鎳基高溫緊固件的防斷裂設計方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及鎳基高溫緊固件的防斷裂設計方法，該方法包括以下步驟：S1、獲取設計工況參數(shù)；S2、選擇緊固件材料；S3、獲取材料性能數(shù)據(jù)；S4、確定單個緊固件的預緊應力；S5、確定穩(wěn)定工況下的服役應力σs；S6、設計緊固件的個數(shù)n、有效截面積A及其分布；S7、確定允許的最大裂紋尺寸；S8、結合高溫裂紋擴展門檻值Kth，確定最大允許服役應力σth；S9、比較服役應力σs是否小于最大允許服役應力σth；若是則設計周期內(nèi)該緊固件安全；否則返回S4步并降低預緊應力σp。
【專利說明】
鎳基高溫緊固件的防斷裂設計方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于鎳基高溫緊固件領域，涉及一種鎳基高溫緊固件的防斷裂設計方法， 更具體地說，涉及以高強度、低韌性的鎳基高溫合金為材料的緊固件設計，如鎳基高溫螺 栓、螺柱、螺母等的設計方法。
【背景技術】
[0002] 為符合節(jié)能降耗、高效環(huán)保的原則，電力、煉化、冶金以及航空等領域的設備呈現(xiàn) 出更高溫度、更大壓力、更長服役時間的發(fā)展趨勢。如超臨界電站單機組的功率已達1000MW 以上，工作參數(shù)600-650 °C /32-35MPa，設計壽命達30年;先進航空發(fā)動機渦輪前進口溫度高 達1980-2080°C，推重比達到15-20以上，最長機上壽命超過4萬小時；目前致力發(fā)展的700°C 火電、第4代核電技術也均是基于高溫高壓參數(shù)以及長設計壽命。隨著設備運行參數(shù)不斷提 升，現(xiàn)廣泛使用的鐵素體、馬氏體以及奧氏體等耐熱鋼材料將不能滿足部件對材料使用性 能的要求，這些工藝設備的實現(xiàn)必須大量使用強度更高、蠕變特性更好的鎳基高溫合金。
[0003] 鎳基高溫緊固件是指以鎳基合金為材料，高溫環(huán)境下緊固兩個或兩個以上零件緊 固連接成為一個整體時所采用的一類機械零件的總稱，主要包括:螺栓、螺柱、螺母等，廣泛 應用于電力、煉化、冶金以及航空等領域。
[0004] 現(xiàn)行的鎳基高溫緊固件的設計方法以強度理論為基礎，一般流程為：獲取工況參 數(shù)、選材、確定預緊力、設計緊固件排布及尺寸、緊固件受力分析、各種工況下強度校核(考 慮松弛影響）。
[0005] 然而，鎳基高溫緊固件斷裂事件屢見不鮮，如靖遠第二發(fā)電有限公司汽輪機 GH4145合金螺栓斷裂(2011年）、國產(chǎn)百萬千瓦超臨界電站發(fā)生大批Inconel783合金螺栓斷 裂(2012年)等，嚴重時造成停車、停產(chǎn)，導致巨大經(jīng)濟損失。究其原因是，鎳基高溫合金，雖 然具有較高的高溫強度及抗松弛性能，但其高溫韌性具有顯著的時間相關性，長時服役后 的韌性較低。保障高溫鎳基緊固件在服役周期內(nèi)不發(fā)生斷裂成為了設計關鍵。對于這一類 性能特性的材料，使用常規(guī)的基于強度理論的緊固件設計方法，雖然表象上表現(xiàn)出較高的 安全系數(shù)，但并未考慮材料斷裂性能這一關鍵的決定性因素，故而無法保障設備的安全運 行。
[0006] 因此，針對現(xiàn)有技術中常規(guī)緊固件設計方法并不適用于高溫強度高但韌性并不優(yōu) 異的鎳基高溫緊固件這一問題，本領域迫切需要開發(fā)出一種高溫環(huán)境下鎳基材料緊固件的 防斷裂設計新方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對鎳基高溫合金強度高、韌性低的特點，本發(fā)明提出了高溫環(huán)境下鎳基材料緊 固件的防斷裂設計新方法，提供了一種新的緊固件強度設計工藝，從而解決了現(xiàn)有技術中 存在的問題。
