電站設(shè)備大型鍛件脆性轉(zhuǎn)變溫度的探討

李永安

(中國(guó)長(zhǎng)江動(dòng)力集團(tuán)有限公司工藝管理處，湖北430205)

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電站設(shè)備大型鍛件脆性轉(zhuǎn)變溫度的探討

李永安

(中國(guó)長(zhǎng)江動(dòng)力集團(tuán)有限公司工藝管理處，湖北430205)

摘要：文章詳細(xì)介紹了脆性轉(zhuǎn)變溫度的定義和測(cè)定方法，分析對(duì)比了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同鍛件的脆性轉(zhuǎn)變溫度要求。

關(guān)鍵詞：電站設(shè)備；大型鍛件；脆性轉(zhuǎn)變溫度；行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計(jì)電站設(shè)備大型鍛件時(shí)，對(duì)大型鍛件的脆性轉(zhuǎn)變溫度FATT指標(biāo)極為重視，甚至把這一指標(biāo)視為鍛件的失效點(diǎn)。經(jīng)過(guò)理論分析，F(xiàn)ATT也確實(shí)是一個(gè)重要的指標(biāo)。

25 MW～200 MW汽輪機(jī)葉輪套裝轉(zhuǎn)子鍛件正逐漸向大型復(fù)合轉(zhuǎn)子鍛件過(guò)渡，以取代傳統(tǒng)葉輪套裝方式的轉(zhuǎn)子。復(fù)合轉(zhuǎn)子鍛件相應(yīng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 11030—2010《汽輪機(jī)高低壓復(fù)合轉(zhuǎn)子鍛件 技術(shù)條件》也于2010年頒布實(shí)施。大型復(fù)合轉(zhuǎn)子的應(yīng)用是一個(gè)趨勢(shì)。

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)25 MW～200 MW汽輪機(jī)及50 MW～200 MW發(fā)電機(jī)組鍛件的FATT50指標(biāo)均有具體參數(shù)要求。高、低壓復(fù)合轉(zhuǎn)子鍛件在同一母體上，也分別有兩組分段的性能指標(biāo)。同時(shí)，F(xiàn)ATT50指標(biāo)也分別由兩組數(shù)據(jù)構(gòu)成。故我們僅對(duì)鍛件的脆性轉(zhuǎn)變溫度進(jìn)行了深入探討。希望通過(guò)這些分析能夠?qū)﹄娬驹O(shè)備大型鍛件設(shè)計(jì)、鍛件廠提高大型鍛件質(zhì)量有所幫助，并找出一些規(guī)律性的東西。

1術(shù)語(yǔ)的理解

(1)FATT50的具體含義：材料或鍛件斷口上，纖維區(qū)與結(jié)晶區(qū)相對(duì)斷面面積各占50%時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度為脆性轉(zhuǎn)變溫度，也可理解為脆性組織與韌性組織各占50%時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度。高于FATT50溫度，材料或鍛件則趨于韌性狀態(tài)，如果材料或鍛件受力斷裂，趨向韌性斷裂。低于FATT50溫度，材料或鍛件則趨于脆性狀態(tài)，如果材料或鍛件受力斷裂，趨向脆性斷裂。FATT50溫度也是一個(gè)韌-脆分界點(diǎn)。還有，F(xiàn)ATT50高于標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的參數(shù)值，鍛件其它性能指標(biāo)均可以滿足。FATT50低于標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的參數(shù)值，標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的其它性能指標(biāo)就不一定能滿足。故標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的其它性能指標(biāo)是受FATT50溫度條件限制的。在FATT50溫度以上，標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的其它性能指標(biāo)才能滿足。

換一個(gè)角度理解，脆性轉(zhuǎn)變溫度按標(biāo)準(zhǔn)確定后，在這個(gè)環(huán)境溫度進(jìn)行試驗(yàn)，在材料或鍛件斷口上，理應(yīng)脆性組織與韌性組織所占的比例各為50%。但我們希望和必須達(dá)到是韌性組織所占的比例大于50%，脆性組織所占的比例小于50%。即：脆性轉(zhuǎn)變溫度按標(biāo)準(zhǔn)確定后，鍛件其余全部性能均合格，才是性能合格的鍛件。

