)量。疲勞裂紋擴(kuò)展率的通用公式如方程(3)所示(da)/(dN) =C1-Ke1+︱ (C2)/(Khe2) +{C3(tre3-C4)-Ke4+C5the5Khe6}-1︳-1(3) 此處-K是應(yīng)力強(qiáng)度因子的變化，Kh是持續(xù)時(shí)間內(nèi)的應(yīng)力強(qiáng)度因子，tr是上升時(shí)間，th是在具體溫度下持續(xù)的時(shí)間。參數(shù)值即系數(shù)C1～C5，及指數(shù)e1～e6均取決于包括溫度在內(nèi)的材料性質(zhì)。上升時(shí)間tr的影響常是小的，因此可忽略不計(jì)以簡(jiǎn)化方程(3)。同樣，在常規(guī)發(fā)電透平轉(zhuǎn)子工作在高峰為425℃(800°F)、沒有任何持續(xù)時(shí)間以及循環(huán)時(shí)間為1秒至10分的情況下，此方程可簡(jiǎn)化如方程(4)所示(da)/(dN) ＝2.3×10-9(-K)2.7(4)如果溫度不超過800°F，但有一個(gè)顯著的持續(xù)時(shí)間，則方程(3)可簡(jiǎn)化如方程(5)所示(da)/(dN) =7.2×10-10(-K)2.7+3.0×10-14×Kh5.6th]]>(5)
最后，作為供給方程(3)的參數(shù)值的例子，在1000°F常規(guī)透平轉(zhuǎn)子情形下，疲勞裂紋擴(kuò)展特性可由方程(6)給出(da)/(dN) =4.54×10-9(-K)2.51+｜ (1.2×1013)/((Kh)7.3) +｛9.55×10-7(tr0.263-0.069)×(-K)1、454+1.06×10-6(th)0.365×(Kh)1.27}-1｜-1(6)方程(3)～(6)與可從文獻(xiàn)上得到的透平轉(zhuǎn)子裂紋擴(kuò)展特性分析是相似的。透平轉(zhuǎn)子或其他材料在其他溫度和循環(huán)下的相似方程，可以從文獻(xiàn)或遵循裂紋擴(kuò)展特性文獻(xiàn)中介紹的用以得到上述方程的步驟得出類似的方程。
在110步，對(duì)所有顯示進(jìn)行最小缺陷孔帶距檢查。如果在112步按裂紋尖端塑性區(qū)尺寸發(fā)現(xiàn)了最小缺陷孔帶距，則在114步變換公式。隨之，如果當(dāng)前裂紋尺寸仍然小于臨界裂紋尺寸(acr)，則在120步中選擇下一個(gè)循環(huán)數(shù)增量，同時(shí)重復(fù)108、110、及112步。如果當(dāng)前裂紋尺寸大于或等于臨界裂紋尺寸，則在122步將加載塊數(shù)作為剩余壽命輸出，同時(shí)在124步繼續(xù)對(duì)下一個(gè)顯示進(jìn)行處理直到每個(gè)顯示都已作計(jì)算后處理停在123步。
如果在102步(圖1D)決定是12步選擇了計(jì)算初始容許顯示尺寸，則124步繼續(xù)處理如圖1F所示。初始容許顯示尺寸的計(jì)算開始于將96步計(jì)算的臨界裂紋尺寸(acr)賦值給一個(gè)當(dāng)前裂紋尺寸(a)並將一個(gè)當(dāng)前加載塊數(shù)設(shè)置為等于在70步輸入的周期數(shù)所指定的加載塊數(shù)。隨之，按以上所述相對(duì)于48步及116步計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子(K)。此外，在126步還要計(jì)算參數(shù)，例如Ct，這種計(jì)算以顯示的幾何形狀、材料性質(zhì)、及對(duì)象所受溫度和應(yīng)力為基礎(chǔ)。124步所計(jì)算的K值及其他參數(shù)在128步及130步用來對(duì)da/dt積分以計(jì)算蠕變裂紋擴(kuò)展率，然后如前所介紹相對(duì)于108步積累疲勞裂紋擴(kuò)展(da/dN)。蠕變裂紋擴(kuò)展率的持續(xù)時(shí)間函數(shù)可用方程(7)來計(jì)算(da)/(dt) ＝BCqt(7)例如，一個(gè)透平轉(zhuǎn)子在1000°F的溫度下持續(xù)了少于24小時(shí)，其蠕變裂紋擴(kuò)展率由方程(8)所確定。
