重型燃气轮机用大型铸锻件 第1部分：钢质自由锻件 编制说明

1《重型燃气轮机用大型铸锻件第1部分：钢质自由锻件》编制说明1工作简况1.1任务来源本文件是根据国家标准化管理委员会国标委发〔2023〕37号《关于下达2023年第二批推荐性国家标准计划及相关标准外文版计划的通知》计划编号20230621-T-604，项目名称“重型燃气轮机用大型铸锻件第1部分：钢质自由锻件”进行制定的，由中国机械工业联合会提出，全国大型铸锻件标准化技术委员会归口，主要起草单位：二重（德阳）重型装备有限公司、中国联合重型燃气轮机技术有限公司、上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂、东方电气集团东方汽轮机有限公司、哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，项目周期18个月。1.2主要工作过程起草阶段：起草单位在2023年08月28日接到标准制订任务后，组织相关技术人员进行研究，明确了标准主要技术内容、进度安排及有关要求，并成立起草工作组，工作组广泛收集项目相关的国内外标准和技术资料，并进行了大量的技术分析对比、资料查证、调查研究等工作。在此基础上，于2023年10月22日提出标准初稿和编制说明。在起草单位内部对标准初稿进行了多次评审并根据内部评审意见修改和完善了标准的技术内容。起草单位于2023年12月10日将标准初稿和编制说明送标委会初步审核，根据初步审核建议对标准的格式和内容进行了规范。2024年6月5日形成标准征求意见稿及相关附件。征求意见阶段：标委会秘书处于XXXX年XX月XX日组织征求意见，送标委会委员以及有代表性的标准利益方广泛征求意见，本次征求意见于XXXX年XX月XX日截止。本文件发送“征求意见稿”的单位4个；收到“征求意见稿”后，回函的单位4个，收到“征求意见稿”后回函并有建议或意见的单位4个；没有回函的单位0个。XXXX年XX月XX日秘书处将意见汇总并反馈给起草单位。起草单位对各方面所提意见进行汇总、分析后（见征求意见汇总处理表），对标准征求意见稿进行了补充、修改，于XXXX年XX月XX日提出标准送审稿及附件。审查阶段：标委会于XXXX年XX月XX日～XX日在XXXX组织召开了X项国家标准审查会，出席标准审查会委员X名，占全部应出席委员XX名的X％，符合程序要求。会上，标准的主要起草人对标准送审稿的条款及编制说明、征求意见处理情况进行了介绍。标委会委员和专家按照标准制订的原则，结合目前的科研、生产情况和市场需求，以严谨、科学的态度，对标准审查稿的技术指标、文字以及编制说明、意见处理情况等进行了全面认真的审议，对存在分歧的内容进行了充分讨论、认真推敲和反复斟酌，对一些具体的技术性问题提出了修改、补充、完善的意见和建议，最后代表们达成了一致意见，本文件通过报批阶段：标准起草工作组按照会议审查意见对标准送审稿作了进一步的修改、整理和完善，于XXXX年XX月XX日形成了标准报批稿及其附件，报到标委会秘书处。1.3主要参加单位和工作组成员及其所做的工作2主要参加单位：二重（德阳）重型装备有限公司、中国联合重型燃气轮机技术有限公司、上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂、东方电气集团东方汽轮机有限公司、哈尔滨汽轮机厂有限责任公司。主要成员：。。。。所做的工作：。。。负责标准的全面起草及审核，。。。负责支撑性材料收集、技术审核、标准化审核等。2标准编制原则和主要内容2.1编制原则本文件编制工作符合机械行业标准制定工作原则，按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分:标准化文件的结构和起草规则》给出的规则起草，技术要素符合我国机械工业大型铸锻件产品标准的要求。2.2标准主要内容本文件规定了重型燃气轮机用大型钢质自由锻件的供方要求、制造工艺、技术要求、试验方法、检验规则、验收、质量证明书及标识和包装等。