高参数大容量汽轮机焊接转子

第56卷第6期2014年12月汽轮机技术TURBINETECHNOL0GYV0J_56NO6DEC2014高参数大容量汽轮机焊接转子庞庆，彭建强，孙秀萍1哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨150046；2包头师范学院物理科学技术学院，包头014030摘要从焊接转子的国外发展情况、焊接转子优点、焊接转子材料、焊接技术、热处理、焊接结构质量评价等方面对汽轮机焊接转子进行了论述，并给出我国焊接转子的发展方向及应重点研究的课题。关键词汽轮机；堆焊；焊接转子；焊后热处理分类号TK266；TK26361文献标识码A文章编号10015884201406047803WELDEDROTORFORLARGEPOWERRATINGSTEAMTURBINEWITHHIGHSTEAMPARAMETERSPANGQING，PENGJIANQIANG，SUNXIUPINGZ1HARBINTURBINECOMPANYLIMITEDHARBIN150046，CHINA；2PHYSICSSCIENCETECHNOLOGYCOLLEGEOFBAOTOUTEACHERSUNIVERSITY，BAOTOU014030，CHINAABSTRACTTHISPAPERDISCUSSESTHEWELDEDROTORFROMTHEPERSPECTIVEOFTHEADVANTAGESOFWELDEDROTOR，THEROTORMATERIALS，THEWELDINGTECHNOLOGY，THEHEATTREATMENTANDTHEQUALITYASSESSMENTFORTHEWELDINGSTRUCTURE，ANDEVENTUALLYGIVESDEVELOPMENTDIRECTIONANDTHESTUDYFOCUSOFTHEWELDEDROTORFORLARGESTEAMTURBINEINCHINAKEYWORDSSTEAMTURBINE；OVERLAYWELDING；WELDEDROTOR；POSTWELDHEATTREATMENT0前言为满足国民经济持续快速发展对电力的需求，实现节能减排的总目标，发展大容量高参数火电机组和核电机组已成为必然的选择。今后若干年内，我国将建设一大批单机容量1000MW或更大容量的超超临界火电机组和核电机组。转子是汽轮机最核心的部件，需要承受高温、高应力、高转速等严苛工况条件。汽轮机转子主要有3种制造方式套装结构、整锻结构和焊接结构。早期的汽轮机转子，由于受到当时冶炼、锻造等设备能力和技术的限制，大多采用套装结构或焊接结构。然而，套装转子存在下述问题1叶轮孔处应力较大；2转子的刚性差；3高温下，叶轮和主轴套装处容易产生松动现象。因此，套装结构转子逐渐被淘汰。与整锻转子相比，焊接转子具有下述不可替代的特点1技术成熟。自1930年欧洲制造出第一根焊接转子至今，焊接转子已经有80多年的历史，而且技术不断发展，已经成为欧洲汽轮机制造商的主要转子制造方式。2大型锻件难以制造。高参数、大容量汽轮机转子很难采用整锻方式制造，比如700C及以上等级汽轮机高中压转子需采用M基合金制造，采用NI基合金很难制造出10T以上的大型锻件；再如，目前正在大规模制造及投运的三代核电机组低压转子锻件重量在200T以上，制造很难很大，只有极少的重型厂能够制造。3调峰用联合循环机组要求采用薄壁部件。焊接转子为空心结构，显著减少壁厚。因此，随羞汽轮扭蒸汽参数的不断提高、容量不断增大，收稿日期201403432作者简介庞庆1981一，男，工程师，现主要从事汽轮机研究工作。汽轮机转子的材料越来越复杂、尺寸和重量越来越大。焊接转子已经成为国内外汽轮机制造商的必然选择。本文从焊接转子的国内外发展情况、焊接转子优点、焊接转子材料、焊接技术、热处理、焊接结构质量评价等方面对汽轮机焊接转子进行了论述，并给出我国焊接转子的发展方向及应重点研究的课题。1国内外焊接转子发展情况11欧洲原瑞士BBC公司从1926年起就开始发展汽轮机焊接转子技术，1929年1930年成功制造出世界上第一根汽轮机焊接转子，机组容量约14MW。最早使用焊接转子的机组安装在日本和比利时。到目前为止，焊接转子已经有80余年的历史。阿尔斯通ALSTOM公司是汽轮机焊接转子技术发展历史最长、技术最先进的公司，它包含原ABB、原ALSTOM和原GEC公司。