单缸联合循环汽轮机整锻转子与焊接转子材料研究

第57卷第3期2015年6月汽轮机技术TURBINETECHNOLOGYV0157NO3JUN2015单缸联合循环汽轮机整锻转子与焊接转子材料研究庞庆，彭建强1哈尔滨动力科技贸易股份公司，150040；2哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨150046摘要对于功率较小的单缸联合循环汽轮机，其转子通常有两种结构，即整锻结构和焊接结构。对国内外两种结构的转子的用材、材料化学成分和力学性能以及制造工艺等进行论述，并对两种结构的用材进行了比较。由于焊接结构能够采用不同的材料拼焊而成，可以充分发挥材料的性能，因此，单缸汽轮机焊接转子材料具有更加广泛的应用前景。关键词联合循环汽轮机；高低压联合转子；焊接转子分类号TK26361；TK265文献标识码A文章编号10015884201503023704STUDYONMATERIALSFORMOCKBLOCKROTORANDWELDEDROTORF0RCOMBINEDCYCLESTEAMTURBINEINONECASINGPANGQINGPENGJIANQIANG1HARBINPOWERSCIENCEANDTECHNOLOGYTRADECOMPANY，HARBIN150040，CHINA；2HARBINTURBINECOMPANYLIMITED，HARBIN150046，CHINAABSTRACTFORTHELIGHTDUTYCOMBINEDCYCLESTEAMTURBINEINONECASING，THEROTORGENERALLYCONSISTSOFTWOSTRUCTURE，IEMOCKBLOCKANDWELDEDSTRUCTURE。THISPAPERDISCUSSESTHEMATERIALS，CHEMICALCOMPOSITION，MECHANICALPROPERTIES，ASWELLASMANUFACTURINGPROCESSFORTHEABOVEMENTIONEDROTORS，ANDMATERIALCOMPARISONISDONEFORTHETWOTYPEOFROTORSBECAUSETHEWELDEDROTORCANBEMADEBYDIFFERENTMATERIALSANDEXERTTHEADVANTAGESOFMATERIALSTOLARGEREXTENT，HENCE，THEMATERIALSFORWELDEDROTORSAREMOREPROMISINGFORTHECOMBINEDCYCLESTEAMTURBINEKEYWORDSCOMBINEDCYCLESTEAMTURBINE；HPLPCOMBINEDROTOR；WELDEDROTOR0前言燃气轮机蒸汽轮机联合循环机组具有启停速度快、效率高、温室气体排放低等优点，因此，国内外都在大力发展联合循环机组。一般来说，功率较小的联合循环汽轮机通常采用单缸结构，即高压、低压转子放置在一个汽缸中。对于单缸汽轮机，其转子有两种结构方式1整锻结构；2焊接结构。随着燃气轮机排气温度的不断提高，联合循环汽轮机的蒸汽参数也越来越高，目前最高蒸汽温度已到达620C。汽轮机转子材料的等级也越来越高，现在转子材料已经从低合金钢发展到使用温度可达620C的新型9一12CR耐热钢。本文综合国内外联合循环汽轮机转子材料的发展情况，分别就整锻结构和焊接结构转子的选材、材料化学成分和力学性能以及制造工艺等进行讨论，并对两种结构的用材进行了比较。1联合循环汽轮机用整锻转子材料11材料性能对于单缸汽轮机用整锻结构转子，要求转子高压部分必须具有优良的高温蠕变持久性能，而低压部分必须具有优异的室温强度和塑韧性。为了满足使得整锻转子同时具有高压转子和低压转子的性能特性，国内外开发了多种材料，其化学成分和力学性能分别如表1和表2所示。表1国内外高低压联合整锻转子材料的化学成分6WT收稿日期20150226作者简介庞庆1981一，男，工程师，现从事汽轮机研究及贸易工作。238汽轮机技术第57卷ZZSCRNIMOVW从表2可以看出，除24CR2NI2MOV钢外，对于低压部分来说，大多数材料的屈服强度都明显低于常规低压转子材料30CR2NI4MOVRD02760MPA，特别是2CRMO15NIV，而且FATT50普遍较高。这主要是因为这些钢的合金元素含量偏低的缘故，尤其是能够显著提高材料强度和韧性的NI元素。24CR2NI2MOV钢是国内开发的高低压联合整锻转子钢，其强度明显高于其它钢种，其屈服强度达到了30CR2NI4MOV下限值要求，而且具有良好塑韧性。图1是该钢的持久强度，从图1可以看出，该钢的持久强度位于常规高中压转子钢30CRLMOLV的上限，552OC、105H持久强度超过166MPA，明显高于国外开发的联合转子钢它们的持久强度位于30CRLMOLV钢的下限。随着联合循环汽轮机蒸汽参数不断提高，日本三菱公司开发了可用于566及以上机组用高低压联合转子材料98CR14MO10NIVNBN代号为HLP9F，其韧性和持久强度与传统的225CRMOV钢类似，制备前后化学成分未曾发生变化，未出现NBC、N碳氮化物，证实了9CR系列材料的优越性能。