工業(yè)汽輪機汽缸用材無塑性轉(zhuǎn)變溫度的研究

何　成　劉中華　周黎明　劉京偉　林　云　宋思遠

(1.杭州汽輪動力集團有限公司，浙江310016；2.杭州汽輪鑄鍛有限公司，浙江311106；3.杭州汽輪機股份有限公司，浙江310003)

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工業(yè)汽輪機汽缸用材無塑性轉(zhuǎn)變溫度的研究

何成1劉中華1周黎明2劉京偉3林云3宋思遠1

(1.杭州汽輪動力集團有限公司，浙江310016；2.杭州汽輪鑄鍛有限公司，浙江311106；3.杭州汽輪機股份有限公司，浙江310003)

摘要：針對水壓試驗要求試驗液體溫度應(yīng)高于試驗材料的無塑性轉(zhuǎn)變溫度的問題，通過落錘試驗測定了工業(yè)汽輪機汽缸用材的NDT溫度，并分析了影響NDT溫度的因素。通過先進的冶煉技術(shù)和熱加工工藝嚴格控制P、S含量，細化晶粒等手段，可有效降低鋼材的NDT溫度。

關(guān)鍵詞：汽缸；無塑性轉(zhuǎn)變溫度；落錘試驗；水壓試驗

水壓試驗是對壓力容器或承壓結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的一次綜合性檢驗，其目的是驗證承壓部件是否嚴密，焊縫是否可靠，整體結(jié)構(gòu)強度是否足夠，是汽輪機汽缸制造中的一道重要工序[1]。由于水壓試驗的壓力較高，試驗過程中承壓設(shè)備發(fā)生脆性破壞的事故時有發(fā)生，其主要原因之一是水壓試驗時的水溫過低。美國石油學會標準API Std 612《石油、石化和天然氣工業(yè)用特種用途汽輪機》中針對汽缸水壓試驗也明確規(guī)定“試驗液體的溫度應(yīng)高于試驗材料的NDT溫度”。ZG22Mo、ZG25A、ZG17Cr1Mo和ZG17Cr1Mo1V是我公司常用的工業(yè)汽輪機汽缸材料，在制造過程中均需進行水壓試驗，正確測定這些汽缸用材料的NDT溫度對于確保水壓試驗的安全進行具有重要意義。

1試驗材料

NDT溫度是指按標準進行落錘試驗時，標準試樣發(fā)生斷裂的臨界溫度，表征含有小裂紋的鋼材在動態(tài)加載屈服應(yīng)力下發(fā)生脆斷的最高溫度，目前通常采用的試驗標準為美國的ASTM E 208《鐵素體鋼的無塑性轉(zhuǎn)變溫度落錘試驗方法》。

試驗用材為公司生產(chǎn)工業(yè)汽輪機汽缸常用的材料，化學成分見表1。為確保試驗的準確可靠，每種材料制備3組試樣(各8個)，每組試樣分別取自不同爐號的鋼錠。試樣制備按照ASTM E 208標準進行，根據(jù)汽缸壁厚的特點，選擇P-2型試樣，尺寸為130 mm×50 mm×20 mm。試樣的制備過程包括樣坯料的切取、機械加工、堆焊引裂焊道和加工缺口等，試樣示意圖見圖1。焊接焊道時電流為190 A，焊道長度l為40 mm～45 mm，焊道寬度b為13 mm～15 mm，焊道高度A為3.5 mm～5.5 mm，缺口寬度A0≤1.5 mm，缺口底高A1為1.8 mm～2.0 mm。

2試驗方法和結(jié)果

首次試驗溫度為根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗估計的NDT溫度，將達到試驗溫度的試樣放置在落錘試驗機的砧座支承臺上進行落錘試驗，隨后檢驗試樣斷裂情況。若裂紋源焊道形成的裂紋擴展到受拉面的一個或兩個棱邊則認為試樣斷裂。若試樣斷裂則提高溫度繼續(xù)試驗，未斷裂則降低溫度，直至測得試樣斷裂的最高溫度。然后將該溫度提高5℃做兩個試樣的試驗，若均未斷裂，則確定該溫度為NDT溫度。

表1　汽缸常用材料化學成分要求(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1　Chemical composition requirements of conventional materials for cylinder (mass fraction,%)

圖1　落錘試樣示意圖Figure 1　Sampling sketch of drop test

表2　ZG22Mo的落錘試驗結(jié)果Table 2　Test results of drop test for ZG22Mo

注：○表示試樣未斷裂，×表示試樣斷裂。

表2為ZG22Mo的三組試樣的落錘試驗結(jié)果。以第一組為例，將首次試驗溫度定為-40℃，試樣在-40℃下斷裂；隨后在-20℃時進行試驗，試樣斷裂；再提高20℃，即在0℃時進行試驗，試樣斷裂；隨后在15 ℃時進行試驗，兩個試樣都未斷裂，此時估計NDT在0℃和15℃之間。然后在5℃時進行試驗，兩個試樣都未斷裂，于是確定試樣的NDT溫度為0℃。第一組試樣的斷裂情況見圖2。

表3為各個材料的試樣在不同試驗溫度下的落錘試驗結(jié)果。在實際應(yīng)用中，考慮到安全因素，NDT溫度取三組試驗結(jié)果中的最大值，因此ZG22Mo、ZG25A、ZG17Cr1Mo和ZG17Cr1Mo1V的NDT溫度分別為0℃、-5℃、15℃和15℃。

