低压汽轮机末级超长叶片材料

第4期2015年12月索玄乞论揍DONGFANGTURBINEN04DEC2015DOI1013808CNKIISSU16749987201504011彭建强李宇峰哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨，150046摘要因为末级叶片长度决定了低压汽缸的数量、汽轮机的总长并最终决定电厂占地尺寸，对机组效率和电厂的建设成本有很大影响，所以末级叶片是汽轮机中非常关键的部件然而，由于末级叶片尺寸大，工况备件严苛，对材料有着非常高的要求因此，世界各国的汽轮机制造商都非常重视末级叶片材料的研发目前，共有3类末级叶片材料，即马氏体不锈钢、沉淀硬化不锈钢和钛合金。文章介绍了广泛使用及最新研发的末级叶片材料比较了钢制和钛合金末级叶片材料的优缺点，并结合国内超长K,D末级叶片模锻件制造能力，对国内高参数超超T1名界汽轮机超长叶片材料的研发给出了建议。关键词末级叶片，马氏体不锈铜，沉淀硬化不锈铜，钛合金中图分类号TK26文献标识码A文章编号167499872O1504004709MATERIALSFORULTRALONGLASTSTAGEBLADEOFLPSTEAMTURBINEPENGJIANQIANG，LIYUFENGHARBINTURBINECO，LTD，HEILONGJINGHARBIN，150046ABSTRACTTHELENGTHOFTHELASTSTAGEBLADELSBDECIDESTHENUMBEROFTHELPCASINGANDTHETOTALLENGTHOFTHESTEAMTURBINE，FURTHERDECIDESTHETOTALAREAOFTHEWHOLEPOWERPLANT，ANDINFLUENCESTHEUNITSEFFICIENCYANDCONSTRUCTIONCOSTOFTHEPOWERPLANTSIGNIFICANTLY，SOTHELSBISTHECRITICALPARTOFTHESTEAMTURBINEHOWEVER，THESIZEOFTHELSBISHUGE，ANDTHEWORKINGCONDITIONOFTHELSBISSEVERE，SOTHEPROPERTYREQUIREMENTFORTHELSBMATERIALISVERYHIGHHENCE，STEAMTURBINEMANUFACTURERSAUOVERTHEWORLDPAYATTENTIONTOTHERESEARCHANDDEVELOPMENTRDOFTHELSBMATERIA1UPTONOW，THEREARETHREETYPESOFLSBMATERIALSMATENSITICSTAINLESSSTEEL，PRECIPITATINGHARDENINGSTAINLESSSTEELANDTITANIUMALLOYTHISPAPERINTRODUCESTHELSBMATERIALWHICHISWILDLYUSEDANDNEWLYDEVELOPED，ANDCOMPARESTHEADVANTAGEANDDISADVANTAGEOFTHELSBMADEOFSTEELANDTITANIUMALLOY，ANDGIVESRDSUGGESTIONSFORTHELSBMATERIALFORTHEDOMESTICUSCSTEAMTURBINEWITHHIGHPARAMETERS，BASEDONTHEDIEFORGINGMANUFACTUREABILITYFORTHEULTRALONGLBSINCHINAKEYWORDSLSB，MATENSITICSTAINLESSSTEEL，PRECIPITATINGHARDENINGSTAINLESSSTEEL，TITANIUMALLOY由于环境问题日益引起重视对电厂温室气体排放要求也越来越严格，因此市场对高效、低成本发电设备的需求越来越大。末级叶片尺寸决作者简介彭建强1980一，男，硕士研究生，工程师，2004年毕业于合肥工业大学，主要从事汽轮机和燃气轮机材料研究方面的工作。