到1988年末，该公司生产的焊接转子包括汽轮机高、中、低压转子、燃气轮机转子和压气机转子总数约达5000根左右，每年生产焊接转子50根左右，最大汽轮机功率达1300MW，转子重达213T。德国的转子焊接工作以西门子SIEMENS公司为代表，SIEMENS公司主要进行的工作包括9一12CR钢高中压转子的轴颈表面堆焊、核电汽轮机转子轴封防腐蚀堆焊、中低压转子焊接等。意大利FRANCOTOSI前身为ANSALDO公司大约在20年前引进原ABB的焊接技术，至今仍在生产焊接转子包第6期庞庆等高参数大容量汽轮机焊接转子479括低压转子同种材料焊接；中低压转子、高中压转子、高中低压异种钢转子焊接；轴颈堆焊。从上世纪50年代起，前苏联对焊接转子进行了系统的研究。研究单位有哈尔科夫汽轮电机厂、列宁格勒金属工厂、巴顿焊接研究所等。1959年焊接了外径1580MM的IIBK一150型汽轮机转子。目前，它具有专业的焊接转子车间，拥有可焊直径2500MM、重达250吨焊接转子装焊胎具和卧式电炉。12日本在9O年代中期，为适应电站汽轮机高温化、大容量化和缩短供货期的市场需求，FT本东芝、日立、三菱等公司开展了大量同种钢和异种钢焊接结构转子的研究。其中，三菱公司采用异种钢焊接技术成功制造了联合循环机组用焊接转子，转子由3种材质4部分组焊而成。2焊接转子的优点对于高参数、大功率超超临界汽轮机高中转子和核电汽轮机特别是半转速机组低压转子，焊接结构的转子具有其他结构的转子所不具备的优势1设计灵活、结构紧凑，可利用较小的锻件，易于锻造，易于保证内在质量；2内部可形成空腔，减轻了转子重量，减薄了壁厚，使转子的内外温差降低，减小了转子热应力，也提高了临界转速；3由于转子由多个轮盘组焊而成，每一段轮盘都可进行完善的热处理，易于各截面进行探伤检查，发现缺陷时也易于返修和更换；4转子各部分可采用不同材料，以满足不同工作部位对材料性能的不同要求，合理的使用合金材料；5采用焊接转子可解决优质大锻件锻造难度大的问题3焊接材料焊接材料的选择主要是根据机组工况条件确定。对于高中压转子，高温部分采用12CR或9CR钢，其余部分采用225CRMOV钢。9CR钢、12CR钢和含钴、硼的12CR钢分别用于566、600和630。采用这些材料和结构使得制造更大、交货周期短同时高温运行可靠性与12或9CR钢整锻转子相当的焊接转子成为可能。对于高低压转子，高温部分采用9或12CR钢，以保证高温区的强度。虽然9或12CR钢具有很高的高温强度，但是对于低温区应采用韧性比9或12CR钢好得多的35NICRMOV钢。与9或12CR钢整锻转子相比，高温区采用9或12CR钢、低温区采用35NICRMOV钢的焊接转子可以提高运行可靠性和制造能力。低压汽轮机转子普遍采用35NICRMOV钢。通常大型整锻转子要求很长的交货周期，而采用较小锻件焊接在一起的焊接转子的交货周期可大大缩短。目前，ET本、欧洲、美国等正在开发700以上的先进超超临界机组，其高中压转子均需要采用NI基高温合金与12CR钢焊接而成，如图1所示。NI基合金图1700C以上等级先进超超I界汽轮机焊接转子示意图4焊接技术根据国外有关资料，转子焊接技术主要分为堆焊技术和拼焊技术。41堆焊技术堆焊技术主要应用于转子轴颈、转子轴封段、低压转子的轴联接端、低压转子应力腐蚀的修复以及叶轮槽蠕变疲劳损伤的修复等。随着汽轮机参数的不断提高，传统的1CR一1MOV钢已经不能满足高中压转子的要求。566C以上的超临界及超超临界汽轮机高中压转子已经普遍采用各种912CR铁素体热强钢制造。然而，由于这类钢的导热性较差，导致其耐磨性能下降。9一12CR钢转子在巴氏合金轴承上运行时，轴颈部位易发生环线状烧熔磨损现象。为防止转子轴颈烧损并提高其运行性能，需要在轴颈位置堆焊含碳约02WT的低合金MNCR材料。同时，为了减少碳扩散，在堆焊MNCR合金前需先堆焊一层成分为16MO3的过渡层。轴颈堆焊一般采用埋弧焊工艺，但过渡层采用自动气体保护焊机焊接。饱和蒸汽汽轮机转子通常采用NICRMOV钢制造，由于存在高蒸汽流速，易于发生腐蚀破坏，尤其是在轴封位置。因此，通常在轴封位置堆焊耐腐蚀性能好的13CR一4NI填充材料。堆焊材料在550CC以上的去应力温度与转子的回火温度接近。为了减少碳化物聚集，先堆焊低碳材料作为过渡层。过渡层和最终的堆焊均采用埋弧焊工艺。42拼焊技术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，而整锻转子锻件材料的力学性能在现有条件下往往难以满足。