(da)/(dt) ＝1.39×10-4Ct0.62(8)在132步，當(dāng)前裂紋尺寸(a)減少了在128步和130步對(duì)一個(gè)循環(huán)部份所計(jì)算出的蠕變裂紋擴(kuò)展和疲勞裂紋擴(kuò)展的數(shù)量。並從124步所設(shè)的加載塊當(dāng)前數(shù)中減去該周期部分。
如134步所指明，重復(fù)進(jìn)行126步、128步、130步和132步，直到加載塊的當(dāng)前數(shù)字接近于零為止。到此時(shí)，當(dāng)前裂紋尺寸(a)已減少到一個(gè)代表容許顯示尺寸的數(shù)值。這樣，在136步，當(dāng)前裂紋尺寸(a)可作為容許顯示尺寸而輸出。這個(gè)數(shù)據(jù)于是可以與從對(duì)象的NDE探傷得到的顯示尺寸相比較以便決定對(duì)象在相對(duì)于圖1F所述的分析中使用的加載塊所代表的環(huán)境下使用的適宜性。
雖然在上述關(guān)于選出的實(shí)施例的介紹中，絕大部份使用“對(duì)象”及“透平轉(zhuǎn)子”這兩個(gè)名詞是可以互換的，然而本發(fā)明并不限于分析透平轉(zhuǎn)子。許多類型的設(shè)備經(jīng)受循環(huán)的應(yīng)力變化或是在蠕變裂紋擴(kuò)展顯著的溫度下經(jīng)受應(yīng)力。按照本發(fā)明的方法可以用來分析兩種條件下的裂紋擴(kuò)展。此外，許多種類對(duì)象在其結(jié)構(gòu)中有微小的不連續(xù)，在對(duì)象長期經(jīng)受應(yīng)力后這些微小的不連續(xù)便可變成裂紋。以對(duì)象所經(jīng)受的應(yīng)力、溫度及其他因素的估計(jì)為基礎(chǔ)，本發(fā)明可以用來分析這些裂紋的擴(kuò)展以及各個(gè)裂紋彼此之間的互相影響。
本發(fā)明的許多特色和優(yōu)點(diǎn)從詳細(xì)的說明書中是顯而易見的，因此通過所附的權(quán)利要求，意圖是包括本方法的落入本發(fā)明真實(shí)精神和范圍之內(nèi)的全部特色和優(yōu)點(diǎn)。并且，對(duì)于嫻熟這一技術(shù)的人可以輕易地作出大量修改和變化，故不希望將本發(fā)明限制在說明過和介紹過的準(zhǔn)確結(jié)構(gòu)及工作過程范圍內(nèi)。相應(yīng)地，所有適宜的修改及相當(dāng)?shù)膬?nèi)容可以再分類到落入所附的權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
圖中所用參照號(hào)碼識(shí)別說明參照號(hào)碼圖選擇分析的轉(zhuǎn)子101A選擇121A分析顯示？141A蠕變裂紋開始發(fā)生？161A蠕變裂紋引發(fā)分析181ANDE文件？201A輸入初始尺寸221A讀入NDE數(shù)據(jù)241ANDE文件261A評(píng)估聲互相作用及聲-MP互相作用281A顯示分類301A選擇分析(1)計(jì)算剩余壽命，或(2)計(jì)算容許應(yīng)力321B計(jì)算容許應(yīng)力？341B常規(guī)方法？361B常規(guī)方法計(jì)算容許應(yīng)力381B輸入循環(huán)數(shù)及溫度401B材料性質(zhì)文件421B材料性質(zhì)文件42′1C材料性質(zhì)文件42″1D從材料性質(zhì)文件讀取工作循環(huán)及溫度441B
