Service-like thermo-mechanical fatigue characteristics of 1CrMoV rotor steel

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1 Research Collection Doctoral Thesis Service-like thermo-mechanical fatigue characteristics of 1CrMoV rotor steel Author(s): Colombo, Francesco Publication Date: 2007 Permanent Link: Rights / License: In Copyright - Non-Commercial Use Permitted This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For more information please consult the Terms of use. ETH Library

2 Diss. ETH No Service-like thermo-mechanical fatigue characteristics of 1CrMoV rotor steel A thesis submitted to the SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY for the degree of Doctor of Technical Sciences Presented by FRANCESCO COLOMBO Dottore in Ingegneria dei Materiali, Politecnico di Milano born July 22, 1976 citizen of Italy Accepted on the recommendation of Prof. Dr. E. Mazza, examiner Prof. Dr. A. Pineau, coexaminer Dr. S.R. Holdsworth, coexaminer Zurich, 2007

3 Sommario L acciaio ferritico basso legato 1CrMoV è un materiale ampiamente utilizzato negli impianti di produzione dell energia elettrica per la costruzione di componenti meccaniche resistenti ad alte temperature, in particolare dei rotori di turbine a vapore in grado di operare sino a ~565 C all ingresso degli stadi di alta e media pressione delle turbine. In questo lavoro di tesi viene descritto un articolato progetto di ricerca, intrapreso al fine di (i) studiare il comportamento ciclico a fatica termica dell acciaio 1CrMoV in condizioni di carico simili a quelle di esercizio dei rotori di turbine, (ii) migliorare la procedura per il calcolo del ciclo di vita dei rotori di turbine a vapore e (iii) comprendere meglio l interazione del danno a creep e a fatica, che si può verificare nei rotori a causa delle severe condizioni di carico in corrispondenza degli intagli o delle discontinuità geometriche, dove gli sforzi vengono intensificati. Il progetto di ricerca è stato sviluppato in tre fasi, in cui diversi tipi di provini in acciao 1CrMoV sono stati sottoposti a cicli di fatica termica con lo scopo di riprodurre nei provini di laboratorio le reali condizioni di carico termo-meccaniche agli intagli di un rotore di turbina a vapore in esercizio. La prima fase della ricerca è stata dedicata a studiare il comportamento a fatica termica di provini uniassiali lisci in acciaio 1CrMoV. I provini sono stati sottoposti a cicli di fatica termo-meccanica (TMF) caratterizzati da basse velocità di deformazione, da lunghi tempi di mantenimento alla massima temperatura e deformazione del ciclo e da profili di controllo della temperatura e della deformazione rappresentativi delle condizioni di carico agli intagli di un rotore di turbina a vapore in esercizio. Analizzando questi esperimenti è stato sviluppato un semplice modello costitutivo del materiale, basato su una legge sforzo-deformazione elasto-plastica con incrudimento cinematico per descrivere la deformazione plastica indipendente dal tempo e su una legge di creep di Norton-Bailey per descrivere la deformazione plastica dipendente dal tempo. La seconda fase della ricerca si è focalizzata sullo studio del comportamento a creep-fatica di provini uniassiali cilindrici con intaglio circonferenziale. I provini intagliati in acciao 1CrMoV sono stati sottoposti a cicli di fatica termica a temperatura costante (N-LCF) e a cicli di fatica termo-meccanica (N-TMF). Questi ultimi sono stati calibrati in modo da riprodurre all apice dell intaglio dei provini cicli di temperatura e deformazione simili a quelli utilizzati negli esperimenti di fatica termo-meccanica su provini lisci (esperimenti TMF). In questo modo si è potuto eseguire un confronto diretto tra la vita a fatica termica dei provini intagliati (il numero di cicli di carico necessari ad innescare la frattura all apice dell intaglio) e la vita a fatica termica dei provini lisci (il numero di cicli di carico necessari ad innescare la frattura alla vii

