低壓汽輪機(jī)末級(jí)超長(zhǎng)葉片材料

彭建強(qiáng)，李宇峰

(哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱，150046)

低壓汽輪機(jī)末級(jí)超長(zhǎng)葉片材料

彭建強(qiáng)，李宇峰

(哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱，150046)

因?yàn)槟┘?jí)葉片長(zhǎng)度決定了低壓汽缸的數(shù)量、汽輪機(jī)的總長(zhǎng)并最終決定電廠占地尺寸，對(duì)機(jī)組效率和電廠的建設(shè)成本有很大影響，所以末級(jí)葉片是汽輪機(jī)中非常關(guān)鍵的部件。然而，由于末級(jí)葉片尺寸大，工況條件嚴(yán)苛，對(duì)材料有著非常高的要求。因此，世界各國(guó)的汽輪機(jī)制造商都非常重視末級(jí)葉片材料的研發(fā)。目前，共有3類末級(jí)葉片材料，即：馬氏體不銹鋼、沉淀硬化不銹鋼和鈦合金。文章介紹了廣泛使用及最新研發(fā)的末級(jí)葉片材料，比較了鋼制和鈦合金末級(jí)葉片材料的優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合國(guó)內(nèi)超長(zhǎng)尺寸末級(jí)葉片模鍛件制造能力，對(duì)國(guó)內(nèi)高參數(shù)超超臨界汽輪機(jī)超長(zhǎng)葉片材料的研發(fā)給出了建議。

末級(jí)葉片，馬氏體不銹鋼，沉淀硬化不銹鋼，鈦合金

1 前言

由于環(huán)境問(wèn)題日益引起重視，對(duì)電廠溫室氣體排放要求也越來(lái)越嚴(yán)格，因此市場(chǎng)對(duì)高效、低成本發(fā)電設(shè)備的需求越來(lái)越大。末級(jí)葉片尺寸決定了汽輪機(jī)低壓缸的數(shù)量，增加末級(jí)葉片的長(zhǎng)度除了可以顯著提高機(jī)組效率外，還可以減少低壓缸數(shù)量，進(jìn)而降低火電廠的建設(shè)成本，因此，國(guó)內(nèi)外汽輪機(jī)制造商都非常重視超長(zhǎng)葉片的研發(fā)，并且都形成了獨(dú)有的末級(jí)葉片系列。圖1給出了三菱公司的末級(jí)葉片系列。然而，汽輪機(jī)末級(jí)葉片越長(zhǎng)，則離心力就越大。另外，末級(jí)葉片還受到腐蝕環(huán)境及轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)帶來(lái)的同步激振力作用。因此，末級(jí)葉片對(duì)材料有著很高的性能要求，尤其是對(duì)材料的強(qiáng)度和塑韌性都有著非常高的要求。

圖1 三菱公司的末級(jí)葉片系列及其應(yīng)用[1]

截止目前為止，世界上主要汽輪機(jī)制造商的末級(jí)葉片材料如表1所示。從中可以看出，末級(jí)葉片材料主要分為3類，即：馬氏體不銹鋼、沉淀硬化不銹鋼和鈦合金。本文介紹了廣泛使用及最新研發(fā)的末級(jí)葉片材料，比較了鋼制和鈦合金末級(jí)葉片材料的優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合國(guó)內(nèi)超長(zhǎng)尺寸末級(jí)葉片模鍛件制造能力，對(duì)國(guó)內(nèi)高參數(shù)超超臨界汽輪機(jī)超長(zhǎng)葉片材料的研發(fā)給出了建議。

表1 世界主要汽輪機(jī)末級(jí)葉片材料[1-15]