說明參照號(hào)碼圖估算應(yīng)力471C對(duì)特定的形狀計(jì)算K481C用KIC計(jì)算acr50 1C“最壞情況”條件511C為工作循環(huán)選擇裂紋擴(kuò)展規(guī)律521Ca＝ai54 1C積累循環(huán)次數(shù)直到a≥acr56 1C循環(huán)次數(shù)＝指定次數(shù)？581C改變應(yīng)力601C輸出容許應(yīng)力621C停止641C輸入循環(huán)次數(shù)701B選擇工作循環(huán)輸入(1)從SAFER(2)人工721BSAFER輸入？761B為每一顯示提取工作循環(huán)數(shù)據(jù)841DSAFER輸出文件861D指定加載塊數(shù)據(jù)881D從材料性質(zhì)文件讀取工作循環(huán)及溫度901D設(shè)定初始應(yīng)力941D計(jì)算acr96 1D“最壞情況”條件981D為顯示選擇裂紋擴(kuò)展規(guī)律1001D
說明參照號(hào)碼圖計(jì)算初始容許顯示尺寸？1021D設(shè)定a＝ai106 1E計(jì)算K，積累全部da/dN及N，并增加a1081E對(duì)最小缺陷孔帶距檢查互相影響1101E最小缺陷孔帶距？1121E變換公式1141E臨界裂紋尺寸？1181E增加△N和a1201E輸出加載塊數(shù)作為剩余壽命1221E停止1231E設(shè)定a＝acr并設(shè)定當(dāng)前的加載塊數(shù)到全部循環(huán)次數(shù)1241E計(jì)算K及參數(shù)Ct1261E積分da/dt以計(jì)算蠕變裂紋擴(kuò)展率1281F積累全部da/dN1301F減少a和減少加載塊數(shù)1321F加載塊數(shù)＝0？1341F輸出a作為容許顯示尺寸1361F
權(quán)利要求
1.在對(duì)探測(cè)到對(duì)象的裂紋擴(kuò)展和不連續(xù)顯示進(jìn)行分析之后，對(duì)在用的工件對(duì)象完成自動(dòng)機(jī)器評(píng)估所受應(yīng)力和溫度影響的方法。這里工件對(duì)象包含著不連續(xù)或裂紋，它們互相在蠕變裂紋擴(kuò)展中產(chǎn)生交叉影響，每一裂紋或不連續(xù)都產(chǎn)生一個(gè)顯示，這個(gè)顯示是裂紋或不連續(xù)的程度的代表信號(hào)。此方法的特征由以下步驟來表現(xiàn)(a)對(duì)顯示用計(jì)算機(jī)程序來應(yīng)用預(yù)先決定的標(biāo)準(zhǔn)以鑒別可能互相影響顯示；(b)對(duì)步驟(a)中鑒別了的每個(gè)顯示依互相影響的類型予以分類；以及(c)依據(jù)互相影響的類型對(duì)顯示應(yīng)用不同的裂紋擴(kuò)展模型。互相影響的類型是用(a)步驟中前述的鑒別和步驟(b)中的前述的分類來決定顯示尺寸、對(duì)象所受應(yīng)力以及對(duì)象的剩余壽命之間的關(guān)系。
2.權(quán)利要求1所敘述的方法，這里至少有部份應(yīng)力是在對(duì)組成對(duì)象的材料的蠕變成為重要因素的溫度不施加到對(duì)象上的。
3.權(quán)利要求2所敘述的一種方法，此處步驟(c)包括以下步驟(Cⅰ)指定對(duì)象工件所受的應(yīng)力溫度以及作為時(shí)間函數(shù)的對(duì)象溫度;(Cⅱ)為每一個(gè)顯示計(jì)算出一個(gè)應(yīng)力強(qiáng)度因子;(Cⅲ)積累每一個(gè)顯示經(jīng)過一段時(shí)間后顯示尺寸的變化;(Cⅳ)在最小的缺陷孔帶距內(nèi)合并互相影響的顯示使產(chǎn)生一個(gè)新的顯示;以及(Cⅴ)重復(fù)步驟(Cⅱ)～(Cⅳ)，直到顯示中的一個(gè)的顯示尺寸至少達(dá)到臨界裂紋尺寸同樣大為止。
