工業(yè)汽輪機(jī)汽缸用材無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度的研究

何　成　劉中華　周黎明　劉京偉　林　云　宋思遠(yuǎn)

(1.杭州汽輪動(dòng)力集團(tuán)有限公司，浙江310016；2.杭州汽輪鑄鍛有限公司，浙江311106；3.杭州汽輪機(jī)股份有限公司，浙江310003)

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工業(yè)汽輪機(jī)汽缸用材無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度的研究

何成1劉中華1周黎明2劉京偉3林云3宋思遠(yuǎn)1

(1.杭州汽輪動(dòng)力集團(tuán)有限公司，浙江310016；2.杭州汽輪鑄鍛有限公司，浙江311106；3.杭州汽輪機(jī)股份有限公司，浙江310003)

摘要：針對(duì)水壓試驗(yàn)要求試驗(yàn)液體溫度應(yīng)高于試驗(yàn)材料的無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度的問(wèn)題，通過(guò)落錘試驗(yàn)測(cè)定了工業(yè)汽輪機(jī)汽缸用材的NDT溫度，并分析了影響NDT溫度的因素。通過(guò)先進(jìn)的冶煉技術(shù)和熱加工工藝嚴(yán)格控制P、S含量，細(xì)化晶粒等手段，可有效降低鋼材的NDT溫度。

關(guān)鍵詞：汽缸；無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度；落錘試驗(yàn)；水壓試驗(yàn)

水壓試驗(yàn)是對(duì)壓力容器或承壓結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的一次綜合性檢驗(yàn)，其目的是驗(yàn)證承壓部件是否嚴(yán)密，焊縫是否可靠，整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否足夠，是汽輪機(jī)汽缸制造中的一道重要工序[1]。由于水壓試驗(yàn)的壓力較高，試驗(yàn)過(guò)程中承壓設(shè)備發(fā)生脆性破壞的事故時(shí)有發(fā)生，其主要原因之一是水壓試驗(yàn)時(shí)的水溫過(guò)低。美國(guó)石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API Std 612《石油、石化和天然氣工業(yè)用特種用途汽輪機(jī)》中針對(duì)汽缸水壓試驗(yàn)也明確規(guī)定“試驗(yàn)液體的溫度應(yīng)高于試驗(yàn)材料的NDT溫度”。ZG22Mo、ZG25A、ZG17Cr1Mo和ZG17Cr1Mo1V是我公司常用的工業(yè)汽輪機(jī)汽缸材料，在制造過(guò)程中均需進(jìn)行水壓試驗(yàn)，正確測(cè)定這些汽缸用材料的NDT溫度對(duì)于確保水壓試驗(yàn)的安全進(jìn)行具有重要意義。

1試驗(yàn)材料

NDT溫度是指按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行落錘試驗(yàn)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)試樣發(fā)生斷裂的臨界溫度，表征含有小裂紋的鋼材在動(dòng)態(tài)加載屈服應(yīng)力下發(fā)生脆斷的最高溫度，目前通常采用的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為美國(guó)的ASTM E 208《鐵素體鋼的無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度落錘試驗(yàn)方法》。

試驗(yàn)用材為公司生產(chǎn)工業(yè)汽輪機(jī)汽缸常用的材料，化學(xué)成分見(jiàn)表1。為確保試驗(yàn)的準(zhǔn)確可靠，每種材料制備3組試樣(各8個(gè))，每組試樣分別取自不同爐號(hào)的鋼錠。試樣制備按照ASTM E 208標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，根據(jù)汽缸壁厚的特點(diǎn)，選擇P-2型試樣，尺寸為130 mm×50 mm×20 mm。試樣的制備過(guò)程包括樣坯料的切取、機(jī)械加工、堆焊引裂焊道和加工缺口等，試樣示意圖見(jiàn)圖1。焊接焊道時(shí)電流為190 A，焊道長(zhǎng)度l為40 mm～45 mm，焊道寬度b為13 mm～15 mm，焊道高度A為3.5 mm～5.5 mm，缺口寬度A0≤1.5 mm，缺口底高A1為1.8 mm～2.0 mm。

2試驗(yàn)方法和結(jié)果

首次試驗(yàn)溫度為根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)的NDT溫度，將達(dá)到試驗(yàn)溫度的試樣放置在落錘試驗(yàn)機(jī)的砧座支承臺(tái)上進(jìn)行落錘試驗(yàn)，隨后檢驗(yàn)試樣斷裂情況。若裂紋源焊道形成的裂紋擴(kuò)展到受拉面的一個(gè)或兩個(gè)棱邊則認(rèn)為試樣斷裂。若試樣斷裂則提高溫度繼續(xù)試驗(yàn)，未斷裂則降低溫度，直至測(cè)得試樣斷裂的最高溫度。然后將該溫度提高5℃做兩個(gè)試樣的試驗(yàn)，若均未斷裂，則確定該溫度為NDT溫度。

表1　汽缸常用材料化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1　Chemical composition requirements of conventional materials for cylinder (mass fraction,%)

圖1　落錘試樣示意圖Figure 1　Sampling sketch of drop test

表2　ZG22Mo的落錘試驗(yàn)結(jié)果Table 2　Test results of drop test for ZG22Mo

注：○表示試樣未斷裂，×表示試樣斷裂。

表2為ZG22Mo的三組試樣的落錘試驗(yàn)結(jié)果。以第一組為例，將首次試驗(yàn)溫度定為-40℃，試樣在-40℃下斷裂；隨后在-20℃時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，試樣斷裂；再提高20℃，即在0℃時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，試樣斷裂；隨后在15 ℃時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，兩個(gè)試樣都未斷裂，此時(shí)估計(jì)NDT在0℃和15℃之間。然后在5℃時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，兩個(gè)試樣都未斷裂，于是確定試樣的NDT溫度為0℃。第一組試樣的斷裂情況見(jiàn)圖2。

