长期服役后高中压转子30Cr1Mo1V钢的性能研究

赵双群， 林富生

（上海发电设备成套设计研究院，上海200240）

汽轮机转子是火力发电机组中汽轮机的关键部件，其运行条件和工作状态复杂多变：不仅长期处于高温、高压、高转速及蒸汽环境等恶劣工况下，而且还经常受到机组频繁启停以及负荷变化的影响，同时由于转子的尺寸和质量大，不同部位的运行工况差别很大，最终导致转子金属内部常常产生较大的温度梯度并由此形成交变热应力，致使其受力情况变得复杂，且结构上也存在应力较为集中的部位.在高温下，汽轮机转子不仅会产生蠕变，也容易遭受低周疲劳破坏，对机组的寿命和电厂的安全运行造成严重影响和威胁.

30Cr1Mo1V钢是中国于20世纪80年代从美国引进的一种CrMoV钢，用以替代性能不稳定的30Cr2MoV 钢，相 当于国 外的1Cr－1Mo－0.25V钢.高中压转子30Cr1Mo1V钢在300～600MW亚临界机组以及600MW超临界机组上得到了广泛应用.国内外不少科研工作者对30Cr1Mo1V钢进行过组 织［1－2］、持 久 和 蠕 变 性 能［3－4］、疲 劳 性 能［5－6］、蠕变－疲劳交互作用性能［7－8］以及断裂韧性［9］等多方面的研究，国外学者也曾研究过长期服役后的30Cr1Mo1V 钢 的 组 织 和 性 能 的 变 化［10－11］.迄 今 为止，国内尚未见到有关经过服役的高中压转子30Cr1Mo1V钢的研究报导，因此非常有必要开展退役高中压转子30Cr1Mo1V钢的冶金质量、显微组织及其性能等全方位的研究.笔者研究了经过16年长期服役的高中压转子30Cr1Mo1V钢的一些性能变化，不仅有利于了解真实的服役状况对材料组织和性能的影响，而且也有利于开展材料的损伤和寿命损耗研究，为此类机组的寿命管理和寿命评估奠定一定的基础.

1 试验材料与方法

笔者根据转子运行工况和原始性能测试位置，将取自退役高中压转子从高压端到中压端的A、E、H和L4个位置（见图1）的材料作为试样，L、H和E位置的室温拉伸试验和冲击试验在近转子外缘部位取样，同时在近内缘即近中心孔部位取样进行冲击试验，以便于比较冲击性能，而高温拉伸试验则分别在L、H和E位置径向的中间取样.因为高压端头A位置的径向尺寸小，因此室温拉伸和冲击试验仅在近内缘部位取样.通常在转子服役时，L和A位置的温度低于100℃，而H和E位置的温度分别约为340～400℃和525℃.

室温拉伸试验、高温拉伸试验、冲击试验和韧脆性转变温度（FATT50）试验分别根据相应的国标GB／T 228－2002《金属材料 室温拉伸试验方法》、GB／T 4338－2006《金属材料 高温拉伸试验方法》、GB／T 19748－2005《钢材 夏比V型缺口摆锤冲击试样 仪器化试验方法》以及GB／T 229－2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》中规定的方法进行.

图1 试样在高中压转子中的位置Fig.1 Location of test samples taken from the HP－IP steam turbine rotor

2 试验结果与分析

2.1 化学成分和组织

高中压转子中的L、H和E位置近外缘部位和A位置近中心孔部位的实测化学成分见表1.从表1可以看出：在转子纵向不同位置的试样中，主要合金元素C、Cr、Mo、V以及Ni等的含量除C位置区别稍大外，其他部位的化学成分均非常接近，差别很小，没有因转子的尺寸变化而出现明显的元素偏析现 象.而且，杂质和有害元素Si、Mn、P、S、Sb、Sn以及As等也没有因位置的变化而出现明显的区别.总之，高中压转子不同位置试样中的各种元素的分布范围都比较窄，没有在不同部位的试样中出现明显的元素含量差异或偏析等情形，完全能够满足转子制造时高中压转子材料30Cr1Mo1V钢化学成分的要求.

