新型高溫高壓汽輪機汽封片材料選用分析*

趙小董，周漢杰，何 成

(杭州汽輪機股份有限公司，浙江杭州310022)

0 引 言

眾所周知，汽輪機是高速旋轉的驅動設備，其在工作時，轉子相對于汽缸和靜葉持環或隔板高速轉動，所以為了避免汽輪機動、靜部件之間的碰擦，設計人員在汽輪機的設計中都會考慮動靜部件之間留有適當的間隙，而動、靜部分間隙的存在又必然會產生一定量的蒸汽泄漏，致使汽機效率降低。為了解決這一矛盾，根據API std 612［1］對軸密封標準要求，現在發電及工業用汽輪機普遍采用在汽輪機動靜部件之間使用可更換式的迷宮式密封結構，該結構主要由汽封片和方鋼組合而成，將汽封片鑲嵌到轉子或汽封體上的相應的凹槽內。

在汽機的運行過程中，迷宮式密封［2］工作于汽輪機動靜部分之間的間隙之中，迷宮式密封汽封片在該工作環境不但要承受蒸汽壓力，還要接受高溫蠕變、腐蝕等考驗，而汽封片設計又比較薄(一般在0．25 mm左右)，若材料選用不當極易導致汽封片過早損壞，使汽輪機在運行時的汽耗增加，效率降低，而平衡活塞的汽封片損壞還可能導致轉子軸向力平衡受到影響，造成嚴重后果，因此迷宮式密封汽封片的材質選用對汽輪機安全穩定運行至關重要，并能產生較好的經濟效益和社會效益。

本研究以多種奧氏體不銹鋼材料和馬氏體不銹鋼材料進行研究和分析。

1 高溫高壓汽輪機汽封片應用現狀

目前，國內工業及發電用中溫中壓汽輪機的汽封片一直以來采用1Cr18Ni9Ti 的較多，并且經過長期運行，機組并未發現汽封片出現問題。但隨著國家節能減排政策的實施，新型的高溫高壓汽輪機以其能耗低效率高的性能特點，符合國家節能減排的政策需求，又能為用戶創造良好的經濟效益，迅速受到市場歡迎。新型高溫高壓機組數量日益增多，但因汽封片材料仍沿用中溫中壓汽輪機的汽封片材料，導致汽封片發生高溫蠕變、腐蝕事件頻頻發生，并多次發生了汽封片崩裂等事故。

如某熱電廠高溫高壓背壓汽輪機，該機組進汽壓力8． 6 MPa，進汽溫度525 ℃，汽封片材料仍為1Cr18Ni9Ti，投產運行后才幾個月就不斷出現振動過大現象，導致機組不能長期穩定運行，困擾用戶很長時間，在無奈之后揭缸檢查才發現汽封片已經斷裂損壞及脫落(斷裂的汽封片和汽封片脫落后的凹槽如圖1所示)。這些脫落的汽封片摩擦撞擊轉子導致振動過大，汽封片問題處理后，機組即恢復正常運行。后來經過長期觀察，有相當數量的高溫高壓汽輪機汽封片腐蝕得比較嚴重，而且這種類型的汽輪機實際運行時間并不長，甚至有的只有幾個月。

因此，為了避免以后在新型高溫高壓汽輪機中繼續出現汽封片蠕變、腐蝕和損壞斷裂等問題，本研究從金屬材料學的理論角度出發，對用于高溫高壓汽封片的各種不銹鋼進行了分析探討，并結合國外先進的研究與應用，對新型高溫高壓汽封片材料的選用提出一定的見解。

圖1 斷裂的汽封片和汽封片脫落后的凹槽

2 各類不銹鋼性能特點

2．1 奧氏體不銹鋼

奧氏體不銹鋼是不銹鋼中應用最廣泛，牌號種類最多的鋼種，也是目前最常見的發電及工業用汽輪機汽封片用材。該類不銹鋼通常含有18%以上的Cr，8%左右的Ni，有的以Mn 替代部分Ni。奧氏體不銹鋼加熱和冷卻時不會發生相變，不能通過熱處理方法強化力學性能，所以其強度較低，而塑性較高［3-4］。

2．1．1 奧氏體不銹鋼的熱處理工藝

奧氏體不銹鋼的基體組織是奧氏體，需通過熱處理(主要是固溶處理)獲得單一的奧氏體金相組織，以提高材料的耐腐蝕性能。奧氏體不銹鋼的主要熱處理方式［5-7］有固溶處理、穩定化處理和去應力處理。

(1)固溶處理。奧氏體不銹鋼固溶處理是指將不銹鋼加熱到某一溫度，保持一定時間后快速冷卻的工藝方法。其主要目的是將以前各加工工序中產生或析出的合金碳化物以及σ 相重新溶解到奧氏體中，獲得單相奧氏體組織，以保證材料有良好的力學和耐腐蝕性能。固溶處理適用于所有牌號的奧氏體不銹鋼。

