高参数汽轮机螺栓用高温合金材料研究_彭建强.pdf

Mar.2023No.1DONGFANG TURBINE2023年3月第1期DOI:10.13808/ki.issn1674-9987.2023.01.011高参数汽轮机螺栓用高温合金材料研究高参数汽轮机螺栓用高温合金材料研究第一作者简介：彭建强（1980-），男，毕业于哈尔滨工业大学，硕士，高级工程师，长期从事汽轮机和燃气轮机材料研发和应用研究工作。彭建强，刘新新，吕振家（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，黑龙江，哈尔滨150046）摘要：文章介绍了国内外高参数汽轮机高温螺栓用高温合金材料的特性，重点分析了这些合金的线膨胀系数、高温强度、高温蠕变持久强度等材料性能，及螺栓断裂失效案列，为国内高参数超超临界汽轮机用高温螺栓的选材和预防断裂提供建议。关键词：汽轮机，高温螺栓，拉伸强度，蠕变持久性能，断裂中图分类号：TG162文献标识码：B文章编号：1674-9987（2023）01-0038-05Study of Superlloy for Bolts of Steam Turbine with HighParameterPENG Jianqiang，LIU Xinxin，LV Zhenjia（Harbin Turbine Company Limted,Harbin Heilongjiang,150046）Abstract：this paper introduces the characteristics of the superlloy for bolts of steam turbine,and paticularly analyzes the linearexpasion efficicents,elevated temperature tensile strength,and creep ruputure strength,as well as the bolt rupture cases,and finallyprovide suggestions of material selection and prevetion fracture of high temperature bolts for domestic steam turbine with highparameter.Key words：steam turbien,high temperature bolts,tensile strength,creep ruputure strength,rupture管道法兰螺栓、阀门螺栓、汽缸中分面螺栓是汽轮机关键部件之一，工作温度通常超过400，属于高温部件。这些高温螺栓在服役时需要承受高温、高应力的作用，要求材料具有良好的高温强度、抗蠕变性能、抗氧化性能、抗松弛性能，及低缺口敏感性和热脆倾向1。特别地，随着汽轮蒸汽参数提高，对于高温螺栓的用材要求越来越高。通常来说，对于工作温度超过593 的高温螺栓，需要采用性能优异的高温合金制造。目前，已经广泛用于汽轮机高温螺栓的高温合金材料有R26、Inconel X-750、Nimonic 80A、Inconel718、Inconel 783等，作为700 等级汽轮机高温螺 栓 候 选 材 料 的 有Nimonic 90、Nimonic 105、LTES 700等合金2-5。本文介绍了国内外高参数汽轮机高温螺栓用高温合金材料的特性，重点分析了这些合金的线膨胀系数、高温强度、高温蠕变持久强度等材料性能，及螺栓断裂失效案列，为国内高参数超超38No.1Mar.2023DONGFANG TURBINE2023年3月第1期临界汽轮机用高温螺栓的选材和预防断裂提供了建议。1高温螺栓用高温合金材料特性R26合金是是一种Fe-Ni-Co-Cr基沉淀硬化型变形高温合金，最高使用温度可达675。合金主要强化元素为Cr、Mo、Ti、Al、Co，其中Cr、Mo元素起固溶强化作用，Ti、Al元素形成沉淀强化相，Co元素降低Ti、Al在固溶体中的溶解度，促进沉淀强化相析出，提高相的热稳定性。R26合金具有优异的室温拉伸性能、高温蠕变持久性能、抗应力松弛性能，不存在缺口敏感性。Nimonic105是Ni-Co-Cr基沉淀硬化型变形高温合金，使用温度750950。合金室温和高温强度较高，抗氧化性能良好，但热加工性能一般。广泛用于制造航空发动机和燃气轮机涡轮叶片、高温螺栓等高温零部件。