Fatigue Crack Propagation Under Variable Amplitude Loading in Steels Used in Francis Turbine Runners

Les turbines hydrauliques sont soumises à de très grands nombres de cycles à faible amplitude de contrainte et à haute fréquence. Ces petits cycles sont générés par des phénomènes hydrauliques et sont superposés à une contrainte statique de tension. Aussi, dépendant des conditions de fonctionnement, il est possible d'avoir superposé aux petits cycles un plus faible nombre de grands cycles à forte amplitude de contrainte et basse fréquence. On a ainsi en pratique une superposition de petits cycles, de grands cycles et d'une contrainte statique de tension durant les 70 ans de durée de vie de la turbine. Les turbines hydrauliques qui sont fabriquées à partir des aciers AISI 415, ASTM A516, et AISI 304L (notés 415, A516, et 304L pour simplification) sont soumises à de telles contraintes cycliques et statique. Ces contraintes ont pour effet de favoriser la propagation des défauts existants dans les roues des turbines et peuvent mener à leur rupture. Pour éviter la propagation des fissures, les petits cycles doivent induire un ΔK qui est en dessous du seuil de fatigue. Néanmoins, les grands cycles peuvent contribuer à propager ces fissures. Ainsi, pour prédire la vitesse de propagation des fissures dans de telles conditions de cycles superposés, on a recours à la sommation linéaire de dommage (SLD). Il a été observé que les grands cycles superposés aux petits cycles peuvent induire une diminution du seuil de fatigue des petits cycles. Différentes procédures ont été proposées dans la littérature pour mesurer les seuils associés au petits cycles seuls et avec superposition des grands cycles. Cependant, la plupart des procédures ne minimise pas la fermeture induite lors de la mesure du seuil conduisant ainsi à une surestimation de leur valeur. La présente étude propose de nouvelles procédures d'essais pour réduire la fermeture lors de la mesure du seuil de fatigue pour les aciers mentionnés précédemment. De plus, différentes études ont démontré que les fissures peuvent se propager plus rapidement sous l'effet des grands cycles que ce que prédit la SLD. Nous vérifierons ainsi la précision de la prédiction LDS par rapport aux mesures de propagation. Dans une première étude, la propagation des fissures par l'interaction de petits et de grands cycles est caractérisée dans les trois aciers. Les cycles de base sont entrecoupés par les grands cycles. Les vitesses de propagation des fissures par les cycles de base et les grands cycles de sous-charges sont additionnées dans la SLD pour évaluer la vitesse de propagation de fissure.

Abstract

Hydraulic turbine runners are subjected to a very large number of cycles with small stress amplitudes at high frequencies. These cycles are generated by hydraulic phenomena and are superimposed to a tensile static stress. Depending on the operating conditions, much lower number of large cycles are generated with large stress amplitudes at low frequencies. As a summary, the whole stress spectrum consists of small cycles superimposed to a tensile static stress that is intercut with large cycles during the 70 years design life of turbine runners. Turbine runners, which are fabricated from AISI 415, ASTM A516, and AISI 304L steels (i.e. called 415, A516 and 304L for simplicity), are subjected to the aforementioned stress cycles. The imposed stress spectrum propagates the existing defects or cracks in turbine runners and may lead to their failure. In order to avoid crack propagation, the small cycles should induce a ΔK that is lower than the fatigue threshold. Nonetheless, the crack can grow due to large cycles. As a result, linear damage summation (LDS) is employed to predict the crack growth. The large cycles superimposed to small cycles can also induce a decrease in fatigue threshold of the small cycles. Different test procedures have been proposed to measure the fatigue threshold of small cycles and the ones superimposed to large cycles; however, most of them do not minimize the crack closure while reaching the fatigue threshold leading to an overestimation of fatigue thresholds. In this study new test procedures are proposed in order to minimize crack closure while reaching the fatigue thresholds in turbine runner steels. Different studies have shown that crack can grow faster than the LDS prediction due to the interaction between large cycles. Therefore, we verify the precision of LDS prediction compared to the measured crack growth rates. In this first study, crack growth due to the interaction between two large cycles is investigated in the three aforementioned turbine runner steels. Baseline cycles are periodically intercut by an underload cycle. This variable amplitude loading is hereafter called periodic underloads. Crack growth rates of baseline cycles and underload cycles are summated in LDS to predict crack growth under periodic underloads. Crack growth measured under periodic underloads is then compared to LDS prediction. A ratio between the measured and predicted crack growth, that is greater than unity, is defined as an acceleration factor.