電站設備大型鍛件脆性轉變溫度的探討

李永安

(中國長江動力集團有限公司工藝管理處，湖北430205)

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電站設備大型鍛件脆性轉變溫度的探討

李永安

(中國長江動力集團有限公司工藝管理處，湖北430205)

摘要：文章詳細介紹了脆性轉變溫度的定義和測定方法，分析對比了行業標準對不同鍛件的脆性轉變溫度要求。

關鍵詞：電站設備；大型鍛件；脆性轉變溫度；行業標準

設計電站設備大型鍛件時，對大型鍛件的脆性轉變溫度FATT指標極為重視，甚至把這一指標視為鍛件的失效點。經過理論分析，FATT也確實是一個重要的指標。

25 MW～200 MW汽輪機葉輪套裝轉子鍛件正逐漸向大型復合轉子鍛件過渡，以取代傳統葉輪套裝方式的轉子。復合轉子鍛件相應行業標準JB/T 11030—2010《汽輪機高低壓復合轉子鍛件 技術條件》也于2010年頒布實施。大型復合轉子的應用是一個趨勢。

相關標準對25 MW～200 MW汽輪機及50 MW～200 MW發電機組鍛件的FATT50指標均有具體參數要求。高、低壓復合轉子鍛件在同一母體上，也分別有兩組分段的性能指標。同時，FATT50指標也分別由兩組數據構成。故我們僅對鍛件的脆性轉變溫度進行了深入探討。希望通過這些分析能夠對電站設備大型鍛件設計、鍛件廠提高大型鍛件質量有所幫助，并找出一些規律性的東西。

1術語的理解

(1)FATT50的具體含義：材料或鍛件斷口上，纖維區與結晶區相對斷面面積各占50%時所對應的溫度為脆性轉變溫度，也可理解為脆性組織與韌性組織各占50%時所對應的溫度。高于FATT50溫度，材料或鍛件則趨于韌性狀態，如果材料或鍛件受力斷裂，趨向韌性斷裂。低于FATT50溫度，材料或鍛件則趨于脆性狀態，如果材料或鍛件受力斷裂，趨向脆性斷裂。FATT50溫度也是一個韌-脆分界點。還有，FATT50高于標準中所規定的參數值，鍛件其它性能指標均可以滿足。FATT50低于標準中所規定的參數值，標準中所規定的其它性能指標就不一定能滿足。故標準中所規定的其它性能指標是受FATT50溫度條件限制的。在FATT50溫度以上，標準中所規定的其它性能指標才能滿足。

換一個角度理解，脆性轉變溫度按標準確定后，在這個環境溫度進行試驗，在材料或鍛件斷口上，理應脆性組織與韌性組織所占的比例各為50%。但我們希望和必須達到是韌性組織所占的比例大于50%，脆性組織所占的比例小于50%。即：脆性轉變溫度按標準確定后，鍛件其余全部性能均合格，才是性能合格的鍛件。

低碳鋼和高強度合金鋼(碳當量較低時)在某些溫度下有較高的沖擊韌性。但隨著溫度的降低，材料或鍛件的脆性逐漸升高。

(2)體心立方晶格和密排六方晶格結構材料，一般均存在脆性轉變溫度。對于面心立方晶格結構材料，由于在液氮(-196℃)溫度下仍呈韌性狀態，可視為不存在脆性轉變溫度。

金屬的脆性跟晶體中位錯運動的阻力有關，體心立方金屬位錯阻力對溫度變化非常敏感，在低溫狀態下，位錯阻力急劇增加導致金屬塑性降低，表現出脆性。某些密排六方金屬同理。而面心立方金屬由于位錯寬度較大，故位錯阻力對溫度變化不是很敏感，故一般不表現出低溫脆性。但當溫度降低到-233.15～-253.15℃的極低溫度時，奧氏體鋼和鋁合金也會表現出脆性。