表1 高中压转子不同部位试样的化学成分Tab.1 Chemical composition of HP－IP rotor steel samples taken at four locations %

图2为高中压转子的L、H、E和A位置试样的显微组织.从图2可知：试样的组织由析出大量碳化物的回火贝氏体和析出少量碳化物的铁素体组成，铁素体主要沿原奥氏体晶界上形成.碳化物的形状主要有小颗粒状、块状和短杆状等.在不同位置的试样中，碳化物的形貌和大小存在区别.原奥氏体晶界处和贝氏体与铁素体边界处的碳化物呈颗粒状、半连续状或连续状分布.在转子服役时的低温位置L和A试样中，碳化物主要以颗粒状和块状形貌存在；而在转子服役时的高温位置H和E试样中，贝氏体和铁素体组织中含有更多数量的短杆状碳化物，尤其是在服役温度最高的E试样中，原奥氏体晶界处的碳化物数量多一些，颗粒也大一些.在试样中，碳化物种类和由服役引起的碳化物析出或演变将采用透射电镜分析等手段另行确定.

图2 高中压转子不同部位试样的显微组织Fig.2 SEM images of HP－IP rotor steel samples taken at four locations

2.2 拉伸性能

高中压转子服役前后不同位置的室温拉伸性能见表2.从表2可以看出：一方面，在转子每个位置服役前后的拉伸性能中，中压端位置L服役前后的拉伸强度和塑性基本相同，这是由于其服役温度仅稍高于室温，不可能引起组织变化而导致性能降低；H位置服役后的抗拉强度和屈服强度比服役前高10MPa，拉伸塑性略微降低，H位置的服役温度在340～400℃.如前所述，由服役引起的组织变化仅限于碳化物的形貌或分布上的细微变化，并没有发生碳化物的显著粗化等现象，因此即使导致强度降低，降低的幅度也很小，但是实际得到服役后的强度反而略微升高，这可能是由转子在制造时锻造和热处理的不均匀造成了性能的不均匀，而且由于取样位置存在差别，使得服役后的强度稍高于服役前的强度；E位置的拉伸强度与服役前相比略有降低，因为该位置的服役温度最高，达525℃，造成显微组织中碳化物的大小、形貌和分布发生了变化.高压端位置A的服役温度仅略高于室温，长期服役不会引起组织和性能的变化，服役后的性能应当与服役前该位置的性能相同.另一方面，转子在服役前，L、H和E位置的室温拉伸性能差别不大，拉伸强度的差别只有10MPa左右，而A位置的拉伸强度最高，塑性最低，这是由转子本体在纵向上的差异所致.服役后，转子纵向上不同位置抗拉强度的差别小于40 MPa，屈服强度的差别小于50MPa，而最高温度E位置的强度和塑性仍然保持在较高的水平.

表2 高中压转子不同位置试样的室温拉伸性能Tab.2 Room temperature tensile properties of the HP－IP rotor steel before and after service

图3为高中压转子L、H和E位置试样的高温拉伸性能.从图3可知：随着温度的升高，3个位置的抗拉强度Rm和屈服强度Rp0.2均逐渐降低，但在200～400℃时强度降低的速率较缓慢；同时，低温段的抗拉强度最高，高应力段的强度稍低，而高温段的抗拉强度最低.在同一温度下，高温段的抗拉强度比低温段约低30～40MPa，而高温段的屈服强度比低温段约低20～30MPa.随着试验温度的升高，3个位置的拉伸塑性变化趋势基本相同：开始时，延伸率A缓慢降低，约在200～400℃时达到最低，之后逐渐升高.在同一温度下，3个位置试样的延伸率差别很小，而断面收缩率Z的波动相对大一些.在100℃时，3个位置试样的断面收缩率比室温时高，但仍然在200～400℃时达到最低，之后随着拉伸试验温度的升高，断面收缩率的变化速率迅速增大.在室温和100℃时，高应力段试样的断面收缩率比低温段和高温段试样的都高，在200～400℃时，高温段的断面收缩率最大，低温段最小，当温度高于200～400°C时，3个位置试样断面收缩率的差别逐渐减小.

