新型高溫高壓汽輪機汽封片材料選用分析*

趙小董，周漢杰，何 成

(杭州汽輪機股份有限公司，浙江杭州310022)

0 引 言

眾所周知，汽輪機是高速旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動設(shè)備，其在工作時，轉(zhuǎn)子相對于汽缸和靜葉持環(huán)或隔板高速轉(zhuǎn)動，所以為了避免汽輪機動、靜部件之間的碰擦，設(shè)計人員在汽輪機的設(shè)計中都會考慮動靜部件之間留有適當(dāng)?shù)拈g隙，而動、靜部分間隙的存在又必然會產(chǎn)生一定量的蒸汽泄漏，致使汽機效率降低。為了解決這一矛盾，根據(jù)API std 612［1］對軸密封標準要求，現(xiàn)在發(fā)電及工業(yè)用汽輪機普遍采用在汽輪機動靜部件之間使用可更換式的迷宮式密封結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)主要由汽封片和方鋼組合而成，將汽封片鑲嵌到轉(zhuǎn)子或汽封體上的相應(yīng)的凹槽內(nèi)。

在汽機的運行過程中，迷宮式密封［2］工作于汽輪機動靜部分之間的間隙之中，迷宮式密封汽封片在該工作環(huán)境不但要承受蒸汽壓力，還要接受高溫蠕變、腐蝕等考驗，而汽封片設(shè)計又比較薄(一般在0．25 mm左右)，若材料選用不當(dāng)極易導(dǎo)致汽封片過早損壞，使汽輪機在運行時的汽耗增加，效率降低，而平衡活塞的汽封片損壞還可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子軸向力平衡受到影響，造成嚴重后果，因此迷宮式密封汽封片的材質(zhì)選用對汽輪機安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要，并能產(chǎn)生較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

本研究以多種奧氏體不銹鋼材料和馬氏體不銹鋼材料進行研究和分析。

1 高溫高壓汽輪機汽封片應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)工業(yè)及發(fā)電用中溫中壓汽輪機的汽封片一直以來采用1Cr18Ni9Ti 的較多，并且經(jīng)過長期運行，機組并未發(fā)現(xiàn)汽封片出現(xiàn)問題。但隨著國家節(jié)能減排政策的實施，新型的高溫高壓汽輪機以其能耗低效率高的性能特點，符合國家節(jié)能減排的政策需求，又能為用戶創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益，迅速受到市場歡迎。新型高溫高壓機組數(shù)量日益增多，但因汽封片材料仍沿用中溫中壓汽輪機的汽封片材料，導(dǎo)致汽封片發(fā)生高溫蠕變、腐蝕事件頻頻發(fā)生，并多次發(fā)生了汽封片崩裂等事故。

如某熱電廠高溫高壓背壓汽輪機，該機組進汽壓力8． 6 MPa，進汽溫度525 ℃，汽封片材料仍為1Cr18Ni9Ti，投產(chǎn)運行后才幾個月就不斷出現(xiàn)振動過大現(xiàn)象，導(dǎo)致機組不能長期穩(wěn)定運行，困擾用戶很長時間，在無奈之后揭缸檢查才發(fā)現(xiàn)汽封片已經(jīng)斷裂損壞及脫落(斷裂的汽封片和汽封片脫落后的凹槽如圖1所示)。這些脫落的汽封片摩擦撞擊轉(zhuǎn)子導(dǎo)致振動過大，汽封片問題處理后，機組即恢復(fù)正常運行。后來經(jīng)過長期觀察，有相當(dāng)數(shù)量的高溫高壓汽輪機汽封片腐蝕得比較嚴重，而且這種類型的汽輪機實際運行時間并不長，甚至有的只有幾個月。

因此，為了避免以后在新型高溫高壓汽輪機中繼續(xù)出現(xiàn)汽封片蠕變、腐蝕和損壞斷裂等問題，本研究從金屬材料學(xué)的理論角度出發(fā)，對用于高溫高壓汽封片的各種不銹鋼進行了分析探討，并結(jié)合國外先進的研究與應(yīng)用，對新型高溫高壓汽封片材料的選用提出一定的見解。

