700℃及以上等级超超临界汽轮机螺栓材料选材的探讨研究论文电子版下载VIP

700 700 及以上等级超超临界汽轮机螺栓材料选材的探讨研究及以上等级超超临界汽轮机螺栓材料选材的探讨研究 论文电子版下载论文电子版下载 第56卷第1期xx年2月汽轮机技术TURBINE TECHNOLOGYVol 56No 1Feb xx700 C及以上等级超超临界汽轮机螺 栓材料选材的探讨苏昕 彭建强 杨鑫 1哈尔滨鑫润工业有限公司 哈尔滨150046 2哈尔滨汽轮机厂有限责任公司 哈尔滨150046 摘要综合近年来国内外先进超超临界汽轮机螺栓材料方面的资料 分析了国内外700 C及以上等级超超临界汽轮机螺栓的选材及材料性 能情况 给出了我国700 等级超超临界汽轮机螺栓的候选材料 关键词700 C等级超超临界 热膨胀系数 镍基高温合金 松弛性能 分类号TK265A1001 5884 xx O1 0078 03Study ofBolting Materials for theUhra SuperCritical SteamTurbine Working at700oC andAbove SUXin PENG Jian qiang YANG Xin 1Harbin Xinrun Industrial Company Limited Harbin150046 China 2Harbin TurbineCompanyLimited Harbin150046 China AbstractThis paperanalyzes thebohing materia l sused inthe advanceduhra super cri ticalsteam turbinein Chinaand abroad and givea remendation for thecandidate materialsf orthe700 C gradesteam turbinein China Key words700 C gra desteam turbine thermal expansioncoe fi cient Ni base superalloy relaxation proerties0前言节能与环保促使各国发展清洁煤发电技术 超超临 界发电机组就是通过提高蒸汽压力和蒸汽温度来达到提高效率和节 能降耗的目的 当蒸汽温度提高到700 C以上 机组的许多部件将只能采用高温合金 欧洲 日本和美国等都在进行下一代先进超超临界机组的研发计划 比如欧洲的Thermie AD700计划 美国的 Vision21 计划和日本的 New Sunshine 计划等 在这些计划中 主蒸汽温度将提高到700 再热蒸汽温度达720 相应的压力将从目前的30MPa左右提高到35MPa 40MPa 机组的供 电效率可达到50 55 我国也正在制定相应的高参数先进超超临界汽轮机研发计划 并于x x年7月由国家能源局举行了 国家700 C超超临界燃煤发电技术联盟 启动仪式 依托我国的能源 电力 设备制造和冶金行业及科研 院所 高等院校等 正式组建和启动了国家700oC超超临界燃煤发电 技术创新联盟 高温螺栓是超超临界汽轮机的关键部件之一 其用材必须具有良好 的蠕变持久性能 抗松弛性能 抗蒸汽氧化腐蚀性能等 本文综合近年来国内外先进超超临界汽轮机螺栓材料方面的资料 分析了国内外700 及以上等级超超临界汽轮机螺栓的选材及材料性 能情况 给出了我国700 C等级汽轮机螺栓的候选材料及研究重点 xx 08 27作者简介苏听 1963一 女 工程师 现从事汽轮机材料研究工 作 1国内外先进超超临界汽轮机高温螺栓候选材料1 1美国美国在选择 700 C及以上等级超超临界汽轮机高温螺栓候选材料时充分借鉴燃气 轮机螺栓材料的经验 选择具有成熟燃气轮机高温螺栓应用经验的 高温合金材料 包括Nimon ic 105 Nimonic 115 Waspa loy U 700 U 710 U 720 IN718等 这些合金的化学成分如表1所示 应力松弛性能是高温螺栓材料最重要的性能之一 松弛强度指在一定初始应变下 通常在0 1 0 2 之间 材料 在一定时间 通常为10000h一30O00h 后的松弛应力 因此 700 C及以上等级超超临界汽轮机高温螺栓材料的一个主要性 