低碳鋼和高強(qiáng)度合金鋼(碳當(dāng)量較低時(shí))在某些溫度下有較高的沖擊韌性。但隨著溫度的降低，材料或鍛件的脆性逐漸升高。

(2)體心立方晶格和密排六方晶格結(jié)構(gòu)材料，一般均存在脆性轉(zhuǎn)變溫度。對(duì)于面心立方晶格結(jié)構(gòu)材料，由于在液氮(-196℃)溫度下仍呈韌性狀態(tài)，可視為不存在脆性轉(zhuǎn)變溫度。

金屬的脆性跟晶體中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力有關(guān)，體心立方金屬位錯(cuò)阻力對(duì)溫度變化非常敏感，在低溫狀態(tài)下，位錯(cuò)阻力急劇增加導(dǎo)致金屬塑性降低，表現(xiàn)出脆性。某些密排六方金屬同理。而面心立方金屬由于位錯(cuò)寬度較大，故位錯(cuò)阻力對(duì)溫度變化不是很敏感，故一般不表現(xiàn)出低溫脆性。但當(dāng)溫度降低到-233.15～-253.15℃的極低溫度時(shí)，奧氏體鋼和鋁合金也會(huì)表現(xiàn)出脆性。

(3)脆性轉(zhuǎn)變溫度FATT50的高低取決于化學(xué)成分、微量有害元素、冶煉工藝、鍛造工藝、熱處理工藝和微觀組織。

在工程應(yīng)用中，為防止構(gòu)件脆斷，應(yīng)選用脆性轉(zhuǎn)變溫度低于構(gòu)件下限工作溫度的材料。對(duì)于含N、P、As、Bi和Sb等雜質(zhì)元素較多，在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中有可能發(fā)生脆化、回火脆性等現(xiàn)象的材料，其脆性轉(zhuǎn)變溫度會(huì)隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)而升高。近年來(lái)，脆性轉(zhuǎn)變溫度以及脆性轉(zhuǎn)變溫度的增量已成為構(gòu)件材料性能的重要考核指標(biāo)之一，特別體現(xiàn)在電站設(shè)備的大型鍛件中。

2脆性轉(zhuǎn)變溫度測(cè)定方法

2.6.1能量準(zhǔn)則法

規(guī)定為沖擊吸收功降到某一特定值的溫度。

2.6.2斷口形貌準(zhǔn)則法

規(guī)定以斷口上纖維區(qū)與結(jié)晶區(qū)相對(duì)斷面面積達(dá)一定比例時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度。例如，取不出現(xiàn)結(jié)晶斷口的最低溫度，并以FTP表示；結(jié)晶區(qū)面積占總面積50%時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度，以FATT50表示。

2.6.3落錘試驗(yàn)法

規(guī)定以落錘沖斷長(zhǎng)方形板狀試樣時(shí)斷口100%為結(jié)晶斷口時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度，為無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度，以NDT表示。

脆性轉(zhuǎn)變溫度除與表示方法有關(guān)外。還與試樣尺寸、加載方式及加載速度有關(guān)，不同材料只能在相同條件下進(jìn)行比較。

3FATT50參數(shù)基本要求

(1)大型、受力復(fù)雜的鍛件，在滿足其它性能指標(biāo)要求的前提下。為防止構(gòu)件脆斷，應(yīng)選用脆性轉(zhuǎn)變溫度FATT50低于構(gòu)件下限工作溫度的材料。

(2)考核電站設(shè)備FATT50參數(shù)時(shí)，應(yīng)從電站設(shè)備發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、聯(lián)軸器及汽輪機(jī)葉輪、整體轉(zhuǎn)子、主軸、復(fù)合轉(zhuǎn)子整體綜合進(jìn)行考核。