(3)脆性轉變溫度FATT50的高低取決于化學成分、微量有害元素、冶煉工藝、鍛造工藝、熱處理工藝和微觀組織。

在工程應用中，為防止構件脆斷，應選用脆性轉變溫度低于構件下限工作溫度的材料。對于含N、P、As、Bi和Sb等雜質元素較多，在長期運行過程中有可能發生脆化、回火脆性等現象的材料，其脆性轉變溫度會隨運行時間的延長而升高。近年來，脆性轉變溫度以及脆性轉變溫度的增量已成為構件材料性能的重要考核指標之一，特別體現在電站設備的大型鍛件中。

2脆性轉變溫度測定方法

2.6.1能量準則法

規定為沖擊吸收功降到某一特定值的溫度。

2.6.2斷口形貌準則法

規定以斷口上纖維區與結晶區相對斷面面積達一定比例時所對應的溫度。例如，取不出現結晶斷口的最低溫度，并以FTP表示；結晶區面積占總面積50%時所對應的溫度，以FATT50表示。

2.6.3落錘試驗法

規定以落錘沖斷長方形板狀試樣時斷口100%為結晶斷口時所對應的溫度，為無塑性轉變溫度，以NDT表示。

脆性轉變溫度除與表示方法有關外。還與試樣尺寸、加載方式及加載速度有關，不同材料只能在相同條件下進行比較。

3FATT50參數基本要求

(1)大型、受力復雜的鍛件，在滿足其它性能指標要求的前提下。為防止構件脆斷，應選用脆性轉變溫度FATT50低于構件下限工作溫度的材料。

(2)考核電站設備FATT50參數時，應從電站設備發電機轉子、聯軸器及汽輪機葉輪、整體轉子、主軸、復合轉子整體綜合進行考核。

4關于FATT50參數的分析與探討

就汽輪機而言，它是熱機，在高溫、高壓、大扭矩工況下工作，系熱主動機械。有了高溫、高壓大流量蒸汽，汽輪機才會被動受力，汽輪機將蒸汽能轉化為動能，再將動能傳輸給發電機轉化為電能。可見，電站設備受力最大的零件是整體轉子、主軸、葉輪、聯軸器及發電機轉子。FATT50這一指標，是對受力復雜、工作環境惡劣的大型重要零件所規定的一個重要控制指標。

我國現行電站設備鍛件行業標準是由汽輪機廠及鍛件廠共同起草，故參數的確定比較保守，標準確定的FATT50參數指標也較高。鍛件廠在鍛件生產時，相對行業標準FATT50參數實際上還要低一些。現僅對照現行鍛件行業標準中的數據對25 MW～200 MW汽輪機及50 MW～200 MW發電機組發電機轉子、聯軸器及汽輪機葉輪、整體轉子、主軸和復合轉子的FATT50分別進行比較分析。不同鍛件的FATT50指標如表1～表5所示。

4.1發電機轉子鍛件

按GB/T 11021—2014《電氣絕緣、耐熱性分級》，發電機絕緣等級為F級，機組正常工作溫度≤155℃。從表1可以看出，不同材料，不同強度等級的電機轉子FATT50分別要求≤0℃、≤-18℃。因為電機轉子在相對工作溫度比較低的情況下傳遞大扭矩。這就要求發電機轉子低溫脆性轉變溫度要在很低的溫度下，才能使電機轉子能正常工作而不發生脆性斷裂。電機轉子長期工作溫度應避開低溫脆性轉變溫度范圍。因電機轉子工作在室內(北方均有室內采暖)，工作溫度≥0℃，故能滿足轉子鍛件FATT50參數的基本要求。

表1　發電機轉子鍛件FATT50要求(JB/T 8706—2014)Table 1　FATT50requirements of generator rotor forgings(JB/T 8706—2014)

表2　聯軸器鍛件FATT50要求(JB/T 9638—1999)Table 2　FATT50requirements of coupling forgings(JB/T 9638—1999)

表3　葉輪鍛件FATT50要求(JB/T 1266—2014)Table 3　FATT50requirements of impeller forgings(JB/T 1266—2014)

表4　轉子體、主軸鍛件FATT50要求 (JB/T 1265—2014)Table 4　FATT50requirements of rotor and shaft forgings(JB/T 1265—2014)