(2)穩定化處理。穩定化處理是對含穩定化元素Ti 或Nb 的奧氏體不銹鋼采用的熱處理方法。采用這種方法的目的是利用Ti、Nb 與C 的強結合特性，使C盡量不與Cr 形成碳化物，最終達到穩定Cr 的目的，確保不銹鋼的耐腐蝕性。

(3)去應力處理。去應力處理的主要目的是去除加工過程中產生的應力，應根據材質類型、使用環境及工件形狀等情況采取不同的措施，需注意避開敏化溫度范圍。

2．1．2 奧氏體不銹鋼的敏化溫度

奧氏體不銹鋼的敏化溫度范圍大約是427 ℃～871 ℃，當奧氏體不銹鋼在該溫度區間內長期停留時，C 原子向晶界擴散能力比Cr 原子向晶界擴散補充的能力增加的快，晶界附近大量的Cr23C6析出導致晶界處Cr 含量下降，而晶粒內的Cr 原子向晶界的擴散補充遠小于C 原子，從而降低奧氏體不銹鋼的耐腐蝕能力，導致晶間腐蝕的發生。

2．2 馬氏體不銹鋼

馬氏體不銹鋼［8-9］主要含12%～18%的Cr，其C含量可根據使用條件進行調整，一般在0．1%～0．4%。馬氏體不銹鋼在加熱和冷卻時可以發生相變，可以通過熱處理在很大范圍內調整其力學性能，這使馬氏體不銹鋼可用于制造有較高強度要求的零部件。馬氏體不銹鋼可以大致分為4 種類型，即Cr13 型馬氏體不銹鋼、1Cr17Ni2 馬氏體不銹鋼、高C-高Cr 馬氏體不銹鋼、低C-Ni-Cr 強韌馬氏體不銹鋼。

馬氏體不銹鋼通過完全退火或等溫退火獲得成分均勻的鐵素體和碳化物的平衡態組織，通過淬火獲得馬氏體組織，通過低溫或高溫回火獲得回火馬氏體或回火索氏體組織。對于汽封片來說，為了獲得較好的韌性應采用高溫回火。馬氏體不銹鋼的耐腐蝕性能比奧氏體不銹鋼稍差，但馬氏體不銹鋼最大的優勢在于其不存在敏化溫度，可避免在高溫服役時出現嚴重的晶間腐蝕［10-12］。

3 高溫高壓汽輪機汽封片材料分析

目前，發電及工業汽輪機的汽封片普遍使用的材料牌號為1Cr18Ni9Ti，其最大特點是含Ti。這是因為不銹鋼的耐腐蝕能力主要依靠Cr 元素，但C 和Cr 的親和力很大，極易與不銹鋼中的Cr 結合形成碳化物，C 含量越高，被結合的Cr 也越多，從而影響不銹鋼的耐腐蝕能力。而Ti 是強烈形成碳化物的元素，比Cr更容易形成碳化物，通過添加Ti 可以使不銹鋼中的C盡可能的與Ti 結合，保證Cr 能盡量穩定地存在于固溶體中，提高耐腐蝕性能。但同時，由于Ti 是形成鐵素體的元素，可能會使奧氏體鋼產生少許鐵素體，有形成σ 相的可能，引起脆性［13］，故需嚴格限制鈦的含量，當鈦的含量嚴格控制在限量范圍內可有效避免鐵素體的產生。隨著冶煉技術的提高，人們可以在冶煉過程中更好的減小碳的含量，根據對不銹鋼耐腐蝕性能的需求，市面上出現了越來越多低碳和超低碳的新型鋼種。而1Cr18Ni9Ti 由于其碳含量較高而逐漸不再使用，1994年版的GB1220《不銹鋼棒》中即注明“此牌號除專用外，一般情況不推薦使用”，新版本的不銹鋼國標中則直接取消了1Cr18Ni9Ti 等國際上已淘汰的材料牌號。

與此同時，06Cr19Ni10(國外牌號304)則由于其良好的耐腐蝕性能和力學性能得到了廣泛的應用。該類不銹鋼為目前使用最為廣泛的奧氏體不銹鋼。由于C 含量較低，即使不加Ti 元素也可達到良好的耐腐蝕性能，有效的降低了其出現脆性的可能性并且控制了成本。但06Cr19Ni10 不適合在高溫下服役，若服役環境在敏化溫度范圍內，仍會出現明顯的晶間腐蝕。因此人們通過添加Ti 來改良其高溫耐蝕性能，即06Cr18Ni11Ti(國外牌號321)，Ti 元素的存在有效緩解了高溫服役時的晶間貧鉻現象，使其在敏化溫度服役時也不易出現晶間腐蝕。