圖2　ZG22Mo落錘試樣斷裂情況Figure 2　Fracture of drop test specimen

表3　落錘試驗結(jié)果Table 3　Drop test results

水壓試驗要求試驗液體溫度應(yīng)高于試驗材料的NDT溫度，而試驗液體一般為水，考慮到防凍要求，ZG22Mo和ZG25A的水壓試驗水溫應(yīng)≥5℃，即一般不用對水溫進行處理，常溫即可進行試驗。而ZG17Cr1Mo和ZG17Cr1Mo1V的水壓試驗水溫應(yīng)≥15℃，在冬天等低溫環(huán)境下進行水壓試驗時必須對試驗用水進行加溫，以確保水溫高于材料的NDT溫度。

3分析和討論

從試驗結(jié)果可以看出，ZG17Cr1Mo和ZG17Cr1Mo1V的NDT溫度高于ZG22Mo和

ZG25A。從化學成分角度分析可發(fā)現(xiàn)這4種汽缸用材料的C、Si、Mn含量區(qū)別很小，差異主要集中在Cr、Mo和V上。其中，Cr可增加鋼的淬透性并提高鋼的強度和硬度，但會降低韌性和塑性；Mo和V則是提高熱強度的重要元素，但均會提高脆性轉(zhuǎn)變溫度[2-4]?？梢?，添加Cr、Mo、V等合金元素是導致ZG17Cr1Mo和ZG17Cr1Mo1V的NDT溫度高于ZG22Mo和ZG25A的主要原因之一。

由于NDT溫度反映的是材料室溫或低溫的韌性指標，因此要降低汽缸材料的NDT溫度應(yīng)從改善韌性的角度出發(fā)。首先應(yīng)提高鋼水的純凈度，減少鋼中夾雜物含量，嚴格控制P、S含量。P、S等雜質(zhì)元素易在晶界上偏聚，降低晶界表面能，是使鋼韌性降低的關(guān)鍵因素[5]。其次可通過優(yōu)化熱處理工藝的方式來細化晶粒，從而提高汽缸材料的韌性。晶粒細化后可使單位體積內(nèi)晶粒數(shù)目增多，細晶粒受到外力發(fā)生塑性變形時能分散在更多的晶粒內(nèi)進行，使變形更為均勻，降低應(yīng)力集中。同時，晶粒細化增加晶界的總面積，使晶界更為曲折并增加裂紋擴展的難度，晶界總面積的增加還可降低晶界上P、S等雜質(zhì)元素的濃度，使晶界表面能增加，減少沿晶脆性斷裂的傾向，從而提高鋼的韌性，降低汽缸的NDT溫度[6]。

4結(jié)論

本研究針對工業(yè)汽輪機汽缸用材進行了一系列的落錘試驗以測定NDT溫度，試驗結(jié)果表明ZG22Mo、ZG25A、ZG17Cr1Mo和ZG17Cr1Mo1V的NDT溫度分別為0℃、-5℃、15℃和15℃。為確保水壓試驗安全進行，ZG22Mo和ZG25A的水壓試驗水溫應(yīng)≥5℃，而ZG17Cr1Mo和ZG17Cr1Mo1V的水壓試驗水溫應(yīng)≥15℃。通過提高鋼水的純凈度，減少鋼中夾雜物含量，嚴格控制P、S含量，優(yōu)化熱處理工藝以細化晶粒等手段，可有效提高鋼材的韌性，降低NDT溫度。

參考文獻

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[2]沈冬冬,袁澤喜.2.25Cr1Mo鋼韌脆轉(zhuǎn)變溫度影響因素分析[J].武漢科技大學學報,2011,34(6):410-413.

[3]朱明亮,軒福貞,梅林波等.汽輪機高、低壓一體化轉(zhuǎn)子材料及性能的研究進展[J].動力工程，2008,28(5): 664-671.

[4]師昌緒,鐘群鵬,李成功,等.中國材料工程大典[M].北京:化學工業(yè)出版社,2006.

[5]徐挺棟.非平衡晶界偏聚動力學和晶間脆性斷裂[M].北京:科學出版社,2006.

[6]齊俊杰,黃運華,張躍.微合金化鋼[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2006.

編輯杜青泉

Research on Nil-Ductility Transition Temperature of Steel Used for Cylinder of Industrial Steam Turbine

He Cheng,Liu Zhonghua,Zhou Liming,Liu Jingwei,Lin Yun,Song Siyuan

Abstract：The issue that the temperature of test liquid required by the hydraulic test shall be higher than the nil-ductility transition temperature of test material has been expressed.The NDT temperature of steel used for the cylinder of industrial steam turbine has been examined by the drop test,and the factor influenced on NDT temperature has been analyzed as well.By adopting the advanced smelting technology and heat treatment process to strictly control P and S contents,and refining the grain,NDT temperature of steel could be reduced effectively.

Key words：cylinder;nil-ductility transition temperature;drop test;hydraulic test

收稿日期：2015—11—20

作者簡介：何成(1988—)，工程師，從事汽輪機及燃氣輪機材料基礎(chǔ)研發(fā)。電話：13634189140，E-mail：ahe0721@qq.com

中圖分類號：TG115.5+6

文獻標志碼：B