2 馬氏體不銹鋼

在汽輪機(jī)的發(fā)展早期，由于機(jī)組的功率較低，末級(jí)葉片及轉(zhuǎn)子的尺寸不是太大，工況條件也不是太嚴(yán)苛，因此，傳統(tǒng)的馬氏體不銹鋼，比如2Cr13等，即可以滿足低壓汽輪機(jī)末級(jí)葉片的用材需求。但是，隨著汽輪機(jī)功率的不斷增加，蒸汽參數(shù)的不斷提高，傳統(tǒng)馬氏體不銹鋼已經(jīng)無(wú)法滿足低壓汽輪機(jī)末級(jí)葉片的用材要求。因此，國(guó)外汽輪機(jī)制造商開(kāi)發(fā)了新型的Cr-Ni-Mo-V和Cr-Ni-Nb-Mo-V馬氏體不銹鋼，分別用作1 092 mm和1 200 mm末級(jí)葉片材料。

2.1 鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能

為了滿足3 000 r/min汽輪機(jī)用1 092 mm末級(jí)葉片的用材要求，日本開(kāi)發(fā)了Cr-Ni-Mo-V鋼，命名為KT5312AS6。3 600 r/min汽輪機(jī)末級(jí)葉片用馬氏體不銹鋼的長(zhǎng)度極限為840 mm，3 000 r/ min汽輪機(jī)末級(jí)葉片用馬氏體不銹鋼的長(zhǎng)度極限為1 200 mm[16]。在KT5312AS6的基礎(chǔ)上，通過(guò)提高C、Ti、Mo含量，降低V、Si、Mn，并添加Nb元素，日立公司開(kāi)發(fā)出了滿足3 000 r/min汽輪機(jī)末級(jí)葉片用Cr-Ni-Nb-Mo-V馬氏體不銹鋼。

KT5312AS6和Cr-Ni-Nb-Mo-V鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表2和表3所示。

表2 KT5312AS6和Cr-Ni-Nb-Mo-V鋼的化學(xué)成分[17-19]wt%

表3 KT5312AS6和Cr-Ni-Nb-Mo-V鋼的力學(xué)性能[17-20]

2.2 鋼的特性

對(duì)于末級(jí)葉片材料，必須具有很好的韌性、沖擊性能和疲勞性能。但是，如果鋼中含有較多的δ-鐵素體，那么其會(huì)沿變形方向呈帶狀分布，從而顯著降低鋼在垂直于變形方向的韌性、沖擊性能及疲勞性能。因此，必須嚴(yán)格控制鋼中的δ-鐵素體含量，通常末級(jí)葉片材料技術(shù)條中規(guī)定δ-鐵素體含量應(yīng)不超過(guò)1%。

如何控制鋼中δ-鐵素體含量？一般來(lái)說(shuō)，有2種方式，即：控制鋼的化學(xué)成分和熱加工工藝。

首先，鋼中δ-鐵素體的形成主要與化學(xué)成分有關(guān)。國(guó)內(nèi)外通常采用Cr當(dāng)量（Cr-eq）表征鋼中δ-鐵素體的形成傾向。Cr當(dāng)量公式如下：

國(guó)內(nèi)外學(xué)者一般認(rèn)為當(dāng)Cr當(dāng)量小于10時(shí)，鋼中不會(huì)形成δ-鐵素體[21]。

從式（1）可以看出，Cr、Si、Mo、W、V、Nb是鐵素體形成元素，而C、N、Ni、Mn和Co是奧氏體形成元素。每一元素對(duì)鋼的性能影響都是非常復(fù)雜的，比如Nb元素，它是鐵素體形成元素，會(huì)促進(jìn)δ-鐵素體的形成，而同時(shí)它又是強(qiáng)烈的碳化物形成元素，能夠形成細(xì)小彌散分布的NbC，從而起到細(xì)化晶粒的作用，顯著提高鋼的強(qiáng)度。因此，某些鋼種在進(jìn)行成分設(shè)計(jì)時(shí)，必須充分考慮各種元素對(duì)性能的影響。對(duì)于KT5312AS6和Cr-Ni-Nb-Mo-V來(lái)說(shuō)，采用公式（1）計(jì)算的δ-鐵素體含量如表4所示。從表4可以看出，當(dāng)采用化學(xué)成分的上限時(shí)，鋼的Cr當(dāng)量最小。因此，對(duì)于這2種末級(jí)葉片材料，考慮到合金元素對(duì)鋼的性能的全面影響，建議在鋼的冶煉時(shí)，應(yīng)將合金元素控制在中上限。

