三峽集團(tuán)企標(biāo)《大型水輪發(fā)電機(jī)組主軸鍛件技術(shù)條件》解讀

吳 英

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江150040)

標(biāo) 準(zhǔn) 化

三峽集團(tuán)企標(biāo)《大型水輪發(fā)電機(jī)組主軸鍛件技術(shù)條件》解讀

吳 英

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江150040)

對(duì)比JB/T 1270—2014《水輪機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)大軸鍛件技術(shù)條件》和ASTM A668/A668M—2014《Standard Specification for Steel Forgings, Carbon and Alloy, for General Industrial Use》中對(duì)應(yīng)材料的相關(guān)要求，對(duì)三峽企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QJ/CTG 03.03—2013《大型水輪發(fā)電機(jī)組主軸鍛件技術(shù)條件》的技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行了解讀和分析，為我國(guó)大型鍛件生產(chǎn)企業(yè)和大型水電機(jī)組生產(chǎn)制造企業(yè)提升產(chǎn)品質(zhì)量提供參考和幫助。

大型水輪發(fā)電機(jī)組；主軸鍛件；標(biāo)準(zhǔn)

1 標(biāo)準(zhǔn)概況

QJ/CTG 03.03—2013《大型水輪發(fā)電機(jī)組主軸鍛件技術(shù)條件》是三峽集團(tuán)為溪洛渡、向家壩、白鶴灘等巨型水輪發(fā)電機(jī)組主軸鍛件制訂的訂貨標(biāo)準(zhǔn)。主軸包括水輪機(jī)軸和水輪發(fā)電機(jī)軸，是水輪發(fā)電機(jī)組關(guān)鍵部件。主軸材料最早多使用JB/T 1270《水輪機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)大軸鍛件技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)的20SiMn，也有部分整鍛主軸選用300 MPa等級(jí)的18MnMoNb材料，然而由于該材料焊接性較差，存在缺陷修理困難的問題。在三峽左岸機(jī)組技術(shù)引進(jìn)時(shí)，阿爾斯通水輪機(jī)主軸使用美標(biāo)ASTM A668/A668M《Standard Specification for Steel Forgings, Carbon and Alloy, for General Industrial Use》的300 MPa等級(jí)材料Class E，因?yàn)榉秩五懺旌蠛附映烧S，增加了碳當(dāng)量的要求。ABB發(fā)電機(jī)主軸使用歐標(biāo)的300 MPa等級(jí)可焊接材料St330S。哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司自主設(shè)計(jì)制造三峽右岸機(jī)組時(shí)沿用這兩種材料。

2010 年，在國(guó)務(wù)院三峽建設(shè)委員會(huì)三峽三期工程重大設(shè)備制造質(zhì)量檢查組指導(dǎo)下，中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)公司委托清華大學(xué)起草，并征求了來自相關(guān)水電站業(yè)主單位、主機(jī)制造廠、鍛件制造廠及研究院所專家的意見，制訂了《700 MW 級(jí)水輪機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)主軸鍛件技術(shù)條件》。經(jīng)過多年大型鑄鍛件國(guó)產(chǎn)化制造經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)公司組織編制完成企業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《大型水輪發(fā)電機(jī)組主軸鍛件技術(shù)條件》。

因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)中對(duì)材料化學(xué)成分和力學(xué)性能做了較大的改動(dòng)，因此對(duì)指定材料牌號(hào)重新命名為20MnSX和25MnSX。

2 標(biāo)準(zhǔn)的主要技術(shù)內(nèi)容

標(biāo)準(zhǔn)對(duì)化學(xué)成分和碳當(dāng)量進(jìn)行嚴(yán)格規(guī)定，力學(xué)性能要求較高，適用于大型水輪發(fā)電機(jī)組分段鍛造再組焊成形的主軸鍛件。

標(biāo)準(zhǔn)收錄了20MnSX和25MnSX兩個(gè)牌號(hào)。表1給出了不同標(biāo)準(zhǔn)主軸材料化學(xué)成分的對(duì)比情況。與20SiMn、A668 Class D性能同等級(jí)的20MnSX，C上限與20SiMn相同，Mn上限與A668 Class D相同，Si的上限值大幅降低，增加Mn降低Si有利于提高鋼水純凈性。有害元素P上限低于A668 Class D和Class E，S上限與20SiMn相同，但大大低于A668 Class D和Class E材料，有利于提高塑韌性。微合金化元素Cr對(duì)焊接性能影響較大，規(guī)定了較低的上限值。Ni對(duì)提高性能及淬透性有利，對(duì)焊接影響相對(duì)較小，規(guī)定了較高的上限。Mo考慮焊接和成本規(guī)定較低上限。對(duì)影響焊接的雜質(zhì)元素V和Cu做了嚴(yán)格規(guī)定。同時(shí)為了焊接規(guī)定了較低的碳當(dāng)量。25MnSX材料等同A668 Class E和St330S等材料性能等級(jí)，在20MnSX基礎(chǔ)上化學(xué)成分上限有所提高，但考慮焊接并沒有提高碳當(dāng)量，增加了材料的制造難度。在今年新版修訂時(shí)，與會(huì)專家一致同意將25MnSX材料碳當(dāng)量提高到0.55，對(duì)焊接稍有影響但大大降低制造難度。

表1 不同標(biāo)準(zhǔn)中主軸材料化學(xué)成分對(duì)比(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 The comparison of chemcial composition of main shaft in different standards (mass fraction, %)

表2 不同標(biāo)準(zhǔn)中主軸材料力學(xué)性能對(duì)比Table 2 The comparison of mechanical properties of main shaft in different standards