能是长时应力松弛强度 图1是几种Nimonic合金在初始应变为0 15 时在不同温度下松弛10 000h后的应力 从图中可以看出 Nimonicl05在750 的松弛强度与Ni monic80A在650oC时的松弛强度相当 约105MPa 而Nimon icl05在700 的松弛强度高达170MPa以上 Waspaloy合金是以Ni3 Al Ti 沉淀硬化的含钴镍基合金 国产牌号 为GH738 合金在760 C一870 C具有较高的强度 在870 C以下具有良好的抗氧 化腐蚀性能 也是一种非常好的螺栓材料 Udimet700是高合金化的沉淀硬化型镍基变形高温合金 具有良好的 高温拉伸性能 持久性能 蠕变性能 疲劳性第1期苏昕等700 C及 以上等级超超临界汽轮机螺栓材料选材的探讨79室R I I lI 105l jc I R0A fI 0f图1几种Nimonic合金不同温度下10O00h的松弛应力能 抗氧化性 能和抗硫化性能 是广泛使用的合金之一 但是 该合金在高温长期使用过程中 容易出现有害的相 1 2日本现有高温合金虽然具有良好的各项应用性能 且在燃气轮 机中有成熟的应用经验 但是 现有高温合金的线胀系数普遍较高 用作汽轮机高温螺栓材 料存在一定局限 因此 日本为了满足700 及以上等级超超临界汽轮机高温螺栓用材 需求 除了选择现有高温合金作为螺栓候选材料 比如Udimet 500 Waspaloy等 还自主开发了一系列低膨胀合金 比如LTES 700 USC141等 作为高温螺栓的候选材料 LTES700的热膨胀系数与传统的12 Cr钢相当 如图2所示 但高温 强度与传统高温合金Refractaloy26相当 如图3所示 为了验证LTES700合金用于汽缸中分面螺栓的应用性能 采用锻造棒 材制造了蒸汽温度为470 C和550 C汽轮机用汽缸中分面螺栓 图4是运行一年后的螺栓照片 经着色探伤后没有发现任何缺陷 提高合金中低膨胀元素Mo的含量可以显著降低合金的热膨胀系数 因此 日本日立金属公司通过研究Mo含量 相含量 相中A1 Ti比 等因素对合金热膨胀系数 拉伸性能和蠕变持久强度的影响 开发 出一种低膨胀高温合金材料USC141 合金室温约700 C的热膨胀系数约为14 10 qC USC141的持久性能与合金R一26和Nimonic80A相当 略低于合金252 如图5所示 1 3欧洲螺栓材料是由棒料机械加工而成的 在制造上不存在难0 妊邕崧室越疆靶图2LTES700与耐热钢 高温合金的平均热膨胀系数 比较 图3LTES700与Refractaloy26的持久强度度 而且现有螺栓材 料也已经能够满足先进汽轮机的要求 最佳合金的选择取决于具体汽轮机设计的特定要求 因此 欧洲的AD700项目在材料方面的研究重点为大型铸锻件用Ni基 合金的大型化及焊接技术的研发 对于700 等级先进超超临界高温螺栓 欧洲选择现有螺栓用Ni基合 金材料 比如Waspaloy Nimonicl05等 80汽轮机技术第56卷 口 470 墓薹 0550 图4LTES700螺栓在470 C 550 蒸汽温度下运行1年后的照片 50mm lIo 0y1 卜 钆 Il2 C reel 1 U1 Cll l1V1Al r v26 u AI10V UAlo AIsItype422L虹 T 20 卜l0gt 10图5usc14l和其它合金的持久 强度 L M参数法 2我国7O0 等级先进超超临界汽轮机高温螺栓用候选材料经过50多 年的发展 我国虽然拥有了独立的高温合金材料体系 在航空发动 机和燃气轮机领域也积累了丰富的高温合金材料应用经验 从日本 欧洲 美国的先进超超临界汽轮机高温螺栓候选材料的选 择来看 虽然日本开发了一些低热胀系数高温合金 但是 普遍选 择现有成熟的高温合金螺栓材料作为先进超超临界汽轮机高温螺栓 候选材料 而且都把性能优异的waspaloy Nimonic105合金作为螺 栓候选材料 因此 建议我国7o0 等级先进超超临界汽轮机高温螺栓选择waspa1 oy Nimonic105作为候选材料 3总结传统及各种新型的9 一12 cr钢已不能满足700 及以上等级 超超临界汽轮机零部件用材的要求 而传统的奥氏体钢由于其导热 性差 热膨胀系数高 