47第4期索言乞粉嵌NO4300030003000300030001500L500120012192481092243L14612001800144857174PH155PH12CRSTEEL174PH12CRSTEEL174PHX12CRNIMOV12249第4期2015年12圣言乞鼢按DONGFANGTURBINENO4DEC2015在汽轮机的发展早期，由于机组的功率较低末级叶片及转子的尺寸不是太大T况条件也不是太严苛因此传统的马氏体不锈钢比如2CRL3等即可以满足低压汽轮机末级叶片的用材需求但是，随着汽轮机功率的不断增加蒸汽参数的不断提高传统马氏体不锈钢已经无法满足低压汽轮机末级叶片的用材要求【大I此国外汽轮机制造商开发了新型的CRNIM0一V和CR一21钢的化学成分和力学性能为了满足3000RRAIN汽轮机用1092M1未级叶片的用材要求EL本开发了CR_NIM一V钢命名为KT5312AS6、3600RMIN汽轮机未级叶片FL马氏体不锈钢的长度极限为840FILM3000RMIN汽轮机末级叶片用马氏体不锈钢的长度极限为L200MM1在KT5312AS6的基础上通过提高C、TI、MO含量，降低V、SI、MN，并添加冗素日立公司开发出了满足3000RMIN汽轮机木级叶片用CRNINHMOV马氏体不锈钢KT5312AS6和CRNINBM一V钢的化学成分NINHMOV马氏体不锈钢分别用作1092M和力学性能分别如表2和表3所示。干兀1200ILLLIL末级叶片材料。表2KT5312AS6和CRNINBMOV钢的化学成分17_91WT表3KT5312AS6和CR_NINBMOV钢的力学性能F22钢的特性对于末级叶片材料必须具有很好的韧性、冲击性能和疲劳性能但是如果钢中含有较多的8一铁素体那么其会沿变形方向呈带状分布从而显著降低钢在垂直于变形方向的韧性、冲击性能及疲劳性能因此必须严格控制钢巾的6一铁素体含量通常末级叶片材料技术条巾规定6一铁素体含量应不超过1如何控制钢中8一铁素体含量一般来说，有2种方式，即控制钢的化学成分和热加工艺首先钢中6一铁索体的形成主要与化学成分_天、国内外通常采用CR当量CR一一EQ表征钢巾8一铁素体的形成倾向，CR当量公式如下50CREQCR6SI4MO15WLLV5NB一40C一30N一4NI一2MRL一2CO1国内外学者一般认为当CR当量小于L0时钢巾不会形成8一铁素体L21I从式1可以看出，CR、SI、MO、W、V、NB是铁索体彤成元素，而C、N、NI、MN和CC是奥氏体形成元素每一元素对钢的性能影响都是非常复杂的比如N】元素它是铁素体形成元素，会促进8一铁素体的形成而同时它义是强烈的碳化物形成元素能够形成细小弥散分L布的NL，C，从而起到细化晶粒的作用著提高钢的强度。大1此某些钢种在进行成分设计时，必须危分考虑各种元素对性能的影响对于KT5312AS6和第4期2015年12月圣玄汔论搂DONGFANGTURBINENO4DEC2015CRNINBMOV来说，采用公式1计算的8一铁素体含量如表4所示。从表4可以看出，当采用化学成分的上限时，钢的CR当量最小。因此。对于这2种末级叶片材料考虑到合金元素对钢的性能的全面影响建议在钢的冶炼时应将合金元素控制在中上限。表4采用公式1计算的不同成分的CREQ注最坏成分组合指铁素体形成元素均采_FH上限值，奥氏体形成元素均采用下限值。然而6一铁素体的形成不仅取决于化学成分还取决于钢的热加工工艺，比如钢锭的冷却速率、锻造LN及热处理时的温度及保持时间等因此为了避免产生6一铁素体在钢锭凝固时应严格控制冷却速率避免铁素体形成元素过度偏析在锻造、轧制或热处理时，应尽量降低钢的加热温度及减少保温时间由于特殊的成分设计沉淀硬化不锈钢在保持极高强度的同时还具有很好的塑韧性因此被广泛用于大功率汽轮机末级叶片材料到目前为止共有3种沉淀硬化不锈钢用于大型末级叶片材料即174PH、L55PH和PH138MO，其中PH138MO是正在研发的末级叶片材料31PH钢的化学成分和力学性能174PH是传统的沉淀硬化不锈钢广泛用于各个类型的汽轮机末级叶片，包括亚临界、超临界、超超临界火电汽轮机以及6501400MW等级核电汽轮机174PH沉淀硬化不锈钢末级叶片的长度取决于不同的机组需求比如1219MM的3000RMIN火电汽轮机的末级叶片和1800MM的1500RRAIN核电汽轮机的末级叶片的长度就不同155PH广泛用于GE公司及其合作伙伴制造的各类汽轮机末级叶片材料比如东芝公司制造的1000MW等级超超临界火电汽轮机末级叶片PHL38MO是正在开发的汽轮机超长末级叶片材料将被用于1270MM、3600RMIN及1524MM、3000RRAIN汽轮机末级叶片材料3种沉淀硬化不锈钢的化学成分和力学性能如表5和表6所示表53种沉淀硬化不锈钢的化学成分22231WT5LNO4TI一6A一4V的化学成分和力学性分别女7W7TI6AI4V表一的似半肚WTCV2KL_6，可获得内耗大、热穗疋。T如一一。150一T一专一|。一L型的成分是TI一6M一4V一3MO3。量越OC_一二想II盛12叶CR一一。