二次再熱超超臨界汽輪機閥門分流板溫壓成型研究

劉明松，謝彬，龍正建，何應強（東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000）

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二次再熱超超臨界汽輪機閥門分流板溫壓成型研究

劉明松，謝彬，龍正建，何應強
（東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000）

摘要：文章對二次再熱超超臨界汽輪機閥門分流板的制造方案進行了新的探索，研究了閥門分流板溫壓成型相關原理、工藝設計、模具設計等，掌握了閥門分流板溫壓成型過程的控制重點與難點，設計出了合理的成型模具及成型工藝參數，并在實際生產中進行了試制，溫壓成型分流板截面尺寸、表面質量滿足設計要求，節約了原材料及機加工費用。

關鍵詞：超超臨界汽輪機，閥門，分流板，溫壓成型

0 引言

汽輪機主汽閥和調節閥是汽輪機組的重要部件之一，其中在閥殼腔室內設置分流板來防止氣流發生紊流，隨著超臨界、超超臨界汽輪機的發展，汽輪機閥門分流板材料采用了性能更好的F92耐熱鋼，因彎曲半徑小，冷彎成型時截面根部極易產生裂紋缺陷，且目前閥門分流板長度最長達1 100 mm，冷壓成型及機加工成型方案都難于滿足分流板的制造，所以探索一種新的成型方案很有必要。

1 分流板結構分析

超超臨界汽輪機分流板典型結構如圖1所示，整個截面為“V”軸對稱結構，每種分流板截面形狀近似，V形角為14°～22°，所有分流板內圓角R9.5 mm，板厚均為9.5 mm，只是截面尺寸和長度不一致，零件全部表面需進行無損檢測保證無裂紋缺陷存在。

圖1　超超臨界閥門分流板結構

2 分流板成型方案

2.1 最小彎曲半徑

根據分流板結構，屬于典型的V形彎曲成型件，成型方案選取彎曲成型。根據板料彎曲原理，金屬材料在彎曲時,其圓角區外層受拉,內層受壓，內圓角半徑越小,圓角區的變形就越大，當外層圓角的拉應力超過材料的允許屈服強度時，外層材料發生斷裂，從而產生裂紋缺陷，使工件報廢[1]。板料彎曲時外圓表面不發生破裂的條件是[2]：

式中：εθR為變形區外表面切向應變；δmax為材料允許延伸率。

以允許延伸率為條件,計算最小相對彎曲半徑為：

式中：rmin為板料最小彎曲半徑；t為板料厚度。

查閱相關資料，不同溫度下F92耐熱不銹鋼延伸率，板厚按t=9.5 mm，不同溫度下材料的最小彎曲半徑rmin根據公式（2）計算，計算結果見表1。分流板內圓角為R9.5 mm，與板厚9.5 mm相等，采用冷彎難于成型，板料根部R部位外圓裂紋傾向極大，故擬采用加熱彎曲成型，將板料加熱到一定溫度下彎曲成型，以增大材料塑性，降低彎曲應力。

表1　F92不銹鋼在不同溫度下最小彎曲半徑

2.2 成型溫度

為避免外圓裂紋，板料需在500℃以上成型，成型溫度有2種選擇方案：（1）加熱到材料鍛造溫度；（2）材料回火溫度以下。表2為2種熱成型方式的參數及優、缺點對比，通過對比分析，分流板成型選擇溫成型，加熱參數：720± 10℃，保溫30 min。

表2　2種熱成型方式的參數及優、缺點對比

2.3 成型工步

根據板料成型最小彎曲半徑計算，500℃以下板料一次彎曲成型外圓表面易拉裂，考慮到實際生產中，板料降溫較快，實際生產中選擇兩火次成型，板料加熱后先彎曲至70°左右，然后回爐加熱，以消除第一次彎曲產生的內應力，然后再次彎曲到產品要求的角度，成型工序簡圖見圖2。

圖2　分流板溫壓成型工序簡圖

2.4 成型工藝流程

根據溫壓成型方案，成型工藝流程如下：來料—檢查—模具安裝—加熱—第一次溫壓—二次加熱—第二次溫壓—尺寸檢查—打磨—著色檢查—入庫。

3 溫壓成型模具設計

根據分流板溫壓成型原理，考慮各種規格的分流板的V形R部分尺寸一致，為降低成本成型設計成通用模具，分流板變形主要在R9.5圓角處，兩邊直線段不變形，凸模按最寬零件設計，凹模按最窄零件設計，分流板溫壓成型模具簡圖見圖3，上模和下模設計成鑲套式，將模座與工作部分分開，模座不與板料接觸，采用Q235-B鋼板，凹模和凸模工作部分因需與加熱板料接觸，且需承受較大的摩擦，材料采用熱作模具鋼5CrNiMo；為方便板料定位，下模上設置定位塊，同時，為精確控制成型精度，模具上設置對角導向柱。此外，為減少成型過程中板料與凹模摩擦，造成分流板外表面拉傷缺陷，增大凹模入口角度及圓角。

圖3　分流板溫壓成型模具簡圖

4 實際運用

圖4為采用溫壓成型技術生產的我公司安源二次再熱超超臨界機組中壓主汽閥分流板，分流板長1 200 mm，高220 mm，經2次溫壓成型，成型后的分流板截面尺寸滿足要求，溫壓成型后分流板著色檢查照片見圖5，分流板外圓R部分無裂紋顯示，滿足設計要求。

圖4　溫壓成型分流板實物照片

圖5　溫壓成型分流板著色檢查照片

5 結束語

溫壓成型開創了一種超超臨界汽輪機閥門分流板的制造新方法，溫壓成型分流板截面尺寸、表面質量皆滿足設計要求，解決以往F92不銹鋼分流板冷壓成型裂紋問題，同時改善了鍛件毛坯利用率低問題，節約了大量原材料及機加工費用。

參考文獻

[1]陽云波.板材折彎裂紋原因分析與應對措施[J].中國科技縱橫,2013,(22):86.

[2]官英平,李洪波,王鳳琴.板料彎曲最小相對彎曲半徑計算方法探討[J].精密成形工程,2003,21(5):52-53.

Study on Compaction by Warm-pressing of Valve’s Flow Distribution Plate of Double-reheat Ultra-supercritical Steam Turbine

Liu Mingsong，Xie Bin，Long Zhengjian，He Yingqiang
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

Abstract:A new exploration of the manufacturing method for the double-reheat ultra-supercritical steam turbine valve’s flow distri?bution plate was made in this paper.The principle,process design and mould design of compaction by warm-pressing of the valve’s flow distribution plate were studied.Key points and difficulties in the process of the compaction by warm-pressing were mastered.The reasonable forming mould and forming process parameter were designed,and through the actual production in the trial,section size and surface quality of the valve’s flow distribution plate met the design requirement,and raw materials and machining costs were saved.

Key words:ultra-supercritical steam turbine,valve,flow distribution plate,compaction by warm-pressing

作者簡介：劉明松（1979-），男，工程師，主要從事汽輪機鍛件技術研究及技術服務工作。

DOI:10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.01.008

中圖分類號：TK266

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9987（2016）01-0039-03