电站设备大型锻件脆性转变温度的探讨

李永安

(中国长江动力集团有限公司工艺管理处，湖北430205)



电站设备大型锻件脆性转变温度的探讨

李永安

(中国长江动力集团有限公司工艺管理处，湖北430205)

摘要：文章详细介绍了脆性转变温度的定义和测定方法，分析对比了行业标准对不同锻件的脆性转变温度要求。

关键词：电站设备；大型锻件；脆性转变温度；行业标准

设计电站设备大型锻件时，对大型锻件的脆性转变温度FATT指标极为重视，甚至把这一指标视为锻件的失效点。经过理论分析，FATT也确实是一个重要的指标。

25 MW～200 MW汽轮机叶轮套装转子锻件正逐渐向大型复合转子锻件过渡，以取代传统叶轮套装方式的转子。复合转子锻件相应行业标准JB/T 11030—2010《汽轮机高低压复合转子锻件 技术条件》也于2010年颁布实施。大型复合转子的应用是一个趋势。

相关标准对25 MW～200 MW汽轮机及50 MW～200 MW发电机组锻件的FATT50指标均有具体参数要求。高、低压复合转子锻件在同一母体上，也分别有两组分段的性能指标。同时，FATT50指标也分别由两组数据构成。故我们仅对锻件的脆性转变温度进行了深入探讨。希望通过这些分析能够对电站设备大型锻件设计、锻件厂提高大型锻件质量有所帮助，并找出一些规律性的东西。

1术语的理解

(1)FATT50的具体含义：材料或锻件断口上，纤维区与结晶区相对断面面积各占50%时所对应的温度为脆性转变温度，也可理解为脆性组织与韧性组织各占50%时所对应的温度。高于FATT50温度，材料或锻件则趋于韧性状态，如果材料或锻件受力断裂，趋向韧性断裂。低于FATT50温度，材料或锻件则趋于脆性状态，如果材料或锻件受力断裂，趋向脆性断裂。FATT50温度也是一个韧-脆分界点。还有，FATT50高于标准中所规定的参数值，锻件其它性能指标均可以满足。FATT50低于标准中所规定的参数值，标准中所规定的其它性能指标就不一定能满足。故标准中所规定的其它性能指标是受FATT50温度条件限制的。在FATT50温度以上，标准中所规定的其它性能指标才能满足。

换一个角度理解，脆性转变温度按标准确定后，在这个环境温度进行试验，在材料或锻件断口上，理应脆性组织与韧性组织所占的比例各为50%。但我们希望和必须达到是韧性组织所占的比例大于50%，脆性组织所占的比例小于50%。即：脆性转变温度按标准确定后，锻件其余全部性能均合格，才是性能合格的锻件。

低碳钢和高强度合金钢(碳当量较低时)在某些温度下有较高的冲击韧性。但随着温度的降低，材料或锻件的脆性逐渐升高。

(2)体心立方晶格和密排六方晶格结构材料，一般均存在脆性转变温度。对于面心立方晶格结构材料，由于在液氮(-196℃)温度下仍呈韧性状态，可视为不存在脆性转变温度。

金属的脆性跟晶体中位错运动的阻力有关，体心立方金属位错阻力对温度变化非常敏感，在低温状态下，位错阻力急剧增加导致金属塑性降低，表现出脆性。某些密排六方金属同理。而面心立方金属由于位错宽度较大，故位错阻力对温度变化不是很敏感，故一般不表现出低温脆性。但当温度降低到-233.15～-253.15℃的极低温度时，奥氏体钢和铝合金也会表现出脆性。

(3)脆性转变温度FATT50的高低取决于化学成分、微量有害元素、冶炼工艺、锻造工艺、热处理工艺和微观组织。

在工程应用中，为防止构件脆断，应选用脆性转变温度低于构件下限工作温度的材料。对于含N、P、As、Bi和Sb等杂质元素较多，在长期运行过程中有可能发生脆化、回火脆性等现象的材料，其脆性转变温度会随运行时间的延长而升高。近年来，脆性转变温度以及脆性转变温度的增量已成为构件材料性能的重要考核指标之一，特别体现在电站设备的大型锻件中。

2脆性转变温度测定方法

2.6.1能量准则法

规定为冲击吸收功降到某一特定值的温度。

2.6.2断口形貌准则法

规定以断口上纤维区与结晶区相对断面面积达一定比例时所对应的温度。例如，取不出现结晶断口的最低温度，并以FTP表示；结晶区面积占总面积50%时所对应的温度，以FATT50表示。

2.6.3落锤试验法

规定以落锤冲断长方形板状试样时断口100%为结晶断口时所对应的温度，为无塑性转变温度，以NDT表示。

脆性转变温度除与表示方法有关外。还与试样尺寸、加载方式及加载速度有关，不同材料只能在相同条件下进行比较。

3FATT50参数基本要求

(1)大型、受力复杂的锻件，在满足其它性能指标要求的前提下。为防止构件脆断，应选用脆性转变温度FATT50低于构件下限工作温度的材料。

(2)考核电站设备FATT50参数时，应从电站设备发电机转子、联轴器及汽轮机叶轮、整体转子、主轴、复合转子整体综合进行考核。

4关于FATT50参数的分析与探讨

就汽轮机而言，它是热机，在高温、高压、大扭矩工况下工作，系热主动机械。有了高温、高压大流量蒸汽，汽轮机才会被动受力，汽轮机将蒸汽能转化为动能，再将动能传输给发电机转化为电能。可见，电站设备受力最大的零件是整体转子、主轴、叶轮、联轴器及发电机转子。FATT50这一指标，是对受力复杂、工作环境恶劣的大型重要零件所规定的一个重要控制指标。