该合金也是700 等级先进超超临界汽轮机高温螺栓的候选材料。Nimonic 80A是1种Ni-Cr基沉淀硬化型变形高温合金，使用温度不超过800。合金主要是以加入Al、Ti元素形成相析出强化相。合金在850 以下具有优异的抗蠕变性能和抗氧化性能。合金的冷热加工性能良好。Nimonic 90是1种Ni-Cr-Co基沉淀硬化型变形高温合金，使用温度高达920。合金具有很高的室温拉伸强度和高温蠕变持久强度以及较高的抗氧化和耐腐蚀性能，在冷热反复交替作用下有较高的疲劳强度。Inconel X-750是1种Ni-Cr基沉淀硬化变形高温合金，主要以相为时效沉淀强化相，使用温度不超过800。合金在温度不超过980 时具有良好的抗氧化腐蚀性能，不超过800 时具有较高的拉伸强度，不超过700 具有很高的蠕变持久强度。Inconel 718是1种Ni-Cr-Fe基析出强化型变形高温合金，可以在650 以下长期使用，短时使用温度可高达800。合金在650 以下强度较高，具有良好的抗疲劳、抗氧化和抗腐蚀性能，以及良好的热加工性能和长期组织稳定性。Inconel 783是Co-Ni-Fe基沉淀硬化型抗氧化低膨胀变形合金，使用温度不超过750。合金通过加入大量Al和Nb元素，在时效时析出-Ni3（Al，Nb）弥散强化相与块状-NiAl相进行强化。合金在750 可达到完全抗氧化级别，并具有优良的室温、高温力学性能、低线膨胀系数和低密度等特性。在热加工过程中通过析出-NiAl相可控制晶粒尺寸。LTES 700是日本三菱公司开发的1种低膨胀系数高温合金，作为700 等级超超临界汽轮机高温螺栓、转子等候选材料5。2高温合金的性能2.1线膨胀系数高温螺栓用不同高温合金材料的线膨胀系数及其与12%Cr钢和CrMoV钢的对比如图1所示。线膨胀系数是表征材料随温度升高体积膨胀情况的物理量。由于阀门、缸体等通常采用12%Cr或CrMoV钢制造，因此阀门、缸体等高温螺栓用高温合金材料的线膨胀系数应尽量与12%Cr或Cr-MoV相当，确保螺栓在高温下与阀门、缸体等部件膨胀量相当。图1不同高温合金材料的线膨胀系数从图1可以看出：（1）所有合金中，除Inconel 783合金的线膨胀系数低12%Cr外，其他合金均高于12%Cr钢，其线膨胀系数/10-6/温度/010020030040050060070080090018171615141312111098765R26Nimonic 80AInconel X-750Inconel 718Inconel 783Nimonic 105Nimonic 90LTES 700传统12Cr钢新12Cr钢CrMoV钢39Mar.2023No.1DONGFANG TURBINE2023年3月第1期中LTES 700的线膨胀系数略高于传统12%Cr钢；（2）R26的线膨胀系数略低于CrMoV钢；（3）在700 以下，Nimonic80A、Nimonic90、Inconel X-750、Inconel 718、Nimonic105等合金的线胀系数相当，且均高于CrMoV钢；（4）700 以上，Inconel 718明显高于其他合金。因此，从线胀系数与12%Cr或CrMoV钢的匹配程度看，在700 以下，R26、Inconel X-750和LTES 700比较适合制高参数汽轮机高温螺栓。2.2高温拉伸强度高温合金的高温拉伸性能是研究其高温蠕变持久性能的基础，反映高温合金材料最基本的热强性能。高温拉伸强度是汽轮机高温部件设计时采用的基本性能指标，也是确定高温材料使用温度的重要依据之一。高温螺栓用高温合金材料在不同温度下的屈服强度如图2所示。图2不同高温合金在不同温度的屈服强度从图2可以看出：（1）R26合金在不同温度的屈服强度最低；（2）Inconel 718合金在不同温度的屈服强度最高，但在650 以上，随着温度升高，屈服强度显著下降，在800 时，与Nimonic 105相当；（3）Inconel X-750在不同温度的屈服强度较高，但超过650 以后，随着温度升高，屈服强度快速下降，800 时，与Nimonic 80A相当；（4）在650 以下，Nimonic 80A、Nimonic90、Inconel 783和Nimonic 105在不同温度的屈服强度依次增加；（5）650 以后，随着温度升高，Nimonic105的屈服强度缓慢降低，Inconel783合金快速降低，超过750 以后，甚至低于R26合金；Nimonic80A、Nimonic90的下降速度相当；从拉伸强度可以看出，在650 以下，所有合金均具有优异的高温拉伸强度，完全能够满足高参数汽轮机用高温螺栓的使用要求；在700 以上，除Nimonic105合金的高温拉伸强度下降缓慢外，其他合金的拉伸强度均大幅下降。