[0008] 本發(fā)明提供了一種鎳基高溫緊固件的防斷裂設計方法，該方法包括以下步驟：
[0009] Si、獲取設計工況參數(shù)，所述參數(shù)包括:設計溫度T、環(huán)境介質(zhì)、設計周期、被緊固材 料牌號及結構尺寸、實現(xiàn)緊固功能所需的力P;
[0010] &、根據(jù)步驟&中的設計溫度T及環(huán)境介質(zhì)選擇緊固件材料；
[0011] S3、獲取材料性能數(shù)據(jù)，所述數(shù)據(jù)包括:緊固件材料和被緊固材料的線性膨脹系數(shù) ab及a v，緊固件材料的彈性模量E、拉伸性能、應力松弛性能、高溫裂紋擴展門檻值Kth;
[0012] S4、根據(jù)步驟32中選擇的材料，確定單個緊固件的預緊應力％，其中，〇 p = 0.5Rp〇.2， 式中RpQ.2表示緊固件的0.2%塑性延伸強度；
[0013] &、確定步驟S沖的設計溫度T及設計周期下的應力松弛后的剩余應力〇r，其中， 〇r 通過材料性能數(shù)據(jù)庫查詢獲得，或者通過進行高溫松弛試驗測試獲得松弛曲線，采用 origin軟件、excel軟件或手繪繪制松弛曲線，并對曲線進行外推或內(nèi)插得到;計算穩(wěn)定工 況下的溫度應力〇t = E(av-ab)T;確定穩(wěn)定工況下的服役應力〇s，其中，〇s為〇 P+〇t和〇P中較大 者與比較取較小者；
[0014] S6、設計緊固件的個數(shù)n、有效截面積A及其分布；
[0015] S7、根據(jù)緊固件的無損檢測規(guī)定，確定允許的最大裂紋尺寸；
[0016] S8、假定步驟S7中確定的允許的最大裂紋尺寸垂直于緊固件受力方法，結合高溫裂 紋擴展門檻值Kth，計算得到最大允許服役應力〇th
，式中朽是通過應 力強度因子手冊查詢或有限元法計算獲得的，a是裂紋長度；
[0017] S9、比較步驟&中的服役應力〇s是否小于步驟S 8中的最大允許服役應力〇th;若是則 執(zhí)行步驟S1Q;否則返回步驟S 4,并降低預緊應力〇P;
[0018] S1Q、設計周期該緊固件不會發(fā)生裂紋擴展，構件安全;給出緊固件材料、個數(shù)n、有 效截面積A及其分布。
[0019] 在一個優(yōu)選的實施方式中，步驟S3中所述的材料性能數(shù)據(jù)是通過材料性能數(shù)據(jù)庫 查詢獲得的，若查詢不到則需進行相應的試驗測試獲得。
[0020] 在另一個優(yōu)選的實施方式中，所述線性膨脹系數(shù)采用熱膨脹儀測試獲得;所述彈 性模量E采用動態(tài)熱機械分析儀測試獲得;所述拉伸性能采用高溫圓棒拉伸測試獲得;所述 應力松弛性能進行高溫松弛試驗測試獲得;所述高溫裂紋擴展門檻值Kth采用緊湊拉伸試樣 進行高溫裂紋擴展試驗測試獲得初始應力強度因子與裂紋起裂時間曲線，并將曲線外推或 內(nèi)插得到設計周期下的高溫裂紋擴展門檻值Kth。
[0021] 在另一個優(yōu)選的實施方式中，所述設計周期下的高溫裂紋擴展門檻值Kth通過進行 短時高溫裂紋擴展試驗，對測試數(shù)據(jù)依據(jù)規(guī)律計算得到，式中，K為應力強度因子，^ 表示裂紋起裂時間，B與供為材料參數(shù)，由試驗數(shù)據(jù)擬合得到；將設計周期代入擬合后的方 程，計算獲得該設計周期下的應力強度因子K即為裂紋擴展門檻值K th。
[0022]在另一個優(yōu)選的實施方式中，在步驟S6中，根據(jù)步驟S5中得到的服役應力〇s，綜合 考慮密封面尺寸和力P，根據(jù)P = nA〇s，設計緊固件的個數(shù)n、有效截面積A及其分布。
