700 700 及以上等級超超臨界汽輪機螺栓材料選材的探討研究及以上等級超超臨界汽輪機螺栓材料選材的探討研究 論文電子版下載論文電子版下載 第56卷第1期xx年2月汽輪機技術TURBINE TECHNOLOGYVol 56No 1Feb xx700 C及以上等級超超臨界汽輪機螺 栓材料選材的探討蘇昕 彭建強 楊鑫 1哈爾濱鑫潤工業有限公司 哈爾濱150046 2哈爾濱汽輪機廠有限責任公司 哈爾濱150046 摘要綜合近年來國內外先進超超臨界汽輪機螺栓材料方面的資料 分析了國內外700 C及以上等級超超臨界汽輪機螺栓的選材及材料性 能情況 給出了我國700 等級超超臨界汽輪機螺栓的候選材料 關鍵詞700 C等級超超臨界 熱膨脹系數 鎳基高溫合金 松弛性能 分類號TK265A1001 5884 xx O1 0078 03Study ofBolting Materials for theUhra SuperCritical SteamTurbine Working at700oC andAbove SUXin PENG Jian qiang YANG Xin 1Harbin Xinrun Industrial Company Limited Harbin150046 China 2Harbin TurbineCompanyLimited Harbin150046 China AbstractThis paperanalyzes thebohing materia l sused inthe advanceduhra super cri ticalsteam turbinein Chinaand abroad and givea remendation for thecandidate materialsf orthe700 C gradesteam turbinein China Key words700 C gra desteam turbine thermal expansioncoe fi cient Ni base superalloy relaxation proerties0前言節能與環保促使各國發展清潔煤發電技術 超超臨 界發電機組就是通過提高蒸汽壓力和蒸汽溫度來達到提高效率和節 能降耗的目的 當蒸汽溫度提高到700 C以上 機組的許多部件將只能采用高溫合金 歐洲 日本和美國等都在進行下一代先進超超臨界機組的研發計劃 比如歐洲的Thermie AD700計劃 美國的 Vision21 計劃和日本的 New Sunshine 計劃等 在這些計劃中 主蒸汽溫度將提高到700 再熱蒸汽溫度達720 相應的壓力將從目前的30MPa左右提高到35MPa 40MPa 機組的供 電效率可達到50 55 我國也正在制定相應的高參數先進超超臨界汽輪機研發計劃 并于x x年7月由國家能源局舉行了 國家700 C超超臨界燃煤發電技術聯盟 啟動儀式 依托我國的能源 電力 設備制造和冶金行業及科研 院所 高等院校等 正式組建和啟動了國家700oC超超臨界燃煤發電 技術創新聯盟 高溫螺栓是超超臨界汽輪機的關鍵部件之一 其用材必須具有良好 的蠕變持久性能 抗松弛性能 抗蒸汽氧化腐蝕性能等 本文綜合近年來國內外先進超超臨界汽輪機螺栓材料方面的資料 分析了國內外700 及以上等級超超臨界汽輪機螺栓的選材及材料性 能情況 給出了我國700 C等級汽輪機螺栓的候選材料及研究重點 xx 08 27作者簡介蘇聽 1963一 女 工程師 現從事汽輪機材料研究工 作 1國內外先進超超臨界汽輪機高溫螺栓候選材料1 1美國美國在選擇 700 C及以上等級超超臨界汽輪機高溫螺栓候選材料時充分借鑒燃氣 輪機螺栓材料的經驗 選擇具有成熟燃氣輪機高溫螺栓應用經驗的 高溫合金材料 包括Nimon ic 105 Nimonic 115 Waspa loy U 700 U 710 U 720 IN718等 這些合金的化學成分如表1所示 應力松弛性能是高溫螺栓材料最重要的性能之一 松弛強度指在一定初始應變下 通常在0 1 0 2 之間 材料 在一定時間 通常為10000h一30O00h 后的松弛應力 因此 700 C及以上等級超超臨界汽輪機高溫螺栓材料的一個主要性 能是長時應力松弛強度 