表4 采用公式（1）計(jì)算的不同成分的Cr-eq

然而，δ-鐵素體的形成不僅取決于化學(xué)成分，還取決于鋼的熱加工工藝，比如鋼錠的冷卻速率、鍛造/軋制及熱處理時(shí)的溫度及保持時(shí)間等。因此，為了避免產(chǎn)生δ-鐵素體，在鋼錠凝固時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制冷卻速率，避免鐵素體形成元素過(guò)度偏析；在鍛造、軋制或熱處理時(shí)，應(yīng)盡量降低鋼的加熱溫度及減少保溫時(shí)間。

3 沉淀硬化不銹鋼

由于特殊的成分設(shè)計(jì)，沉淀硬化不銹鋼在保持極高強(qiáng)度的同時(shí)還具有很好的塑韌性，因此，被廣泛用于大功率汽輪機(jī)末級(jí)葉片材料。到目前為止，共有3種沉淀硬化不銹鋼用于大型末級(jí)葉片材料，即：17-4PH、15-5PH和PH13-8Mo，其中，PH13-8Mo是正在研發(fā)的末級(jí)葉片材料。

3.1 PH鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能

17-4PH是傳統(tǒng)的沉淀硬化不銹鋼，廣泛用于各個(gè)類型的汽輪機(jī)末級(jí)葉片，包括亞臨界、超臨界、超超臨界火電汽輪機(jī)以及650～1 400 MW等級(jí)核電汽輪機(jī)。17-4PH沉淀硬化不銹鋼末級(jí)葉片的長(zhǎng)度取決于不同的機(jī)組需求，比如1 219 mm的3 000 r/min火電汽輪機(jī)的末級(jí)葉片和1 800 mm的1 500 r/min核電汽輪機(jī)的末級(jí)葉片的長(zhǎng)度就不同。

15-5PH廣泛用于GE公司及其合作伙伴制造的各類汽輪機(jī)末級(jí)葉片材料，比如東芝公司制造的1 000 MW等級(jí)超超臨界火電汽輪機(jī)末級(jí)葉片。

PH13-8Mo是正在開(kāi)發(fā)的汽輪機(jī)超長(zhǎng)末級(jí)葉片材料，將被用于1 270 mm、3 600 r/min及1 524 mm、3 000 r/min汽輪機(jī)末級(jí)葉片材料。

3種沉淀硬化不銹鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能如表5和表6所示。

表5 3種沉淀硬化不銹鋼的化學(xué)成分[22-23]wt%

表6 3種沉淀硬化不銹鋼的力學(xué)性能[22,24]

3.2 PH鋼的特性

對(duì)于17-4PH和15-5PH鋼，在較低的溫度（通常低于500℃）時(shí)效過(guò)程中，在馬氏體基體中會(huì)析出極其細(xì)小且彌散分布的ε-Cu相和碳化物，比如Nb（C,N），這些析出物隨機(jī)地分布在晶粒內(nèi)及晶界上，對(duì)位錯(cuò)起到阻礙和釘扎作用，因此，顯著提高了鋼的強(qiáng)度。

對(duì)于含Ni和Al的PH13-8Mo鋼，采用三維原子探針（3DAP）技術(shù)對(duì)鋼進(jìn)行的研究表明：鋼在510℃時(shí)效4 h后析出的β-NiAl相的成分組成遠(yuǎn)低于化學(xué)計(jì)量的成分組成。析出物的尺寸僅為幾納米（2～8 nm），密度為1024m-3等級(jí)[25]。高密度的細(xì)小析出物大大提高了材料的強(qiáng)度。PH13-8Mo與17-4PH和12Cr鋼的屈服強(qiáng)度比較如圖2所示。圖2表明，PH13-8Mo的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于17-4PH和12Cr鋼。經(jīng)不同溫度時(shí)效后β-NiAl相的尺寸如圖3所示，表明時(shí)效溫度對(duì)β-NiAl相尺寸的影響不大。