主要技术指标包括9个材料牌号的化学成分、力学性能、硬度均匀性、显微组织、无损检测、残余应力及试验方法要求等，主要制定内容如下：2.2.1范围本文件适用于F级重型燃气轮机轴头、中心拉杆、压气机和透平轮盘等钢质自由锻件的订货、制造和检验。2.2.2规范性引用文件本章列出了在标准中规范性引用的文件，未列出非规范性引用和编写时参考的文件。2.2.3术语和定义本章定义“镦粗比”、“拔长比”、“总锻造比”、“倍尺锻造”四个术语。“镦粗比”的术语定义为：锻坯镦粗时变形前后的截面比或高度比U。U=F/F0=H0/H(式中：F0、F——锻坯镦粗前后的截面积；H0、H——锻坯镦粗前后的高度)。“拔长比”的术语定义为：锻坯拔长时变形前后的截面积比、长度比S。S=F0/F=L/L0（式中：F0、F——锻坯拔长变形前后的截面积；L0、L——锻坯拔长变形前后的长度）。“总锻造比”的术语定义为：锻件的纵向总锻造比等于每次连续锻造纵向锻造比的乘积。锻件的横向总锻造比等于每次连续锻造横向锻造比的乘积。锻件的总锻造比等于总纵向锻造比与总横向锻造比的乘积。“倍尺锻造”的术语定义为：多个锻件在一起整体锻造和热处理之后再分割开的锻造方法。为了避免标准执行中出现歧义，并依据是相关标准及经营生产经验，提出上述术语定义。2.2.4订货要求本章规定了订货合同签订时，订货方需提供的订货信息及技术要求，主要是依据该重型燃气轮机用钢质自由锻件的经营生产经验。2.2.5制造工艺本章设置的主要内容为重型燃气轮机用钢质自由锻件制造过程中冶炼、锻造、热处理、机械加工、缺陷消缺和补焊工序的制造方式和要求，规范了产品一般工序流程，推荐了预备热处理制度和性能热处理制度。2.2.6技术要求3本章重点规定了产品材料化学成分、力学性能、硬度均匀性、显微组织、无损检测、残余应力等相关技术要求，对钢质自由锻件材料成分偏差、力学性能、残余应力等作了明确的规定，避免产品在执行过程中无据可依的情况。在标准附录A列出了锻件力学性能取样示意图，附录B列出了锻件环芯电阻应变法测量位置示意图。2.2.7试验方法本章规定了检验的总体要求，主要有：化学成分、力学性能、无损检测、金相检验、残余应力检测的检验方法、取样规则和相应的标准，及试样数量要求等。2.2.8检验规则本章规定了化学熔炼和成品检验，力学性能检验及复试规则、无损检测规定、金相检验规定、残余应力测定、重新热处理及热处理后重新检验的规定等。2.2.9验收和质量证明书本章主要规定了产品制造商对交货产品的检验要求，及交货时的提供质量证明书应包括的软件资料2.2.10标识和包装本章主要供方交货产品应有的标识等内容、及其包装和发货的规范要求。2.3解决的主要问题本文件确立了重型燃气轮机用钢质自由锻件的选材、订货、制造、检测方法、检验规则、验收交货等通用技术要求，实现了对重型燃气轮机钢质自由锻件的选材、制造和检验等的统一规范，是对重型燃气轮机钢质自由锻件选材、制造和检验等的规范性指导。有利于解决多年来，由于我国重型燃气轮机主机厂引进技术路线各不相同，造成重型燃气轮机用钢质自由锻件的制造、检验和验收等缺少统一规范的技术标准，进而阻碍行业发展和参与国际竞争的问题。本文件的制定，使我国在国重型燃气轮机钢质自由锻件制造应用有了自主知识产权的技术标准，填补了我国重型燃气轮机钢质自由锻件制造标准的空白，有利于提高我国重型燃气轮机钢质自由锻件的产品质量，将推动我国重型燃气轮机钢质自由锻件制造技术进步，提升我国重型燃气轮机钢质自由锻件的国际竞争力，支撑我国重大装备走出去战略。3主要试验（或验证）情况本文件是标准制订项目，涉及的重型燃气轮机用钢质自由锻件，标准的主要技术内容是根据科研成果、工程化制造经验、相关国内技术标准或引进技术标准等确定。文件主要技术内容和技术指标设置先进、合理，充分兼顾了国内各种技术路线标准，与相关标准协调，可操作性好。目前，国内引进消化的重型燃气轮机技术路线主要有美国GE、日本三菱和意大利安萨尔多等，二重装备已按照技术标准要求为国内主机厂稳定提供了30余套50MW到300MW不等重型燃气轮机用钢质自由锻件，包括自主化G50重型燃气轮机，自主研制的300MW级F级重型燃气轮机首台样机锻件。