（环境工程专业论文）30cr2mov汽轮机转子钢热脆化的电化学研究.pdf

华北电 力大学硕士学位论文摘要 摘要 要 利用恒电位脉冲技术研究了30crz mo v汽轮机转子钢在苦味酸系溶液中的电化 学行为。 通过正交实验并结 合微观结 构找 到了 最佳极化条 件: p h = 2 .3 、 十二烷基 苯 磺酸 钠( s d b s ) 浓度为0 .o 0 4m o l / 1 、 苦味酸0 .o 4m o 功 、 钝化电 位e p :。 为+ 0 .3 5 v ( v s s c e ) 、 再活化电位e r 。为一 0 . 2 5 v ( v s s c e ) 、 脉冲时间t : 二 t z 二 5 5 、 首先稳定4 m i n 、 钝化z m in。 在不同温度下对不同韧脆转变温度的转子钢试样进行恒电位脉冲实验， 采用再活化电流密度峰值 玩， 作为特征参数分析了材料的电化学极化行为;利用多 元线性回归分析了汽轮机转子钢的 r 抓 丁 5 。 与电 化学参数、材料化学成分、机械性 能参数、晶粒度以 及温度的关系，得到了预侧 r 钉 t s o 的数学模型，模型的测算误 差为 一 巧 。 关键词:恒电位脉冲技术;f a t t “ ;汽轮机转子钢;苦味酸;多元线性回归分析 abs tr act 1 七 e el e cl ro c h e m ical b ehavi 璐 oft 加a g e d tu rb 泣 e rotor steel加杯 币c acidsolu ti on w as in v e s t i g a t e d b y t h e p o t ent i o s t a t i c p u l s e t e c h n i q u e . t 七 e poi ariz a t i o n con d i t i o n s fo r eva i u a t i ng t h e a gi n g o f t u rb i n e ro tor s t e e l i n p i cric ac i d s o l u t i o n w e reopt i m 止 e d b y u s i ngth e o rt h o gon al t es t t o geth e r w i t hth e o b s e rv a t i o nt ot h e m i cros t ru c t u re s ofth c spe ci m e nthe pol ar i z a t i on con d it io n s d et e rmi n e d are p h2 3 ， 0 .叨4 m o l/l s o d iu md o d e c y l b n z e n e s u l fo n at e ， 0 .04m o l压 p i 州c a ci d ， + 0 .3 5 v p as s i v at i o n v o l t a g e ， 一 0 .2 5 v activ at io n v o l t a ge， t l = t z 二 s s p u l s e t line ， 4 m i n s t a b i l i z a t i o n ， zm i n p as s i v at i o n . thc p o t e ni i o s t a t i c p u l s e t e s t p o 1 a r i z a t i one x p erim e n tsw e re carrie d o u t on t h e t u rbinero t o r st e e i s p ecim e nw i thd i ffer e n t frac t u reapp e a 诩cet r a n si t i o n te m p e r a t u rea t v a ri o u st e m p e ra t u r e s . andth ere a d i v atio ncur r e n t d e n s i t yiss e i e c t e dto cha r a c t e ri z e th e p o l ar 止 at i o n b e h a v i o r o f a g e d t u rb i n e ro t o r s t e e l i n p i 币c aci d s o l u t i o n . the d e p e n d e n c yo f r 幻 丁 5 0 叨 th e el e c t m chemi s t ryp ar ame t e rs 、c h e m i s t rycom p 皿e n t o f t h e m e t e r i a l 、 m e c h a ni c a l c a p ab i l i t y p a r ame t e rs 、 gr a i n s i z e asw e l i ast e m p e r a t u r e i s anal y s e d b y m u l t ip l e l in e arr e 邵 e s s i onan a l y s i s ， a n d t h e m o d e l s fo r 芦 e d i ct i n g th e r 钉 t s o w i t h p ri d i ct i o n e rr o rso f 一 1 5 we r e con s t r u c t e d . 