圖2 不同時(shí)效溫度下PH13-8Mo鋼與17-4PH和12Cr鋼屈服強(qiáng)度的比較[25]

圖3 不同時(shí)效溫度下PH13Cr–8Mo的高分辨率TEM明場(chǎng)顯微組織照片[25]

4 鈦合金

從1960年代早期，鈦合金（主要是Ti-6Al-4V）便廣泛用于汽輪機(jī)末級(jí)葉片。鈦合金作為末級(jí)葉片材料具有很多優(yōu)勢(shì)，比如高的比強(qiáng)度、良好的耐腐蝕性能和耐水刷性能等等。因此，所有的汽輪機(jī)制造商都開(kāi)發(fā)了獨(dú)特的鈦合金超長(zhǎng)末級(jí)葉片，如表1所示。德國(guó)已經(jīng)制造了長(zhǎng)1 650 mm的超長(zhǎng)鈦合金末級(jí)葉片，如圖4所示。

圖4 世界上最大的鈦合金末級(jí)葉片[26]

Ti-6Al-4V的化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表7和表8所示。

表7 Ti-6Al-4V的化學(xué)成分[27]wt%

如表8所示，Ti-6Al-4V的屈服強(qiáng)度為827 MPa，比12%Cr鋼高67 MPa（如圖5所示），但是延伸率和斷面收縮率要低于12%Cr鋼。

圖5 Ti-6Al-4V和12%Cr鋼在不同溫度下屈服強(qiáng)度比較[29]

然而，鈦合金末級(jí)葉片也存在很多不足之處，比如振動(dòng)衰減性能差、熱加工難度大、可焊性和可加工性能差、導(dǎo)熱率低、彈性模量低等等。Ti-6Al-4V和PH13-8Mo的導(dǎo)熱率比較如圖6所示。Ti-6Al-4V的導(dǎo)熱率約為PH13-8Mo的一半。同樣，Ti-6Al-4V的室溫彈性模量（109 GPa）也約為PH13-8Mo（203.5 GPa）的一半。

圖6 Ti-6Al-4V和PH13-8Mo的導(dǎo)熱率比較

為了提高Ti-6Al-4V合金的振動(dòng)衰減性能，冷卻條件可以采用急冷處理的方法。（α+β）型鈦合金在（α+β）區(qū)域且大于500℃的溫度范圍內(nèi)加熱保溫后急冷會(huì)使其振動(dòng)衰減性能大幅度增加，但這會(huì)降低合金的組織穩(wěn)定性。研究表明，V、Mo都是使金相穩(wěn)定的元素，加入V、Mo后，若（V+Mo）＞6%，可獲得內(nèi)耗大、熱穩(wěn)定性好的鈦合金。典型的成分是：Ti-6Al-4V-3Mo[30]。

5 鋼和鈦合金的比較

從傳統(tǒng)的觀點(diǎn)看，與末級(jí)葉片鋼相比，鈦合金具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）鈦合金的密度約為鋼的一半，這就使得在相同離心力的條件下，采用鈦合金可以制造更大的末級(jí)葉片，從而提高末級(jí)葉片的環(huán)形面積，提高機(jī)組的效率。對(duì)于3 600 r/min和3 000 r/min汽輪機(jī)，馬氏體鋼制末級(jí)葉片的極限長(zhǎng)度分別為840 mm和1 200 mm，而鈦合金末級(jí)葉片長(zhǎng)度可以達(dá)到1 250 mm和1 550 mm。