4 superficie dei provini). Nell ultima fase del progetto sono stati realizzati innovativi esperimenti di fatica termica su speciali provini in acciaio 1CrMoV progettati per poter riprodurre il più fedelmente possibile le condizioni di carico che possono verificarsi agli intagli di un rotore di turbina a vapore in esercizio in termini di (i) ciclo di temperatura e deformazione, (ii) stato di sforzo multiassiale ed (iii) elevati gradienti di deformazione all intaglio. A questo scopo, cicli termici caratterizzati da severe escursioni di temperatura sono stati applicati a due provini di grosse dimensioni (circa 200x200x200 mm 3 ) in cui sono stati praticati due intagli profondi 10 mm e con una geometria complessa. Grazie a questa articolata campagna sperimentale sono stati raccolti dati preziosi sulla vita a fatica termica dell acciaio 1CrMoV, che hanno costituito un riferimento per verificare l efficacia di diverse metodologie di calcolo della vita a fatica nel prevedere il numero esatto di cicli di carico all innesco della frattura nei diversi provini sottoposti a complessi cicli di fatica termica, come quelli che possono verificarsi agli intagli di un rotore in esercizio. Al termine degli esperimenti di fatica termica è stata eseguita un analisi metallografica su ogni provino, al fine di caratterizzare il danno di fatica termica e i rispettivi meccanismi di rottura associati a ciascun tipo di ciclo termo-meccanico. I metodi sperimentali adottati, i risultati dei diversi esperimenti di fatica termica e gli obbiettivi raggiunti nel progetto di ricerca sono descritti in questa tesi. viii

5 Abstract 1CrMoV is a low alloy ferritic steel widely used in the power generation industry for the manufacture of high temperature turbine components, in particular steam turbine rotors operating up to ~565 C at the inlet stages of high and intermediate pressure (HP/IP) steam turbines. In this thesis work is described an extensive project, which has been undertaken in order to (i) investigate the cyclic thermal fatigue behaviour of 1CrMoV turbine rotor steel under service-like loading conditions, (ii) improve the procedure for lifetime calculation of high temperature steam turbine rotors and (iii) gather further understanding of the creep-fatigue damage interaction occurring at a turbine rotor stress increasing feature during operation. The research project was developed in three phases, in which different types of 1CrMoV specimens have been subjected to thermal fatigue cycles in an effort to reproduce in the laboratory specimens the real thermo-mechanical loading conditions experienced at a critical feature of a steam turbine rotor in service. In the first part of the research project, the thermal fatigue behaviour of 1CrMoV uniaxial plain specimens under service-like loading cycles was studied by means of thermo-mechanical fatigue (TMF) cycles, characterized by low strain rates, hold periods at the peak temperature and strain and temperature histories representative of the conditions at a steam turbine rotor feature in operation. A relatively simple constitutive model was developed based on an elasto-plastic stress-strain law with kinematic hardening for time independent plasticity and the Norton-Bailey creep law for time dependent plasticity. The second part of this research focussed on the creep-fatigue behaviour of 1CrMoV circumferentially notched bars with isothermal fatigue (N-LCF) and thermo-mechanical fatigue (N-TMF) experiments. For the N-TMF tests the temperature and loading histories at the notch root were similar to the servicelike TMF cycle type applied in uniaxial tests. The endurances from these tests could therefore be directly compared with uniaxial data. In the last phase of the project, service-like thermal fatigue experiments with component-like testpieces were investigated. A novel thermal fatigue experiment was implemented, involving the application of thermal cycles with severe temperature gradients to two large (approximately 200x200x200mm 3 ) 3D feature specimens with a complex 10 mm deep groove. The experiment aimed to reproduce at specific notch locations loading conditions as close as possible to those of a high temperature steam turbine rotor feature in service also in terms of multi-axial stress state and significant strain gradients at the notch. Valuable thermal fatigue endurance data for 1CrMoV steel were gathered by means of this experimental campaign and were taken as benchmak to verifiy ix

6 the capabilities of different lifetime assessment methodologies for predicting the exact number of cycles to crack initiation in all specimens subjected to complex service-like thermal fatigue cycles. Metallographic post-test inspection was performed on all specimens in order to establish the character of the thermal fatigue damage and the respective mechanisms of failure associated to each TMF cycle type. Adopted experimental methods, results of the thermal fatigue tests and achievements of the research project are described in this work. x