掀yw o rds : p o t e n t i o s t a t i cp u l s et e c h n i q u e ; f a t t s 。 ; t u r b i n er o t o rs t e e l ; p i c r i c a c i d : nnjl t i p l el i n e a rr e gre s s i o na n a l y s i s( 甩r ) d i n gz h a o y o n g ( e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f .z h a n gs h e n g h a n .州 匕，d口 尸明 本人郑重声明: 此处所提交的硕士学 位论文 30crz m o v汽 轮机转子钢热脆化的 电 化学研究 ，是 本人在华北电 力大学 攻读硕士学位期间， 在导师 指导下进 行的研究 工 作 和取得的研究成果。 据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含 其他人己经 发表或撰写过的 研究成果， 也 不包含为获得华北电力 大学或其 他教育 机构的 学位或 证书 而使用过的材料。 与我一同工 作的同志对本研究所做的 任何贡 献均已 在论 土 中作了明确的说明并表示了谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 丁 必云日期 刃 详翅过 关于学位论文使用授权的说明 本人完 全了 解华北电 力大学有关保留 、 使用学 位论 文的 规定， 即: 学校 有权保管 、 并向 有关部门 送交学位论文的原件与复印 件; 学 校可以 采用影印、 缩印或 其它复 制手 段复制并保 存学位论文; 学校可允许学 位论文被查阅 或借阅: 学校可以 学术交流为 目 的， 复制赠送和交换学 位论文;同意学 校可以 用不同方式 在不同 媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 港密的 学位论 文在 解密 后遵守 此规 定 ) 作 者 签 名 : 丁 必丢 日 期 : 们幼淤习 导 师 签 名 : 了 枷 认 日期 : 叮百 、 月 华北电力大学硕十学位论文 第一章 文献综述 1 . 1研究背景和意义 随着国民经济的发展，电网容量的扩大，高参数大容量机组的相继投运，用电结 构 发生了 显著变化。 火电 机组大多数部 件长 期在高 温、 高压 下运行( 例如: 主 蒸 汽管 道、 高 温联 箱、 汽缸等) ， 有的 在高 温、高压 和高 速旋转条件下长期 运行 ( 例如: 汽轮机转 子) ，同时还伴随着腐蚀、磨损等。这些部件材料的微观组织会随着运行时间的延长而 劣化，产生蠕变损伤，如珠光体的分散，碳化物的球化、在晶界聚集和长大，蠕变孔 洞，晶界裂纹的产生:伴随着微观组织的损伤而引起材料性能的劣化，如拉伸性能、 持久、蠕变强度、冲击韧性的下降和韧脆转变温度 ( f a t t )的上升;同时伴随着机组 的频繁起停，这些部件还会产生疲劳损伤;由于环境因素还会产生腐蚀、磨损等。有 的部件还存在着制造过程中产生的超标缺陷，在机组运行过程会发生裂纹的扩展，从 而导致部件的失效和损伤。 与此同时， 机组的老龄化问题越来越严重，按现在一般的设计原则，机组的运行寿命 一 般为25一 3 0 年， 服 役期 超过20年的 机组 称 之为 老龄化 机组111 。 我国 六十 年 代及七十 年 代初先后投入运行的机组也相继进入老龄化阶段，预计今后老龄化机组所占的比例会越来 越大，机组老龄化的问题越来越突出。这些机组经过长期的运行，材料性能下降，事故率 增高。如何保证老龄化机组的安全经济运行， 如何增加机组的服役期，延长其使用寿命， 具有重大的现实意义和经济价值。由缺陷和材料老化引起的电厂设备损坏时有报道， 例如 美国gallat in电 站2 号 机组 12 因 材质问 题、 材 料 老 化及蠕变、 低周疲劳 交互作 用， 运 行了 十 万小时后， 机组在一次冷态启动过程中发生中 低压转子断裂事故， 造成巨 大的损失。材料 老化 不仅加速了 蠕变疲劳 损伤， 而且 缩短了 裂 纹 萌生周期和断 裂寿命例一 以 往， 在寿命预 测过程中很少考虑到材料老化特性对寿命损耗的影响，预测的剩余寿命误差较大，又 因为汽轮机转子和汽缸等大型部件随着材料老化其材料性能的分散性15 将 更 加严重。 到2 006 年底，我国电力装机容量达到6 亿千瓦，较2 005 年增长约1 亿千瓦， 而新中 国成立时这个数字仅为 1 85 万千瓦。目 前，中国 发电机组构成中 火电机组占有绝对主导地 位， 约占77.8 2 %， 其中约三分之一的火力发电 机组， 总装机容量4 亿m w左右、 运行时间 己 经接近或超过其设计年限， 属于老化设备。 