我国现行电站设备锻件行业标准是由汽轮机厂及锻件厂共同起草，故参数的确定比较保守，标准确定的FATT50参数指标也较高。锻件厂在锻件生产时，相对行业标准FATT50参数实际上还要低一些。现仅对照现行锻件行业标准中的数据对25 MW～200 MW汽轮机及50 MW～200 MW发电机组发电机转子、联轴器及汽轮机叶轮、整体转子、主轴和复合转子的FATT50分别进行比较分析。不同锻件的FATT50指标如表1～表5所示。

4.1发电机转子锻件

按GB/T 11021—2014《电气绝缘、耐热性分级》，发电机绝缘等级为F级，机组正常工作温度≤155℃。从表1可以看出，不同材料，不同强度等级的电机转子FATT50分别要求≤0℃、≤-18℃。因为电机转子在相对工作温度比较低的情况下传递大扭矩。这就要求发电机转子低温脆性转变温度要在很低的温度下，才能使电机转子能正常工作而不发生脆性断裂。电机转子长期工作温度应避开低温脆性转变温度范围。因电机转子工作在室内(北方均有室内采暖)，工作温度≥0℃，故能满足转子锻件FATT50参数的基本要求。

表1　发电机转子锻件FATT50要求(JB/T 8706—2014)Table 1　FATT50requirements of generator rotor forgings(JB/T 8706—2014)

表2　联轴器锻件FATT50要求(JB/T 9638—1999)Table 2　FATT50requirements of coupling forgings(JB/T 9638—1999)

表3　叶轮锻件FATT50要求(JB/T 1266—2014)Table 3　FATT50requirements of impeller forgings(JB/T 1266—2014)

表4　转子体、主轴锻件FATT50要求 (JB/T 1265—2014)Table 4　FATT50requirements of rotor and shaft forgings(JB/T 1265—2014)

表5　复合转子锻件FATT50要求(JB/T 11030—2010)Table 5　FATT50requirements of composite rotor forgings(JB/T 11030—2010)

4.2联轴器锻件

联轴器工作在暴露于厂房内的大气中，工作温度为工作场地室温。从表2可以看出，联轴器用大多数材料FATT50≤40℃，部分材料FATT50≤20℃、≤13℃，由于大多数发电厂房内温度高于室外温度，北方也均有室内采暖，基本上能够满足联轴器锻件FATT50参数的基本要求。但30Cr1Mo1V材料FATT50≤116℃，相距较大，不能够满足联轴器锻件FATT50参数的基本要求。建议联轴器设计选材时尽可能避免选用30Cr1Mo1V材料。

4.3叶轮锻件

由于全部叶轮工作环境均在汽轮机汽缸内部，汽缸内有高压蒸汽流动，只要有蒸汽流动，汽缸内温度就≥100℃。从表3可以看出，叶轮不同材料、不同强度等级FATT50要求分别为≤40℃、≤20℃、≤-30℃。叶轮锻件是工作在≥100℃的密闭容器中，故能够满足叶轮锻件FATT50参数的基本要求。

4.4转子体、主轴锻件

转子体、主轴锻件是发电设备受力最复杂、性能要求最高的锻件。锻件的实际工作环境分两部分，锻件的中间部分在汽缸内部，锻件另一部分是锻件在汽缸外部暴露于室内空气中的两端。且锻件外部连接发电机的联轴器端，受力最大、最复杂，工作环境最恶劣。从表4可以看出，28CrMoNiV强度等级490 MPa，FATT50分别要求为≤85℃、≤100℃。30Cr1Mo1V强度等级590 MPa，FATT50分别要求为≤116℃、≤121℃。从理论上分析，这两种材料很难满足转子体、主轴锻件FATT50参数的基本要求。特别是30Cr1Mo1V材料，考虑到锻件另一部分在汽缸外部暴露于室内空气中的两端，相距就更大，即FATT50参数还要降低。但30Cr2Ni4MoV材料能够满足FATT50参数的基本要求。

4.5复合转子锻件

对于复合转子锻件，因高压端的端头暴露在室内空间，FATT50偏高，不能满足要求。但低压端FATT50基本能够满足要求。

5结论

(1)我国现行行业标准仅针对25 MW以上汽轮机转子锻件和50 MW以上发电机转子锻件，对FATT50明确了具体指标要求。而日本东芝公司对25 MW以下机组也有FATT50参数要求。

(2)联轴器设计选材时尽可能避免选用30Cr1Mo1V材料。

(3)提高电站设备锻件质量，今后研发的重点是整体转子、主轴、复合转子锻件。特别是要降低高压整体转子、主轴、复合转子锻件FATT50温度值。方法是研发新钢种、提高和改进冶炼、锻造、热处理工艺水平。目标是使锻件的FATT50进一步降低，以满足电站设备锻件使用的可靠性需要。

参考文献

[1]DL/T 882—2004火力发电厂金属专业名词术语[S].

编辑杜青泉

Discussion on Fracture Appearance Transition Temperature of Heavy Forgings for Power Station Equipment

Li Yong′an

Abstract：The definition and the determination method of fracture appearance transition temperature have been described in details.Meanwhile,the different requirements of fracture appearance transition temperature with different forgings stipulated in the industry standard have been analyzed and compared as well.

Key words：power station equipment;heavy forgings;fracture appearance transition temperature;industry standard

收稿日期：2016—02—29

作者简介：李永安(1956—)，男，高级工程师，工学硕士，主要研究方向：电站设备大型锻件设计。电话：13349955746，E-mail:Liyongan2016@163.com

中图分类号：TG142.1

文献标志码：A