亚临界汽轮机高温螺栓材料的选择

亚临界汽轮机高温螺栓材料的选择

任怀良

(上海汽轮机有限公司,上海200240)

摘　要:　通过材料性能分析和应力计算比较,解决了亚临界汽轮机汽缸中分面螺栓选材问题,并由此提出了汽轮机高温螺栓材料选择的方法。

关键词:　大型汽轮机;汽缸汽密性;螺栓;材料

中图分类号:T K265 文献标识码:A 文章编号:1672-5549(2004)04-0231-04

Material Choice of High 2Temperature Bolts for Subcritical Steam Turbine

R EN Huai 2liang

(Shanghai Turbine Company Ltd.,Shanghai 200240)

Abstract :　By analyzing material performance and comparing stress calculation ,the problems of selecting proper materials of cylinder horizontal bolts for subcritical steam turbine are solved ,and the method of choosin g high 2tem 2perature bolts material is provided in this paper.

K ey w ords :　large capacity steam turbine ;cylinder sealing ;bolts ;material

1　问题的提出

众所周知,汽轮机汽缸水平中分面的密封性是非常重要的,它对机组的经济性和运行可靠性有直接的影响。为了保证汽缸中分面的汽密性,汽缸中分面螺栓必须有很大的紧力,因此螺栓的应力会很高(现代大型汽轮机汽缸中分面螺栓的安装应力已高达300MPa 以上,而运行初期的应力则更高)。如果由于这样或那样的原因造成中分面螺栓断裂,那么轻则会造成机组的非计划停机事故,重则会造成不堪设想的后果。有鉴于此,各汽轮机制造厂家(公司)对汽缸中分面螺栓都给予了高度的重视。

上海汽轮机有限公司(上汽公司)从八十年代初引进美国西屋公司汽轮机技术至1998年,已经生产了数十台引进型300MW 火电机组。从1989年7月首次发现汽缸水平中分面螺栓断裂,在以后的10年中又相继有一些电厂出现螺栓断裂的情况。在此期间,上汽公司做了大量的工作:从各个方面分析螺栓断裂的原因,采取了包括改变螺

栓材料和调整螺栓紧力在内的各种措施,但未能彻底解决问题。这是由于各家电厂螺栓断裂的情况各不相同,数量有多有少(从1～2根到6～7根不等);断裂的部位各不相同,有高压内缸、中压内缸、从1～2根到6～7根不等隔板套、平衡活塞等;螺栓的材料各不相同,有WR 226的,GH4145的,也有C 2422的,没有一定的规律。

这种状况不能不引起上汽公司对(1998年)正在设计制造的引进型600MW 火电机组高、中压缸水平中分面螺栓问题的格外关注和重视,因为在引进型600MW 火电机组中,西屋公司选用了C 2422材料来制造高中压缸水平中分面螺栓。虽然对于引进型600MW 火电机组的中分面螺栓,西屋公司采用了新的计算方法进行计算,但鉴于引进型300MW 火电机组所出现过的情况以及水平中分面螺栓断裂可能产生的严重后果,上汽公司认为完全有必要对引进型600MW 火电机组汽缸中分面螺栓的材料问题作进一步的讨论,考察其安全可靠性,并看看有没有更合适的材料可用。