在这些汽轮机当中，有许多机组的可靠性和 技术经济指标现在仍然符合要求， 过早更换这些汽轮机设备是不经济的。 许多研究者认为: 合 理的 机组 寿命 评估和重 装计 划可使电 厂寿 命 延 长 10 20 年161 :有的 文献则评估电 厂的 寿命 应为50年或更多 iv 。 汽轮机主要部 件运 行时间 超过1 0 、以 后， 呈老 化趋势。 延长 使用寿命， 抗频繁启动、 停机 及大幅度负 荷 变 化的 运行已 成为 新的 研究 课题 15。 延长 华北电力大学硕士学位论文 设备寿命的关键在于准确并迅速地进行剩余寿命诊断，有计划地进行维修管理。在高 温下运行的汽轮机高、中压转子是最重要的部件之一，同时也是金属耗量大、费用高 的 部件. 汽轮机整体的 服役年限， 在很 大程 度上取决 于该转子的 寿 命191 . 因 此为了 确保 火电厂机组安全经济地可靠运行，对转子的寿命诊断及延长寿命进行研究，建立汽轮 机转子安全性评价技术已成为当务之急。 12研究现状和发展趋势 1 . 2 . 1国内外发展状况 自2 0 世纪60年代开始，主要电 力先进国家，如美国、日 本和西德，都对电力设 备寿命进行了广泛和深入的基础研究和技术开发。 在日 本，由于日 本的电力法规规定， 可以根据寿命消耗评估剩余寿命预测结果，延长机组的检修期，因此许多电力公司都 对寿命消耗评估和剩余寿命预测技术进行了开发研究，其中包括汽轮机部件热脆化的 检测技术的开发研究。日本的关西电力公司主要对电化学法和超声波法进行了开发研 究。 目前， 他们已 经开始在汽轮机检修和寿命消耗评估中应用这些方法。 该公司从2 0 02 年开始全面实施的新检修制度 ( r b m设备维护检修制度，该制度的实施可以使检修费 用减少 50%) ，其中，材料热脆化程度的检测是其中的主要内容之一。日本的三菱重 工 业、日 立、 东芝、 石川岛 播磨重 工 业公司都 进行了开 发研究 1 10) ， 开发出了 化学 腐 蚀 法如三菱重工业公司的汽轮机脆化评价法、日立公司的汽轮机部件的劣化诊断方法、 东芝公司的脆性转变温度的检测方法及装置;电化学法如东芝公司的高中压汽轮机中 心孔的脆化检测装置及脆化度测定方法、石川岛播磨重工业公司的低合金钢回火脆化 的测定法与装置以及测定用试验溶液等技术。这些技术也已经应用于其汽轮机检修和 寿命消耗评估的工作中。目前，这些公司主要致力于各检测法精度的提高和应用范围 的扩宽 ( 应用于燃气轮机和核电站材料) . 美国西屋电力公司 ( wes t i n g h o u s 。 e l e c t r i c c o rp o e a t i o n)对汽轮机转子的 热脆化 进行了系统的研究，研究了钢中的杂质、晶粒大小、强度等对热脆化的影响，基本弄 清了材料热脆化的机理。美国电力研究所 ( e p ri)最早提出了汽轮机部件热脆化的非 破坏性检测的思想与方法，对化学腐蚀法和超声波检测法进行了开发研究。针对美国 g al la ti n 电 站2 号机组中低压转子断裂事故专门研制出一套分析带裂纹转子安全性的软 件( s a f e r )l川。 该软件具有超声波检测， 裂纹扩展分析等功能， 有较高的准确度。 e p r i 在5 0 年代 又推“ 三 级 评 估 法 1 2 1 ” ( 3 le v e l app ro a c h fo r l i fe a s s e s s m e n t ) 对电 力设 备 寿 命进行优化管理.同时，它还开发了属于破坏性试验法的微小实验机械试验法，并提 出将材料热脆化程度 ( 脆性转变温度 fatt 及其升高值 f a 丁 t) 作为机组报废的一个 指标。目 前主要致力于提高超声波法的精度并将这一方法应用于核电站材料的脆化检 华北电力大学硕士学位论文 测中。 通过长期、系统的开发研究，目前各主要工业国家都开发了自己的汽轮机部件热 脆化非破坏性检测技术。 近十年，国际上又开展了电力设备材料老化与部件延寿研究。 研究内容包括材料性能退化;无损检测技术;采用微型试验技术在运行设备和部件上 取试样，制备微型试样块进行断裂力学和材料性能试验:将典型材料标准试验结果与 真实 材料微型试验结果进行对比 分析，修正残余寿命计算结果等113 1 。总的来讲，欧美 国家在寿命评估工作中更重视研究己形成缺陷的材料的承载能力，而日本更多着眼于 从研究材料损伤的孕育过程来进行寿命评估。 在我国，对汽轮机部件热脆化的研究工作开展较晚。上海汽轮机厂首先认识到了 脆性转变温度 ( d 幻 t)是一个受转子锻件的化学成分、冶炼工艺、锻造工艺、 热处理 工艺等多种因素影响，可用于分析、判断转子锻件的工艺水平和质量水平的参数。研 究基本上是汽轮机制造企业从转子锻件的制造、 加工等方面进行的研究。 80年代末期， 我国开始对汽轮机螺栓、转子的热脆化的研究。 