按照“重型燃气轮机用大型铸锻件：钢质自由锻件”标准中的冶炼、锻造和热处理工艺方法，制造出来的钢质自由锻件，其化学成分、金相、力学性能等检测结果均达到标准要求。以上已应用于相关重型燃气轮机制造企业，产品已应用到闵行、万宁、海口、汕特、皖能、湘投、高淳、凤泉、翠山湖、丹阳、惠生、华电清远、德阳示范项目等多个机组中。对文件涉及材料及其技术指标、检测方法、检验规则等进行了试验（或验证），技术成熟。相关分析结果如下。3.1成品化学成分分析成品化学成分、痕迹元素和气体含量在锻件轮盘锻件规定位置处取样，通过仪器分析，常规检测化学元素包括：C、Si、Mn、P、S、Cr、Ni、Mo、V、Cu、Nb、N、Altot、W，痕迹元素As、Sn、Sb，气体4检测H、O。生产的合金结构钢锻件27Cr2Ni3MoV、28Cr2Ni4MoVA和马氏体耐热钢锻件13Cr10Mo1W1NiVNbN成分符合标准要求，其中P、S含量控制在较低水平，痕迹元素As、Sn、Sb分别控制在双零以下，气体含量H控制在1ppm以下，O控制在25ppm以下。合金结构钢锻件28Cr2Ni4MoVA和马氏体耐热钢锻件13Cr10Mo1W1NiVNbN主要成品化学成分见图1～图7。图127Cr2Ni3MoV钢P、S图228Cr2Ni4MoVA钢P、S图313Cr10Mo1W1VNbN钢P、S5图428Cr2Ni4MoVA钢As、Sn、Sb图513Cr10Mo1W1VNbN钢As、Sn、Sb图628Cr2Ni4MoVA钢H、O6图713Cr10Mo1W1VNbN钢H、O3.2性能分析拉伸和冲击性能试样分别从距材质27Cr2Ni3MoV、28Cr2Ni4MoVA压气机轮盘锻件端面20mm处取试环,在试环上标识12点和6点方向，检验12点位置试料。常温拉伸性能试验方法按GB/T228.1，高温拉伸性能试验方法按GB/T228.2，冲击试验方法按照GB/T229标准进行。27Cr2Ni3MoV压气机轮盘锻件抗拉强度、屈服强度、冲击等检测结果见下图8～图12，均符合标准的要求。各种强度等级28Cr2Ni4MoVA压气机轮盘锻件抗拉强度、屈服强度、冲击等检测结果见下图13～图26，均符合标准的要求。图827Cr2Ni3MoV压气机轮盘Rm数据7图927Cr2Ni3MoV压气机轮盘Rp0.2数据图1027Cr2Ni3MoV压气机轮盘高温拉伸Rp0.2数据图1127Cr2Ni3MoV压气机轮盘常温冲击数据8图1227Cr2Ni3MoV压气机轮盘低温冲击数据图1328Cr2Ni4MoVA强度级别700MPa压气机轮盘Rm数据图1428Cr2Ni4MoVA强度级别700MPa压气机轮盘Rp0.2数据9图1528Cr2Ni4MoVA强度级别700MPa压气机轮盘高温拉伸Rp0.2数据图1628Cr2Ni4MoVA强度级别700MPa压气机轮盘室温冲击数据图1728Cr2Ni4MoVA强度级别700MPa压气机轮盘低温冲击数据图1828Cr2Ni4MoVA强度级别800MPa压气机轮盘Rm数据图1928Cr2Ni4MoVA强度级别800MPa压气机轮盘Rp0.2数据图2028Cr2Ni4MoVA强度级别800MPa压气机轮盘室温冲击数据图2128Cr2Ni4MoVA强度级别800MPa压气机轮盘低温冲击数据图2228Cr2Ni4MoVA强度级别850MPa压气机轮盘常温拉伸Rm数据图2328Cr2Ni4MoVA强度级别850MPa压气机轮盘常温拉伸Rp0.2数据图2428Cr2Ni4MoVA强度级别850MPa压气机轮盘高温拉伸Rp0.2数据图2528Cr2Ni4MoVA强度级别850MPa压气机轮盘常温冲击数据图2628Cr2Ni4MoVA强度级别850MPa压气机轮盘低温冲击数据材质28Cr2Ni4MoVA的中心拉杆拉伸和冲击性能试样分别从两端距离外端面50mm处取试片,在试片上标识12点和6点方向，检验12点位置试料。