该钢的化学成分和力学性能如表3和表4所示。图124CR2NILMOLV钢的持久强度630下748H的时效处理并没有对9CRMOV钢的持久强度产生明显影响，表明该转子材料具有优越的高温性能。然而，从表2可以看出，9CRMOVNINBN转子低压段的强度受到限制，必须低于758MPA，这很难满足末级大叶片对转子叶2004年，NIU和KOBAYAHSI等人进一步研究发现，轮强度的要求。表3实验室确定的9CRMOVNINBN转子材料的最佳成分WT12高低压联合整锻转子制造工艺高低压联合整锻转子钢的冶炼工艺与常规CRMOV转子钢相同。传统的冶炼工艺包括电炉冶炼、钢包精炼剂随后的真空浇注。为了避免过度偏析，使钢锭的成分更加均匀，也可以采用电渣重熔工艺ESR。高低压联合转子的锻造与高中压转子类似，包括墩粗、拔长、成型几个阶段。与普通转子的热处理一样，高低压联合整锻转子的热处理包括预备热处理、调质热处理和去应力处理等几个阶段，如图2所示。预备热处理时不分区，包括正回火，目的是细化晶粒和消除锻造应力，并改善切削加工性能和超声波可探性。调质热处理时需要分区加热和冷却，中间放置隔热板。分区热处理是特殊的工艺高压段淬火温度较高的目的是使材料具有优异的高温性能，低压段淬火温度较低的目的是抑制晶粒长大，使锻件获得细小的晶粒组织，采用喷水冷却是为了使低压段进行低温组织转变，形成下贝氏体组织，提高锻件芯部的韧性。图3为高低压联合转子分区热处理示意第3期庞庆等单缸联合循环汽轮机整锻转子与焊接转子材料研究239图。1100900淬火970预备热处理水冷冷风冷640冷淬火第一次回火第二次回火调质热处理630冷去应力处理图2高低压联合转子热处理工艺举例C分段热处理炉分段淬火图3分区热处理示意图2联合循环汽轮机用焊接转子材料般采用CRMOV钢。而对于转子的低温段，由于温度较低，不需要使用高温材料。然而，由于叶片较长，尤其是末级叶片，要求叶轮槽的设计强度760MPA以上，同时要求材料具有很好的塑韧性和低的FATT50。对于这些要求，35NICRMOV钢是最佳的选择。图4是三菱公司根据转子不同位置、不同工况条件，采用焊接转子制造的联合循环汽轮机的纵剖图。转子根据蒸汽压力、温度和应力大小的变化沿轴向分布的不同采用225CRMOV、12CR和35NICRMOV3种钢焊接而成。_NNL厂图4三菱公司采用焊接转子制造的联合循环汽轮机_L表5和表6是225CRMOV、12CR和35NICRMOV3种钢的化学成分和力学性能。从表5和表6可以看出，转子进汽位置采用高温蠕变持久性能优异的12CR钢，低压采用屈服强度高达930MPA、韧性优异室温冲击功达166J，FA1T达一130C，很好的体现了焊接转子结构的优势。鼓风3整锻结构与焊接结构转子材料比较如前面分析所述，由于高低压联合整锻转子需要兼顾高压和低压转子的性能特性，因此，其材料性能和制造工艺必水定受到一定限制，具体如下1NI元素能够显著提高钢的淬透性，提高钢的强度和塑韧性，降低钢的脆性转变温度，因此，低压转子钢的NI含量高达4WT左右；然而，在高温下NI元素会促进C的偏聚，降低钢的高温蠕变强度和组织稳定性，因此，高压转子钢中M含量必须控制在1WT以下；因此，对于高低压联合整锻转子钢，其NI含量通常在2WT左右；这种折中的成分设计产生的结果就是钢的高温性能和室温强度都受到限制，进而限制了高压进汽温度的显著提高以及末级叶片长度的大幅采用拼焊接结构制造单缸高低压联合转子可以避免上述问题。转子拼接的设计是以蒸汽压力、温度和应力大小的变化沿轴向分布为前提。高效汽轮机的高压或中压进汽位置的蒸汽温度通常在566C以上，目前最高中压再热进汽温度已达620C，要求使用各类912CR钢，温度稍低的位置一增加。2同样为了使得整锻转子高压部分具有优异的高温性能，低压部分具有良好的室温强度和塑韧性及较低的脆性转变温度，因此必须采用差异热处理；这给转子热处理工艺及工装设计等带来很大困难。表5225CRMOV、12CR和35NICRMOV3种钢的化学成分WT240汽轮机技术第57卷然而，焊接结构转子由于可以采用不同的材料拼焊而成，因此其高压部分可以采用高温蠕变性能优异的耐高温材料，而低压部分可以采用具有优异室温强度和塑韧性及很低的脆性转变温度的4NI钢。随着联合循环汽轮机蒸汽参数的不断提高，整锻结构的局限性已经使其无法满足机组高蒸汽参数的选材要求。对于更先进的高蒸汽参数联合循环汽轮机转子必须采用焊接结构。因此，联合循环汽轮机焊接转子用材具有广泛的应用前景。4总结对于单缸联合循环汽轮机转子，主要有两种结构，即整锻结构和焊接结构。由于高低压联合整锻转子必须同时满足高中压转子要求的高温蠕变持久性能和低压转子要求高强度和塑韧性，因此其对钢种的成分设计和制造工艺提出了严苛的要求。就目前国内外开发的高低压联合整锻转子材料而言，其都具有一定的局限性，严重限制了蒸汽温度和末级叶片长度的进一步提高。