华北电力大学率先运用有限元方法和边界元方法对 100 m wz oom w汽轮机转子 的温度场应力场进行一系列详细计算和分析;国家电力公司西安热工研究院、哈尔滨 汽轮机厂对国产汽轮机转子 3 o c rzm o v和 3 0 c r1m olv钢进行了高温低周疲劳特性试验 研究， 成功地将汽轮 机转子在线 应力监测和寿 命管理 系统应用到国 产2 00 m w 机组114 1 : 清华大学基于“ 复频法” 建模思想对调峰启停时汽轮机转子热应力进行了深入研究115 1 ; 东南大学对大机组的快停快启及变工况运行进行了一系列地理论研究和试验分析，特 别是影响机组安全运行的调峰启停过程中负温差温热态启动进行了卓有成效的研究工 作lle l ; 华中 理工 大学提出了 用可 靠性设计方法对汽轮机转子进行低周疲劳致裂寿命研 究 171; 哈尔滨工业大学采用连续损伤力学理论对国 产2 o 0 叫w 机组汽轮机转子进行了 低 周 疲劳 寿命 预测 l8 1 。 基于神 经网 络的 准二维 转子温度 场数学 模型11， 的 成功开发使用， 标志我国寿命预测与管理进入到新的水平。 随着超过设计寿命运行的机组的不断增多，机组老化程度的增加且运行条件的恶 化，同时由于竞价上网，发电厂将更加努力降低发电成本和加强热力设备的寿命管理 和剩余寿命预测工作，提高设备检修工作的效率和水平，采用更加科学的设备报废决 策体系，因此我国也必须加强 汽轮机设备热脆化的非 破坏性检测工作118 ) 。为此，国 家 电 力公司的200 1 一 200 5 一 2 0 巧年科技发展规划中把 “ 提供对高参数、 大容量火电 机组关 键部件及材料的安全性评估与寿命损耗的综合技术、提高机组运行安全可靠性”作为 2 o 0 5年前的研究目 标， 把 “ 机组关键部件及材料的安全性评估与寿命损耗研究”作为 高参数、大容量火电机组关键技术的研究内容，采取了包括加强设备的寿命管理、实 施状态检修等在内的许多措施，以在确保设备运行安全的同时，尽力降低设备的老化 华北电力大学硕士学位论文 程度，延长设备的使用寿命。 12 . 2现状与存在问题 目 前，许多工业国 家的电力公司对运行时间超过 10万小时的汽轮机高温部件的热 脆化状态开始定期进行检测。我国刚刚开始进行此项检测。 自2 0 世纪60年代开始， 美国的西屋电 力公司、电力研究院 ( e p ri) 等就对汽轮机 转子的热脆化进行了 系统的研究， 基本弄清了材料热脆化的机理。 70年代以来， 主要电 力先进国家，如美国、日 本和西德，都对此进行了广泛和深入的基础研究和技术开发， 得出了 化学元素对热脆化的影响规律和预测模型。 同时， 这一时期各国开始了 对汽轮机 寿命管理和诊断技术的开发研究。 80年代初至90年代中，各国开展了 汽轮机部件热脆 化的非破坏性检测方法的开发，如日 本， 除日 本政府的科技厅组织进行了 广泛深入的 研究外，以各个电力公司为主的各有关企业也都进行了 深入细致的研究和技术开发， 提 出了各种检测技术， 并开始应用于汽轮机的运行维护和寿命管理中。目 前的研究主要集 中于提高精度和拓宽使用范围的研究。 通过长期、 系统的开发研究，目 前各主要工业国家都开发出了自己的汽轮机部件热 脆化的非破坏性检测技术。 美国的电力研究院( e p r d是最早提出汽轮机部件热脆化的非破坏性检测的思想与 方法的单位之一， 并对化学腐蚀法和超声波检测法进行了开发研究。同时， 它还开发出 了 属于破坏性试验法的微小试样机械试验法， 并提出将材料热脆化程度 ( 韧脆转变温度 及其升高值) 作为 机组报废的一个指 标。目 前主要致力于提高超声波法的 精度并将这一 方法应用于核电站材料的脆化检测中。 在日 本，由于日 本的电 力法规规定， 可以根据寿命消耗评估和剩余寿命预测结果， 延长 机组的 检修期间 【叫 ， 因 此， 许多电 力公司 都 对寿命 消 耗评 估和剩余 寿命预测 技术 进 行了 开发研究，其中 包括汽轮机部件热脆化的检测技术的开发研究。 日 本的关西电力公司主要对电 化学法和超声波法进行了开发研究。目 前， 它们己 经 开始在汽轮机检修和寿命消耗评估中 应用这些方法。此外，经过在4 所发电厂试行后， 关西电 力公司从2 0d2 年开始全面实施的新检修制度 (rb m设备维护检修制度， 该制度 的实 施可以使检修费 用减少 5 0 % ) ， 其中， 材料热脆化程度的检测是其中的主要内 容之 日 本的三菱重工、日 立、东芝、 石川岛 播磨重工业公司都进行了开发研究，开发出 了 化学腐蚀法izl j(三菱重工、日 立、 东芝) 、电 化学法 ( 东芝、 石川岛 播磨重工业公司) 等技术. 这些技术也已 经应用于其汽轮机检修和寿命消耗评估中工作中。目 前， 这些公 司主要致力于各检测法精度的提高和应用范围的拓宽 ( 应用于燃气轮机和核电站材 华北电力大学硕士学位论文 料) 此外，日 本的东北大学承担文部省( 教育部) 项目 并受其它公司的 委托对电 化学法 进行了 基础理 论和技 术开 发研究 1翔。 化学腐蚀法是利用 c rmov 钥的韧脆转变温度与晶界处磷的浓度有关，以及晶 界处磷的浓度又与材料在特定腐蚀液中的晶间腐蚀程度有关的规律，用特定的腐蚀 液对部件表面进行轻微的腐蚀，使晶界处磷浓度高的部分被选择溶解，发生晶间腐 蚀， 用复膜的方法提取部件表面腐蚀状态， 在电子显微镜下观察复膜， 确定晶界处产 生的腐蚀沟槽的宽度，用这些参数来衡量晶界处杂质元素的偏析程度，进而估算材 料的 韧脆转变温度。它的主要不足是由于在对晶界处腐蚀沟槽的宽度测量时， 在选 取测量位置时一般凭经验选取，这样存在较大的误差，另外，该法没有考虑晶界总 长度对韧脆转变温度的影响。 