汽轮机低压叶片材料的选择
第45卷第3期
2003年6月
汽 轮 机 技 术TURB IN E TECHNOLO GY
Vol. 45No. 3
J un. 2003
汽轮机低压叶片材料的选择
李劲松1, 苏 辉1, 胡国平2
(1哈尔滨电站工程公司, 哈尔滨 150046; 2安阳市热电厂, 安阳455000)
摘要::汽轮机低压叶片的材料选择对于保证整个汽轮发电机组的安全运行至关重要。从几个方面分析讨论了汽
轮机低压叶片材料选择时需要注意的问题, 并提出了解决办法。关键词:汽轮机; 低压叶片; 强度; 减振性能; 缺口敏感分类号:T K265 文献标识码:A 文章编号:100125884(2003) 0320188202
Method for Selecting L P Blades for Steam Turbine
L I Jin 2song 1,SU Hui 1,HU Guo 2ping 2
(1Harbin Power Plant Engineering Company Limited ,Harbin 150046,China ;
2Anyang Thermal Power Plant ,Anyang 455000, China )
Abstract :It is very important to select the proper blade materials of L P casings for the safe operation of turbine -generator unit. This article discusses about what should pay attention to during selection of L P blade and the method to solve it.
K ey w ords :steamturbine ; LP blade ; strength; gap sensitivity
”图近似地加以表示。如图1所示。
0 前 言
在本世纪20, 要求有更高
所以5%Ni钢开始得到广泛应用。但是, 在汽轮机的湿蒸汽区, 由于这种材料没有足够的抗蚀能力, 所以自30年代以来逐步地被12%Cr不锈铁或不锈钢所代替。近年来“, 17-4”沉淀硬化不锈钢进入了使用阶段。现在对材料有更高强度要求的地方, 已广泛使用钛合金(主要成分是Ti -6Al -4V ) 。
对于汽轮机低压叶片来说, 选择叶片材料的最首要条件是材料在高速流动的湿蒸汽中具有抗腐蚀能力, 以及适当的承受稳定的离心应力和弯曲应力的拉伸屈服强度。下面对选择汽轮机低压叶片材料需要注意的问题分别进行论述。
2 延展性和冲击强度
至少有3种原因要求汽轮机叶片材料具有延展性。第一, 设计中需考虑叶片根部、拉筋及围带等叶片局部几何形状复杂的部位。第二, 用铆接的围带将叶片连接成组:铆钉上端是铆钉头, 而铆钉头是构成叶片的一个部分, 所以必须有足够的延展性(可锻性) 以利于铆钉头成型。第三, 如果叶片能够产生塑性变形以抑制外来的破坏, 事故就会限定在一个适当的范围内。而如果叶片是脆性的, 并且破裂成碎块, 汽轮机运行中将会使部件遭受灾难性的破坏。
冲击强度在上述情况下也起着很重要的作用, 因为叶片同异物的最初接触通常都是突然的。要依靠叶片材料的冲击强度来吸收冲击能, 同时抵抗抽汽管内聚集的水分的冲击。
延展性和冲击强度被列为选择叶片材料第二重要的性能。除非材料具有一定程度的延展性和冲击强度, 否则是不能用做叶片材料的。
1 疲劳强度和腐蚀疲劳强度
因为大多数的叶片破坏是由于疲劳造成的, 所以足够的疲劳强度对于叶片材料是极为重要的。但是,
叶片具体部位
的疲劳强度极限并不是在整个交变载荷下的最高疲劳极限, 而是被叠加于一个给定的由离心力和蒸汽弯曲载荷所引起的稳定应力上的允许振动应力值。振动应力极
图1
限同稳定应力间的关系
收稿日期:2003202226
3 材料的减振性能
汽轮机叶片的振动应力与阻尼成反比, 以对数衰减率δ
