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超临界汽轮机转子材料特性的实验研究

毛雪平  
【摘要】: 超临界机组由于具有较高的效率和良好的起停性能,受到各国的重视,超临界机组已经成为我国电力技术发展的方向。发展超临界机组的关键在于高温材料的特性。在国外,Cr-Mo-V钢作为超临界机组的转子钢已有相当长时间了。在我国第一台国产超临界机组的投标中,各生产厂家均选用Cr-Mo-V钢作为高中压转子的材料,但有关国产Cr-Mo-V钢材料的试验结果尚未见诸报道。 本文针对30Cr1Mo1V转子钢在超临界机组温度565℃的高温低周疲劳性能、蠕变性能和蠕变疲劳交互作用性能以及高温时效组织变化进行了实验研究,分析了30Cr1Mo1V转子钢用于565℃温度的可行性。 在540℃和565℃下进行了30Cr1Mo1V钢的低周疲劳试验,从低周疲劳性能的角度探讨30Cr1Mo1V转子钢用于565℃下的可行性;通过中断试验和维氏硬度检测,建立了考虑硬度变化的低周疲劳修正曲线,并对硬度修正的有效性进行了检验;利用金相显微镜和扫描电镜对疲劳损伤机理进行探讨,并对疲劳裂纹进行了的统计分析。结果表明:当温度从540℃上升到565℃时,30Cr1Mo1 V钢疲劳寿命略有减少;30Cr1Mo1V钢在565℃下的低周疲劳特性与30Cr2MoV钢在550℃下的低周疲劳性能处于同一水平,从低周疲劳性能来看,将30Cr1Mo1V钢用作超临界机组转子材料是基本可行的;30Cr1Mo1V转子钢的低周疲劳损伤曲线具有强烈的非线性,损伤与应变幅大小有关;根据试验结果,得到了30Cr1Mo1V钢在540℃和565℃的低周疲劳临界损伤公式、寿命估算方程和损伤演变方程。有效性检验表明,硬度修正公式只是在寿命分数小于0.5时有效。 在540℃和565℃下进行了30Cr1Mo1V钢的蠕变试验,采用θ函数法对实验数据进行处理,将θ函数法求得最小蠕变速度用于Norton损伤经验公式,从而从蠕变全过程角度考察了蠕变损伤;在比较Norton损伤和Kachanov损伤的基础上,提出了基于蠕变硬化理论的Kachanov损伤修正公式;通过中断实验和维氏硬度检测得到了考虑硬度修正的蠕变断裂特性参数,并对考虑硬度修正的蠕变断裂特性参数的有效性进行了检验,借助金相显微镜和扫描电镜对该材料在此两种温度下的蠕变损伤机理进行分析。结果表明:随着温度的提高,30Cr1Mo1V持久强度有较大下降,但从蠕变持久强度来看,30Cr1Mo1V具有比30Cr2MoV更好的蠕变持久强度;对硬度修正模型的有效性检验表明,在Larson-Miller参数大于18000,修正值与实际值比较一致;对30Cr1Mo1V转子钢的蠕变机理进行的研究表明,在540℃下,裂纹呈穿晶和沿晶混合模式,而在565℃下裂纹扩展基本为沿晶断裂模式,随着温度升高,韧窝的数目和深度增加。 在540℃和565℃下进行10~60s应变保持的疲劳-蠕变交互作用试验。对应变保持期内应力下降规律进行了分析,采用线性累计损伤法、频率修正法、应变范围划分法、应变能划分法和等效应变法对实验数据进行处理。采用寿命因子和标准偏差作为量化标准,对上述几种常用的疲劳-蠕变寿命预测方法的有效性进行了比较分析;基于等效应 WP=8 变得到了蠕变-疲劳交互作用下的临界损伤公式和硬度修正寿命公式;借助金相显微镜和扫描电镜对该材料在此两种温度下的疲劳-蠕变的损伤机理进行分析。结果表明:在整个寿命过程中,无论从最大拉应力、最小保持拉应力、最大压应力以及最小保持压应力均呈现从急剧变化-缓慢变化-急剧变化三个阶段,各应力变化是同步的,整个过程呈现疲劳软化特征;由于蠕变交互作用的影响,在相同温度不同应变下,三阶段的比例并不具有比例特征;在应变保持期内,以应力松弛下降比率作为参考变量,在整个寿命周期内,应力下降比率基本相同,且该比率与应变幅和保持时间有关。寿命预测公式的有效性分析结果如下:从分散带因子来说,等效应变法和应变范围划分法的预测精度较高,而频率修正法的精度最差,从标准偏差来看,以频率修正法最差。综合考虑,有效应变法、线性累计法和应变范围划分法的效果较好;对疲劳-蠕变交互作用下的损伤机理进行的研究表明,保持时间对裂纹扩展的影响明显,保持时间导致裂纹扩展加速,裂纹扩展方式从穿晶模式转向沿晶裂纹扩展模式。 在540℃、565℃和660℃温度下进行10-1000小时的时效实验,借助硬度计和扫描电镜、光学显微镜,通过硬度测量和组织变化观测的方法,研究30Cr1Mo1V转子钢高温时效后的组织变化特性。研究结果表明:随着时效时间的延长和时效实验温度的提高,30Cr1Mo1V转子钢中的碳化物发生析出、聚集和长大,同时,材料的硬度逐渐下降;从对660℃温度下不同时效时间的试样硬度的检测发现,硬度随时效时间呈快速下降-慢速下降-快速下降的三阶段变化规律;对比相同时效条件下的30Cr2MoV转子钢,30Cr1Mo1V的硬度变化小于30Cr2MoV转子钢的硬度变化,这说明,30Cr1Mo1V的稳定性高于30Cr2MoV转子钢的组织变化稳定性,对660℃温度下的时效试样进行的拉伸实验表明,材料的屈服强度和抗拉强度下降,而延伸率变化较小。 综上所述,30Cr1Mo1V转子钢用于565℃的工作温度是可行性的。 开发了一套内容包括实时温度场与热应力计算、失效分析与剩余寿命评估、故障案例库、金属材料数据库等多模块的汽轮机部件寿命管理软件。


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