圖1是幾種Nimonic合金在初始應變為0 15 時在不同溫度下松弛10 000h后的應力 從圖中可以看出 Nimonicl05在750 的松弛強度與Ni monic80A在650oC時的松弛強度相當 約105MPa 而Nimon icl05在700 的松弛強度高達170MPa以上 Waspaloy合金是以Ni3 Al Ti 沉淀硬化的含鈷鎳基合金 國產牌號 為GH738 合金在760 C一870 C具有較高的強度 在870 C以下具有良好的抗氧 化腐蝕性能 也是一種非常好的螺栓材料 Udimet700是高合金化的沉淀硬化型鎳基變形高溫合金 具有良好的 高溫拉伸性能 持久性能 蠕變性能 疲勞性第1期蘇昕等700 C及 以上等級超超臨界汽輪機螺栓材料選材的探討79室R I I lI 105l jc I R0A fI 0f圖1幾種Nimonic合金不同溫度下10O00h的松弛應力能 抗氧化性 能和抗硫化性能 是廣泛使用的合金之一 但是 該合金在高溫長期使用過程中 容易出現有害的相 1 2日本現有高溫合金雖然具有良好的各項應用性能 且在燃氣輪 機中有成熟的應用經驗 但是 現有高溫合金的線脹系數普遍較高 用作汽輪機高溫螺栓材 料存在一定局限 因此 日本為了滿足700 及以上等級超超臨界汽輪機高溫螺栓用材 需求 除了選擇現有高溫合金作為螺栓候選材料 比如Udimet 500 Waspaloy等 還自主開發了一系列低膨脹合金 比如LTES 700 USC141等 作為高溫螺栓的候選材料 LTES700的熱膨脹系數與傳統的12 Cr鋼相當 如圖2所示 但高溫 強度與傳統高溫合金Refractaloy26相當 如圖3所示 為了驗證LTES700合金用于汽缸中分面螺栓的應用性能 采用鍛造棒 材制造了蒸汽溫度為470 C和550 C汽輪機用汽缸中分面螺栓 圖4是運行一年后的螺栓照片 經著色探傷后沒有發現任何缺陷 提高合金中低膨脹元素Mo的含量可以顯著降低合金的熱膨脹系數 因此 日本日立金屬公司通過研究Mo含量 相含量 相中A1 Ti比 等因素對合金熱膨脹系數 拉伸性能和蠕變持久強度的影響 開發 出一種低膨脹高溫合金材料USC141 合金室溫約700 C的熱膨脹系數約為14 10 qC USC141的持久性能與合金R一26和Nimonic80A相當 略低于合金252 如圖5所示 1 3歐洲螺栓材料是由棒料機械加工而成的 在制造上不存在難0 妊邕崧室越疆靶圖2LTES700與耐熱鋼 高溫合金的平均熱膨脹系數 比較 圖3LTES700與Refractaloy26的持久強度度 而且現有螺栓材 料也已經能夠滿足先進汽輪機的要求 最佳合金的選擇取決于具體汽輪機設計的特定要求 因此 歐洲的AD700項目在材料方面的研究重點為大型鑄鍛件用Ni基 合金的大型化及焊接技術的研發 對于700 等級先進超超臨界高溫螺栓 歐洲選擇現有螺栓用Ni基合 金材料 比如Waspaloy Nimonicl05等 80汽輪機技術第56卷 口 470 墓薹 0550 圖4LTES700螺栓在470 C 550 蒸汽溫度下運行1年后的照片 50mm lIo 0y1 卜 釓 Il2 C reel 1 U1 Cll l1V1Al r v26 u AI10V UAlo AIsItype422L虹 T 20 卜l0gt 10圖5usc14l和其它合金的持久 強度 L M參數法 2我國7O0 等級先進超超臨界汽輪機高溫螺栓用候選材料經過50多 年的發展 我國雖然擁有了獨立的高溫合金材料體系 在航空發動 機和燃氣輪機領域也積累了豐富的高溫合金材料應用經驗 從日本 歐洲 美國的先進超超臨界汽輪機高溫螺栓候選材料的選 擇來看 雖然日本開發了一些低熱脹系數高溫合金 但是 普遍選 擇現有成熟的高溫合金螺栓材料作為先進超超臨界汽輪機高溫螺栓 候選材料 而且都把性能優異的waspaloy Nimonic105合金作為螺 栓候選材料 因此 建議我國7o0 等級先進超超臨界汽輪機高溫螺栓選擇waspa1 oy Nimonic105作為候選材料 3總結傳統及各種新型的9 一12 cr鋼已不能滿足700 及以上等級 超超臨界汽輪機零部件用材的要求 而傳統的奧氏體鋼由于其導熱 性差 熱膨脹系數高 無法制造汽輪機要求的厚壁部件 因此 