2.3蠕变持久强度高温蠕变持久强度是决定高温材料使用温度的决定性指标，通常把材料10万小时蠕变持久强度超过100 MPa对应的温度作为高温材料的使用温度。高温螺栓用高温合金材料的蠕变持久强度及其与12%Cr钢的对比如图3所示。图3不同高温合金紧固件材料蠕变持久强度从图3可以看出:（1）无论是哪种高温合金材料，其蠕变持久性能均远高于12%Cr钢；（2）Nimonic80A的蠕变持久性能最差，其次是R26；再次是Inconel 783；（3）Nimonic90和Inconel X-750的蠕变持久性能相当，均优于R26和Nimonic80A；屈服强度/MPa温度/01002003004005006007008009001 4001 3001 2001 1001 000900800700600500400300R26Nimonic 80AInconel X-750Inconel 718Inconel 783Nimonic 105Nimonic 90蠕变持久强度/MPaLPM=T（C+Logt）17181920212223242526271 0009008007006005004003002001000R26Nimonic 80AInconel X-750Inconel 718Inconel 783Nimonic 105Nimonic 9012Cr钢40No.1Mar.2023DONGFANG TURBINE2023年3月第1期从表1可以看出，汽轮机高温螺栓用高温合金材料断裂的主要原因有以下几种：（1）安装或检修过程中预紧力过大或加热器损坏造成螺栓中心孔内壁损伤；（2）材料本身存在冶金缺陷和力学性能异常，比如晶粒粗大、混晶、晶界碳化物聚集、冲击功低、强度偏高、高温塑性差等；（3）高温合金材料在较低温度（通常低于500服役）时，出现负蠕变现象，造成应力上升从而容易在应力最集中部位开裂。4结论本文在介绍汽轮机高温螺栓用高温合金材料特性的基础上，重点分析了高温合金材料的线膨胀系数、高温拉伸强度和蠕变持久性能，及近年来高温合金螺栓材料断裂失效案例，指出：（1）在高温螺栓用高温合金选材方面，在低于593 以下，不适合采用高温合金用作螺栓材料；在650 以下，R26是最佳的高温螺栓材料，在（4）Inconel 718在700 以下优于Nimonic90和Inconel X-750；（5）Nimonic 105的蠕变持久性能显著优于其他合金。从高温蠕变持久性能的角度看，在650 以下，所有合金均可用于高参数汽轮机高温螺栓；除R26外，其他合金均可用于700 等级先进超超临界汽轮机，其中Nimonic 105合金的蠕变持久性能最优。3螺栓断裂失效分析近年来，国内汽轮机用高温合金螺栓材料断裂失效案例见表1。表1国内汽轮机用高温合金螺栓材料断裂失效案例3,6-10材质Inconel 783Inconel X-750Inconel X-750Inconel 718Nimonic 80ANimonic 80A应用情况N1000-26.25/600/600型超超临界汽门螺栓，工作温 度600，螺 栓 规 格M90和M72N300-165/535/535型 汽轮机高压静叶持环、高压内缸、中压内缸螺栓，规格分别为M72、M85、M60高压内缸、高压内缸静叶持环螺栓，规格为M72联合循环汽轮机高压缸螺栓高压内缸螺栓660 MW超 临 界 机 组 过桥汽封螺栓，规格M64断裂原因（1）安装预紧力过大，导致螺栓提前失效；（2）合金加工工艺复杂，时效处理不合格导致应力加速晶界氧化脆性断裂；（3）螺栓热紧时加热棒损坏，导致螺栓内壁形成烧蚀坑，成为裂纹萌生起点，裂纹扩展导致断裂。金相组织存在质量问题，晶粒粗大且不均匀；个别螺栓中心孔部位存在裂纹。（1）晶界存在的链状、团状碳化物，及其他夹杂物，使晶界变脆，产生沿晶裂纹；（2）晶粒粗大加剧了碳化物在晶界的聚集，使晶界脆化加剧;严重的混晶显著降低螺栓的持久性能和疲劳强度；（3）螺栓在安装和检修时采用的预紧力过大或对螺栓表面造成损伤也是螺栓断裂的原因螺栓热紧时电加热器短路放电，使螺栓中心孔内壁产生凹坑，凹坑处产生应力集中，进而成为局部高应力区，另外还存在蒸汽腐蚀介质，形成应力腐蚀裂纹，并不断扩展最终导致螺栓断裂。