常温拉伸性能试验方法按GB/T228.1，高温拉伸性能试验方法按GB/T228.2，冲击试验方法按照GB/T229标准进行。中心拉杆抗拉强度、屈服强度、冲击检测结果见下图27～图32，均符合标准的要求。图2728Cr2Ni4MoVA中心拉杆常温拉伸Rm数据图2828Cr2Ni4MoVA中心拉杆高温拉伸Rm数据图2928Cr2Ni4MoVA中心拉杆常温拉伸Rp0.2数据图3028Cr2Ni4MoVA中心拉杆高温拉伸Rp0.2数据图3128Cr2Ni4MoVA中心拉杆常温冲击数据图3228Cr2Ni4MoVA中心拉杆低温冲击数据材质35Cr2Ni4MoVA的压气机轮盘拉伸和冲击性能试样从外表面处试环,在试片上标识12点和6点方向，检验12点位置试料。常温拉伸性能试验方法按GB/T228.1，高温拉伸性能试验方法按GB/T228.2，冲击试验方法按照GB/T229标准进行。抗拉强度、屈服强度、冲击等检测结果见下图33～图37，均符合标准的要求。图3335Cr2Ni4MoVA压气机轮盘常温拉伸Rm数据图3435Cr2Ni4MoVA压气机轮盘常温拉伸Rp0.2数据图3535Cr2Ni4MoVA压气机轮盘高温拉伸Rp0.2数据图3635Cr2Ni4MoVA压气机轮盘常温冲击数据图3735Cr2Ni4MoVA压气机轮盘FATT数据材质30Cr2NiMo1V的轮盘拉伸和冲击性能试样从外表面处试环,在试片上标识12点和6点方向，检验12点位置试料。常温拉伸性能试验方法按GB/T228.1，高温拉伸性能试验方法按GB/T228.2，冲击试验方法按照GB/T229标准进行。抗拉强度、屈服强度、冲击等检测结果见下图38～图43，均符合标准的要求。图3830Cr2NiMo1V压气机轮盘常温拉伸Rm数据图3930图3930Cr2NiMo1V压气机轮盘高温拉伸Rm数据图4030Cr2NiMo1V压气机轮盘常温拉伸Rp0.2数据图4130Cr2NiMo1V压气机轮盘高温拉伸Rp0.2数据图4230Cr2NiMo1V压气机轮盘常温冲击数据图4330Cr2NiMo1V压气机轮盘FATT数据材质13Cr10Mo1W1NiVNbN的马氏体耐热钢轮盘锻件，从外圆和内孔分别距离热处理表面20mm切取试环，在试环上标识12点和6点位置，检验12点位置试料。拉伸性能试验方法按GB/T228.1、GB/T228.2，冲击试验方法按照GB/T229标准进行。室温屈服强度、抗拉强度、冲击等检测结果见下图44~图47，均符合标准的要求。图4413Cr10Mo1W1NiVNbN马氏体耐热钢轮盘室温Rp0.2数据图4513Cr10Mo1W1NiVNbN马氏体耐热钢轮盘室温Rm数据图4613Cr10Mo1W1NiVNbN马氏体耐热钢轮盘高温Rp0.2数据图4713Cr10Mo1W1NiVNbN马氏体耐热钢轮盘室温冲击数据3.3显微组织分析性能热处理后，在28Cr2Ni4MoVA压气机轮盘和13Cr10Mo1W1NiVNbN马氏体耐热钢轮盘规定位置取试，分别按GB/T6394、GB/T10561规定进行平均晶粒度和非金属夹杂物检测，检测结果见图48～图51。图4828Cr2Ni4MoVA压气机轮盘晶粒度数据图4913Cr10Mo1W1NiVNbN马氏体耐热钢轮盘晶粒度数据图5028Cr2Ni4MoVA压气机轮盘非金属夹杂物图5113Cr10Mo1W1NiVNbN马氏体耐热钢轮盘非金属夹杂物28Cr2Ni4MoVA压气机轮盘晶粒度检测结果为5.5～9.5级，A、B、C、D各类夹杂物级别都在1.0以下，A、B、C、D四类非金属夹杂物总和在1.5以下；13Cr10Mo1W1NiVNbN马氏体耐热钢轮盘晶粒度检测结果为2.0～4.5级，A、B、C、D各类夹杂物级别都在1.0以下，A、B、C、D四类非金属夹杂物总和在2.0以下。均满足要求。综上，本文件涉及的重型燃气轮机用钢质自由锻件制造技术内容以我国企业的相应钢质自由锻件生产实践和经验为基础制定，符合我国特点，技术成熟、先进、可操作性好，已在部分主要企业有很好的技术积累。