700 超超臨界汽輪機必須采用新型奧氏體鋼和Ni基高溫合金 汽輪機高溫螺栓材料的制造相對簡單 而且現有螺栓材料也已經能 夠滿足先進超超臨界汽輪機的要求 因此 歐洲 日本 美國的70o 及以上先進超超臨界汽輪機螺栓普 遍采用現有成熟的高溫螺栓材料作為候選材料 然而 汽輪機與航空發動機 燃氣輪機的工況條件有所差異 仍然 有必要深入研究這些候選材料在汽輪機工況條件下的各項應用性能 比如抗蒸汽氧化腐蝕性能 應力腐蝕性能 高溫長時組織穩定性 及松弛性能等 參考文獻 1 VI swANATHANR sARVER J TANzOsH JM BoiIer materialsfl0r u1t m supercritical coa1p0wer Plantssteam side似idati鯽 J J0umal ofMateria1s Engineeringand Perfo咖ance xx 15 3 255 274 2 郭巖 唐麗英 周榮燦 等 晶粒尺寸和表面狀態對s3o43 2鋼蒸汽氧化行為的影響 J 動力工程學報 20l1 3l 8 639 643 3 方圓圓 趙杰 李曉娜 HR3c鋼高溫時效過程中的析出相 J 金屬學報 xx 46 7 844 849 4 樊險峰 吳少華 國產首臺超超臨界鍋爐的設計與技術特 點 J 動力工程 2o09 29 2 l39一l44 5 蔣以任 節能減排與可持續發展 J 動力工程學 報 2O10 3O 1 1 4 6 Muneki s 0kub0H Abe F A pmposal0f development0f stmcturalmaterials based0n anew conceptf0r adv釉ced USCpower plants c 3rd symp0sium0n HeatResistant steeIsand AIl0ys fbrHigh E儂ci鯽cy uscP0wer P ant ukubaHeat ResislantDesign Gmup Structural MetalsCenter National Institutef0r Materials Sci ence 2O09 7 楊富 完善6oo 開發7o0 超超臨界機組用國產 新型耐熱鋼 A 第九屆電站金屬材料學術年會 c 成都 2O11 1 3一l8 8 F V Ellis I G wright and P J Maziasz Review0f TurbineMaterialsf0r Usein ultrasupercriticalSteam Cvcles A Pmceed ings flmm theFourth Intemationalconference C Hi1ton HeadIs land S0uth Car0lina USA xx 535 551 9 R Yamam0to Y Kad0ya et a1 Devel叩ment0f wmughtM Based Superall0y wi h L0w ThenTlalExpansi0nf0r7oo Steam Turbines A Pmceedings flmm theF0ur h Intemationalc0nfer ence Hilt0n HeadIsland c s0uth car0lina usA 2Oo4 623 637 10 Takehiro Ohno Akihj r0roji et a1 Deve1opme力t0f LowTherrnal Expansi0n NiBase Supem11oy flnr SteamTurhine Applicati0ns Adv蛐ces inM terialsTechnol gy f0r F08sil PowerPlants A Prnceedings fr0m theFiffh IntemaIionalCo rence c Marc0Island n da USA 2oo7 377 39o 上接第34頁 14 YaIl Q Yang YP Nishimura A eta1 Multi point andMulti level s0lar Inteati0nI呲0a c0al一6red powerPlant J Energy fuels 201O 2