表示。它表示每个振动循环所消耗的能量, 是振动结构件最大动能的一部分。对于汽轮机叶片材料来说, 如果排除了其它减振形式, 减振性能同疲劳强度一样重要。因为防止疲劳破坏的安全系数取决于S δe 的乘积, 其中S e 是有效疲劳极
作者简介:李劲松(19682) , 男,1990年毕业于哈尔滨工业大学热力涡轮机专业, 工学硕士, 工程师。
第3期李劲松等:汽轮机低压叶片材料的选择189
限, δ是由材料减振性能所决定的对数衰减率。因此, 在选择叶片材料时, 必须仔细考虑它的减振性能。12%Cr 钢之所以被应用得如此广泛的原因之一就是这种钢具有优异的减振性能。
显然, 对于叶片材料来说, 低的缺口敏感性是十分理想的, 不幸的是, 人们发现钢的缺口敏感性有随拉伸强度增加而增加的趋势。
5 冲蚀抗力
4 缺口敏感性
汽轮机叶片到处都有应力集中, 特别是在叶根、拉筋和
围带处。缺口敏感性“q ”表示应力集中对疲劳强度的影响程度, 同时还发现它是缺口半径的函数, 并因材料而异, 如图2所示。在缺口半径很大时, q 接近于1, 可以看出应力集中的全部影响。当缺口半径减小时, 缺口敏感性和“有效的应力集中”也都随之减少。
缺口敏感性的影响可以用数学关系式来表示:
n =
S [q (k t -1) +1]σa
式中, n 为抗疲劳安全系数; S e 为无应力集中时的材料疲劳
极限; k t 为应力集中系数(k t >1) ; q 为缺口敏感系数(0≤q
。
汽轮机至少要经受两种不同形式的冲蚀, 在常规火电机
组汽轮机的高压第一级和中压第一级可能受到固体颗粒的冲蚀。这些颗粒是来自过热器和再热管道中的积垢。而汽轮机低压部分的某些级则要受到水滴的冲蚀。
汽轮机低压部分的这些水滴不是在凝结过程中产生的原始雾滴, 而是雾滴在固体表面上沉积而产生的很大的水滴, 这些水滴聚集成薄膜, 薄膜受到蒸汽冲击而破裂。蒸汽中的湿汽仅有一小部分在这一过程形成水滴。
在具有延展性金属合金中, 金属抵抗固体颗粒冲蚀的能力没有多大差别。并且对给定的材料来说用热处理的方法也不能使其有明显的改善。但是同样一组合金抗水滴冲蚀的能力却有巨大的差别, N e , ASTM 。
, 以保护末。这类保护方法、高硬度的工具钢片、喷丸硬化表面。
采取水蚀防护措施并不意味着叶片材料的抗浸蚀能力变得不重要了。防护层仅仅能保护叶片上受浸蚀最严重的有限部位, 而叶片的其它部分仍然要遭受到浸蚀。所以, 基材抗冲击能力愈好, 在叶片上需加保护层的范围就愈小。
综上所述, 以上5个因素是选择汽轮机低压叶片所必须考虑的, 对于保证汽轮机低压叶片的安全运行是非常重要的。
图2 近似的缺口敏感性因数
(上接第187页)
表1 18Cr2Ni4WA 钢不同渗氮温度下层深相近的表面硬度
样号
C87B87A83D80
温 度℃
[1**********]0
表面硬度
HV 720 739726 720713 689608 613
平均表面硬度
HV 729. 5723701610. 5
层 深
mm 0. 370. 350. 350. 35～0.
40
从而可以证明18Cr2Ni4WA 钢在层深为0. 30mm ～0. 50
mm 时可以采用500±5℃、25h ～50h 。2. 2 不同的氮化时间对渗层的影响
氮化保温时间主要决定着氮原子渗入的深度, 从图1可看出, 随着氮化时间的增加, 渗层深度总是在不断地增加, 所以在特定的温度条件下, 要想获得较深的氮化层, 就要增加氮化保温时间。
3 结 论
(1) 18Cr2Ni4WA 钢在相同的渗剂、相同的氮化时间内,
氮化温度越高, 氮化层越深, 且表面硬度稍有下降。
(2) 18Cr2Ni4WA 钢的氮化工艺为:500±5℃、25h ～50h (层深为0. 30mm ～0. 50mm ) 。
参考文献
图2 18Cr2Ni4WA 钢不同渗氮温度下层深相近的硬度梯度
[1] 王国佐等著. 钢的化学热处理. 北京:中国铁道出版社,1980