700℃及以上等級(jí)超超臨界汽輪機(jī)螺栓材料選材的探討研究論文電子版下載

700 700 及以上等級(jí)超超臨界汽輪機(jī)螺栓材料選材的探討研究及以上等級(jí)超超臨界汽輪機(jī)螺栓材料選材的探討研究 論文電子版下載論文電子版下載 第56卷第1期xx年2月汽輪機(jī)技術(shù)TURBINE TECHNOLOGYVol 56No 1Feb xx700 C及以上等級(jí)超超臨界汽輪機(jī)螺 栓材料選材的探討蘇昕 彭建強(qiáng) 楊鑫 1哈爾濱鑫潤(rùn)工業(yè)有限公司 哈爾濱150046 2哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司 哈爾濱150046 摘要綜合近年來(lái)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)超超臨界汽輪機(jī)螺栓材料方面的資料 分析了國(guó)內(nèi)外700 C及以上等級(jí)超超臨界汽輪機(jī)螺栓的選材及材料性 能情況 給出了我國(guó)700 等級(jí)超超臨界汽輪機(jī)螺栓的候選材料 關(guān)鍵詞700 C等級(jí)超超臨界 熱膨脹系數(shù) 鎳基高溫合金 松弛性能 分類號(hào)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前言節(jié)能與環(huán)保促使各國(guó)發(fā)展清潔煤發(fā)電技術(shù) 超超臨 界發(fā)電機(jī)組就是通過(guò)提高蒸汽壓力和蒸汽溫度來(lái)達(dá)到提高效率和節(jié) 能降耗的目的 當(dāng)蒸汽溫度提高到700 C以上 機(jī)組的許多部件將只能采用高溫合金 歐洲 日本和美國(guó)等都在進(jìn)行下一代先進(jìn)超超臨界機(jī)組的研發(fā)計(jì)劃 比如歐洲的Thermie AD700計(jì)劃 美國(guó)的 Vision21 計(jì)劃和日本的 New Sunshine 計(jì)劃等 在這些計(jì)劃中 主蒸汽溫度將提高到700 再熱蒸汽溫度達(dá)720 相應(yīng)的壓力將從目前的30MPa左右提高到35MPa 40MPa 機(jī)組的供 電效率可達(dá)到50 55 我國(guó)也正在制定相應(yīng)的高參數(shù)先進(jìn)超超臨界汽輪機(jī)研發(fā)計(jì)劃 并于x x年7月由國(guó)家能源局舉行了 國(guó)家700 C超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)聯(lián)盟 啟動(dòng)儀式 依托我國(guó)的能源 電力 設(shè)備制造和冶金行業(yè)及科研 院所 高等院校等 正式組建和啟動(dòng)了國(guó)家700oC超超臨界燃煤發(fā)電 技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟 高溫螺栓是超超臨界汽輪機(jī)的關(guān)鍵部件之一 其用材必須具有良好 的蠕變持久性能 抗松弛性能 抗蒸汽氧化腐蝕性能等 本文綜合近年來(lái)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)超超臨界汽輪機(jī)螺栓材料方面的資料 分析了國(guó)內(nèi)外700 及以上等級(jí)超超臨界汽輪機(jī)螺栓的選材及材料性 能情況 給出了我國(guó)700 C等級(jí)汽輪機(jī)螺栓的候選材料及研究重點(diǎn) xx 08 27作者簡(jiǎn)介蘇聽(tīng) 1963一 女 工程師 現(xiàn)從事汽輪機(jī)材料研究工 作 1國(guó)內(nèi)外先進(jìn)超超臨界汽輪機(jī)高溫螺栓候選材料1 1美國(guó)美國(guó)在選擇 700 C及以上等級(jí)超超臨界汽輪機(jī)高溫螺栓候選材料時(shí)充分借鑒燃?xì)?輪機(jī)螺栓材料的經(jīng)驗(yàn) 選擇具有成熟燃?xì)廨啓C(jī)高溫螺栓應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的 高溫合金材料 包括Nimon ic 105 Nimonic 115 Waspa loy U 700 U 710 U 720 IN718等 這些合金的化學(xué)成分如表1所示 應(yīng)力松弛性能是高溫螺栓材料最重要的性能之一 松弛強(qiáng)度指在一定初始應(yīng)變下 通常在0 1 0 2 之間 材料 在一定時(shí)間 通常為10000h一30O00h 后的松弛應(yīng)力 因此 700 C及以上等級(jí)超超臨界汽輪機(jī)高溫螺栓材料的一個(gè)主要性 能是長(zhǎng)時(shí)應(yīng)力松弛強(qiáng)度 圖1是幾種Nimonic合金在初始應(yīng)變?yōu)? 