（1）螺栓存在混晶，且存在明显的带状组织；（2）Nimonic 80A螺栓材料与缸体材料膨胀不一致，且该合金在500 以下会出现负蠕变问题，使应力提高，从而容易在应力集中位置开裂；（3）防咬合剂中存在的腐蚀元素引起应力腐蚀开裂。（1）螺栓冲击性能不满足标准要求、高温强度偏高、高温塑性较差等力学性能的异常可能是造成螺栓断裂的重要原因。（2）螺栓服役温度过低（460490），刚好处于80A合金负蠕变效应温度范围,可能导致螺栓长时间服役后内部应力增加。41Mar.2023No.1DONGFANG TURBINE2023年3月第1期（上接第33页）别装焊到盖板、条形法兰上）。注意：所有零部件的吊装必须确保牢靠、安全后方能起吊。（10）按水室改造图纸要求，装配水室内腔室各垫片、分程盖板、螺栓、螺母，用活动扳手把紧所有螺栓、螺母。装配工装人孔法兰垫片、法兰盖、螺栓、螺母，用活动扳手把紧所有螺栓、螺母。（11）装焊堵板于给排水管上。（12）按NB/T 47013-2015要求对堵板与给排水管间焊缝做100%MT检验，I级合格。（13）关闭所有与低压加热器水室部分接管相连接的所有接管阀门，从新增排水管堵板孔处向水室内腔室灌满水后，在新增排水管堵板上安装2块带工装支座的压力表，量程16 MPa，精度等级1.6。在新增给水管堵板螺孔处安装泵水接管，并与水压泵水联通。按GB 150压力容器及改造图纸要求对低压加热器进行管程水压试验。（14）水压试验合格后拆除水压工装，放干积水，打开人孔，用压缩空气吹干水分，清理水室腔室达JB/T 4058中洁-3要求。（15）依次装配（新制的）人孔法兰垫片、人孔法兰盖、螺栓、螺母等未装的各紧固件，并把紧紧固件。5结语目前，该低压加热器已通过最终检查和验收，各项指标均达到了相应标准和技术条件的要求。该低压加热器水室的改造成功，使公司在现场低压加热器水室改造方面积累了丰富的实战经验，为国内同行业类似结构改造提供了参考依据，也为后续低压加热器水室的改造奠定了基础。参考文献1国家质量监督检验检疫总局.压力容器:GB/T 150.1-150.4-2011S.北京:中国标准出版社,2011.2国家质量监督检验检疫总局.热交换器:GB/T 151-2014S.北京:中国标准出版社,2014.3国家质量监督检验检疫总局.固定式压力容器安全技术监察规程:TSG 21-2016S.北京:中国标准出版社,2016.4电力工业部.电力建设施工及验收技术规范:DL5031-1994S.北京:中国电力出版社,1994.5国家能源局.火力发电厂焊接技术规程:DL/T869-2021S.北京:中国电力出版社,2021.700 以上，Nimonic105是比较合适的候选材料；（2）为了避免高温合金螺栓在服役过程中出现断裂事故，在原材料采购时一定要严把螺栓材料质量关，确保材料组织和性能满足标准要求；在螺栓安装时应严格执行工艺文件，避免对螺栓造成损伤。参考文献1吴非文.火力发电厂高温金属运行M.北京:水力电力出版社,1979.2贾若飞,李梁,秦承鹏.某1 000 MW超超临界机组汽轮机IN783螺栓断裂失效分析J.汽轮机技术,2019,61(1):78-80,12.3周伟龙,彭以超,何志瞧,等.某660 MW超临界机组过桥汽封螺栓断裂原因分析J.浙江电力,2019(9):43-50.4刘永民.超超临界1 000 MW汽轮机GH783螺栓检修工艺优化J.电力安全技术,2019,21(3):54-67.5苏昕,彭建强,杨鑫.700 及以上等级超超临界汽轮机螺栓材料选材的探讨J.汽轮机技术,2014(1):78-80.6张守文,余化文,熊伟,等.1 000 MW汽轮机中压主汽门和中压调门螺栓断裂原因分析J.电力与能源.2016,37(4):483-486.7杨超,冯立中,吴红涛,等.超超临界汽轮机IN783螺栓断裂原因分析J.理化检验(物理分册),2015,51(5):346-349.8徐贤,刘励,吴国忠.大坝发电厂GH4145/SQ汽缸螺栓断裂原因分析J.宁夏电力,2005(4):31-33.9王炳慧,高健,张举贤.汽轮机高温镍基合金螺栓断裂原因分析J.甘肃科技,2012,28(4):46-47,50.10汪龙平.广州珠江电厂燃气联合循环项目高压缸螺栓断裂失效分析J.华电技术,2013(6):36-39.11黄友桥,王飞,彭以超,等.汽轮机高压内缸紧固螺栓高温断裂失效原因分析J.浙江电力,2018,37(5):79-84.42