圖1 斷裂的汽封片和汽封片脫落后的凹槽

2 各類不銹鋼性能特點

2．1 奧氏體不銹鋼

奧氏體不銹鋼是不銹鋼中應(yīng)用最廣泛，牌號種類最多的鋼種，也是目前最常見的發(fā)電及工業(yè)用汽輪機汽封片用材。該類不銹鋼通常含有18%以上的Cr，8%左右的Ni，有的以Mn 替代部分Ni。奧氏體不銹鋼加熱和冷卻時不會發(fā)生相變，不能通過熱處理方法強化力學(xué)性能，所以其強度較低，而塑性較高［3-4］。

2．1．1 奧氏體不銹鋼的熱處理工藝

奧氏體不銹鋼的基體組織是奧氏體，需通過熱處理(主要是固溶處理)獲得單一的奧氏體金相組織，以提高材料的耐腐蝕性能。奧氏體不銹鋼的主要熱處理方式［5-7］有固溶處理、穩(wěn)定化處理和去應(yīng)力處理。

(1)固溶處理。奧氏體不銹鋼固溶處理是指將不銹鋼加熱到某一溫度，保持一定時間后快速冷卻的工藝方法。其主要目的是將以前各加工工序中產(chǎn)生或析出的合金碳化物以及σ 相重新溶解到奧氏體中，獲得單相奧氏體組織，以保證材料有良好的力學(xué)和耐腐蝕性能。固溶處理適用于所有牌號的奧氏體不銹鋼。

(2)穩(wěn)定化處理。穩(wěn)定化處理是對含穩(wěn)定化元素Ti 或Nb 的奧氏體不銹鋼采用的熱處理方法。采用這種方法的目的是利用Ti、Nb 與C 的強結(jié)合特性，使C盡量不與Cr 形成碳化物，最終達到穩(wěn)定Cr 的目的，確保不銹鋼的耐腐蝕性。

(3)去應(yīng)力處理。去應(yīng)力處理的主要目的是去除加工過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，應(yīng)根據(jù)材質(zhì)類型、使用環(huán)境及工件形狀等情況采取不同的措施，需注意避開敏化溫度范圍。

2．1．2 奧氏體不銹鋼的敏化溫度

奧氏體不銹鋼的敏化溫度范圍大約是427 ℃～871 ℃，當(dāng)奧氏體不銹鋼在該溫度區(qū)間內(nèi)長期停留時，C 原子向晶界擴散能力比Cr 原子向晶界擴散補充的能力增加的快，晶界附近大量的Cr23C6析出導(dǎo)致晶界處Cr 含量下降，而晶粒內(nèi)的Cr 原子向晶界的擴散補充遠小于C 原子，從而降低奧氏體不銹鋼的耐腐蝕能力，導(dǎo)致晶間腐蝕的發(fā)生。

2．2 馬氏體不銹鋼

馬氏體不銹鋼［8-9］主要含12%～18%的Cr，其C含量可根據(jù)使用條件進行調(diào)整，一般在0．1%～0．4%。馬氏體不銹鋼在加熱和冷卻時可以發(fā)生相變，可以通過熱處理在很大范圍內(nèi)調(diào)整其力學(xué)性能，這使馬氏體不銹鋼可用于制造有較高強度要求的零部件。馬氏體不銹鋼可以大致分為4 種類型，即Cr13 型馬氏體不銹鋼、1Cr17Ni2 馬氏體不銹鋼、高C-高Cr 馬氏體不銹鋼、低C-Ni-Cr 強韌馬氏體不銹鋼。

馬氏體不銹鋼通過完全退火或等溫退火獲得成分均勻的鐵素體和碳化物的平衡態(tài)組織，通過淬火獲得馬氏體組織，通過低溫或高溫回火獲得回火馬氏體或回火索氏體組織。對于汽封片來說，為了獲得較好的韌性應(yīng)采用高溫回火。馬氏體不銹鋼的耐腐蝕性能比奧氏體不銹鋼稍差，但馬氏體不銹鋼最大的優(yōu)勢在于其不存在敏化溫度，可避免在高溫服役時出現(xiàn)嚴重的晶間腐蝕［10-12］。

