三峡集团企标《大型水轮发电机组主轴锻件技术条件》解读

吴 英

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江150040)

标 准 化

三峡集团企标《大型水轮发电机组主轴锻件技术条件》解读

吴 英

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江150040)

对比JB/T 1270—2014《水轮机、水轮发电机大轴锻件技术条件》和ASTM A668/A668M—2014《Standard Specification for Steel Forgings, Carbon and Alloy, for General Industrial Use》中对应材料的相关要求，对三峡企业标准QJ/CTG 03.03—2013《大型水轮发电机组主轴锻件技术条件》的技术内容进行了解读和分析，为我国大型锻件生产企业和大型水电机组生产制造企业提升产品质量提供参考和帮助。

大型水轮发电机组；主轴锻件；标准

1 标准概况

QJ/CTG 03.03—2013《大型水轮发电机组主轴锻件技术条件》是三峡集团为溪洛渡、向家坝、白鹤滩等巨型水轮发电机组主轴锻件制订的订货标准。主轴包括水轮机轴和水轮发电机轴，是水轮发电机组关键部件。主轴材料最早多使用JB/T 1270《水轮机、水轮发电机大轴锻件技术条件》标准的20SiMn，也有部分整锻主轴选用300 MPa等级的18MnMoNb材料，然而由于该材料焊接性较差，存在缺陷修理困难的问题。在三峡左岸机组技术引进时，阿尔斯通水轮机主轴使用美标ASTM A668/A668M《Standard Specification for Steel Forgings, Carbon and Alloy, for General Industrial Use》的300 MPa等级材料Class E，因为分三段锻造后焊接成整轴，增加了碳当量的要求。ABB发电机主轴使用欧标的300 MPa等级可焊接材料St330S。哈尔滨电机厂有限责任公司自主设计制造三峡右岸机组时沿用这两种材料。

2010 年，在国务院三峡建设委员会三峡三期工程重大设备制造质量检查组指导下，中国长江三峡集团公司委托清华大学起草，并征求了来自相关水电站业主单位、主机制造厂、锻件制造厂及研究院所专家的意见，制订了《700 MW 级水轮机、水轮发电机主轴锻件技术条件》。经过多年大型铸锻件国产化制造经验总结，中国长江三峡集团公司组织编制完成企业技术标准《大型水轮发电机组主轴锻件技术条件》。

因为标准中对材料化学成分和力学性能做了较大的改动，因此对指定材料牌号重新命名为20MnSX和25MnSX。

2 标准的主要技术内容

标准对化学成分和碳当量进行严格规定，力学性能要求较高，适用于大型水轮发电机组分段锻造再组焊成形的主轴锻件。

标准收录了20MnSX和25MnSX两个牌号。表1给出了不同标准主轴材料化学成分的对比情况。与20SiMn、A668 Class D性能同等级的20MnSX，C上限与20SiMn相同，Mn上限与A668 Class D相同，Si的上限值大幅降低，增加Mn降低Si有利于提高钢水纯净性。有害元素P上限低于A668 Class D和Class E，S上限与20SiMn相同，但大大低于A668 Class D和Class E材料，有利于提高塑韧性。微合金化元素Cr对焊接性能影响较大，规定了较低的上限值。Ni对提高性能及淬透性有利，对焊接影响相对较小，规定了较高的上限。Mo考虑焊接和成本规定较低上限。对影响焊接的杂质元素V和Cu做了严格规定。同时为了焊接规定了较低的碳当量。25MnSX材料等同A668 Class E和St330S等材料性能等级，在20MnSX基础上化学成分上限有所提高，但考虑焊接并没有提高碳当量，增加了材料的制造难度。在今年新版修订时，与会专家一致同意将25MnSX材料碳当量提高到0.55，对焊接稍有影响但大大降低制造难度。

表1 不同标准中主轴材料化学成分对比(质量分数，%)Table 1 The comparison of chemcial composition of main shaft in different standards (mass fraction, %)

表2 不同标准中主轴材料力学性能对比Table 2 The comparison of mechanical properties of main shaft in different standards