表3為各個(gè)材料的試樣在不同試驗(yàn)溫度下的落錘試驗(yàn)結(jié)果。在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到安全因素，NDT溫度取三組試驗(yàn)結(jié)果中的最大值，因此ZG22Mo、ZG25A、ZG17Cr1Mo和ZG17Cr1Mo1V的NDT溫度分別為0℃、-5℃、15℃和15℃。

圖2　ZG22Mo落錘試樣斷裂情況Figure 2　Fracture of drop test specimen

表3　落錘試驗(yàn)結(jié)果Table 3　Drop test results

水壓試驗(yàn)要求試驗(yàn)液體溫度應(yīng)高于試驗(yàn)材料的NDT溫度，而試驗(yàn)液體一般為水，考慮到防凍要求，ZG22Mo和ZG25A的水壓試驗(yàn)水溫應(yīng)≥5℃，即一般不用對(duì)水溫進(jìn)行處理，常溫即可進(jìn)行試驗(yàn)。而ZG17Cr1Mo和ZG17Cr1Mo1V的水壓試驗(yàn)水溫應(yīng)≥15℃，在冬天等低溫環(huán)境下進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)必須對(duì)試驗(yàn)用水進(jìn)行加溫，以確保水溫高于材料的NDT溫度。

3分析和討論

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，ZG17Cr1Mo和ZG17Cr1Mo1V的NDT溫度高于ZG22Mo和

ZG25A。從化學(xué)成分角度分析可發(fā)現(xiàn)這4種汽缸用材料的C、Si、Mn含量區(qū)別很小，差異主要集中在Cr、Mo和V上。其中，Cr可增加鋼的淬透性并提高鋼的強(qiáng)度和硬度，但會(huì)降低韌性和塑性；Mo和V則是提高熱強(qiáng)度的重要元素，但均會(huì)提高脆性轉(zhuǎn)變溫度[2-4]。可見(jiàn)，添加Cr、Mo、V等合金元素是導(dǎo)致ZG17Cr1Mo和ZG17Cr1Mo1V的NDT溫度高于ZG22Mo和ZG25A的主要原因之一。

由于NDT溫度反映的是材料室溫或低溫的韌性指標(biāo)，因此要降低汽缸材料的NDT溫度應(yīng)從改善韌性的角度出發(fā)。首先應(yīng)提高鋼水的純凈度，減少鋼中夾雜物含量，嚴(yán)格控制P、S含量。P、S等雜質(zhì)元素易在晶界上偏聚，降低晶界表面能，是使鋼韌性降低的關(guān)鍵因素[5]。其次可通過(guò)優(yōu)化熱處理工藝的方式來(lái)細(xì)化晶粒，從而提高汽缸材料的韌性。晶粒細(xì)化后可使單位體積內(nèi)晶粒數(shù)目增多，細(xì)晶粒受到外力發(fā)生塑性變形時(shí)能分散在更多的晶粒內(nèi)進(jìn)行，使變形更為均勻，降低應(yīng)力集中。同時(shí)，晶粒細(xì)化增加晶界的總面積，使晶界更為曲折并增加裂紋擴(kuò)展的難度，晶界總面積的增加還可降低晶界上P、S等雜質(zhì)元素的濃度，使晶界表面能增加，減少沿晶脆性斷裂的傾向，從而提高鋼的韌性，降低汽缸的NDT溫度[6]。

4結(jié)論

本研究針對(duì)工業(yè)汽輪機(jī)汽缸用材進(jìn)行了一系列的落錘試驗(yàn)以測(cè)定NDT溫度，試驗(yàn)結(jié)果表明ZG22Mo、ZG25A、ZG17Cr1Mo和ZG17Cr1Mo1V的NDT溫度分別為0℃、-5℃、15℃和15℃。為確保水壓試驗(yàn)安全進(jìn)行，ZG22Mo和ZG25A的水壓試驗(yàn)水溫應(yīng)≥5℃，而ZG17Cr1Mo和ZG17Cr1Mo1V的水壓試驗(yàn)水溫應(yīng)≥15℃。通過(guò)提高鋼水的純凈度，減少鋼中夾雜物含量，嚴(yán)格控制P、S含量，優(yōu)化熱處理工藝以細(xì)化晶粒等手段，可有效提高鋼材的韌性，降低NDT溫度。

參考文獻(xiàn)

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編輯杜青泉

Research on Nil-Ductility Transition Temperature of Steel Used for Cylinder of Industrial Steam Turbine

He Cheng,Liu Zhonghua,Zhou Liming,Liu Jingwei,Lin Yun,Song Siyuan

Abstract：The issue that the temperature of test liquid required by the hydraulic test shall be higher than the nil-ductility transition temperature of test material has been expressed.The NDT temperature of steel used for the cylinder of industrial steam turbine has been examined by the drop test,and the factor influenced on NDT temperature has been analyzed as well.By adopting the advanced smelting technology and heat treatment process to strictly control P and S contents,and refining the grain,NDT temperature of steel could be reduced effectively.

Key words：cylinder;nil-ductility transition temperature;drop test;hydraulic test

收稿日期：2015—11—20

作者簡(jiǎn)介：何成(1988—)，工程師，從事汽輪機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)材料基礎(chǔ)研發(fā)。電話(huà)：13634189140，E-mail：ahe0721@qq.com

中圖分類(lèi)號(hào)：TG115.5+6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B