[0023]在另一個優(yōu)選的實施方式中，步驟S7中允許的最大裂紋尺寸根據(jù)無損檢測技術的 最小可檢出缺陷尺寸及檢測和制造成本綜合考量確定。
[0024]在另一個優(yōu)選的實施方式中，所述無損檢測技術包括目視檢測、磁粉檢測和射線 檢測。
[0025] 有益效果：
[0026] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術中常規(guī)緊固件設計方法并不能保障高強度、低韌性的鎳基高 溫緊固件的完整性，開發(fā)出一種高溫環(huán)境下鎳基材料緊固件的防斷裂設計新方法，提供了 一種新的緊固件強度設計工藝。
【附圖說明】
[0027] 附圖是用以提供對本發(fā)明的進一步理解的，它只是構成本說明書的一部分以進一 步解釋本發(fā)明，并不構成對本發(fā)明的限制。
[0028] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的較佳實施方式的流程框圖。
[0029]圖2是根據(jù)本發(fā)明的較佳實施方式的由松弛試樣測試獲得的不同初始載荷下的應 力松弛曲線圖。
[0030] 圖3是根據(jù)本發(fā)明的較佳實施方式的由緊湊拉伸試樣測得的初始應力強度因子與 起裂時間的曲線圖。
[0031] 圖4是本申請實施例中螺栓形貌及其內(nèi)外表面裂紋缺陷示意圖。
【具體實施方式】
[0032] 本發(fā)明提供了一種鎳基高溫緊固件的防斷裂設計方法，該方法包括以下步驟：
[0033] Si、獲取設計工況參數(shù)，如設計溫度T、環(huán)境介質(zhì)、設計周期、被緊固構件的材料牌 號及結構尺寸、實現(xiàn)緊固功能所需的力(密封力)P;
[0034] &、根據(jù)步驟&中的設計溫度及環(huán)境介質(zhì)選擇緊固件材料；
[0035] S3、獲取材料性能數(shù)據(jù)，如緊固件材料和被緊固材料的線性膨脹系數(shù)ab及a v、緊固 件材料的彈性模量E、拉伸性能、應力松弛性能、高溫裂紋擴展門檻值Kth;
[0036] S4、根據(jù)步驟32中選擇的材料，確定單個緊固件的預緊應力，一般?。?= 0.51^0.2， 式中RpQ.2表示緊固件的0.2%塑性延伸強度；
[0037] &、確定步驟Si*設計溫度和設計周期下的應力松弛后的剩余應力計算穩(wěn)定工 況下的溫度應力〇t = E(av-ab)T;確定穩(wěn)定工況下的服役應力〇s;
[0038] S6、設計緊固件的個數(shù)n、有效截面積A及其分布；
[0039] S7、根據(jù)緊固件的無損檢測規(guī)定，確定允許的最大裂紋尺寸；
[0040] S8、假定步驟S7中確定的允許的最大裂紋尺寸垂直于緊固件受力方法，結合高溫裂 紋擴展門檻值Kth，由下式計算得到最大允許服役應力〇th
[0042]其中F:可通過應力強度因子手冊查詢或有限元法計算獲得，a是裂紋長度；
[0043] S9、比較步驟&中的服役應力〇s是否小于步驟S 8中的最大允許服役應力〇th;若是則 執(zhí)行步驟S1Q;否則返回步驟S4,并降低預緊應力〇P;
[0044] S1Q、設計周期該緊固件不會發(fā)生裂紋擴展，構件安全;給出緊固件材料、個數(shù)n、有 效截面積A及其分布。
[0045] 在本發(fā)明中，在步驟S3中，上述材料性能數(shù)據(jù)可通過材料性能數(shù)據(jù)庫查詢獲得，若 查詢不到則需進行相應的試驗測試。