图3 高中压转子L、H和E位置试样的高温拉伸性能Fig.3 High temperature tensile properties of the HP－IP rotor steel at L，Hand Elocation

2.3 冲击性能

图4为高中压转子不同位置试样的室温冲击试验结果.从图4可知：在L、H和E3个位置中，在转子径向上，转子外缘部位的冲击能量高于内缘部位，中压轴端低温L位置内、外缘部位冲击能量的差别最大，高温E位置内、外缘部位冲击能量的差别最小，即运行温度越高的部位，其内、外缘部位冲击能量的差别越小；在转子轴向上，外缘各部位的冲击能量，以服役温度高的部位与低温端差别较大，内缘部位的冲击能量，除高压端头位置的冲击能量明显很大外，其他部位的冲击能量差别均较小.

将冲击能量分解为裂纹形成能和裂纹扩展能时，无论是转子的近外缘还是近内缘部位，总冲击能量中的裂纹扩展能所占比例较小，断裂能量主要消耗在裂纹的形成上.各部位之间裂纹扩展能的差别相对小于裂纹形成能的差别.总冲击能量的差别主要表现在裂纹形成能上，即服役温度较高位置的试样冲击能量降低主要是由裂纹形成能明显降低造成的，即抵抗裂纹形成的能力降低，经历较高的服役温度后，该位置的试样更加容易形成裂纹.

图4 高中压转子不同位置试样的室温冲击性能Fig.4 Impact results of the HP－IP rotor steel

图5为高中压转子L、H和E位置近外缘部位试样的韧脆性转变温度（FATT50）测试试验结果.图5（a）为冲击吸收能量与冲击试验温度的关系曲线，根据试验曲线可以得到L、H和E位置试验曲线的上平台能量分别约为142J、122J和121J.图5（b）为韧性断面率与冲击试验温度的关系曲线，根据曲线可以得到L、H和E位置试样的韧脆性转变温度（FATT50）分别为64℃、104℃和89℃.

图5 高中压转子不同位置试样的FATT50试验结果Fig.5 FATT50test results of the HP－IP rotor steel at L，Hand Elocation

转子服役前两个外缘部位的韧脆性转变温度（FATT50）均为64℃.虽然取样部位不同，但中压端低温位置L处外缘部位的实测韧脆性转变温度也等于64℃，而H位置和E位置处经服役后的韧脆性转变温度均发生了明显升高，分别升高了40K和25K.

材料的韧脆性是科研工作者对大锻件进行主要分析和研究的性能之一.影响材料冲击性能的因素很多，如合金的元素种类与含量、杂质元素的种类与含量、冶炼工艺、制造加工工艺、热处理工艺、晶体结构以及显微组织等.高中压转子外缘部位的原始冲击性能数据在轴向上均相同，但经过长期运行后，高温段和高应力段的韧脆性转变温度均明显升高，表明材料的显微组织发生了变化，其中碳化物尤其是晶界处碳化物析出的变化已经在显微组织分析中得到了初步的证实.另外，许多研究已经证明［6，12－13］，Si、Mn、S、P、Sb、Sn和 As等杂质元素对转子材料的性能影响很大，经过长期服役可能形成析出相或者在晶界处富集，降低晶界联接强度，从而影响材料的韧塑性和强度等.经长期服役后，试样显微组织中晶界附近元素的细微变化有待于今后进一步深入研究.

3 结 论

（1）高中压转子材料30Cr1Mo1V钢的化学成分控制较好，除不同位置处的碳含量区别略大外，无明显的成分偏析现象.30Cr1Mo1V钢组织为回火贝氏体和铁素体.与服役温度低的部位相比，转子服役温度高的部位的贝氏体和铁素体中的碳化物出现析出、聚集或长大现象，原奥氏体晶界和贝氏体与铁素体边界处碳化物析出增多，碳化物颗粒变得粗大.

（2）高中压转子材料30Cr1Mo1V钢服役后高温部位拉伸强度降低，其室温的拉伸强度比低温部位约低40～50MPa，而高温拉伸性能比低温部位约低30MPa.

（3）高中压转子材料30Cr1Mo1V钢服役后高温部位的冲击能量下降明显，不同位置的断裂模式均表现为脆性断裂.总冲击能量的降低主要表现为裂纹形成能的降低，各位置的裂纹扩展能差别很小.与低温部位相比，转子服役时的高温部位的韧脆性转变温度（FATT50）明显升高.

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