3 高溫高壓汽輪機汽封片材料分析

目前，發(fā)電及工業(yè)汽輪機的汽封片普遍使用的材料牌號為1Cr18Ni9Ti，其最大特點是含Ti。這是因為不銹鋼的耐腐蝕能力主要依靠Cr 元素，但C 和Cr 的親和力很大，極易與不銹鋼中的Cr 結(jié)合形成碳化物，C 含量越高，被結(jié)合的Cr 也越多，從而影響不銹鋼的耐腐蝕能力。而Ti 是強烈形成碳化物的元素，比Cr更容易形成碳化物，通過添加Ti 可以使不銹鋼中的C盡可能的與Ti 結(jié)合，保證Cr 能盡量穩(wěn)定地存在于固溶體中，提高耐腐蝕性能。但同時，由于Ti 是形成鐵素體的元素，可能會使奧氏體鋼產(chǎn)生少許鐵素體，有形成σ 相的可能，引起脆性［13］，故需嚴格限制鈦的含量，當(dāng)鈦的含量嚴格控制在限量范圍內(nèi)可有效避免鐵素體的產(chǎn)生。隨著冶煉技術(shù)的提高，人們可以在冶煉過程中更好的減小碳的含量，根據(jù)對不銹鋼耐腐蝕性能的需求，市面上出現(xiàn)了越來越多低碳和超低碳的新型鋼種。而1Cr18Ni9Ti 由于其碳含量較高而逐漸不再使用，1994年版的GB1220《不銹鋼棒》中即注明“此牌號除專用外，一般情況不推薦使用”，新版本的不銹鋼國標中則直接取消了1Cr18Ni9Ti 等國際上已淘汰的材料牌號。

與此同時，06Cr19Ni10(國外牌號304)則由于其良好的耐腐蝕性能和力學(xué)性能得到了廣泛的應(yīng)用。該類不銹鋼為目前使用最為廣泛的奧氏體不銹鋼。由于C 含量較低，即使不加Ti 元素也可達到良好的耐腐蝕性能，有效的降低了其出現(xiàn)脆性的可能性并且控制了成本。但06Cr19Ni10 不適合在高溫下服役，若服役環(huán)境在敏化溫度范圍內(nèi)，仍會出現(xiàn)明顯的晶間腐蝕。因此人們通過添加Ti 來改良其高溫耐蝕性能，即06Cr18Ni11Ti(國外牌號321)，Ti 元素的存在有效緩解了高溫服役時的晶間貧鉻現(xiàn)象，使其在敏化溫度服役時也不易出現(xiàn)晶間腐蝕。

因此，從上述3 種國內(nèi)廣泛使用的奧氏體不銹鋼材料性能特點上來看，結(jié)合這3 種材料的化學(xué)成分和硬度對比(對比數(shù)據(jù)如表1 所示)，加入Ti 元素的奧氏體不銹鋼06Cr18Ni11Ti 由于含碳量低和在敏化溫度環(huán)境下耐抗晶間腐蝕的性能特點，要比1Cr18Ni9Ti 和06Cr19Ni10更適合作為新型高溫高壓汽輪機汽封片材料。

表1 常見3 種奧氏體不銹鋼的化學(xué)成分及硬度對比表 (質(zhì)量分數(shù)，單位:%)

但是無論奧氏體材料如何改進，其敏化溫度的存在仍然制約了奧氏體不銹鋼的適用范圍，特別對于長期在500 ℃以上的環(huán)境下工作的高溫高壓汽輪機的汽封片來講，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，不存在敏化溫度范圍的馬氏體不銹鋼可能是更好的選擇，因此本研究借鑒國外在汽封片材料的研究和應(yīng)用，并取得某進口高溫高壓汽輪機汽封片材料樣品進行了一系列的檢查實驗，其化學(xué)成分如表2所示，材料硬度如表3 所示，金相圖［14］如圖2 所示。

表2 某進口高溫高壓汽輪機汽封材料樣品的化學(xué)成分 (質(zhì)量分數(shù)，單位:%)