[0046] 較佳地，線性膨脹系數(shù)可采用熱膨脹儀測試獲得;彈性模量可采用動態(tài)熱機械分 析儀測試獲得;拉伸性能可采用高溫圓棒拉伸測試獲得;松弛性能可進行高溫松弛試驗測 試獲得;高溫裂紋擴展門檻值可采用緊湊拉伸試樣進行短時高溫裂紋擴展試驗測試獲得初 始應力強度因子與裂紋起裂時間曲線，曲線外推或內(nèi)插得到設計周期下的裂紋擴展門檻 值。
[0047] 較佳地，初始應力強度因子與裂紋起裂時間曲線可采用origin軟件、excel軟件或 手繪進行繪制，并采用方程《=汝;"方程進行擬合，式中K為應力強度因子，^為裂紋起裂時 間，B與⑦為材料參數(shù)，由試驗數(shù)據(jù)擬合得到。將設計周期代入擬合后的方程，計算獲得該設 計周期下的應力強度因子K即為裂紋擴展門檻值K th。
[0048] 較佳地，在步驟&中，〇r可通過材料性能數(shù)據(jù)庫查詢獲得，若查詢不到可進行高溫 松弛試驗測試獲得松弛曲線，松弛曲線可采用origin軟件、excel軟件或手繪進行繪制，進 行外推或內(nèi)插得到;〇 s為〇P+〇t和〇P中較大者與~比較取較小者。
[0049]較佳地，根據(jù)步驟&中工作狀態(tài)下的服役應力〇s，綜合考慮密封面尺寸、密封力P等 因素，根據(jù)P = nA〇s，設計緊固件的個數(shù)n、有效截面積A及其分布。
[0050]較佳地，在步驟S7中，允許的最大裂紋尺寸可根據(jù)相應無損檢測技術如目視檢測、 磁粉檢測、射線檢測的最小可檢出缺陷尺寸及檢測、制造成本綜合考量確定。
[0051 ] 以下參看附圖。
[0052]圖1是根據(jù)本發(fā)明的較佳實施方式的流程框圖。如圖1所示，本發(fā)明的鎳基高溫緊 固件的防斷裂設計方法包括以下步驟：
[0053] S1Q1、獲取工況參數(shù):根據(jù)設計條件，如設計溫度、環(huán)境介質(zhì)、設計周期、被緊固構件 的材料牌號及結構尺寸、實現(xiàn)緊固功能所需的力(密封力)P，獲取設計工況參數(shù)；
[0054] S1Q2、選材:根據(jù)步驟S1Q1中的設計溫度及環(huán)境介質(zhì)，選擇緊固件材料；
[0055] S1Q3、獲取材料性能數(shù)據(jù):獲取緊固件材料和被緊固材料的線性膨脹系數(shù)a、緊固件 材料的高溫彈性模量E、高溫拉伸性能如0.2%塑性延伸強度RPo.2、緊固件材料的應力松弛 性能、緊固件材料的高溫裂紋擴展門檻值Kth;
[0056] SlQ4、確定預緊應力Op:根據(jù)步驟SlQ2中選擇的材料，確定單個緊固件的預緊應力， 一般取。p = 〇.5Rp0.2;
[0057] SlQ5、確定穩(wěn)定服役應力〇s :確定設計溫度和設計周期內(nèi)的剩余應力Or ; Or可通過材 料性能數(shù)據(jù)庫查詢獲得，若查詢不到可進行高溫松弛試驗測試獲得松弛曲線，松弛曲線可 采用origin軟件、excel軟件或手繪進行繪制，進行外推或內(nèi)插得到；
[0058]計算穩(wěn)定工況下的溫度應力〇t = E(av-ab)T，其中E為彈性模量，av為被緊固材料的 線性膨脹系數(shù)，ab為緊固件材料的線性膨脹系數(shù)，T為設計溫度；
[0059] 確定穩(wěn)定工況下的服役應力〇sS〇P+〇t和〇P中較大者與〇i?比較取較小者；
[0060] S1Q6、確定緊固件個數(shù)及尺寸:根據(jù)步驟S1Q5中工作狀態(tài)下的服役應力 〇s，綜合考慮 密封面尺寸、密封力P等因素，根據(jù)P = nA〇s，設計緊固件的個數(shù)n、有效截面積A及其分布； [0061] S1Q7、確定允許最大裂紋尺寸:根據(jù)緊固件的無損檢測規(guī)定，確定允許的最大裂紋 尺寸；
[0062] SlQ8、確定最大允許服役應力〇th:假定步驟SlQ7確定的允許最大裂紋尺寸垂直于緊 固件受力方法，結合高溫裂紋擴展門檻值Kth，計算得到最大允許服役應力〇th;最大允許服 役應力〇th可由下式計算得到
