燃气轮机用高温合金材料长时蠕变持久性能试验方法研究

彭建强，马双伟，刘利强，马新博

(1.哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150046；2.长春机械科学研究院有限公司，吉林 长春 130103)

燃气轮机用高温合金材料长时蠕变持久性能试验方法研究

彭建强1，马双伟2，刘利强2，马新博1

(1.哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150046；2.长春机械科学研究院有限公司，吉林 长春 130103)

摘要：简述了耐高温材料蠕变持久试验机及试验方法的发展历程，分析了现有蠕变持久试验机及试验方法存在的不足。结合本次开发项目的试验数据，给出了试验温度超过900℃的高温合金材料长时蠕变持久试验机及试验方法的改进意见。

关键词：蠕变持久试验机；试验方法；高温合金

1前言

工业燃气轮机与航空发动机一样，高温部件的工作温度非常高。目前，世界最先进的J级工业燃气轮机透平进气参数已达1600℃[1]，这些部件均需要采用高温合金材料制造。但是，工业燃气轮机的高温部件寿命要求超过100000h，远高于航空发动机部件。因此，需要测试电站燃气轮机用高温合金材料的长时高温蠕变持久性能，以保证机组能够在高温高应力工况条件下安全可靠运行。然而，目前的高温长时蠕变持久试验机及相关的试验方法等均为汽轮机用耐热钢材料设计，额定试验温度均不超过900℃。因此，为了满足燃气轮机用高温合金材料高温长时蠕变持久性能测试要求，需要对现有成熟的蠕变持久设备及试验方法进行改进。

本文在分析耐高温材料蠕变持久性能测试发展历程、现有蠕变持久试验设备及试验方法不足基础上，结合本项目的试验数据，提出试验温度超过900℃高温合金材料的蠕变持久试验设备及试验方法的改进意见。

2耐高温材料蠕变持久试验机及试验方法发展历程

日本在耐高温材料蠕变持久试验机研发及试验方法制定方面做了大量的工作。在1953年、1954年，芥川武[2-3]等以可以进行到10000h的试验为目标，制造了放大电路的电子管式自动温度调节器和单相感应自动电压调整器的立式拉杆蠕变试验机。1954年，长谷川太郎等[4]以可以稳定运转多台试验机为目标，制造了带有磁放大器方式或电子管方式的自动温度调节器和感应调整器的蠕变持久试验机。

日本于1956年制定了蠕变持久试验机日本工业标准(JIS)。但是，随着试验机构、对象(材料)的急剧增加，试验数据的分散性变大。为了降低数据的分散性，对试验方法进行了探讨[5]，研究了蠕变持久数据的分散性和试样的尺寸效应，以及不同试验机构由于试样尺寸不同而导致的蠕变试验数据的分散性等问题，发现随着延伸载荷的变化，得到的结果与杠杆式单式试验机没有区别。弹簧式卧式组合蠕变持久试验机在瑞士等国使用非常广泛，其价格便宜，设置面积小，温度分布均匀并且可装很多试样，藤田推荐将此试验机作为进行长时蠕变持久试验时使用的试验机。1969年，木下详细探讨了弹簧式复式蠕变持久试验机的温度分布、载荷变动、破坏因素的影响等，并与杠杆式试验机进行比较，发现其载荷精度差一些，但温度精度高，综合评价是试验精度相当。后来，弹簧型组合式蠕变持久试验机又装上了相应于延伸自动调整载荷的装置，在日本主要用于长时试验，该机使用的数量相当多。

3试验方法

目前，国内外的蠕变持久试验方法有：

(1)ASTM E292 材料缺口拉伸持久试验方法(Standard Test Methods for Conducting Time-for-Rupture Notch Tension Tests of Materials)；

(2)ASTM E139金属材料蠕变、持久试验方法(Standard Test Methods for Conducting Creep,Creep-Rupture,and Stress-Rupture Tests of Metallic Materials)；

(3)JIS Z2271 金属材料蠕变和持久试验方法(Method of creep and creep rupture test for metallic materials)；

(4)EN 10291 金属材料 单轴拉伸蠕变试验方法(metallic material——uniaxial creep testing in tension——methods of test)；

(5)GB/T2039-2012 金属材料 单轴拉伸蠕变试验方法(metallic material——uniaxial creep testing in tension)。