4.權(quán)利要求3所敘述的方法，進(jìn)一步包含以下步驟(d)預(yù)測(cè)并展示對(duì)象的剩余壽命，其依據(jù)是當(dāng)顯示中的一個(gè)的讀數(shù)達(dá)到了步驟(Cⅴ)中的臨界裂紋尺寸時(shí)用步驟(Cⅲ)中前述的積累所代表的時(shí)間量。
5.權(quán)利要求2所敘述的方法，其中步驟(c)包括以下步驟(Cⅰ)在已知的最小缺陷孔帶距中合并互相影響的顯示以產(chǎn)生一個(gè)新的顯示;以及(Cⅱ)對(duì)在步驟(Cⅰ)中由合并互相影響的顯示所產(chǎn)生的新顯示應(yīng)用裂紋擴(kuò)展模式中的一種。
6.權(quán)利要求1中所敘述的方法，其中步驟(c)包含下列步驟(Cⅰ)計(jì)算一個(gè)顯示的應(yīng)力強(qiáng)度因子;(Cⅱ)對(duì)一個(gè)顯示所代表的尺寸預(yù)置裂紋尺寸;(Cⅲ)積累裂紋擴(kuò)展的時(shí)間函數(shù)，其條件是在設(shè)定的應(yīng)力水平下，應(yīng)用為一個(gè)顯示選定的裂紋擴(kuò)展模型，直到裂紋尺寸至少和臨界裂紋尺寸同樣大為止;(Cⅳ)將步驟(Cⅲ)中裂紋擴(kuò)展所代表的時(shí)間量與對(duì)象期待的壽命相比較;(Cⅴ)如果步驟(Cⅳ)中前述的比較發(fā)現(xiàn)時(shí)間量與對(duì)象的期待壽命有顯著差別，則在變動(dòng)設(shè)定的應(yīng)力水平之后重復(fù)步驟(Cⅱ)～(Cⅳ);以及(Cⅵ)如果在步驟(Cⅳ)中前述的比較發(fā)現(xiàn)時(shí)間量與對(duì)象的期待壽命基本相當(dāng)，則將每一個(gè)顯示的設(shè)定應(yīng)力水平作為對(duì)象的容許應(yīng)力輸出。
7.權(quán)利要求6中敘述的方法，其中步驟(Cⅰ)～(Cⅴ)對(duì)每一顯示重復(fù)進(jìn)行，和其中步驟(Cⅲ)包含在最小的缺陷孔帶距內(nèi)合并顯示使產(chǎn)生一個(gè)新的顯示。
8.權(quán)利要求7中敘述的方法，其中應(yīng)力隨時(shí)間而周期性地變化，以及其中步驟(Cⅲ)包含積累由加載塊定義的應(yīng)力變化循環(huán)數(shù)。
全文摘要
一種對(duì)工件對(duì)象中裂紋擴(kuò)展的分析方法，此分析方法考慮了可能變?yōu)榱鸭y的不連續(xù)，也考慮了蠕變對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響。通過在最壞情形條件下計(jì)算出一個(gè)臨界裂紋尺寸，以及定義表示溫度與應(yīng)力變化循環(huán)的加載塊，由此來決定在使用中的工件的剩余壽命。通過以臨界裂紋尺寸設(shè)定一個(gè)當(dāng)前裂紋尺寸并且逐步縮減當(dāng)前裂紋尺寸直到在以反向的次序?qū)⑺x的加載塊全部作用在當(dāng)前裂紋尺寸上，所謂反向是相對(duì)在計(jì)算包括蠕變影響在內(nèi)的實(shí)際裂紋擴(kuò)展率時(shí)的次序而言的。
文檔編號(hào)G01N29/14GK1038697SQ8910409
公開日1990年1月10日 申請(qǐng)日期1989年6月13日 優(yōu)先權(quán)日1988年6月13日
發(fā)明者V·P·斯懷米耐坦, 理查德·哈里·馬洛夫 申請(qǐng)人:西屋電氣公司