（2）鈦合金具有很高的強(qiáng)度。由于鈦合金的密度和彈性模量均為鋼的一半，因此鈦合金的自然振動(dòng)頻率和波形與鋼非常接近。

（3）鈦合金具有很好的抗腐蝕性能，更加能夠滿足低壓汽輪機(jī)干/濕蒸汽過(guò)渡區(qū)工況條件的應(yīng)用要求。

（4）鈦合金還具有良好的抗沖擊和耐水刷性能，在很多情況下，可以不進(jìn)行防水刷防護(hù)。

然而，如上所述，沉淀硬化不銹鋼尤其是PH13-8Mo鋼，在擁有極高強(qiáng)度的同時(shí)還具有良好的塑韌性。采用新開(kāi)發(fā)的末級(jí)葉片用PH13-8Mo鋼，已經(jīng)可以制造3 600 r/min、1 270 mm末級(jí)葉片和3 000 r/min、1 524 mm末級(jí)葉片。而且，由于含有含量很高的Cr、Ni等元素，同時(shí)具有極高的強(qiáng)度、硬度和塑韌性，因此，沉淀硬化不銹鋼在具有優(yōu)異的抗腐蝕性能的同時(shí)還具有良好的抗沖擊和水刷性能。在很多情況下，比如1 000 MW等級(jí)超超臨界末級(jí)葉片用15-5PH鋼，其基體硬度在400 HB左右，無(wú)需進(jìn)行防水刷處理即可滿足使用要求。而且，鈦合金存在以下缺點(diǎn)：

（1）成本高，雖然其密度是鋼的一半，采用給定重量的材料可以制造更多的葉片，但是其高成本會(huì)抵消密度低帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)；

（2）鈦合金的導(dǎo)熱性差、彈性模量低，加工難度很大，而且葉片表面很容易出現(xiàn)燒傷缺陷；

（3）焊接難度大，要求對(duì)焊件表面的清潔度要求極高，而且焊接時(shí)必須采用惰性氣體保護(hù)；

（4）抗滑動(dòng)磨損性能差，容易使葉片發(fā)生微震磨損；

（5）與鋼相比，鈦合金的振動(dòng)衰減性能較差；

（6）鈦合金葉片在大氣和蒸汽環(huán)境下的疲勞性能低于12%Cr鋼。

因此，在鋼制葉片能夠滿足使用要求的情況下，盡量不采用鈦合金制造末級(jí)葉片。

6 總結(jié)

末級(jí)葉片尺寸決定了汽輪機(jī)低壓缸的數(shù)量，增加末級(jí)葉片的長(zhǎng)度除了可以顯著提高機(jī)組效率外，還可以減少低壓缸數(shù)量，進(jìn)而降低火電廠的建設(shè)成本，因此，國(guó)內(nèi)外汽輪機(jī)制造商都非常重視超長(zhǎng)葉片的研發(fā)。截止目前為止，主要有3種類型的末級(jí)葉片材料，即：馬氏體不銹鋼、沉淀硬化不銹鋼和鈦合金。對(duì)3類末級(jí)葉片材料中典型鋼種的化學(xué)成分和性能進(jìn)行論述，并比較了鋼制葉片和鈦合金葉片的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)汽輪機(jī)超長(zhǎng)葉片的研發(fā)情況，給出如下建議：

（1）由于沉淀硬化不銹鋼在具有極高強(qiáng)度的同時(shí)，還具有優(yōu)異的塑韌性，實(shí)際運(yùn)行情況良好，而且在很多情況下，可以不對(duì)葉片進(jìn)行防水刷處理，因此，應(yīng)對(duì)沉淀硬化鋼進(jìn)行深入研究，以解決汽輪機(jī)末級(jí)超長(zhǎng)葉片用材問(wèn)題；

（2）為了解決更大功率汽輪機(jī)末級(jí)葉片用材問(wèn)題，比如超過(guò)1 500 mm的超長(zhǎng)葉片，應(yīng)對(duì)目前鈦合金存在的問(wèn)題，比如衰減性能差、加工和焊接難度大等，進(jìn)行深入研究，并通過(guò)開(kāi)發(fā)新型鈦合金及新的加工和焊接工藝解決這些問(wèn)題；

