Probabilistic approach to LCF design of turbine components

Turbine components are heavy duty safety critical components that are usually designed with a safe-life LCF approach based on design life curves with suitable probabilistic life margins. In particular, in order to design with a defined reliability,we need to use safety margins that do not only include the scatter of life but also the variability in loads. Given this need, the aim of this work is to propose a format based on first order approximation for the reliability calculation of a design point ( e - N ), which takes into account both the combined cyclic and fatigue response of a steel and the cited variability of the applied loads. To validate that method, a correct statistical modelling is needed. To provide that, several Monte Carlo simulations are introduced and deeply studied for two types of steel in the first part of this work. In doing that, correlations among Ramberg Osgood and Coffin Manson Basquin models have been analysed. Also, the statistical reliability of the compatibility laws has been checked. Finally, in the last part of the work, thanks to the collaboration with Ansaldo Sviluppo Energia, correlations among monotonic and LCF behaviour have been analysed, and simplified methods have been statistically studied for possible industrial applications. All the achieved results have been applied on real design curves adopted for power generation applications.

I componenti di turbine sono considerati come critici, visti gli elevati sforzi a cui sono sottoposti e l'impatto che una loro rottura potrebbe avere. Per questo sono solitamente progettati a LCF con approccio safe-life, basato sull'utilizzo di curve di design traslate mediante l'utilizzo di opportuni coefficienti di sicurezza. Per progettare con meglio defniti valori di affidabilità, però, tali coefficienti di sicurezza devono non solo tenere conto dello scatter della vita a fatica, bensì devono includere anche la variabilità degli sforzi applicati al componente. Al giorno d'oggi, tuttavia, la letteratura propone dei coefficienti ben definiti per il comportamento a fatica per alto numero di cicli (HCF) ma non offre dettagliate informazioni per il caso LCF. L'obiettivo di questo lavoro, dunque, è quello di proporre un semplice format basato sull'approssimazione del primo ordine che permetta di calcolare l'affidabilità di una coppia di valori di design ( e-N ) includendo non solo la risposta del materiale ma anche la variabilità dei carichi ad esso sottoposti. Per validare tale metodo, quindi, è necessaria una dettagliata ed affidabile modellazione statistica del fenomeno della fatica e per questo, nella prima parte di questo lavoro, vengono proposte una serie di simulazioni Monte Carlo. Alcune di esse sono basate sulle forti correlazioni tra il comportamento ciclico e quello a fatica, altre, invece, sono basate su delle semplici ma efficaci semplificazioni. Nell'effettuare queste simulazioni, non vengono validate solo le relazioni tra il modello di Ramberg Osgood e quello di Coffin Manson Basquin a 4 parametri, bensì viene validata anche l'efficacia statistica delle leggi di compatibilità che legano tali modelli. Tutte queste analisi sono state svolte principalmente su due acciai: a 9CrMo and a HSLA 950X. Nell'ultima parte del lavoro, infine, grazie alla collaborazione con Ansaldo Sviluppo Energia, sono state studiate anche le correlazioni che intercorrono tra le proprietà statiche monotone ed il comportamento a fatica dei materiali, ed è stata analizzata statisticamente anche l'efficacia di semplificati modelli di descrizione della fatica LCF. Tutti i risultati ottenuti in questo studio sono stati applicati ad acciai utilizzati per applicazioni di produzione di potenza.