表5　復合轉子鍛件FATT50要求(JB/T 11030—2010)Table 5　FATT50requirements of composite rotor forgings(JB/T 11030—2010)

4.2聯軸器鍛件

聯軸器工作在暴露于廠房內的大氣中，工作溫度為工作場地室溫。從表2可以看出，聯軸器用大多數材料FATT50≤40℃，部分材料FATT50≤20℃、≤13℃，由于大多數發電廠房內溫度高于室外溫度，北方也均有室內采暖，基本上能夠滿足聯軸器鍛件FATT50參數的基本要求。但30Cr1Mo1V材料FATT50≤116℃，相距較大，不能夠滿足聯軸器鍛件FATT50參數的基本要求。建議聯軸器設計選材時盡可能避免選用30Cr1Mo1V材料。

4.3葉輪鍛件

由于全部葉輪工作環境均在汽輪機汽缸內部，汽缸內有高壓蒸汽流動，只要有蒸汽流動，汽缸內溫度就≥100℃。從表3可以看出，葉輪不同材料、不同強度等級FATT50要求分別為≤40℃、≤20℃、≤-30℃。葉輪鍛件是工作在≥100℃的密閉容器中，故能夠滿足葉輪鍛件FATT50參數的基本要求。

4.4轉子體、主軸鍛件

轉子體、主軸鍛件是發電設備受力最復雜、性能要求最高的鍛件。鍛件的實際工作環境分兩部分，鍛件的中間部分在汽缸內部，鍛件另一部分是鍛件在汽缸外部暴露于室內空氣中的兩端。且鍛件外部連接發電機的聯軸器端，受力最大、最復雜，工作環境最惡劣。從表4可以看出，28CrMoNiV強度等級490 MPa，FATT50分別要求為≤85℃、≤100℃。30Cr1Mo1V強度等級590 MPa，FATT50分別要求為≤116℃、≤121℃。從理論上分析，這兩種材料很難滿足轉子體、主軸鍛件FATT50參數的基本要求。特別是30Cr1Mo1V材料，考慮到鍛件另一部分在汽缸外部暴露于室內空氣中的兩端，相距就更大，即FATT50參數還要降低。但30Cr2Ni4MoV材料能夠滿足FATT50參數的基本要求。

4.5復合轉子鍛件

對于復合轉子鍛件，因高壓端的端頭暴露在室內空間，FATT50偏高，不能滿足要求。但低壓端FATT50基本能夠滿足要求。

5結論

(1)我國現行行業標準僅針對25 MW以上汽輪機轉子鍛件和50 MW以上發電機轉子鍛件，對FATT50明確了具體指標要求。而日本東芝公司對25 MW以下機組也有FATT50參數要求。

(2)聯軸器設計選材時盡可能避免選用30Cr1Mo1V材料。

(3)提高電站設備鍛件質量，今后研發的重點是整體轉子、主軸、復合轉子鍛件。特別是要降低高壓整體轉子、主軸、復合轉子鍛件FATT50溫度值。方法是研發新鋼種、提高和改進冶煉、鍛造、熱處理工藝水平。目標是使鍛件的FATT50進一步降低，以滿足電站設備鍛件使用的可靠性需要。

參考文獻

[1]DL/T 882—2004火力發電廠金屬專業名詞術語[S].

編輯杜青泉

Discussion on Fracture Appearance Transition Temperature of Heavy Forgings for Power Station Equipment

Li Yong′an

Abstract：The definition and the determination method of fracture appearance transition temperature have been described in details.Meanwhile,the different requirements of fracture appearance transition temperature with different forgings stipulated in the industry standard have been analyzed and compared as well.

Key words：power station equipment;heavy forgings;fracture appearance transition temperature;industry standard

收稿日期：2016—02—29

作者簡介：李永安(1956—)，男，高級工程師，工學碩士，主要研究方向：電站設備大型鍛件設計。電話：13349955746，E-mail:Liyongan2016@163.com

中圖分類號：TG142.1

文獻標志碼：A