高压或中压进汽位置的蒸汽温度通常在566以上，要求使用912CR钢，温度稍低的位置一般采用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，要求叶根槽的设计强度至少为760MPA，同时要求材料具有很好的塑韧性和低的FATF50。对于这些要求，35NICRMOV钢是最佳的选择。图2是根据转子不同位置工况条件不同采用焊接转子制造的某型联合循环汽轮机转子示意图2某型联合循环汽轮机焊接转子示意图480汽轮机技术第56卷图。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，分别采用225CRMOV、9CR和35NICRMOV3种钢焊接而成。所有的拼装焊接都采用窄间隙钨极气体保护焊GTAW工艺。该技术是对传统GTAW工艺的一种改型，通过极窄的焊缝大大降低了焊接金属沉积的偏离。即使对于壁厚达180MM的零件，焊缝根部也仅为9MM，而顶部仅为LLMM，仅为传统高沉积工艺焊缝很小的一部分。特别是对于厚壁部件的焊接，由于极高的深宽比，与其他焊接工艺相比，GTAWNG的成本是最低的。而且，焊缝破口加工时间、焊丝消耗量和检查时间都减少了。GTAWNG工艺还有其他优点，比如变形小、残余应力低、焊接质量高等。而且，力学性能优异是采用GTAM工艺的主要原因。5焊接转子的热处理与转子焊接相关的热处理包括焊前预热和焊后热处理，焊后热处理温度应适合基体材料和焊接材料，温度根据具体材料确定。转子锻件在重机厂中通常在炉中进行整体热处理。对于焊接转子，需要进行局部热处理。对于这种局部热处理，需要特制一种装配有隔热部件的热处理炉，满足每根转子的局部热处理要求。另外，为了避免转子局部发生塑性变形，保证恒定的温度分布，转子在整个热处理过程都处于旋转状态。对于焊后热处理，同种钢焊接相对容易，一次焊后热处理即可满足要求。但对于异种钢焊接，尤其是当两种焊接材料成分相差很大时，很难通过一种焊后热处理达到目的。以高低压焊接转子为例，高压部分采用高温性能优异的12CR钢，低压部分采用室温强度和韧性优异的35NICRMOV钢。由于9CR钢和35NICRMOV钢的成分差别很大，都存在回火软化问题，所以很难采用一种焊后热处理同时恢复上述两种钢焊接后的热影响区的性能。因此，在12CR钢的焊接侧先堆焊一层9CR中间过渡材料，然后进行第一次焊后热处理，恢复12CR钢的热影响区性能。再采用225CRMOV焊材与9CR钢焊接在一起，然而在垂直状态下，对整个转子进行焊后去应力热处理。6焊接转子质量评定焊接转子质量评定根据焊材和基材的成分和性能要求确定，一般包括无损检验、尺寸检验、焊接接头力学性能和组织检验、残余应力检查、转子热稳定试验等。61无损检验焊接转子应进行磁粉检验，不允许有超过15RAM的任何缺陷，以防产生疲劳裂纹扩展。为了能够检测出转子各个方向的缺陷，应采用直探头和斜探头对焊接转子进行超声波检查，超声波检验装置应设定为能检测出不小于05MM的缺陷。随着超声波探伤技术的不断发展，最新的相控阵超声波探伤技术已经开始应用于焊接转子缺陷检测。为了充分验证焊缝质量，还应对焊缝进行X射线检查。但是，由于焊接转子结构的特殊性，如何贴片是X射线检查的难点之一，需要进行专门的研究。62尺寸检验转子在焊后热处理后，应进行转子挠度测量和焊缝横向收缩量测量。63力学性能和组织检验转子焊接接头的力学性能检验根据焊材基材的成分确定，一般包括室温拉伸性能、冲击性能、时效试验、高低周疲劳试验、硬度检验等。时效试验考核焊接接头在长期受热情况下的脆变趋势。对焊接接头进行组织检查时应确保无铁素体、粗大晶粒等缺陷存在。64热稳定试验为了保证转子在起机、高温运行、停机等过程不发生任何挠曲，应对焊接转子进行热稳定性试验。7总结由于焊接转子具有技术成熟、能够解决大型锻件制造困难、满足调峰机组对薄壁件的要求等其他类型转子比如整锻转子所不能替代的特点，因此，我国的汽轮机制造商应大力发展焊接转子技术，以满足我国发电企业对大容量、高参数汽轮发电机组的迫切需求。由于焊接转子制造技术具有很大的难度，需要耗费大量的人力、物力和财力，而整锻转子已经完全满足现有汽轮机转子的使用要求，因此，我国焊接转子的发展应放在如下3个方面17O0及以上等级高中压焊接转子；2200T以上核电低压焊接转子；3联合循环机组用高低压焊接转子。与此同时，对于焊接转子，应重点研究以下内容