电化学法是灵敏度和预测精度较高的一种方法。这种方法的原理与化学法的原 理相似，不同的是:化学法是通过测定转子钢在特定腐蚀液中产生的腐蚀沟槽的特 征参数来估算材料的韧脆转变温度，而电化学法是通过测定转子钢在特定腐蚀液中 的电化学极化参数来估算材料的韧脆转变温度。日 本的 e 口 ( el ec tro比emi 喊 pola r 1 z a ti on， 电化学极化) 装置为由 工作电极、 参比电极和电解液制成的一个探头。 试验时，只要将探头紧压在现场某一部件的被测部位上，探头连接微机控制的恒电 位仪， 维持电解液在一恒定温度，即可测出材料在该部位的极化特性，以此来判断 材料的脆化程度。 但是，由于电 化学极化参数受温度的影响很大，无论是美国或者 日 本的e cp 装置在进行现场测试时都需要把电解液的温度 ( 实际上是试样， 即转子 的温度) 维持在一个恒定的值， 比如30， 来克服温度对于电流的影响， 而实际中， 随着季节的不同， 现场转子温度往往差别很大， 因此在实际使用中造成了一定困难。 另外，与其它非破坏性检测法一样，电 化学法的精度也需要进一步提高。 在我国， 对汽轮机部件热脆化的研究工作开展的较晚。20 世纪80 年代，由于 在我国向国外订购的转子钢的验收标准中对材料的韧脆转变温度 ( r 钉 丁 5 。 )有明确 的验收指标，从而引起了我国 有关部门的重视，一些汽轮机制造企业开始对这一现 象进行了 研究.通过研究认识到了韧脆转变温度 ( d 红 t s o ) 是一个受转子锻件、化 学成分、微量元素、冶炼工艺、锻造工艺和热处理工艺等多种因素影响，可用于分 析、判断转子锻件工艺水平和质量水平的参数，并在转子锻件技术条件中增加了对 韧 脆 转 变 温度( r 钉 丁 5 0) 的 要 求， 之后， 制定了 相 应的 标准. 这一时 期的 研 究基 本上 都是汽轮机制造企业从转子锻件的制造、加工等方面进行的研究。 此时，电力企 业尚未开展这一方面的研究。 80年代末期， 随着我国电力工业的发展和设备寿命管 理工作的开展， 同时我国也发生了汽轮机螺栓、转子的热脆化，国内的大学和电 华北电力大学硕士学位论文 力科研单位 论分析123 一2 1 如华北电力大学的安江英等就此对国外的工作进行了综述、介绍和理 也有少量关于试验研究或技术开发、应用方面的报道。 尽管汽轮机转子寿命预测技术在世界范围内取得了很大进步， 但还有许多问题需 要进一步从理论和试验方面加以研究解决. ( 1) 热冲击问题 现代大型汽轮机机组在启动时，经常会出现蒸汽温度和转子金属温度之间难以 匹配的问题， 尤其是冷态启动。 新装机组或机组大小修结束后， 汽缸、 转子均处于室 温状态，按照运行规程，如3 00m w 机组汽轮机在冷态启动过程中，若操作不当， 会产 生超过2 0 0 温差的热冲击现象。 温、 热启动， 汽轮机快关， 甩负荷带厂用电等都会 产生类似的热冲击。 热冲击发生时， 温度变化剧烈， 热变形速度大， 产生的动态热惯 性力也相当大，从而引发数值很高的非定常热应力，并表现出强烈的动态冲击特征， 容易造成材料发生脆性断裂1切. ( 2) 材料老化对寿命的影响 汽轮机转子在高温下长期服役后，将会发生碳化物相的转变，引起组织性能的 变化， 从而降低了高温工作能力， 因此高温下长期运行过程中的组织性能变化对转子 的安全性评价极为重要。 汽轮机c r m o v 转子钥在长期运行中发生材质劣化， 表现为材 料软化和老化。 软化会降低材料的蠕变次年功能和低周疲劳性能; 脆化会引起材料脆 性转变温度f a t t 的增加和断裂韧性的降低， 严重缩短汽轮机带裂纹转子的剩余寿命. 现在人们越来越重视脆性损伤的预防， 纷纷开展材料脆性损伤的机理、 评估方法及预 防措施的研究。f att不仅与材料的化学成分有关，而且与材料的制造工艺及工作环 境等有关。随着转子长期运行，f a t t呈升高趋势，直接影响到转子的断裂韧性和冷 态启动方式.因此，fa丁 t问题是一个非常值得深入研究的重大课题。 ( 3 )低周疲劳曲线的合理应用 汽轮机转子的低周疲劳寿命取决于几何形状、工作环境、运行参数、交变热应 力的大小和材料的疲劳特性，因此只有对具体的转子材料进行大量的低周疲劳试验， 才能得到适用于该材料的低周疲劳曲线。但是材料试验，特别是高温低周疲劳试验， 周期长、费用高、 工作量大， 测试技术要求高，即使在发达国家这方面所作的工作也 比较少. 国内在役汽轮机高中压转子材料基本上可分为两类: 一类是与前苏联p z m 钢 特性相近的国产30c rzm ov转子材料， 另一类是从欧美和日本引进的与timo 曲线所用 材料同属一类的crm ov转子钢。在考虑到材质劣化情况下，将ti m 。 曲线和p z m 曲线 应用到高、 中压转子低周疲劳寿命损伤预测上的研究还有待进一步开展， 结合我国国 情开发国产机组现场实用的统一疲劳曲线及寿命计算是尤为重要。 ( 4 )无损诊断方法 华北电力大学硕士学位论文 火电设备长期在高温下运行，材料不可避免地产生软化和脆化，严重影响设备 的使用寿命。 如何把握和评价材料的软化和脆化是正确进行寿命预测的基础， 无损诊 断技术正是基于测定材料的软化和脆化来预测设备剩余寿命的方法。 