表2給出了不同標(biāo)準(zhǔn)中主軸材料力學(xué)性能的對(duì)比情況。標(biāo)準(zhǔn)中力學(xué)性能對(duì)比指標(biāo)都有提高，20MnSX力學(xué)性能指標(biāo)屈服強(qiáng)度略有提高，抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、斷面收縮率都取對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)中最高值，厚斷面值略有提高。沖擊吸收能量要求大幅提高，不僅將U型沖擊試樣缺口改成V型沖擊試樣缺口，試驗(yàn)溫度也從室溫降為0℃，數(shù)值也有提高。材料25MnSX屈服強(qiáng)度提高15 MPa～25 MPa，抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、斷面收縮率基本相同，沖擊吸收能量試驗(yàn)溫度也從室溫降為0℃。標(biāo)準(zhǔn)對(duì)力學(xué)性能取樣位置作了嚴(yán)格規(guī)定，要求試棒中心線距鍛件表面距離≥90 mm或鍛件壁厚1/2處，這就要求鍛件有好的熱處理淬透性。較低的碳當(dāng)量下要制造出綜合力學(xué)性能要求較高的主軸鍛件很有挑戰(zhàn)性。

關(guān)于無損檢測(cè)，標(biāo)準(zhǔn)比JB/T 1270—2014有很大提高，超聲檢測(cè)驗(yàn)收在距鍛件交貨表面15 mm范圍內(nèi)，不允許有當(dāng)量直徑超過3 mm的缺陷；在距鍛件交貨表面15 mm以下的區(qū)域不允許有當(dāng)量直徑超過5 mm的單個(gè)缺陷，且在每1 dm3的范圍內(nèi)當(dāng)量直徑在3 mm～5 mm之間的缺陷總數(shù)不超過10個(gè)；JB/T 1270—2014規(guī)定當(dāng)量直徑小于5 mm的缺陷不計(jì)，單個(gè)可以到10 mm。目視檢測(cè)和磁粉檢測(cè)驗(yàn)收也嚴(yán)格了很多。提高了主軸使用的安全可靠性，但也增加了制造難度。

3 標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施應(yīng)用

標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布后在大型混流式發(fā)電機(jī)組和大型抽水蓄能發(fā)電機(jī)組得到大量應(yīng)用，主機(jī)廠和鍛件廠都積累了大量經(jīng)驗(yàn)。制造控制上首先提高鋼水純凈度，需要大幅度降低夾雜物，以保證鍛件的無損檢測(cè)合格。其次是化學(xué)元素成分的設(shè)計(jì)，保證碳當(dāng)量的合格，碳含量不能太高，保證合金元素的有效加入，獲得穩(wěn)定的力學(xué)性能和好的焊接性能。然后是鍛造過程，保證鍛件得到充分的塑性變形，獲得滿意的韌塑性。熱處理的控制，因?yàn)槿游恢幂^深，需保證鍛件的淬透深度。同時(shí)要求組焊時(shí)要有可靠的焊接工藝。在標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施過程中，哈電訂制的主軸出現(xiàn)過一些嚴(yán)重的質(zhì)量問題，如響水澗電站和仙居電站各有一根主軸由于合金加入不足性能不合格報(bào)廢。某電站的一根主軸中間段碳當(dāng)量過高特別是碳含量過高出現(xiàn)較多焊接裂紋等。檢測(cè)超標(biāo)缺陷也時(shí)有發(fā)生。

4 標(biāo)準(zhǔn)分析

本標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)如下：

(1)將碳當(dāng)量控制在較低水平的同時(shí)要求較高的力學(xué)性能。

(2)更高更好的沖擊性能要求。

(3)較低的有害元素含量，特別是S元素。

(4)更嚴(yán)格的無損檢測(cè)要求，要求鋼水具有更高的純凈度。

在2016年底對(duì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行第一次修訂，新版本尚未發(fā)布。修訂主要完善了規(guī)范性引用文件，調(diào)整了25MnSX材料碳當(dāng)量，完善復(fù)試和重新熱處理要求等。建議標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)大使用，盡快成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)鍛件行業(yè)的技術(shù)水平提升。

5 結(jié)束語

本標(biāo)準(zhǔn)在JB/T1270 20SiMn和ASTM A668 Class E標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，增加碳當(dāng)量要求，提高無損檢測(cè)等級(jí)，明確取樣位置等，使標(biāo)準(zhǔn)得到完善和提高。標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施使大型水輪發(fā)電機(jī)組主軸實(shí)現(xiàn)了高水平的國(guó)產(chǎn)化，促進(jìn)鍛件行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，標(biāo)準(zhǔn)水平的大幅提升。同時(shí)對(duì)中國(guó)制造走出國(guó)門也起到積極的促進(jìn)作用。

編輯 杜青泉

Understanding and Analysis on Company Standard Technical Specification of Main Shaft Forgings for Heavy Hydraulic Generator Units

Wu Ying

By comparing the relevant requirements of corresponding materials of JB/T 1270—2014 Shaft forgings for hydraulic turbines and hydraulic generators-Technical specification and ASTM A668/A668M—2014 Standard Specification for Steel Forgings, Carbon and Alloy, for General Industrial Use, the technical provisions of QJ/CTG 03.03—2013 Technical Specification of Main Shaft Forgings for Heavy Hydraulic Generator Units have been understood and analyzed, so as to provide the reference for national heavy forgings manufacturing enterprise and heavy hydroelectric generating units manufacturing enterprise to improve the quality of products.

heavy hydraulic generator units; main shaft forging; standard

2016—10—08

TG316.1+92

A