4热电偶

目前，蠕变持久试验机温度测量普遍采用热电偶。对于高温长时试验，热电偶存在劣化和漂移问题。

4.1热电偶的劣化

在长时蠕变试验中，对温度精度具有很大影响的因素是热电偶劣化。伊藤等在1986年、门马等在1989年，对此问题进行了探讨，发现到10000h热电偶劣化缓慢下来，之后急剧劣化，原因是由于氧化物的生成。此外，在1000℃以上，蒸发也是热电偶劣化的一个重要原因。日本JIS标准Z 2271给出了不同试验温度不同时间后热电偶的劣化情况，如图1所示。从图1可以看出，试验温度越高，试验时间越长，热电偶劣化越严重。

图1　热电偶在不同试验温度下随时间劣化情况

4.2热电偶的稳定性

对于高温长时试验，标准没有规定不允许使用廉金属热电偶(即使是ASTM E139标准，也只是规定不得重复使用)，但此类热电偶长期使用过程中的漂移问题是不容忽视的。对于廉金属热电偶的选用，需要指出的是，文献报道N型热电偶热电稳定性比广泛使用的K型热电偶要好得多(见表1)[8]，甚至可以部分替代铂铑-铂热电偶，高温蠕变及持久试验或许有可能也采用N型热电偶。

GB/T 2039标准要求热电偶满足Ⅱ级要求，这样对于廉金属来说是±2.5K或±0.75%，贵金属热电偶是±1.5K或±0.25%。显然，如果用Ⅱ级廉金属热电偶，温度偏差就不容易满足标准要求。除GB/T 2039标准对测(控)温仪器的定期检定未有明确规定外，各标准对热电偶和测(控)温仪器的定期检定都作了规定。对于热电偶的安装，各标准均要求热电偶工作端(接点)与试样表面紧密接触，并且屏蔽热辐射。

表1　N型和K型热电偶温度漂移比较

4.3热电偶使用导则

目前，蠕变持久试验机导则标准仅有ASTM E633大气中试验温度达1000℃的蠕变持久试验用热电偶使用导则(Guide for Use of Thermocouples in Creep and Stress Rupture Testing to 1800℉(1000°C) in Air)。

在JJG 141和JJG 351中，给出相关不同类型热电偶的资料，GB/T4989给出了热电偶补偿导线的信息。

对于使用的贵金属热电偶，择优使用S或R型热电偶，建议使用温度大于等于400℃。

对于廉价的K型热电偶，宜在低于400℃温度下使用，或者高温下、时间小于1000h的情况下使用，并且不宜重复使用。对于廉价的N型热电偶，宜在低于600℃温度下使用，或者高温下、时间小于3000h的情况下使用，并且不宜重复使用。

热电偶在校准周期内的温度漂移不宜超过以下要求：(1)当温度小于等于600℃时为±1℃；(2)当温度大于600℃、小于等于800℃时为±1.5℃；(3)当温度大于800℃、小于等于1100℃时为±2℃。

对于贵金属热电偶，在以下校准周期内这些要求通常可以满足：(1)当温度小于等于600℃时为4年；(2)当温度大于600℃、小于等于800℃时为2年；当温度大于800℃、小于等于1100℃时为1年。

5温度控制要求

温度偏差对试验结果有重大影响，标准中对于温度偏差的要求直接影响温度控制和测量两方面的要求。一般来说，温度偏差是指实测温度与名义试验温度的差值，也就是从试样测量点到仪表输出整个过程所涉及到的各种偏差的总和，表2中所指温度偏差均同此定义。从表2给出的结果来看，ASTM E292标准对温度偏差的要求最高，JIS Z2271和ISO 204的要求基本相当，而GB/T 2039、EN10291和ECCC要求相对较低。

表2　蠕变持久试验温度控制要求

6目前高温蠕变持久试验机及试验方法存在的问题

目前，现有的高温蠕变持久试验机及试验方法存在以下问题：

(1)除欧洲ECCC外，国内外蠕变持久试验方法均未明确给出试验温度在1100℃以上的温度偏差要求；

(2)除美国ASTM E633外，国内外均未给出蠕变持久试验热电偶使用导则，而E633标准也仅给出了试验温度达1000℃的热电偶使用导则；

(3)对于热电偶劣化问题，仅日本JIS Z2271给出了不同试验温度下热电偶的劣化情况，而最高试验温度也仅到900℃。

7本项目试验装置的参数及试验数据

7.1试验装置的技术参数

高温真空可充气环境蠕变疲劳试验装置主要技术参数如表3所示。

表3　试验装置主要技术参数

7.2试验装置的整体控制系统

高温真空可充气环境蠕变疲劳试验装置控制系统由触摸屏、PLC、电流电压监测元件以及压力监测装置等构成。温度采集使用B型热电偶，温度控制仪表采用宇电AI808智能温控表，0.1级，巡检表为AI706M，0.1级，其控制系统原理框图如图2所示。