无损诊断技术的 设备寿命预测可靠程度与所建立的特性参数和剩余寿命函数关系式的准确性有很大 关系。 在应用无损诊断技术进行设备寿命预测的研究方面， 寿命预测的原理需要进一 步完善，寿命预测的精度有待进一步提高，实际应用范围也有待于扩大。 1 . 3研究目的和内容 本项研究的目的是开发出测算精度较高的汽轮机用c r m o v钢热脆化的无损检测 方法。 利用电化学法研究老化汽轮机转子钢在苦味酸系溶液中的电化学行为， 找出汽 轮机转子钢的冷脆转变温度( r u ts。 ) 与某些电化学参数的关系以及外界因素对它们 的影响，得到预测f a t r 的模型，提高材料的冷脆转变温度的测算精度。 本课题具体研究内容包括: ( 1) 实验用材的预加工 在碳素钢中加入不同浓度的磷化铁进行冶炼，得到与在实际条件下长时间运行 的汽轮机转子可以达到相同的时效效果的老化材料，即具有不同冷脆转变温度 一 ( r 灯 丁 5 。 ) 的转子钢; 经过拉伸试验、 晶粒度测定、 冲击实验等得出所用材料的机械 性能数据和金相组织. ( 2 )实验条件的优化 同一个温度下使用不同浓度的电解液 ( 苦味酸和表面活性剂组成)在不同的 ph 值下以一定钝化电压、活化电压、脉冲时间、 稳定时间、钝化时间等进行极化，找到 电解液苦味酸、 sdbs 的浓度和ph值，井研究p h 值对电化学参数的影响;接着通过 正交实验结合微观结构观察， 找到最佳实验条件; 最后研究不同温度对电化学参数的 影响。 ( 3) 恒电位脉冲极化实验 在不同温度同一个实验条件下，苦味酸系溶液做电解液，使用恒电位脉冲极化 方法对不同脆化程度材料进行连续脉冲测试，得到极化曲线;分析极化曲线中某些 电化学参数与d u t s 。 的关系. 实验关键是控制电解质溶液温度保持恒定， 观察极化 后试样的金相组织，通过腐蚀发生部位以及腐蚀产物的确定，分析其与极化曲线上 表现出来的特征参数的对应关系。由此建立一种非破坏性热脆化检测方法。 ( 4 )实验数据的分析和模型确定 利用多元线性回归， 分析e a r r s 。 与电化学参数、 转子材料的化学成份、 机械性 能参数以及温度之间的关系，得到不但适用于经过实验时效的cr从 ov钢，还适用于 未经使用过的crm o v 转子钢的经验公式。 华北电 力大学硕士学位论文 第二章课题的理论和实践依据 2 . 1 2 1 . 课题的理论依据 1 汽轮机转子钢的老化 典型的汽轮机部件材料的老化现象包括了软化和脆化。材料软化是因为碳化物 在晶内聚集粗化和基体固溶含碳量降低等组织变化所致。软化会降低材料的蠕变及 低周疲劳性能，严重影响转子的使用寿命，表现特征就是材料硬度的降低，因此硬 度是衡量材料软化的一个重要指标。比如高、中压转子的硬度测试结果显示在转子 连轴节处运行温度较低， 能保持原始材料的性能， 但在转子其它部位128 ， 特别是高 温部分，硬度有很大的降低，最大达到刁 hv 一 8 00 脆化是金属中杂质偏聚于晶界造成的， 诸如磷偏聚于晶界。 俄歇能谱分析表明， 磷在奥氏体晶界的偏聚，使钢的脆性明显增加。钥中含磷量偏高，会促使在碳化物 与 铁素 体的界 面富 集 磷， 断裂即 在 这里 产生， 使 钢的 宏观冲 击值叼 日 和断 裂韧性 ( 凡 ) 明显下降。磷在晶界处的偏析，降低了材料的机械性能，使材料的实际寿命比期望 的 不考虑材料偏析情况下的寿命要短 得多129 . 2 . 12 韧脆转变温度 ( r 钉 t 5 0 )和受影响成分 2 . 1 . 2 . 1 韧脆转变温度 ( d n 丁 3 。 ) 在工程应用上，把进行材料冲击试验时断口形貌中韧性和脆性面积各占50% 时 所对应的试验温度记作 r 钉 丁 5 。 ( fr ac t ur cappear an ce 肠 a n s i t i o n tem p c r a t u r 。 ) . 材 料温度高 于f a l l ， 时， 呈现为韧 性破坏; 低于e 八 门 ， 时， 呈现为脆性破坏130 1 。 材料发生脆化 后，断裂韧性为 与温度 r 的关系如图2 一 1 所示。 从图中可 清楚地看出，f a t t 上升， 为c 下降。由于瓜和临界裂纹尺 寸 具 有 密 切的 联 系， 因 此 材 科 脆化 必定 会影 响 汽 轮 机 转 子 的残余寿命。 舀f 月， 了 图2- 1材料脆化后珍 c 一 t 关系 汽轮机长期在高温下运行会引起转子材料f a tt变化. f a t t 变化除了与配位元 素、 工作温度、 运行时间有关外， 还将影响转子的剩余寿命和机组运行方式的改变。 c r m ov钢转子材料的fat t 与化学成分和抗拉强度水平有关， 存在关 系式131 1 : fatt二 一 6 夕+ 2 j 1 6.艺 p 43. 4 cr一 1 0 8. 2 md 一 0. 2 9 8 5 ，公式 ( 2 一 1 ) 式中，化学元素符号该元素的重量百分比含量; 华北电力大学硕士学位论文 5 ， 材料抗拉强度 ( m p a ) ; d u t 材料脆性转变温度 ( ) 公式 ( 2 一1) 是tu 和seth根据35根50年代制造的crm o v转子钢化学成分、 抗拉强度和 f a t i ， 试验数据提出的经验公式。