表2给出了不同标准中主轴材料力学性能的对比情况。标准中力学性能对比指标都有提高，20MnSX力学性能指标屈服强度略有提高，抗拉强度、断后伸长率、断面收缩率都取对比标准中最高值，厚断面值略有提高。冲击吸收能量要求大幅提高，不仅将U型冲击试样缺口改成V型冲击试样缺口，试验温度也从室温降为0℃，数值也有提高。材料25MnSX屈服强度提高15 MPa～25 MPa，抗拉强度、断后伸长率、断面收缩率基本相同，冲击吸收能量试验温度也从室温降为0℃。标准对力学性能取样位置作了严格规定，要求试棒中心线距锻件表面距离≥90 mm或锻件壁厚1/2处，这就要求锻件有好的热处理淬透性。较低的碳当量下要制造出综合力学性能要求较高的主轴锻件很有挑战性。

关于无损检测，标准比JB/T 1270—2014有很大提高，超声检测验收在距锻件交货表面15 mm范围内，不允许有当量直径超过3 mm的缺陷；在距锻件交货表面15 mm以下的区域不允许有当量直径超过5 mm的单个缺陷，且在每1 dm3的范围内当量直径在3 mm～5 mm之间的缺陷总数不超过10个；JB/T 1270—2014规定当量直径小于5 mm的缺陷不计，单个可以到10 mm。目视检测和磁粉检测验收也严格了很多。提高了主轴使用的安全可靠性，但也增加了制造难度。

3 标准实施应用

标准发布后在大型混流式发电机组和大型抽水蓄能发电机组得到大量应用，主机厂和锻件厂都积累了大量经验。制造控制上首先提高钢水纯净度，需要大幅度降低夹杂物，以保证锻件的无损检测合格。其次是化学元素成分的设计，保证碳当量的合格，碳含量不能太高，保证合金元素的有效加入，获得稳定的力学性能和好的焊接性能。然后是锻造过程，保证锻件得到充分的塑性变形，获得满意的韧塑性。热处理的控制，因为取样位置较深，需保证锻件的淬透深度。同时要求组焊时要有可靠的焊接工艺。在标准的实施过程中，哈电订制的主轴出现过一些严重的质量问题，如响水涧电站和仙居电站各有一根主轴由于合金加入不足性能不合格报废。某电站的一根主轴中间段碳当量过高特别是碳含量过高出现较多焊接裂纹等。检测超标缺陷也时有发生。

4 标准分析

本标准的特点如下：

(1)将碳当量控制在较低水平的同时要求较高的力学性能。

(2)更高更好的冲击性能要求。

(3)较低的有害元素含量，特别是S元素。

(4)更严格的无损检测要求，要求钢水具有更高的纯净度。

在2016年底对标准进行第一次修订，新版本尚未发布。修订主要完善了规范性引用文件，调整了25MnSX材料碳当量，完善复试和重新热处理要求等。建议标准扩大使用，尽快成为行业标准，推动锻件行业的技术水平提升。

5 结束语

本标准在JB/T1270 20SiMn和ASTM A668 Class E标准基础上，增加碳当量要求，提高无损检测等级，明确取样位置等，使标准得到完善和提高。标准的实施使大型水轮发电机组主轴实现了高水平的国产化，促进锻件行业的技术进步，标准水平的大幅提升。同时对中国制造走出国门也起到积极的促进作用。

编辑 杜青泉

Understanding and Analysis on Company Standard Technical Specification of Main Shaft Forgings for Heavy Hydraulic Generator Units

Wu Ying

By comparing the relevant requirements of corresponding materials of JB/T 1270—2014 Shaft forgings for hydraulic turbines and hydraulic generators-Technical specification and ASTM A668/A668M—2014 Standard Specification for Steel Forgings, Carbon and Alloy, for General Industrial Use, the technical provisions of QJ/CTG 03.03—2013 Technical Specification of Main Shaft Forgings for Heavy Hydraulic Generator Units have been understood and analyzed, so as to provide the reference for national heavy forgings manufacturing enterprise and heavy hydroelectric generating units manufacturing enterprise to improve the quality of products.

heavy hydraulic generator units; main shaft forging; standard

2016—10—08

TG316.1+92

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