4關(guān)于FATT50參數(shù)的分析與探討

就汽輪機(jī)而言，它是熱機(jī)，在高溫、高壓、大扭矩工況下工作，系熱主動(dòng)機(jī)械。有了高溫、高壓大流量蒸汽，汽輪機(jī)才會(huì)被動(dòng)受力，汽輪機(jī)將蒸汽能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，再將動(dòng)能傳輸給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能?？梢?jiàn)，電站設(shè)備受力最大的零件是整體轉(zhuǎn)子、主軸、葉輪、聯(lián)軸器及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子。FATT50這一指標(biāo)，是對(duì)受力復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣的大型重要零件所規(guī)定的一個(gè)重要控制指標(biāo)。

我國(guó)現(xiàn)行電站設(shè)備鍛件行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是由汽輪機(jī)廠及鍛件廠共同起草，故參數(shù)的確定比較保守，標(biāo)準(zhǔn)確定的FATT50參數(shù)指標(biāo)也較高。鍛件廠在鍛件生產(chǎn)時(shí)，相對(duì)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)FATT50參數(shù)實(shí)際上還要低一些。現(xiàn)僅對(duì)照現(xiàn)行鍛件行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)據(jù)對(duì)25 MW～200 MW汽輪機(jī)及50 MW～200 MW發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、聯(lián)軸器及汽輪機(jī)葉輪、整體轉(zhuǎn)子、主軸和復(fù)合轉(zhuǎn)子的FATT50分別進(jìn)行比較分析。不同鍛件的FATT50指標(biāo)如表1～表5所示。

4.1發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件

按GB/T 11021—2014《電氣絕緣、耐熱性分級(jí)》，發(fā)電機(jī)絕緣等級(jí)為F級(jí)，機(jī)組正常工作溫度≤155℃。從表1可以看出，不同材料，不同強(qiáng)度等級(jí)的電機(jī)轉(zhuǎn)子FATT50分別要求≤0℃、≤-18℃。因?yàn)殡姍C(jī)轉(zhuǎn)子在相對(duì)工作溫度比較低的情況下傳遞大扭矩。這就要求發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子低溫脆性轉(zhuǎn)變溫度要在很低的溫度下，才能使電機(jī)轉(zhuǎn)子能正常工作而不發(fā)生脆性斷裂。電機(jī)轉(zhuǎn)子長(zhǎng)期工作溫度應(yīng)避開(kāi)低溫脆性轉(zhuǎn)變溫度范圍。因電機(jī)轉(zhuǎn)子工作在室內(nèi)(北方均有室內(nèi)采暖)，工作溫度≥0℃，故能滿足轉(zhuǎn)子鍛件FATT50參數(shù)的基本要求。

表1　發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件FATT50要求(JB/T 8706—2014)Table 1　FATT50requirements of generator rotor forgings(JB/T 8706—2014)

表2　聯(lián)軸器鍛件FATT50要求(JB/T 9638—1999)Table 2　FATT50requirements of coupling forgings(JB/T 9638—1999)

表3　葉輪鍛件FATT50要求(JB/T 1266—2014)Table 3　FATT50requirements of impeller forgings(JB/T 1266—2014)

表4　轉(zhuǎn)子體、主軸鍛件FATT50要求 (JB/T 1265—2014)Table 4　FATT50requirements of rotor and shaft forgings(JB/T 1265—2014)

表5　復(fù)合轉(zhuǎn)子鍛件FATT50要求(JB/T 11030—2010)Table 5　FATT50requirements of composite rotor forgings(JB/T 11030—2010)

4.2聯(lián)軸器鍛件

聯(lián)軸器工作在暴露于廠房?jī)?nèi)的大氣中，工作溫度為工作場(chǎng)地室溫。從表2可以看出，聯(lián)軸器用大多數(shù)材料FATT50≤40℃，部分材料FATT50≤20℃、≤13℃，由于大多數(shù)發(fā)電廠房?jī)?nèi)溫度高于室外溫度，北方也均有室內(nèi)采暖，基本上能夠滿足聯(lián)軸器鍛件FATT50參數(shù)的基本要求。但30Cr1Mo1V材料FATT50≤116℃，相距較大，不能夠滿足聯(lián)軸器鍛件FATT50參數(shù)的基本要求。建議聯(lián)軸器設(shè)計(jì)選材時(shí)盡可能避免選用30Cr1Mo1V材料。