随着冶炼技术的不断提高，典型的 c r mo v转子钢 e a 门， 从 1 9 5 0 年的 1 5 0 到 1 9 7 0年的 9 0 ，c左右，约下降t2 5 一4 0 %。 因此上式只适宜于70年代前制造的新转子， 7 0 年代后制造没有使用过的c r mo v 转子钢按上式计算，则要考虑乘以 一修正系数。 .7 5 。 30crz m o v是国 产200 m w机 组汽轮机上广泛使用的一种转子钢，用上式对其计算结果 f a t t在 100 左右。 c r sem 0 we se v转于钢试验结果表明132， ，转子运行数年后，r 幻 丁将会发生变化，呈上 升趋势。 实验研究表明，当汽轮机材料crm o v 钢长期在2 806 00温度范围内工作时， 无 论是 转 子还是汽缸， f a t t 都会上升 135 1 ， 么 r 幼 丁 值随晶界 杂质元素的 浓度的 增加而 增加。若 有害元素磷p 、锡s n 过量超标， 将促使材料严重 脆化附1 。 低压转子钢经长 期使用后会引起脆化，最显著的特征是e 彭 i t 增高，所以控制有害残余元素的含量， 尤其是直接引起脆化的元素p 、sn、sb和那些促进脆化的元素mn 、51 等，将有助于 降 低脆化 敏感性135 。 试验分 析表明 ， 回 火 脆性 取决于杂质的偏聚程度， 而杂质的 偏聚 程度又与杂质的 体浓度和相对危害性以 及各元素间的 相互作用有关130). 从理论上讲，脆化是有害残余元素向晶界迁移的结果，温度决定了元素迁移的 动能，因此在一定区间内，伴随温度的增高，元素向晶界速度加快，脆化的效果更 加明显。超过一定温度时有害残余元素向晶界迁移的程度反而变小。这说明了在温 度和热力学特性共同作用下，存在某个温度最适宜脆化发生，通常此温度在 4 20 5 1 0 ，主要取决于化学元素、晶粒尺寸和微观组织结构。故汽轮机中最易发生脆 化的部位应在高、中压缸轴前的某位置。 2 . 1 . 2 . 2化学成分对钢韧脆转变温度的影响 钢的韧脆转变温度因化学成分不同而异，钢中常存杂质元素及常用合金元素对 钢的韧脆转变温度的影响如下; 碳 碳使钢的韧脆转变温度提高。普通碳钢每增加 0. 01%的碳，约使韧脆转变 温度提高2 一4 。 合金钢在其它条件相同时， 韧脆转变温度也因含碳量增加而提高， 如含2. 4 %铬的钢， 当含碳量由0. 003 %增加至0 .2 1 %时， 韧脆转变温度由一 10提高 至+ 85。许多合金元素对钢的韧脆转变温度的影响，也与含碳量有关，即随着钢 中含碳量的增加，合金元素对钢的韧脆转变温度提高的作用加剧。 氧 氧强烈地提高铁的韧脆转变温度，由于工业用钢均是以铁为基的合金，氧 对铁的韧脆转变温度的影响必然影响钢的韧脆转变温度。因此，降低钢的含氧量有 9 华北电力大学硕士学位论文 益于降低韧脆转变温度. 磷 磷对钢的韧脆转变温度影响很大。碳钢中增加 0 .0 1 %的磷可使韧脆转变温 度提高7 一13;含 1 . 5 %c r 的低碳铬钢，磷量由0 0 01%增加至0 .0 4 8 %时，韧脆 转变温度由 一 11 5 提高至0 。 硫 低碳钢的含硫量在0. 02一 0. 0 4 %变化， 韧脆转变温度无明显差异。 对于低合 金钢硫含量对韧脆转变温度有影响。 硅 工业用钢多因含硅而使脆性倾向增大，如含硅在 3 .6%的铬硅钢在常温下的 脆性就很大，说明硅是使钢的韧脆转变温度提高的元素。 锰 锰对钢的韧脆转变温度的影响因含量不同而异。低碳钢含锰在 1 5 %以下时 可使韧脆转变温度降低。所以降碳增锰可以减少钢中的碳化物，细化晶粒，有利于 低碳钢获得较高的冲击韧性，并且不致于因碳低而降低钢的强度。含锰高时使钢的 韧脆转变温度提高。在更高的含锰量下如奥氏体铬锰和铬锰氮不锈钢，由于集体组 织的改变而可获得较高的冲击韧性。这是因为锰使奥氏体组织的稳定性增加的结 果。 铬 含碳量 ( 0. 0 3 %) 很低时加0 . 5 一1 %的铬可使钢的韧脆转变温度降低， 这是 因为铬最初加入时引起的软化作用的结果。 当含铬量在1 一8 %时， 钢的硬度虽然接 近同 一水平，但韧脆转变温度会升高。在合金钢中，当含碳量 ( 0 .2 5 %)低时，铬 量由 1 一3 %变化对韧脆转变温度的影响不大;含碳量 ( 0. 4 %)高的铬钢，韧脆转 变温度因铬量增加而提高。 镍 镍被认为是降低钢的韧脆转变温度作用最大的元素。不仅，镍钢具有低的 韧脆转变温度，含镍及其它元素的合金钢如铬镍铜钢、铬镍钨钢等的韧脆转变温度 也很低。 钥和钨 钥和钨降低钢的韧脆转变温度，特别是当钢中含有提高韧脆转变温度 的合金元素时，加铝和钨有利于获得高的冲击韧性。 钦和钒 钦和钒提高钢的韧脆转变温度，但作用程度较弱。这两种元素在结构 钢中多与铝同时使用，因此， 在铝的影响下它们对提高韧脆转变温度的作用常被抑 制。 综上所述可知，碳、氮、磷、硅等元素增大钢的韧脆转变温度，镍、锰等元素 有利于钢获得较高的冲击韧性值。 2 . 1 . 3材料热脆化对转子剩余寿命的影响 华北电力大学硕士学位论文 2 . 1 . 5汽轮机转子寿命的无损诊断 21 . 5 . 