（3）由于現(xiàn)有的沉淀硬化鋼已經(jīng)可以制造1 524 mm的超長(zhǎng)葉片，因此，應(yīng)對(duì)末級(jí)葉片用沉淀硬化鋼的各項(xiàng)應(yīng)用性能及批量化穩(wěn)定生產(chǎn)工藝進(jìn)行深入研究。

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東汽要聞

全國(guó)首個(gè)33萬(wàn)千瓦電改項(xiàng)目——西固熱電廠2號(hào)機(jī)組啟動(dòng)成功

2015年10月15日，由東汽進(jìn)行改造的、全國(guó)首個(gè)33萬(wàn)千瓦熱電機(jī)組通流改造項(xiàng)目——西固熱電廠2號(hào)機(jī)組A級(jí)檢修后啟動(dòng)成功、并網(wǎng)發(fā)電。

2號(hào)機(jī)組檢修是該廠2015年增容增效、節(jié)能減排的重大項(xiàng)目，為圓滿完成本次A級(jí)檢修任務(wù)，檢修前，西固熱電廠制定了詳細(xì)的《2號(hào)機(jī)組A級(jí)檢修計(jì)劃》，成立了檢修組織機(jī)構(gòu)，確保了檢修工作安全有序進(jìn)行。機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中，工作人員密切配合、認(rèn)真操作、精心調(diào)整，機(jī)、電、熱各專業(yè)嚴(yán)格、認(rèn)真完成了機(jī)組啟動(dòng)前試驗(yàn)，確保了2號(hào)機(jī)組A級(jí)檢修后啟動(dòng)成功，并為機(jī)組小修后連續(xù)安全經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。

對(duì)東汽而言，這是公司首次對(duì)33萬(wàn)千瓦熱電機(jī)組進(jìn)行改造！由于西固項(xiàng)目的重要性，公司各層高度重視，組織并派出了由總裝工長(zhǎng)肖劍帶隊(duì)的攻堅(jiān)團(tuán)隊(duì)！在改造現(xiàn)場(chǎng)，環(huán)境相對(duì)惡劣，也遇到了許多困難！針對(duì)缸體卡澀、無(wú)法起吊等各種問(wèn)題，大家積極出謀劃策，對(duì)問(wèn)題一一進(jìn)行了討論并提出了詳細(xì)的解決方法!在實(shí)施過(guò)程中認(rèn)真操作，最終完美解決了問(wèn)題！得到了用戶的充分肯定！

Materials for Ultra-long Last Stage Blade of LP Steam Turbine

Peng Jianqiang，Li Yufeng
（Harbin Turbine Co.,Ltd.,Heilongjing Harbin,150046）

The length of the last stage blade(LSB)decides the number of the LP casing and the total length of the steam turbine, further decides the total area of the whole power plant,and influences the unit's efficiency and construction cost of the power plant significantly,so the LSB is the critical part of the steam turbine.However,the size of the LSB is huge,and the working condition of the LSB is severe,so the property requirement for the LSB material is very high.Hence,steam turbine manufacturers all over the world pay attention to the research and development（R&D）of the LSB material.Up to now,there are three types of LSB materials: matensitic stainless steel,precipitating hardening stainless steel and titanium alloy.This paper introduces the LSB material which is wildly used and newly developed,and compares the advantage and disadvantage of the LSB made of steel and titanium alloy,and gives R&D suggestions for the LSB material for the domestic USC steam turbine with high parameters,based on the die forging manufacture ability for the ultra-long LBS in China.

LSB,matensitic stainless steel,precipitating hardening stainless steel,titanium alloy

TK26

A

1674-9987（2015）04-0047-09

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.04.011

彭建強(qiáng)（1980-），男，碩士研究生，工程師，2004年畢業(yè)于合肥工業(yè)大學(xué)，主要從事汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)材料研究方面的工作。