图2　高温真空可充气环境蠕变疲劳试验装置控制系统原理框图

7.3试验数据

试验数据如表4所示，本数据是单独对试验装置的温度进行检验时记录。由试验数据可以看出，本设备的温度控制波动度不仅可以满足国内外标准的要求，而且大大优于国内外标准的要求。但是，由于采用单段电磁感应加热，温度梯度比较差强人意。

表4　试验数据

8总结

随着燃气轮机用高温合金材料蠕变持久性能的不断提高，对其蠕变持久性能测试也提出了更高的要求。本文简述了耐热材料蠕变持久试验机及试验方法的发展历程，分析了目前蠕变持久试验机及试验方法存在的问题，结合本次开发项目所得到的试验数据，给出国内蠕变持久试验机及试验方法改进意见，如下：

(1)深入研究热电偶在不同试验温度下的劣化问题，比如更高温度、更多规格的热电偶、更长使用时间等，并在试验方法标准中给出，同时修订高温下蠕变持久试验用热电偶使用导则标准。

(2)进一步研究避免高温下蠕变试验用热电偶漂移问题出现的措施，比如不允许使用廉金属热电偶、增加涂层、采用惰性气体保护等。

(3)通过本次试验数据，为进一步完善蠕变持久试验方法中，温度超过1100℃试验的温度控制要求，提供了数据支持。.

参考文献

[1]M.Yuri,J.Masada,K.Tsukagoshi,E.Ito.Development of 1600℃-class high-efficiency gas turbine for power generation applying J-type technology[J].MHI Technical Review,2013,50(3):1-10.

[2]芥川武,冈崎正臣,藤田利夫,等.Long Time Creep Test on Heat-Resisting Steel I(Synopses of Lectures Delivered in the 46th Lecture Grand Meeting of the Iron and Steel Institute of Japan)[J].Tetsu-To-Hagane,1953,39(8):898-900.

[3]芥川武,藤田利夫,竹村数男.Long-Time Creep Test on Heat-Resisting Steels (II)(Preprints for the 48th Grand Lecture Meeting of the Iron and Steel Institute of Japan)[J].Tetsu-to-Hagane,1954,40:938-940.

[4]长谷川太朗,落合治.70耐熱合金用高温クリープ試驗装置について(日本鐵鋼協會第47囘講演大會講演大要)[J].鐵と鋼:日本鐡鋼協會々誌,1954,40(3):296-298.

[5]平修二.昭和37年度マルチプルタイプ·クリープ試験機の標準化に関する研究:クリープ試験機の標準化に関する研究II[J].鐵と鋼:日本鐡鋼協會々誌,1965,51(2):269-285.

[6]ASTM E292 Standard Test Methods for Conducting Time-for-Rupture Notch Tension Tests of Materials[S].2009.

[7]ASTM E139 Standard Test Methods for Conducting Creep,Creep-Rupture,and Stress-Rupture Tests of Metallic Materials[S].2011.

[8]JIS Z2271 Method of creep and creep rupture test for metallic materials[S].2010.

[9]EN 10291 metallic material--uniaxial creep testing in tension--methods of test[S].2001.

[10]GB/T2039-2012 金属材料 单轴拉伸蠕变试验方法[S].2012.

[11]沈维堂,徐景伟,赵兰兰,等.高温蠕变疲劳试验机[J].工程与试验,2014,54(3):48-51.

Study on Test Methods for Creep Performance of High Temperature Alloy Materials of Gas Turbine

Peng Jianqiang1,Ma Shuangwei2,Liu Liqiang2,Ma Xinbo1

(1.Harbin Steam Turbine Factory Co.,Ltd.Harbin 150046,Heilongjiang,China; 2.Changchun Research Institute for Mechanical Science Co.,Ltd.Changchun 130103,Jilin,China)

Abstract：The development process of high temperature creep testing machine and test method is introduced in the paper,and the deficiencies of the current creep testing machine and test method are analyzed.According to the experimental data of the development project,the improvement suggestions for creep testing machine and the test method are proposed when the test temperature of alloy materials is more than 900℃.

Keywords:creep testing machine;test method;high temperature alloy

[收稿日期]2016-02-18

[作者简介]彭建强(1980—)，男，工程师，主要从事燃气轮机和汽轮机材料研发和应用工作。

[基金项目]国家重大科学仪器设备开发专项(2012YQ22023304)。

中图分类号：TH87

文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1674-3407.2016.01.019