1 常用寿命评估方法 关 于老 化 火电 设备的 剩 余 寿命 评 价一 般 有三 种 方法 155 : 解 析法 ( 间 接评 价法 ) 、 破 坏性 检查 法 ( 直 接评 价法 ) 和 非 破 坏性 检查 法 ( 直 接 评价 法 ) 。 其中 ， 解析 法是以 转 子 的几何形状、材料规格等为基础，采用有限元法进行模拟，建 立有效的边界条件， 输入必要的 运行参数，进行温度和应力分布的计算，然后根据温度、 应力以及应变 范围，分别由蠕变断裂曲线和疲劳曲 线求得蠕变损伤和疲劳损伤。这种方法虽可评 价设备的任意部位，但随着设备长期运行，材料性能数据将发生变化，势必影响评 价精度，同时早期投运的机组， 有很多边界条件己 发生了变化， 运行记录也很难搜 集完全。因此解析法的诊断仍必须根据模型进行， 是具有许多局限性间接的评价方 法，因此还希望采用更直接的寿命评价方法。 破 坏 性检 查 法是 从汽 轮 机部 件 上截 取 小型 试 样， 采用 等应 力 法 进行 蠕变 断裂 试 验，求得在一定应力下的蠕变断裂时间与温度的关系曲线，并进行低周疲劳试验， 冲击试验等，以确定低周疲劳待性曲线，脆性转变温度等，以此预测部件材料的剩 余寿命。该方法精度高，但试验评价周期长，人力、物力耗费过大 ，特别是有很多 场合取样困难.因此希望采用既直接、又避免被评价的构件遭到破坏，还 能诊断寿 命损耗的无损评价方法。 采取无损检测实际退化与损伤程度，推算剩余寿命并与理论计算结合起来是一 个较为有效的方法，可 以较好弥补前述方法的不足。 图2 一 4在高温下长期服役汽轮机转子钢材料微观组织变化和劣化原理 表2 一 2在高温下长期服役汽轮机转子材料微观组织变化分析 损伤材料现象 碳化物 蠕变内部 ( 晶界) 空穴 疲劳 脆化 表面( 晶内 ) 内部 ( 晶界 ) 微裂纹 凝聚 发 生 萌 生 粗大 长大 扩 展 杂质 ( 磷 ) 弥散 无 无 弥散 偏析 ( 小)偏析 ( 富集) 从图2 一 4 及表2 一 2 分析可以 清楚地看到， 汽轮机转子材料在高温长期服役期间， 华北电力大学硕士学位论文 晶内 和晶界滑移带发生、形成并在金属表面的晶粒内萌生 微裂纹，以 及在晶内 弥散 析出的细微微观组织变化过程。晶内时效变化主要是疲劳寿命的损耗和材 料的软 化， 其过程是碳化物，在高温长期运行过程中聚集而粗大。晶 界时效变化主要是蠕 变寿命的损耗和材料的脆化，在运行中碳化物及杂质元素向晶界扩散析出，降低断 裂韧性，使脆性转变温度升高，以及空穴发生和出 现晶界滑移， 萌生微观裂纹。 巴1孺胃 内 部 组 织结 构变 化1 ， 固溶元索在基体的析出 ，析出物的聚集长大 .央 杂 物 的 晶 界 偏 析 . 其 它 电化学性质变化! .脚蚀特性变化 .脆化特性变化 .其 它 1 电磁特性变化1 .电 阻 变 化 .导 班 率 变 化 .其 它 图2 一 5长期运行转子材料的内部组织结构变化以及引起的各种特性变化 汽轮机部件在高温下的 长期运行相当于经历长期的时效处理，金属材料不可避 免地产生组织及性能的变化。图2 一 5 说明 转子材料经长期使用后，内 部组织结构的 变化， 以及相应的由此而引起的材料其它机械、物理、化学持性的变化。从本质上 讲， 一切可以测定的外部特性参数且不破坏构件的 方法都可用来进行无损诊断， 但 还需要建立该 特性参数与老化程度的关系，只 有这样才能达到无损诊断目 的。 21 . 5 . 2无损诊断方法 目 前，常用的无损检测 ( n o n 一d e s t ru c t i v c d i a ，0 5 1 5 ) 法如表2 一 3 所示， 包括检 测方法和使用范围.在这些方法中，尤以硬度测定法和电化学极化试验法最为方便 实用。 表2 一 3常用无损检测技术 无损检测技术检测原理检测方法损伤种类 蠕变疲劳脆化 硬度测定法碳化物聚集粗大， 组织回复再 结晶，材料软化 硬度计可可 金属组织观察法: 蠕变空洞法 碳化物观察法 在晶界生成蠕变空洞; 碳化物聚集粗大 光学显微镜 扫描电子显微镜 可 可 可 电化学 法: 极化法 腐蚀法 碳化物在晶界析出， 长大， p 、 s n 杂质元素 在晶界析出 极化曲线 晶界腐蚀深度 可 可 可 可 华北电力大学硕士学位论文 可可 可可 电阻法 祸流法 ( e c t ) 材料退化过程中的组织变化， 电阻特性降低，ect 读数下降 电阻测量仪 涡流试验装置 2 . 2实验原理和方法 由 于绝大多数金属腐蚀过程的本质是电化学性质的， 在腐蚀机理研究、腐蚀及 工业腐蚀监控中， 可广泛地利用金属/ 电解质溶液界面 ( 双电层)的电化学性质， 因 此，电化学技术已成为重要的腐蚀研究和检测方法。 电化学本质的 腐蚀过程， 根据法拉第定律，可用电 流密度来表示腐蚀速度;而 极化电位则是控制腐蚀反应的原动力。表征腐蚀速度与原动力之间关系的电流密度 一极化电位曲 线就是极化曲线。根据极化曲 线可以 判断电 极过程进行的难易性，进 一步确定电极过程的动力学参数。 测定极化曲线时采用三电极体系。它是由极化电 源 ( 最常用的是恒电位仪) 、 电 流与电位检测、电 解池与电 极系统组成。 该三电极系统构成两个回路: 一是极化 回路 ( 电流测量回路) ;二是电位测量回路。 测量恒电