工业汽轮机汽缸用材无塑性转变温度的研究

何　成　刘中华　周黎明　刘京伟　林　云　宋思远

(1.杭州汽轮动力集团有限公司，浙江310016；2.杭州汽轮铸锻有限公司，浙江311106；3.杭州汽轮机股份有限公司，浙江310003)



工业汽轮机汽缸用材无塑性转变温度的研究

何成1刘中华1周黎明2刘京伟3林云3宋思远1

(1.杭州汽轮动力集团有限公司，浙江310016；2.杭州汽轮铸锻有限公司，浙江311106；3.杭州汽轮机股份有限公司，浙江310003)

摘要：针对水压试验要求试验液体温度应高于试验材料的无塑性转变温度的问题，通过落锤试验测定了工业汽轮机汽缸用材的NDT温度，并分析了影响NDT温度的因素。通过先进的冶炼技术和热加工工艺严格控制P、S含量，细化晶粒等手段，可有效降低钢材的NDT温度。

关键词：汽缸；无塑性转变温度；落锤试验；水压试验

水压试验是对压力容器或承压结构产品的一次综合性检验，其目的是验证承压部件是否严密，焊缝是否可靠，整体结构强度是否足够，是汽轮机汽缸制造中的一道重要工序[1]。由于水压试验的压力较高，试验过程中承压设备发生脆性破坏的事故时有发生，其主要原因之一是水压试验时的水温过低。美国石油学会标准API Std 612《石油、石化和天然气工业用特种用途汽轮机》中针对汽缸水压试验也明确规定“试验液体的温度应高于试验材料的NDT温度”。ZG22Mo、ZG25A、ZG17Cr1Mo和ZG17Cr1Mo1V是我公司常用的工业汽轮机汽缸材料，在制造过程中均需进行水压试验，正确测定这些汽缸用材料的NDT温度对于确保水压试验的安全进行具有重要意义。

1试验材料

NDT温度是指按标准进行落锤试验时，标准试样发生断裂的临界温度，表征含有小裂纹的钢材在动态加载屈服应力下发生脆断的最高温度，目前通常采用的试验标准为美国的ASTM E 208《铁素体钢的无塑性转变温度落锤试验方法》。

试验用材为公司生产工业汽轮机汽缸常用的材料，化学成分见表1。为确保试验的准确可靠，每种材料制备3组试样(各8个)，每组试样分别取自不同炉号的钢锭。试样制备按照ASTM E 208标准进行，根据汽缸壁厚的特点，选择P-2型试样，尺寸为130 mm×50 mm×20 mm。试样的制备过程包括样坯料的切取、机械加工、堆焊引裂焊道和加工缺口等，试样示意图见图1。焊接焊道时电流为190 A，焊道长度l为40 mm～45 mm，焊道宽度b为13 mm～15 mm，焊道高度A为3.5 mm～5.5 mm，缺口宽度A0≤1.5 mm，缺口底高A1为1.8 mm～2.0 mm。

2试验方法和结果

首次试验温度为根据相关经验估计的NDT温度，将达到试验温度的试样放置在落锤试验机的砧座支承台上进行落锤试验，随后检验试样断裂情况。若裂纹源焊道形成的裂纹扩展到受拉面的一个或两个棱边则认为试样断裂。若试样断裂则提高温度继续试验，未断裂则降低温度，直至测得试样断裂的最高温度。然后将该温度提高5℃做两个试样的试验，若均未断裂，则确定该温度为NDT温度。

表1　汽缸常用材料化学成分要求(质量分数，%)Table 1　Chemical composition requirements of conventional materials for cylinder (mass fraction,%)

图1　落锤试样示意图Figure 1　Sampling sketch of drop test

表2　ZG22Mo的落锤试验结果Table 2　Test results of drop test for ZG22Mo

注：○表示试样未断裂，×表示试样断裂。

表2为ZG22Mo的三组试样的落锤试验结果。以第一组为例，将首次试验温度定为-40℃，试样在-40℃下断裂；随后在-20℃时进行试验，试样断裂；再提高20℃，即在0℃时进行试验，试样断裂；随后在15 ℃时进行试验，两个试样都未断裂，此时估计NDT在0℃和15℃之间。然后在5℃时进行试验，两个试样都未断裂，于是确定试样的NDT温度为0℃。第一组试样的断裂情况见图2。

表3为各个材料的试样在不同试验温度下的落锤试验结果。在实际应用中，考虑到安全因素，NDT温度取三组试验结果中的最大值，因此ZG22Mo、ZG25A、ZG17Cr1Mo和ZG17Cr1Mo1V的NDT温度分别为0℃、-5℃、15℃和15℃。