15 時(shí)在不同溫度下松弛10 000h后的應(yīng)力 從圖中可以看出 Nimonicl05在750 的松弛強(qiáng)度與Ni monic80A在650oC時(shí)的松弛強(qiáng)度相當(dāng) 約105MPa 而Nimon icl05在700 的松弛強(qiáng)度高達(dá)170MPa以上 Waspaloy合金是以Ni3 Al Ti 沉淀硬化的含鈷鎳基合金 國(guó)產(chǎn)牌號(hào) 為GH738 合金在760 C一870 C具有較高的強(qiáng)度 在870 C以下具有良好的抗氧 化腐蝕性能 也是一種非常好的螺栓材料 Udimet700是高合金化的沉淀硬化型鎳基變形高溫合金 具有良好的 高溫拉伸性能 持久性能 蠕變性能 疲勞性第1期蘇昕等700 C及 以上等級(jí)超超臨界汽輪機(jī)螺栓材料選材的探討79室R I I lI 105l jc I R0A fI 0f圖1幾種Nimonic合金不同溫度下10O00h的松弛應(yīng)力能 抗氧化性 能和抗硫化性能 是廣泛使用的合金之一 但是 該合金在高溫長(zhǎng)期使用過(guò)程中 容易出現(xiàn)有害的相 1 2日本現(xiàn)有高溫合金雖然具有良好的各項(xiàng)應(yīng)用性能 且在燃?xì)廨?機(jī)中有成熟的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn) 但是 現(xiàn)有高溫合金的線脹系數(shù)普遍較高 用作汽輪機(jī)高溫螺栓材 料存在一定局限 因此 日本為了滿足700 及以上等級(jí)超超臨界汽輪機(jī)高溫螺栓用材 需求 除了選擇現(xiàn)有高溫合金作為螺栓候選材料 比如Udimet 500 Waspaloy等 還自主開(kāi)發(fā)了一系列低膨脹合金 比如LTES 700 USC141等 作為高溫螺栓的候選材料 LTES700的熱膨脹系數(shù)與傳統(tǒng)的12 Cr鋼相當(dāng) 如圖2所示 但高溫 強(qiáng)度與傳統(tǒng)高溫合金Refractaloy26相當(dāng) 如圖3所示 為了驗(yàn)證LTES700合金用于汽缸中分面螺栓的應(yīng)用性能 采用鍛造棒 材制造了蒸汽溫度為470 C和550 C汽輪機(jī)用汽缸中分面螺栓 圖4是運(yùn)行一年后的螺栓照片 經(jīng)著色探傷后沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何缺陷 提高合金中低膨脹元素Mo的含量可以顯著降低合金的熱膨脹系數(shù) 因此 日本日立金屬公司通過(guò)研究Mo含量 相含量 相中A1 Ti比 等因素對(duì)合金熱膨脹系數(shù) 拉伸性能和蠕變持久強(qiáng)度的影響 開(kāi)發(fā) 出一種低膨脹高溫合金材料USC141 合金室溫約700 C的熱膨脹系數(shù)約為14 10 qC USC141的持久性能與合金R一26和Nimonic80A相當(dāng) 略低于合金252 如圖5所示 1 3歐洲螺栓材料是由棒料機(jī)械加工而成的 在制造上不存在難0 妊邕崧室越疆靶圖2LTES700與耐熱鋼 高溫合金的平均熱膨脹系數(shù) 比較 圖3LTES700與Refractaloy26的持久強(qiáng)度度 而且現(xiàn)有螺栓材 料也已經(jīng)能夠滿足先進(jìn)汽輪機(jī)的要求 最佳合金的選擇取決于具體汽輪機(jī)設(shè)計(jì)的特定要求 因此 歐洲的AD700項(xiàng)目在材料方面的研究重點(diǎn)為大型鑄鍛件用Ni基 合金的大型化及焊接技術(shù)的研發(fā) 對(duì)于700 等級(jí)先進(jìn)超超臨界高溫螺栓 歐洲選擇現(xiàn)有螺栓用Ni基合 金材料 比如Waspaloy Nimonicl05等 80汽輪機(jī)技術(shù)第56卷 口 470 墓薹 0550 圖4LTES700螺栓在470 C 550 蒸汽溫度下運(yùn)行1年后的照片 