[0064]其中F:可通過應力強度因子手冊查詢或有限元法計算獲得，a是裂紋長度；
[0065] S1Q9、比較步驟S1Q5中的服役應力〇s是否小于步驟S1Q8中的最大允許服役應力〇th;若 是則執(zhí)行步驟Sno;否則降低預緊應力〇P，進行步驟&〇5至&1()直至 〇s〈〇th;
[0066] Sno、構件安全，給出設計結果:設計周期該緊固件不會發(fā)生裂紋擴展，構件安全； 步驟S1Q2及S1Q6中確定的緊固件材料、緊固件的個數(shù)n、有效截面積A及其分布為本次設計結 果。
[0067] 圖4是本申請實施例中螺栓形貌及其內(nèi)外表面裂紋缺陷示意圖。如圖4所示，D。為 螺栓外徑，Di為螺栓內(nèi)徑，a為裂紋長度，(^為螺栓服役應力，外表面裂紋表示螺栓外表面存 在裂紋的情況，內(nèi)表面裂紋表示螺栓內(nèi)表面存在裂紋的情況。
[0068] 實施例
[0069] 下面結合具體的實施例進一步闡述本發(fā)明。但是，應該明白，這些實施例僅用于說 明本發(fā)明而不構成對本發(fā)明范圍的限制。下列實施例中未注明具體條件的試驗方法，通常 按照常規(guī)條件，或按照制造廠商所建議的條件。除非另有說明，所有的百分比和份數(shù)按重量 計。
[0070] 實施例1:
[0071 ]某汽輪機高溫蒸汽閥門需要進行閥門螺栓設計。螺栓設計溫度為560°C，大氣環(huán) 境，設計周期100000小時，閥門所需的密封力為8500000N，閥門材料為GX12CrMoWVNbN10-1-1，閥門密封面外徑為1695mm，內(nèi)徑為1085mm。
[0072] 工藝流程如下：
[0073] 一、獲取設計工況參數(shù)。螺栓設計溫度T為560°C，閥門材料為GX12CrMoWVNbN10-1-1，閥門密封面外徑為1695mm、內(nèi)徑為1085mm，閥門所需的密封力P為8500000N。
[0074] GX12CrMoWVNbN10-1-l鋼化學成分（質(zhì)量分數(shù)，％ )
[0076] 二、根據(jù)560°C設計溫度選擇螺栓材料為Inconel 783合金。
[0077] Inconel 783合金化學成分(質(zhì)量分數(shù)，％)
[0079]三、采用熱膨脹儀(德國耐馳)測試獲得Inconel 783合金560°C下的線性膨脹系數(shù) ab為 1 ? 22E-5 1/°C，GX12CrMoWVNbN10-1-l鋼560°C下的線性膨脹系數(shù)av為 1 ? 24E-5 1/°C。采 用靜態(tài)法測試獲得560°C下的彈性模量E為144GPa。進行560°C下圓棒拉伸試驗，測試獲得 0.2%塑性延伸強度R pQ.2為630MPa。進行560°C下應力松弛試樣，測試獲得不同載荷下的應 力松弛性能，采用origin軟件繪制剩余應力 〇與時間t曲線，見圖2。采用緊湊拉伸試樣，進行 560°C空氣環(huán)境下的高溫裂紋擴展試驗，獲得初始應力強度因子K與裂紋起裂時間^曲線， 采用origin軟件繪制并擬合曲線X=52f 14,曲線外推得到100000小時時的裂紋擴展門 濫值為l〇.4MPa Vm(m表示米），見圖3。
[0080]四、確定單個螺栓的預緊應力，〇P = 0.5RP〇.2 = 0.5 X630MPa = 315MPa。
[0081 ] 五、根據(jù)Inconel 783合金560°C不同載荷下的應力松弛曲線，外推獲得100000小 時后的剩余應力為300MPa。計算穩(wěn)定工況下的溫度應力〇t = E(av-ab)T = 144000 X (1 ? 24E-5 - 1 ? 22E-5) X 560 = 16MPa。確定穩(wěn)定工況下的服役應力〇s = [ [0P+0t，0P]max，〇r]min = [[315+16,315]max,300]min = 300MPa〇