避5I一一图5一4V和12CR钢在不同温度下屠服强度比。；TI。蒿喜A6A14V样一一的室温弹性模重L1UTEMPERATURE图6TI一6A14V和PH138M。的导热率比较金具密度约为钢的一半这就使得在目约美薹主吴里的案善蓑_从I130,M、II13000RRAMCX,曩组分别。轮钢制200MM和LMILL，而钛合金禾缴“门腮到50、株MM厶会且1有550艮M高M的。强度。由于钛合金的密显主度和弹性模量均为钢的一半，囚口直”振动蚀性能，更加能够、口釜孽满足低压汽轮机千湿蒸汽过笈上水N一要求。，、A全还具有良好的抗冲击和耐水刷性墨亮其是R篝曩盖；的塑韧性。采用新开发的末缴月川N“一”第4期2015年12圣言乞粉揍DONGFANGTURBINENO4DEC2015钢已经可以制造3600RRAIN、1270MILL末级叶片和3000RMIN、1524INM末级叶片而且由于含有含量很高的CR、NI等元素同时具有极高的强度、硬度和塑韧性凶此沉淀硬化不锈钢在具有优异的抗腐蚀性能的同时还具有良好的抗冲击和水刷性能在很多情况下比如1000MW等级超超临界末级叶片用155PH钢其基体硬度在400HB左右无需进行防水刷处理即可满足使用要求。而且，钛合金存在以下缺点1成本高，虽然其密度是钢的一半，采用给定重量的材料可以制造更多的叶片但是其高成本会抵消密度低带来的优势2钛合金的导热性差、弹性模量低加工难度很大，而且叶片表面很容易出现烧伤缺陷3焊接难度大要求对焊件表面的清洁度要求极高，而且焊接时必须采用惰性气体保护4抗滑动磨损性能差，容易使叶片发生微震磨损5与钢相比，钛合金的振动衰减性能较差6钛合金叶片在大气和蒸汽环境下的疲劳性能低于12CR钢大】此，在钢制叶片能够满足使崩要求的情况下尽量不采用钛合金制造末级叶片末级叶片尺寸决定了汽轮机低压缸的数量增加末级叶片的长度除了可以显著提高机组效率外，还叮以减少低压缸数量进而降低火电厂的建设成本因此国内外汽轮机制造商都非常重视超长叶片的研发截止目前为止主要有3种类型的末级叶片材料，即马氏体不锈钢、沉淀硬化不锈钢和钛合金对3类末级叶片材料中典型钢种的化学成分和性能进行论述并比较了钢制叶片和钛合金叶片的优缺点结合国内汽轮机超长叶片的研发情况给出如下建议11由于沉淀硬化不锈钢在具有极高强度的同时还具有优异的塑韧性实际运行情况良好，而且在很多情况下可以不对叶片进行防水刷处理大【此应对沉淀硬化钢进行深入研究，以解4决汽轮机末级超长叶片用材问题2为了解决更大功率汽轮机末级叶片用材问题比如超过L500FILM的超长叶片，应对目前钛合金存在的问题比如衰减性能差、加工和焊接难度大等进行深入研究。并通过开发新型钛合金及新的加工和焊接1二艺解决这些问题3由于现有的沉淀硬化钢已经可以制造L524INLTL的超长叶片因此应对末级叶片用沉淀硬化钢的各项应用性能及批量化稳定生产工艺进行深人研究参考文献YAKAISHI，ETA1DEVELOPMENTOFNEXTGENERATIONULTRALONGEXHAUSTENDBLADESFORSTEANLTURBINESANDLLLEASUREL】LENTOFAXIALTORQUEATSINGLEAXIALGASTURBINECOMBINEDCYCLEPLANTS【J1MITSUBISHIHEAVYINDUSTRIESTECHNICALREVIEW，213，531117L21MKUROSAWA，MUMAYA，ETA1THEDEVELOPMENTOFI530MWSTEAMTURBINEFORADVANCEDPWRC7THINTERNATIONALCONFERENCEONNUCLEARENGINEERING，TOKYO，JAPAN，APRIL192319991831HFUKUDA，HOHYAMA，ETA1DEVELOPMENTOF3，6I一RPM50一INCH3，CC一RPN160一INCHULTRALONGEXHAUSTENDBLADESLI1MITST1BISHIHEAVYINDUSTRIESTECHNICALREVIEW，2009，462I825L4IYNAMEKI，TMUROHOSHI，ETA1DEVELOPMENTOFTALLDELNCOMPOUND1，0M、X，STEAMTURBINEANDGENERATORULLHITACHIREVIEW，1998，475176182I51PARMSTRONG，TABE，ETA1DESIGNANDOPERATINGEXPERICNCEOFSUPERCRITICAPRESSURECOALFIREDANTUIELECTRICPOWER23I6SSENOO，ETALTITANIUM50INCHAND60一INCHLASTSTAGEBLADESFORSTEALNTURBINESL23297MHARAGUCHI，QLIU，SODASTEAMTURBINEEQUIPMENTFORQINSHANPHASEHINUCLEARPOWERSTATIONINCHINAUJHITACHIREVIEW，2001，539599【8ROSENKRANZJ，ANDREASWICHTMANNBALANCINGECONOMICSANDENVIRONMENTALFRIENDLINESSTHECHALLENGEFORSUPERCRITICALCOALFIREDPOWERPLANTSWITHHIGHESTSTEAMPARAMETERSINTHEFUTUREUSIEMENSPOWERGENERATIONPG，2005【9HTTPWWWOSTIGOVL1LTTADASHI，STAKSHI，NYOSHIKIPERFORMANCEENHANCE第4期2015年12月索言乞粉按DONGFANGTURBINENO4DOC2015MENTOFLARGESCALESTEAMTURBINESUSINGCFDU】TOSHIBATECHNICALREVIEW，2007，6292529【11HTTPWWWPOWERENGCOM12APHE，ZYPENGSTCSIEMENSTYPE1000MWUSCSTEAMTURBINEJTHERMALTURBINE，2006，35117，13I3USDING，GHE，CLLIU，ETA1FIXTUREDESIGNFORHIGHFREQUENCYQUENCHINGFOR1448MMBLADEFOR1080MWNNCLEARSTEAMTURBINEJHOTWORKINGTECHNOLOGY，2012，4124211213，216【14YWSHI，DCLICHARACTERISTICSFOR1000MWUSESTEAMTURBINEJTURBINETECHNOLOGY，2007，493161162，16515BTZHU，NJMIAO，ZTLEISTUDYONTECHNICALPARAMETERSANDSTRUCTURALTYPESELECTIONOFOVERSUPERCRITICALUNITSINOURCOUNTRYTHERMALPOWERGENERATION，2005，34716【161ELOGAN，JRL，RROYHANDBOOKOFTURBOMACHINERY【MCRCPRESS2003【17WLSUNEFFECTOFHEATTREATMENTONMECHANICALPROPERTYOFMATENSITICSTAINLESSSTEELKT5312AS6SPECIALSTEELTECHNOLOGY，2013，19751518【181WLIRESEARCHONTHEANNEALINGPROCESSOF1CRL2NI3MO2VNUSPECIALSTEELTECHNOLOGY，2011，1766192319YXIAOPRODUCTIONPROCESSSTUDYONKT5312AS6STEELFORSTEAMTURBINEBLADEDL】LCHONGQINGCHONGQINGUNIVERSITY，2009【20XDZHOU，QILINWU，XPFAN，ETA1THEDEVELOPMENTOF1200RAMSTEELINESSLASTSTAGEBLADEFOR3000RMINSTEAMTURBINEJDONGFANGELECTRICREVIEW，2011，2521822【21FABE，TUKERN，RVISWANATHANCREEPRESISTANTSTEELS【M】WOODHEADPUBLISHING，2008【22GBT87322004STEELSFORSTEAMTURBINEBLADESS23A705A705M1995REAPPROVED2009STANDARDSPECIFICATIONFORAGEHARDENINGSTAINLESSSTEELFORGINGS【S】ASTM【24TMISEK，ETA1STATICANDDYNAMICANALYSISOF1220MMSTEELLASTSTAGEBLADEFORSTEAMTURBINEJAPPLIEDANDCOMPUTATIONALMECHANICS2009313314【25DHPING，MOHNUMA，YHIRAKAWA，ETA1MICROSTRUCTURALEVOLUTIONIN13CR8N