首先考察一下国产机组的情况:在国产200MW 及300MW 火电机组中,均采用国产材料

收稿日期:2004-01-06

作者简介:任怀良(1954-),男,高级工程师,1982年毕业于上海理工大学透平专业,同年进入上汽公司,长期从事大型汽轮机的主机设

计工作。

第33卷　第4期热力透平

Vol.33No.42004年12月

THER M A L T UR BI NE

Dec.2004

来制造汽缸中分面螺栓,已有多年的成功运行史。而具有典型意义的是,上汽公司生产的29台国产300MW火电机组(到1998年最少运行近10年,最长已运行了25年以上)从未发生过螺栓断裂事故。这些螺栓的材料是钛铌硼合金钢(20Cr1Mo1VNb TiB)。相比之下,第一台引进型300MW火电机组却运行仅两年就发生了中分面螺栓断裂事故。这提示我们考虑这样一个问题:即能否在引进型600MW火电机组中亦采用钛铌硼材料的汽缸中分面螺栓?如果可行,那么引进型300MW火电机组螺栓断裂问题也有可能从根本上得到解决。根据分析,国产300MW火电机组没有发生中分面螺栓断裂事故的主要原因有两条:一是结构上的原因,使得螺栓在各工况下的最大应力值相对较小;再就是材料本身的特性。对于引进型600MW火电机组而言,结构业已全部确定,不可能再作改变,因此只能从材料性能着手,进行考虑选择。

2　材料性能分析

众所周知,C2422和钛铌硼这两种材料用作为汽轮机汽缸中分面螺栓有一个共同的优点:即在正常的工作条件下基本上不发生应力腐蚀,而且对缺口均不敏感。再从表1来看一下有关的强度数据:

表1

序号名 称符号单位C2422钛铌硼C2422/钛铌硼1常温时屈服强度σ0.2MPa771662 1.16 2400℃时屈服强度σ0.21MPa5725721

3常温时抗拉强度σb MPa937771 1.22 4400℃时抗拉强度σb1MPa685624 1.1 5500℃时屈服强度σ0.2t MPa508507 1.01 6500℃时抗拉强度σbt MPa590543 1.09 7500℃时持久强度σ104MPa3773890.97 8500℃时持久强度σ105MPa3043140.97 9500℃时蠕变强度σ1.10-4MPa384309 1.24 10500℃时蠕变强度σ1.10-5MPa290259 1.12

由表1各项数据可看出:这两种材料都能承受很高的应力,所以用作汽轮机汽缸水平中分面螺栓材料都是很好的。

再进一步,在温度不超过400℃的情况下,C2 422材料的强度略高于钛铌硼材料,而且在此温度范围可不考虑松弛问题,所以C2422螺栓比钛铌硼螺栓好一些。在500℃的高温短期时,两种材料大致相同(虽然C2422的σbt较高,但一般不允许螺栓在高于屈服强度的应力下工作),钛铌硼材料的持久强度略好一些,而蠕变强度又是C2 422材料较佳。如果仅就材料强度数据而言,对比之下C2422材料似乎要好一些。

但是对于在高温下工作的螺栓不能只看强度数据,而必须结合材料抗松弛性能等高温持久性能综合考虑。事实上,引进型600MW火电机组的新汽温度高达538℃,所以高中压缸水平中分面螺栓的工作温度都很高,必须考虑松弛问题。那么抗松弛性能较好且热膨胀系数与汽缸材料相近的钛铌硼螺栓就显出了它的优越性。

以高压内缸为例,它的材料是铬钼含金钢(10315AH),在工作温度下的热膨胀系数为13.5×10-6/℃(高压外缸和中压缸材料在工作温度下的热膨胀系数要比高压内缸更大一些),而钛铌硼螺栓在工作温度下的热膨胀系数为13.6×10-6/℃,略高于汽缸材料的热膨胀系数。然而机组运行时,汽缸法兰的温度又要比螺栓的温度高一些。这样,法兰是温度较高而热膨胀系数较低,螺栓是温度较低而热膨胀系数较高,因此在机组运行时由于法兰和螺栓热膨胀不同而产生的附加应力就很小。相比之下,C2422材料螺栓由于在工作温度下的热膨胀系数仅为11.8×10-6/℃,比汽缸的热膨胀系数低得多,因此在机组运行时由于法兰和螺栓热膨胀不同而产生的附加应力就大得多。特别是在机组的启动阶段,汽缸法兰的温度比螺栓的温度高得更多,附加应力也更大,螺栓应力达到寿命期内的最高值。当然,这可以通过适当降低螺栓安装应力

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