4.3葉輪鍛件

由于全部葉輪工作環(huán)境均在汽輪機(jī)汽缸內(nèi)部，汽缸內(nèi)有高壓蒸汽流動(dòng)，只要有蒸汽流動(dòng)，汽缸內(nèi)溫度就≥100℃。從表3可以看出，葉輪不同材料、不同強(qiáng)度等級(jí)FATT50要求分別為≤40℃、≤20℃、≤-30℃。葉輪鍛件是工作在≥100℃的密閉容器中，故能夠滿足葉輪鍛件FATT50參數(shù)的基本要求。

4.4轉(zhuǎn)子體、主軸鍛件

轉(zhuǎn)子體、主軸鍛件是發(fā)電設(shè)備受力最復(fù)雜、性能要求最高的鍛件。鍛件的實(shí)際工作環(huán)境分兩部分，鍛件的中間部分在汽缸內(nèi)部，鍛件另一部分是鍛件在汽缸外部暴露于室內(nèi)空氣中的兩端。且鍛件外部連接發(fā)電機(jī)的聯(lián)軸器端，受力最大、最復(fù)雜，工作環(huán)境最惡劣。從表4可以看出，28CrMoNiV強(qiáng)度等級(jí)490 MPa，F(xiàn)ATT50分別要求為≤85℃、≤100℃。30Cr1Mo1V強(qiáng)度等級(jí)590 MPa，F(xiàn)ATT50分別要求為≤116℃、≤121℃。從理論上分析，這兩種材料很難滿足轉(zhuǎn)子體、主軸鍛件FATT50參數(shù)的基本要求。特別是30Cr1Mo1V材料，考慮到鍛件另一部分在汽缸外部暴露于室內(nèi)空氣中的兩端，相距就更大，即FATT50參數(shù)還要降低。但30Cr2Ni4MoV材料能夠滿足FATT50參數(shù)的基本要求。

4.5復(fù)合轉(zhuǎn)子鍛件

對(duì)于復(fù)合轉(zhuǎn)子鍛件，因高壓端的端頭暴露在室內(nèi)空間，F(xiàn)ATT50偏高，不能滿足要求。但低壓端FATT50基本能夠滿足要求。

5結(jié)論

(1)我國(guó)現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)僅針對(duì)25 MW以上汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件和50 MW以上發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件，對(duì)FATT50明確了具體指標(biāo)要求。而日本東芝公司對(duì)25 MW以下機(jī)組也有FATT50參數(shù)要求。

(2)聯(lián)軸器設(shè)計(jì)選材時(shí)盡可能避免選用30Cr1Mo1V材料。

(3)提高電站設(shè)備鍛件質(zhì)量，今后研發(fā)的重點(diǎn)是整體轉(zhuǎn)子、主軸、復(fù)合轉(zhuǎn)子鍛件。特別是要降低高壓整體轉(zhuǎn)子、主軸、復(fù)合轉(zhuǎn)子鍛件FATT50溫度值。方法是研發(fā)新鋼種、提高和改進(jìn)冶煉、鍛造、熱處理工藝水平。目標(biāo)是使鍛件的FATT50進(jìn)一步降低，以滿足電站設(shè)備鍛件使用的可靠性需要。

參考文獻(xiàn)

[1]DL/T 882—2004火力發(fā)電廠金屬專業(yè)名詞術(shù)語(yǔ)[S].

編輯杜青泉

Discussion on Fracture Appearance Transition Temperature of Heavy Forgings for Power Station Equipment

Li Yong′an

Abstract：The definition and the determination method of fracture appearance transition temperature have been described in details.Meanwhile,the different requirements of fracture appearance transition temperature with different forgings stipulated in the industry standard have been analyzed and compared as well.

Key words：power station equipment;heavy forgings;fracture appearance transition temperature;industry standard

收稿日期：2016—02—29

作者簡(jiǎn)介：李永安(1956—)，男，高級(jí)工程師，工學(xué)碩士，主要研究方向：電站設(shè)備大型鍛件設(shè)計(jì)。電話：13349955746，E-mail:Liyongan2016@163.com

中圖分類號(hào)：TG142.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A