[0082] 六、綜合考慮密封面尺寸、密封力P等因素，根據(jù)P = nA〇s，確定螺栓個數(shù)為24個，螺 栓有效截面積為1180mm2?？紤]到施工等要求，設計螺栓外徑D。為46mm，內(nèi)徑Di為25mm。如圖4 所示。
[0083] 七、根據(jù)無損檢測規(guī)定，允許的最大裂紋尺寸為1mm深的線缺陷。
[0084] 八、當允許的最大裂紋垂直于緊固件受力方法為最危險工況，如圖4所示，結合高 溫裂紋擴展門檻值Kth= 10.4MPa V m，計算最大允許服役應力〇th
[0086]其中F:可通過應力強度因子手冊查詢獲得，內(nèi)、外表面裂紋的？:值均為1.19。最大 允許服役應力〇th為156MPa。
[0087]九、明顯，穩(wěn)定工況下的服役應力〇s大于最大允許服役應力〇th。降低預緊應力 〇1)為 140MPa。進行五至九步分析，詳細如下：
[0088] 9-5、計算得到穩(wěn)定工況下的服役應力〇s = [ [0p + 0t，Op] max, 〇r]min = [[ 140 + 16， 140]max,300]min=156MPa；
[0089] 9-6、確定螺栓個數(shù)為24個，螺栓有效截面積為2280mm2，螺栓外徑D。為60mm，內(nèi)徑Di 為25mm;
[0090] 9-7、根據(jù)無損檢測規(guī)定，允許的最大裂紋尺寸為1mm深的線缺陷；
[0091] 9-8、當允許最大裂紋垂直于緊固件受力方法為最危險工況，結合高溫裂紋擴展門 檻值Kth，計算最大允許服役應力〇th
[0093]其中F:可通過應力強度因子手冊查詢獲得，內(nèi)、外表面裂紋的？:值均為1.16。最大 允許服役應力〇th為160MPa。
[0094] 9-9、穩(wěn)定工況下的服役應力~小于最大允許服役應力〇th。
[0095] 十、560°C，100000小時設計周期內(nèi)螺栓不會發(fā)生裂紋擴展，構件安全。該高溫蒸汽 閥門需要螺栓24個，螺栓直徑D〇 = 60mm，內(nèi)徑Di = 25mm，材料為Inconel 783合金。
[0096] 上述所列的實施例僅僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非用來限定本發(fā)明的實施范 圍。即凡依據(jù)本發(fā)明申請專利范圍的內(nèi)容所作的等效變化和修飾，都應為本發(fā)明的技術范 疇。
[0097] 在本發(fā)明提及的所有文獻都在本申請中引用作為參考，就如同每一篇文獻被單獨 引用作為參考那樣。此外應理解，在閱讀了本發(fā)明的上述講授內(nèi)容之后，本領域技術人員可 以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范 圍。
【主權項】
1. 一種鎳基高溫緊固件的防斷裂設計方法，該方法包括以下步驟： Si、獲取設計工況參數(shù)，所述參數(shù)包括:設計溫度T、環(huán)境介質(zhì)、設計周期、被緊固材料牌 號及結構尺寸、實現(xiàn)緊固功能所需的力P; &、根據(jù)步驟31中的設計溫度T及環(huán)境介質(zhì)選擇緊固件材料； &、獲取材料性能數(shù)據(jù)，所述數(shù)據(jù)包括:緊固件材料和被緊固材料的線性膨脹系數(shù)ab及 ~，緊固件材料的彈性模量E、拉伸性能、應力松弛性能、高溫裂紋擴展門檻值Kth; S4、根據(jù)步驟32中選擇的材料，確定單個緊固件的預緊應力〇1)，其中，〇p = 0.5RpQ.2,式中 RPo. 2表示緊固件的0.2 %塑性延伸強度； &、確定步驟S沖的設計溫度T及設計周期下的應力松弛后的剩余應力〇r，其中，〇r通過 材料性能數(shù)據(jù)庫查詢獲得，或者進行高溫松弛試驗測試獲得松弛曲線，采用origin軟件、 excel軟件或手繪繪制松弛曲線，并對曲線進行外推或內(nèi)插得到;計算穩(wěn)定工況下的溫度應 力〇t = E(av-ab)T;確定穩(wěn)定工況下的服役應力〇s，其中，〇s為〇 P+〇t和〇P中較大者與〇r比較取 較小者； 56、 設計緊固件的個數(shù)n、有效截面積A及其分布； 57、 根據(jù)緊固件的無損檢測規(guī)定，確定允許的最大裂紋尺寸； 58、 假定步驟S7中確定的允許的最大裂紋尺寸垂直于緊固件受力方法，結合高溫裂紋擴 展門檻值Kth，計算得到最大允許服役應力〇th，其中，式中F:是通過應力 強度因子手冊查詢或有限元法計算獲得的，a是裂紋長度； 59、 比較步驟&中的服役應力〇s是否小于步驟S8中的最大允許服役應力〇th;若是則執(zhí)行 步驟S 1Q;否則返回步驟S4,并降低預緊應力〇P; S1〇、設計周期該緊固件不會發(fā)生裂紋擴展，構件安全;給出緊固件材料、個數(shù)n、有效截 面積A及其分布。2. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S3中所述的材料性能數(shù)據(jù)是通過材料性 能數(shù)據(jù)庫查詢獲得的，若查詢不到則需進行相應的試驗測試獲得。3. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述線性膨脹系數(shù)采用熱膨脹儀測試獲得； 所述彈性模量E采用動態(tài)熱機械分析儀測試獲得;所述拉伸性能采用高溫圓棒拉伸測試獲 得;所述應力松弛性能進行高溫松弛試驗測試獲得;所述高溫裂紋擴展門檻值Kth采用緊湊 拉伸試樣進行高溫裂紋擴展試驗測試獲得初始應力強度因子與裂紋起裂時間曲線，并將曲 線外推或內(nèi)插得到設計周期下的高溫裂紋擴展門檻值K th。4. 如權利要求3所述的方法，其特征在于，所述設計周期下的高溫裂紋擴展門檻值Kth通 過進行短時高溫裂紋擴展試驗，對測試數(shù)據(jù)依據(jù)夂=樹r規(guī)律計算得到，式中，K為應力強度 因子，U表示裂紋起裂時間，B與P為材料參數(shù)，由試驗數(shù)據(jù)擬合得到;將設計周期代入擬合 后的方程，計算獲得該設計周期下的應力強度因子K即為裂紋擴展門檻值K th。5. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟S6中，根據(jù)步驟S5中得到的服役應力 〇 s，綜合考慮密封面尺寸和力P，根據(jù)P = nA〇s，設計緊固件的個數(shù)n、有效截面積A及其分布。6. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S7中允許的最大裂紋尺寸根據(jù)無損檢測 技術的最小可檢出缺陷尺寸及檢測和制造成本綜合考量確定。7. 如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述無損檢測技術包括目視檢測、磁粉檢測 和射線檢測。
【文檔編號】G01N33/20GK106053752SQ201610353421
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月25日
【發(fā)明人】軒福貞, 談建平, 宮建國, 劉霞
【申請人】華東理工大學, 上海汽輪機廠有限公司