50mm lIo 0y1 卜 釓 Il2 C reel 1 U1 Cll l1V1Al r v26 u AI10V UAlo AIsItype422L虹 T 20 卜l0gt 10圖5usc14l和其它合金的持久 強(qiáng)度 L M參數(shù)法 2我國(guó)7O0 等級(jí)先進(jìn)超超臨界汽輪機(jī)高溫螺栓用候選材料經(jīng)過(guò)50多 年的發(fā)展 我國(guó)雖然擁有了獨(dú)立的高溫合金材料體系 在航空發(fā)動(dòng) 機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域也積累了豐富的高溫合金材料應(yīng)用經(jīng)驗(yàn) 從日本 歐洲 美國(guó)的先進(jìn)超超臨界汽輪機(jī)高溫螺栓候選材料的選 擇來(lái)看 雖然日本開(kāi)發(fā)了一些低熱脹系數(shù)高溫合金 但是 普遍選 擇現(xiàn)有成熟的高溫合金螺栓材料作為先進(jìn)超超臨界汽輪機(jī)高溫螺栓 候選材料 而且都把性能優(yōu)異的waspaloy Nimonic105合金作為螺 栓候選材料 因此 建議我國(guó)7o0 等級(jí)先進(jìn)超超臨界汽輪機(jī)高溫螺栓選擇waspa1 oy Nimonic105作為候選材料 3總結(jié)傳統(tǒng)及各種新型的9 一12 cr鋼已不能滿足700 及以上等級(jí) 超超臨界汽輪機(jī)零部件用材的要求 而傳統(tǒng)的奧氏體鋼由于其導(dǎo)熱 性差 熱膨脹系數(shù)高 無(wú)法制造汽輪機(jī)要求的厚壁部件 因此 700 超超臨界汽輪機(jī)必須采用新型奧氏體鋼和Ni基高溫合金 汽輪機(jī)高溫螺栓材料的制造相對(duì)簡(jiǎn)單 而且現(xiàn)有螺栓材料也已經(jīng)能 夠滿足先進(jìn)超超臨界汽輪機(jī)的要求 因此 歐洲 日本 美國(guó)的70o 及以上先進(jìn)超超臨界汽輪機(jī)螺栓普 遍采用現(xiàn)有成熟的高溫螺栓材料作為候選材料 然而 汽輪機(jī)與航空發(fā)動(dòng)機(jī) 燃?xì)廨啓C(jī)的工況條件有所差異 仍然 有必要深入研究這些候選材料在汽輪機(jī)工況條件下的各項(xiàng)應(yīng)用性能 比如抗蒸汽氧化腐蝕性能 應(yīng)力腐蝕性能 高溫長(zhǎng)時(shí)組織穩(wěn)定性 及松弛性能等 參考文獻(xiàn) 1 VI swANATHANR sARVER J TANzOsH JM BoiIer materialsfl0r u1t m supercritical coa1p0wer Plantssteam side似idati鯽 J J0umal ofMateria1s Engineeringand Perfo咖ance xx 15 3 255 274 2 郭巖 唐麗英 周榮燦 等 晶粒尺寸和表面狀態(tài)對(duì)s3o43 2鋼蒸汽氧化行為的影響 J 動(dòng)力工程學(xué)報(bào) 20l1 3l 8 639 643 3 方圓圓 趙杰 李曉娜 HR3c鋼高溫時(shí)效過(guò)程中的析出相 J 金屬學(xué)報(bào) xx 46 7 844 849 4 樊險(xiǎn)峰 吳少華 國(guó)產(chǎn)首臺(tái)超超臨界鍋爐的設(shè)計(jì)與技術(shù)特 點(diǎn) J 動(dòng)力工程 2o09 29 2 l39一l44 5 蔣以任 節(jié)能減排與可持續(xù)發(fā)展 J 動(dòng)力工程學(xué) 報(bào) 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儂ci鯽cy uscP0wer P ant ukubaHeat ResislantDesign Gmup Structural MetalsCenter National Institutef0r Materials Sci ence 2O09 7 楊富 完善6oo 開(kāi)發(fā)7o0 超超臨界機(jī)組用國(guó)產(chǎn) 新型耐熱鋼 A 第九屆電站金屬材料學(xué)術(shù)年會(huì) 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頁(yè) 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