然而，焊接结构可以根据不同的工况条件选择不同的材料，可以充分发挥耐热高温度材料和高强度高塑韧性材料的优势。因此，对于单缸联合循环汽轮机，尤其是更高参数和功率的机组，焊接结构转子具有高低压联合转子所不具有的优势，焊接转子用材具有更加广泛的应用前景。参考文献1张皓，张思清，张国利汽轮机高低压联合转子锻件材料及热处理工艺的研究J大型铸锻件，2007，313142POTTHASTE，POPPENHAGERJ，WIEMANNWANDMAYERKH，ADVANCED2CRMOWVSTEELSFORCOMBINATIONROTORSAPROCEEDINGS0FL1THINTERNATIONALFORGEMASTERSMEETINGCTEMI，ITALY，SOCIETADELLEFUCINE，1991，IX一83TANAKAY，IKEDAY，OHNISHIK，KAWAGUCHIS，WATANABEO，KAPLANA，SCHWANTRC，JAFFEERIANDPOEGDEVELOPMENTOFASUPERCLEAN25NICRMOVROTORSTEELFORHPANDLPAPPLICATIONAPROCEEDINGSOF11THINTERNATIONALFORGEMASTERSMEETINGATERNI，ITALY，SOCIETADELLEFUCINE，1991，IX74YAMADAM，TSUDAY，WATANABEO，MIYAZAKIM，TABAJAY，TAKENOUCHITANDIKEDAYHLPSINGLECYLINDERSTEAMTURBINEROTORFORGINGSFORCOMBINEDCYCLEPOWERPLANTSAPROCEEDINGSOFTHEROBERTIJAFFEEMEMORIALSYMPOSIUMONCLEANMATERIALSTECHNOLOGYCCHICAGO，USA，ASMINTERNATIONAL，19921615FUKUIY，SHIGAM，HIDAKAK，KANEKORANDTANTDEVELOPMENTOFSUPERCLEAN02MN一18NICRMOVSTEELROTORFORHPLPTURBINEAPROCEEDINGSOFTHEROBEIJAFFEEMEMORIALSYMPOSLUMONCLEANMATERIALSTECHNOLOGY，ASMMATERIALSWEEKCCHICAGO，USA，ASMINTERNATIONAL，19922496TSUCHIYAMAT，MIYAKAWAM，OKAMURAM，MATSUMURAK，MORITAM，YAMAMOTOTANDNISHIDASDEVELOPMENTANDPRODUCTIONOFANEWHPLPCOMBINEDTURBINEROTOROF2CRMOVSTEELAPROCEEDINGSOFTHEROBERTIJAFFEEMEMORIALSYMPOSIUMONCLEANMATERIALSTECHNOLOGY，ASMMATERIALSWEEKCCHICAGO，USA，ASMINTERNATIONAL，19921817FLIOABE，TOMTENULFKERN，RVISWANATHANCREEPRESISTANTSTEELSMWOODHEADPUBLISHINGLIMITED，20088AKIHIROITOH，HITOHISAYAMADA，TOMOOTAKENOUCHIPREDICTIONANDCONTENTOFSEGREGATIONINCRMOVSTEELINGOTFORMONOBLOCKHLPROTORFORGINGSUSINGEXPERIMENTALRESULTSOBTAINEDFROM8TONSANMOLDINGOTSJSTEELFORGINGSSECONDVOLUME，ASTMSTP1259，19979AZUMATSUKASA，TANAKAYASUHIKO，ISHIGUROTOHRU，ETA1IVIANUFACTURINGANDPROPERTIESOFNEWLYDEVELOPED9CRMOVNINBNHIGHPRESSURELOWPRESSUREROTORSHAFTFORGINGJASTMSPECIALTECHNICALPUBLICATION，1997，125933034310TANAKAY，AZUMAT，MIKIKDEVELOPMENTOFSTEAMTURBINEROTORFORGINGFORHIGHTEMPERATUREAPPLICATIONAPROCEEDINGSOFTHEFOURTHINTERNATIONALCONFERENCEONADVANEESINMATERIALSICHNOLOGYFORFOSSILPOWERPLANTSC200552053411TSHIGE，RMAGOSHI，ETCDEVELOPMENTOFLARGECAPACITY，HIGLLYEFFICIENTWELDEDROTORFORSTEAMTURBINESJTECHNICALREVIEW，2001，381611上接第184页力提高等内容可作为汽轮机回热系统配置的技术依据。3超超临界二次再热百