表3 某進口高溫高壓汽輪機汽封材料樣品硬度分析 單位:HV0．1

通過試驗結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，某進口高溫高壓汽輪機汽封片使用的樣品材料，從化學(xué)成分上表明，該材料牌號接近X20CrMo13(德國牌號);從樣品金相圖上分析該材料組織結(jié)構(gòu)為回火索氏體不銹鋼，該類不銹鋼形成條件是淬火后回火500 ℃～650 ℃，由已再結(jié)晶的鐵素體和均勻分布的細粒狀滲碳體所組成。F 失去原M 形態(tài)，成為多邊形顆粒狀，同時滲碳體聚集長大，保持較高的強度和硬度，同時具有更好的塑性和韌性;從樣品材料硬度分析與國內(nèi)常用的奧氏體不銹鋼硬度HV≤210(如表1 所示)相比，該材料硬度HV≤276(如表3 所示)較奧氏體不銹鋼有顯著的提高。同時由于回火索氏體不銹鋼為馬氏體不銹鋼的一種，根據(jù)前面研究可發(fā)現(xiàn)馬氏體不銹鋼最大的優(yōu)勢在于其不存在敏化溫度，可避免在高溫服役時出現(xiàn)嚴重的晶間腐蝕，在高溫下有著良好的耐腐蝕性能，而從實際應(yīng)用效果來研究，采樣的某進口高溫高壓汽輪機在運行一個大修周期后汽封片仍無明顯損傷，明顯能夠適用于新型高溫高壓汽輪機汽封片的長期高溫工作環(huán)境。

圖2 某進口高溫高壓汽輪機汽封材料樣品的金相圖片

因此，該試驗分析結(jié)果和進口高溫高壓汽輪機汽封片實際應(yīng)用結(jié)果表明，不存在敏化溫度的馬氏體不銹鋼確實更適合作為新型高溫高壓汽輪機的汽封片材料，而馬氏體中的回火索氏體并且化學(xué)成分接近X20CrMn13的不銹鋼材料既能在高溫下有良好的抗腐蝕性能，且不存在敏化溫度，又有較高的強度和硬度，并且已經(jīng)應(yīng)用于某些進口高溫高壓汽輪上長期正常工作，所以X20CrMn13 不銹材料或類似成分的馬氏體不銹鋼材料可優(yōu)先選用作為新型高溫高壓汽輪機汽封片的材料。

4 結(jié)束語

綜上所述，本研究針對新型高溫高壓機組汽封片不斷出現(xiàn)高溫蠕變、腐蝕和損壞斷裂的實際問題，從金屬材料學(xué)方面對現(xiàn)有的汽封材料進行分析研究與探討論發(fā)現(xiàn)，汽輪機廠家現(xiàn)在普遍選用汽封片材料奧氏體1Cr18Ni9Ti，而該不銹鋼的強度和耐腐蝕性能都不能滿足新型高溫高壓汽輪機組的使用要求，并且多次出現(xiàn)問題和事故，已經(jīng)面臨淘汰。

在汽輪機汽封片選型應(yīng)用方面，雖然06Cr19Ni10不銹鋼耐蝕性能優(yōu)良，但在敏化溫度范圍(427 ℃～871 ℃)服役時容易出現(xiàn)晶間腐蝕，也不太適用于新型的高溫高壓汽輪機汽封片的選用;由于奧氏體中Ti 元素的存在能有效緩解高溫服役時的晶間貧鉻現(xiàn)象，使其在敏化溫度服役時晶間腐蝕性能增強，含有Ti 元素的06Cr18Ni11Ti 相對于1Cr18Ni9Ti 和06Cr19Ni10 比較適合作為高溫高壓汽輪機汽封片用材。同時，通過研究和試驗以及進口高溫高壓汽輪機應(yīng)用效果表明，在條件允許的情況下，筆者認為選用回火索氏體不銹鋼，如X20CrMo13 或類似成分的馬氏體不銹鋼，作為長期服役于高溫的汽封片可能是目前最優(yōu)的選擇。

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