因此，從上述3 種國內廣泛使用的奧氏體不銹鋼材料性能特點上來看，結合這3 種材料的化學成分和硬度對比(對比數據如表1 所示)，加入Ti 元素的奧氏體不銹鋼06Cr18Ni11Ti 由于含碳量低和在敏化溫度環境下耐抗晶間腐蝕的性能特點，要比1Cr18Ni9Ti 和06Cr19Ni10更適合作為新型高溫高壓汽輪機汽封片材料。

表1 常見3 種奧氏體不銹鋼的化學成分及硬度對比表 (質量分數，單位:%)

但是無論奧氏體材料如何改進，其敏化溫度的存在仍然制約了奧氏體不銹鋼的適用范圍，特別對于長期在500 ℃以上的環境下工作的高溫高壓汽輪機的汽封片來講，經過研究發現，不存在敏化溫度范圍的馬氏體不銹鋼可能是更好的選擇，因此本研究借鑒國外在汽封片材料的研究和應用，并取得某進口高溫高壓汽輪機汽封片材料樣品進行了一系列的檢查實驗，其化學成分如表2所示，材料硬度如表3 所示，金相圖［14］如圖2 所示。

表2 某進口高溫高壓汽輪機汽封材料樣品的化學成分 (質量分數，單位:%)

表3 某進口高溫高壓汽輪機汽封材料樣品硬度分析 單位:HV0．1

通過試驗結果分析發現，某進口高溫高壓汽輪機汽封片使用的樣品材料，從化學成分上表明，該材料牌號接近X20CrMo13(德國牌號);從樣品金相圖上分析該材料組織結構為回火索氏體不銹鋼，該類不銹鋼形成條件是淬火后回火500 ℃～650 ℃，由已再結晶的鐵素體和均勻分布的細粒狀滲碳體所組成。F 失去原M 形態，成為多邊形顆粒狀，同時滲碳體聚集長大，保持較高的強度和硬度，同時具有更好的塑性和韌性;從樣品材料硬度分析與國內常用的奧氏體不銹鋼硬度HV≤210(如表1 所示)相比，該材料硬度HV≤276(如表3 所示)較奧氏體不銹鋼有顯著的提高。同時由于回火索氏體不銹鋼為馬氏體不銹鋼的一種，根據前面研究可發現馬氏體不銹鋼最大的優勢在于其不存在敏化溫度，可避免在高溫服役時出現嚴重的晶間腐蝕，在高溫下有著良好的耐腐蝕性能，而從實際應用效果來研究，采樣的某進口高溫高壓汽輪機在運行一個大修周期后汽封片仍無明顯損傷，明顯能夠適用于新型高溫高壓汽輪機汽封片的長期高溫工作環境。

圖2 某進口高溫高壓汽輪機汽封材料樣品的金相圖片

因此，該試驗分析結果和進口高溫高壓汽輪機汽封片實際應用結果表明，不存在敏化溫度的馬氏體不銹鋼確實更適合作為新型高溫高壓汽輪機的汽封片材料，而馬氏體中的回火索氏體并且化學成分接近X20CrMn13的不銹鋼材料既能在高溫下有良好的抗腐蝕性能，且不存在敏化溫度，又有較高的強度和硬度，并且已經應用于某些進口高溫高壓汽輪上長期正常工作，所以X20CrMn13 不銹材料或類似成分的馬氏體不銹鋼材料可優先選用作為新型高溫高壓汽輪機汽封片的材料。

4 結束語

綜上所述，本研究針對新型高溫高壓機組汽封片不斷出現高溫蠕變、腐蝕和損壞斷裂的實際問題，從金屬材料學方面對現有的汽封材料進行分析研究與探討論發現，汽輪機廠家現在普遍選用汽封片材料奧氏體1Cr18Ni9Ti，而該不銹鋼的強度和耐腐蝕性能都不能滿足新型高溫高壓汽輪機組的使用要求，并且多次出現問題和事故，已經面臨淘汰。

在汽輪機汽封片選型應用方面，雖然06Cr19Ni10不銹鋼耐蝕性能優良，但在敏化溫度范圍(427 ℃～871 ℃)服役時容易出現晶間腐蝕，也不太適用于新型的高溫高壓汽輪機汽封片的選用;由于奧氏體中Ti 元素的存在能有效緩解高溫服役時的晶間貧鉻現象，使其在敏化溫度服役時晶間腐蝕性能增強，含有Ti 元素的06Cr18Ni11Ti 相對于1Cr18Ni9Ti 和06Cr19Ni10 比較適合作為高溫高壓汽輪機汽封片用材。同時，通過研究和試驗以及進口高溫高壓汽輪機應用效果表明，在條件允許的情況下，筆者認為選用回火索氏體不銹鋼，如X20CrMo13 或類似成分的馬氏體不銹鋼，作為長期服役于高溫的汽封片可能是目前最優的選擇。

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