无法制造汽轮机要求的厚壁部件 因此 700 超超临界汽轮机必须采用新型奥氏体钢和Ni基高温合金 汽轮机高温螺栓材料的制造相对简单 而且现有螺栓材料也已经能 够满足先进超超临界汽轮机的要求 因此 欧洲 日本 美国的70o 及以上先进超超临界汽轮机螺栓普 遍采用现有成熟的高温螺栓材料作为候选材料 然而 汽轮机与航空发动机 燃气轮机的工况条件有所差异 仍然 有必要深入研究这些候选材料在汽轮机工况条件下的各项应用性能 比如抗蒸汽氧化腐蚀性能 应力腐蚀性能 高温长时组织稳定性 及松弛性能等 参考文献 1 VI swANATHANR sARVER J TANzOsH JM BoiIer materialsfl0r u1t m supercritical coa1p0wer Plantssteam side似idati鲫 J J0umal ofMateria1s Engineeringand Perfo咖ance xx 15 3 255 274 2 郭岩 唐丽英 周荣灿 等 晶粒尺寸和表面状态对s3o43 2钢蒸汽氧化行为的影响 J 动力工程学报 20l1 3l 8 639 643 3 方圆圆 赵杰 李晓娜 HR3c钢高温时效过程中的析出相 J 金属学报 xx 46 7 844 849 4 樊险峰 吴少华 国产首台超超临界锅炉的设计与技术特 点 J 动力工程 2o09 29 2 l39一l44 5 蒋以任 节能减排与可持续发展 J 动力工程学 报 2O10 3O 1 1 4 6 Muneki s 0kub0H Abe F A pmposal0f development0f stmcturalmaterials based0n anew conceptf0r adv釉ced USCpower plants c 3rd symp0sium0n HeatResistant steeIsand AIl0ys fbrHigh E侬ci鲫cy uscP0wer P ant ukubaHeat ResislantDesign Gmup Structural MetalsCenter National Institutef0r Materials Sci ence 2O09 7 杨富 完善6oo 开发7o0 超超临界机组用国产 新型耐热钢 A 第九届电站金属材料学术年会 c 成都 2O11 1 3一l8 8 F V Ellis I G wright and P J Maziasz Review0f TurbineMaterialsf0r Usein ultrasupercriticalSteam Cvcles A Pmceed ings flmm theFourth Intemationalconference C Hi1ton HeadIs land S0uth Car0lina USA xx 535 551 9 R Yamam0to Y Kad0ya et a1 Devel叩ment0f wmughtM Based Superall0y wi h L0w ThenTlalExpansi0nf0r7oo Steam Turbines A Pmceedings flmm theF0ur h Intemationalc0nfer ence Hilt0n HeadIsland c s0uth car0lina usA 2Oo4 623 637 10 Takehiro Ohno Akihj r0roji et a1 Deve1opme力t0f LowTherrnal Expansi0n NiBase Supem11oy flnr SteamTurhine Applicati0ns Adv蛐ces inM terialsTechnol gy f0r F08sil PowerPlants A Prnceedings fr0m theFiffh IntemaIionalCo rence c Marc0Island n da USA 2oo7 377 39o 上接第34页 14 YaIl Q Yang YP Nishimura A eta1 Multi point andMulti level s0lar Inteati0nI呲0a c0al一6red powerPlant J Energy fuels 201O 2