图2　ZG22Mo落锤试样断裂情况Figure 2　Fracture of drop test specimen

表3　落锤试验结果Table 3　Drop test results

水压试验要求试验液体温度应高于试验材料的NDT温度，而试验液体一般为水，考虑到防冻要求，ZG22Mo和ZG25A的水压试验水温应≥5℃，即一般不用对水温进行处理，常温即可进行试验。而ZG17Cr1Mo和ZG17Cr1Mo1V的水压试验水温应≥15℃，在冬天等低温环境下进行水压试验时必须对试验用水进行加温，以确保水温高于材料的NDT温度。

3分析和讨论

从试验结果可以看出，ZG17Cr1Mo和ZG17Cr1Mo1V的NDT温度高于ZG22Mo和

ZG25A。从化学成分角度分析可发现这4种汽缸用材料的C、Si、Mn含量区别很小，差异主要集中在Cr、Mo和V上。其中，Cr可增加钢的淬透性并提高钢的强度和硬度，但会降低韧性和塑性；Mo和V则是提高热强度的重要元素，但均会提高脆性转变温度[2-4]。可见，添加Cr、Mo、V等合金元素是导致ZG17Cr1Mo和ZG17Cr1Mo1V的NDT温度高于ZG22Mo和ZG25A的主要原因之一。

由于NDT温度反映的是材料室温或低温的韧性指标，因此要降低汽缸材料的NDT温度应从改善韧性的角度出发。首先应提高钢水的纯净度，减少钢中夹杂物含量，严格控制P、S含量。P、S等杂质元素易在晶界上偏聚，降低晶界表面能，是使钢韧性降低的关键因素[5]。其次可通过优化热处理工艺的方式来细化晶粒，从而提高汽缸材料的韧性。晶粒细化后可使单位体积内晶粒数目增多，细晶粒受到外力发生塑性变形时能分散在更多的晶粒内进行，使变形更为均匀，降低应力集中。同时，晶粒细化增加晶界的总面积，使晶界更为曲折并增加裂纹扩展的难度，晶界总面积的增加还可降低晶界上P、S等杂质元素的浓度，使晶界表面能增加，减少沿晶脆性断裂的倾向，从而提高钢的韧性，降低汽缸的NDT温度[6]。

4结论

本研究针对工业汽轮机汽缸用材进行了一系列的落锤试验以测定NDT温度，试验结果表明ZG22Mo、ZG25A、ZG17Cr1Mo和ZG17Cr1Mo1V的NDT温度分别为0℃、-5℃、15℃和15℃。为确保水压试验安全进行，ZG22Mo和ZG25A的水压试验水温应≥5℃，而ZG17Cr1Mo和ZG17Cr1Mo1V的水压试验水温应≥15℃。通过提高钢水的纯净度，减少钢中夹杂物含量，严格控制P、S含量，优化热处理工艺以细化晶粒等手段，可有效提高钢材的韧性，降低NDT温度。

参考文献

[1]董西慧,陶荣宝．浅析锅炉水压试验[J].能源研究与管理,2010 (4): 78-79.

[2]沈冬冬,袁泽喜.2.25Cr1Mo钢韧脆转变温度影响因素分析[J].武汉科技大学学报,2011,34(6):410-413.

[3]朱明亮,轩福贞,梅林波等.汽轮机高、低压一体化转子材料及性能的研究进展[J].动力工程，2008,28(5): 664-671.

[4]师昌绪,钟群鹏,李成功,等.中国材料工程大典[M].北京:化学工业出版社,2006.

[5]徐挺栋.非平衡晶界偏聚动力学和晶间脆性断裂[M].北京:科学出版社,2006.

[6]齐俊杰,黄运华,张跃.微合金化钢[M].北京:冶金工业出版社,2006.

编辑杜青泉

Research on Nil-Ductility Transition Temperature of Steel Used for Cylinder of Industrial Steam Turbine

He Cheng,Liu Zhonghua,Zhou Liming,Liu Jingwei,Lin Yun,Song Siyuan

Abstract：The issue that the temperature of test liquid required by the hydraulic test shall be higher than the nil-ductility transition temperature of test material has been expressed.The NDT temperature of steel used for the cylinder of industrial steam turbine has been examined by the drop test,and the factor influenced on NDT temperature has been analyzed as well.By adopting the advanced smelting technology and heat treatment process to strictly control P and S contents,and refining the grain,NDT temperature of steel could be reduced effectively.

Key words：cylinder;nil-ductility transition temperature;drop test;hydraulic test

收稿日期：2015—11—20

作者简介：何成(1988—)，工程师，从事汽轮机及燃气轮机材料基础研发。电话：13634189140，E-mail：ahe0721@qq.com

中图分类号：TG115.5+6

文献标志码：B