二重（德阳）重型装备有限公司、中国联合重型燃气轮机技术有限公司、上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂、东方电气集团东方汽轮机有限公司、哈尔滨汽轮机厂有限责任公司等长期以来一直致力于重型燃气轮机的国产化制造，立足于自主集成创新，并将创新成果工程化与产业化。本文件主要技术内容和技术指标设置先进、经济合理，与相关标准协调，可操作性好，表明本文件合理、有效、可行。4标准中涉及专利的情况本文件项目尚未识别出涉及专利，不涉及知识产权问题。5预期达到的社会效益、对产业发展的作用等情况5.1背景推进碳达峰碳中和，充分体现我国的大国担当，“十四五”规划纲要提出推进能源革命，建设清洁低碳、安全高效的能源体系，我国将积极推进能源结构调整，高效、清洁、多元化、智能化是能源转型的主要特征。以重型燃气轮机为核心的联合循环发电技术，热效率可以达到60%以上，“十三五”末，我国燃气发电装机9972万千瓦，相比“十二五”末增加75％，随着“两机专项”工程的实施、分布式能源的发展、电力系统灵活调节能力提升以及未来氢能源的利用等，重型燃气轮机的产业和市场规模将不断扩大。重型燃气轮机制造精密，关键零部件要求严苛，是体现一个国家科学研究水平和机械制造能力的尖端技术，被誉为“装备制造业皇冠上的明珠”。重型燃气轮机项目先后被列入“863计划”和“科技创重型燃气轮机主要结构包括压气机、燃烧室、燃气透平三大部分，包括了以大型锥形体、燃烧室缸体、透平缸体和压气机缸体等铸件以及压气机轮盘、透平轮盘、拉杆、中间轴、扭力盘、前后轴头、拉杆螺母等锻件，由于重型燃机频繁启动、高温长寿命设计以及高精密制造要求，对重型燃机铸锻件的材料、大型铸锻件的综合性能提出了极高要求。我国的重型燃气轮机产业起步于20世纪50年代，2001年，国家发改委印发《燃气轮机产业发展和技术引进工作实施意见》，近20年来，我国重型燃气轮机技术引进与消化吸收，技术自主创新取得了重大突破。在重型燃气轮机用大型铸锻件材料方面，通过合作制造和自主开发，突破了国外的技术封锁，解决了“材料”卡脖子的技术难题，从锥形体、压气机轮盘、透平轮盘等锻件认证起步，目前已掌握了中国重燃、上海电气、东方电气等不同技术路线的材料和制造技术，国内已形成了材料、铸锻件、检测检验的技术和制造力量，具备了标准的研制条件。重型燃气轮机用大型钢质自由锻件材料包括合金结构钢、马氏体耐热钢，主要产品有轴头、中心拉杆、压气机和透平轮盘等零部件。钢质自由锻件主要为盘类锻件，壁厚、直径尺寸大，内部理化性能均匀性和纯净度要求高、探伤要求严格，冶炼、锻造、热处理过程控制难度大。国内已成功研制的重型燃气轮机钢质自由锻件主要有上燃F级燃机轮盘，东汽G50燃机轮盘、中国重燃300MW级F级重型燃气轮机首台样机转子体锻件等，应用于闵行、万宁、海口、汕特、皖能、湘投、高淳、凤泉、翠山湖、丹阳、惠生、华电清远、德阳示范项目等项目，产品总体技术达到了国际先进水平。5.2目的和意义本标准的制定将支撑我国燃气轮机装备产业有序发展，保障供应链自主可控。大型铸锻件是重型燃气轮机主要结构的核心零部件，对燃气轮机装备产业的发展起着关键核心作用。本次成体系的研制重型燃气轮机用大型铸锻件系列材料标准，有利于形成我国重型燃气轮机用大型铸锻件材料体系，培育增强重型燃气轮机材料配套能力，提升产业链材料供应保障能力。本标准的制定还将规范和引导设计选材和经营生产，提升燃气轮机用大型铸锻件技术质量水平。由于在重型燃气轮机装备行业形成了不同的技术路线，行业骨干企业在产业形成初期形成了各自的零件标准，各零件标准的来源也不尽相同，标准繁杂，造成不同机型、不同材料、不同设计的零件验收条件中部分技术指标各有不同，从而使得材料生产组织难度大、锻件验收复杂。标准研制有利于规范和统一选材和技术要求，指导重型燃气轮机设计制造和大型铸锻件材料制造，提升燃气轮机用大型铸锻件技术质量水平和竞争力。5.3标准对产业发展的作用能源安全问题是我国当前经济发展和实现碳中和目标过程