李永安

(中國長江動力集團(tuán)有限公司熱加工工藝部，湖北430074)

工業(yè)汽輪機(jī)整體轉(zhuǎn)子鍛件國產(chǎn)化研究

李永安

(中國長江動力集團(tuán)有限公司熱加工工藝部，湖北430074)

為了給水泵工業(yè)汽輪機(jī)整體轉(zhuǎn)子鍛件的國產(chǎn)化需求，采用碳當(dāng)量分析法并通過將徑向與切向取樣實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換比較，找出行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T7022與日本東芝公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的差異。最終采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7022并合理參考東芝企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了給水泵工業(yè)汽輪機(jī)整體轉(zhuǎn)子鍛件國產(chǎn)化需求。

汽輪機(jī);整體轉(zhuǎn)子;力學(xué)性能;碳當(dāng)量

我公司2011年引進(jìn)日本東芝公司電站給水泵工業(yè)汽輪機(jī)技術(shù)，幾年來，連續(xù)承接了多單東芝公司轉(zhuǎn)手訂貨合同，部分訂單已按東芝標(biāo)準(zhǔn)要求生產(chǎn)并陸續(xù)交貨。通過引進(jìn)、消化、吸收，擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)、自行開發(fā)的給水泵工業(yè)汽輪機(jī)也正在制造過程中。

在整個產(chǎn)品生產(chǎn)制造過程中，我們發(fā)現(xiàn)在給水泵工業(yè)汽輪機(jī)整體轉(zhuǎn)子鍛件生產(chǎn)方面，我國現(xiàn)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與東芝公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)之間有些差異。這些差異其中一個原因是由于東芝公司的標(biāo)準(zhǔn)是企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)的覆蓋面相對要小，而我國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的覆蓋面更大。

工業(yè)汽輪機(jī)整體轉(zhuǎn)子鍛件是工業(yè)汽輪機(jī)的核心部件，我們認(rèn)為有必要對我國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7022［1］和日本東芝企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行更深入細(xì)致的分析和研究，獲得有參考價(jià)值的數(shù)據(jù)和參數(shù)，為我國工業(yè)汽輪機(jī)整體轉(zhuǎn)子鍛件的生產(chǎn)提供幫助。

1 日本東芝給水泵工業(yè)汽輪機(jī)基本參數(shù)

1.1 給水泵工業(yè)汽輪機(jī)機(jī)組基本參數(shù)

機(jī)組功率:20 MW;

轉(zhuǎn)速:(5 800～6 000)r/min;

工作溫度:309℃(最高360℃);工作壓力:0.54 MPa。

1.2 給水泵工業(yè)汽輪機(jī)整體轉(zhuǎn)子鍛件基本參數(shù)

鍛 件 材 料:K11E73C—R7，強(qiáng) 度 等 級655 MPa;

鍛件重量:6 000 kg;

葉輪級數(shù):7級;

鍛件總長:4 700 mm;

中部葉輪大身長度:1 600 mm;

葉輪最大直徑:?850 mm;

軸頸跳動量:＜0.025 mm，精加工后 ＜0.015 mm。

2 數(shù)據(jù)的對比與分析

2.1 化學(xué)成分

兩個標(biāo)準(zhǔn)對材料化學(xué)成分的要求見表1。其中，JB/T7022標(biāo)準(zhǔn)中要求Al≤0.015%，而東芝PN KS025440中對Al沒有規(guī)定;JB/T7022標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定當(dāng)采用真空脫碳時，Si≤0.100%。目前，大型鍛件均采用真空脫碳;鋼中元素范圍值絕對值計(jì)算采用中間值。

2.2 關(guān)于化學(xué)成分的分析與討論

從表1可以看出，對雜質(zhì)元素P、S的控制，JB/T7022要優(yōu)于東芝公司的標(biāo)準(zhǔn)要求。

鋼中低熔點(diǎn)元素為Al、Si、P、S。

影響鋼的淬火性能指標(biāo)的元素為C、Mn、Cr、Mo、V、Ni、Cu。根據(jù)碳當(dāng)量公式:C當(dāng)量=［C+Mn/6 +(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15］×100%計(jì)算出，JB/T7022 中 30Cr2Ni4MoV 的 C當(dāng)量= 1.109%;東芝公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中K11E73C—R7的C當(dāng)量=1.042%。

表1 材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%) Table 1 The chem ical com position of the steel(mass fraction，%)

表2 材料的力學(xué)性能Table 2 Themechanical properties of the steel

表3 鋼的力學(xué)性能Table 3 Themechanical properties of steel

由此可見，兩個標(biāo)準(zhǔn)的C當(dāng)量差值極小。從影響鋼的淬火性能指標(biāo)的主要參數(shù)碳含量及碳當(dāng)量的角度看，我們可以認(rèn)為這兩種材料相當(dāng)。

從表1還可以看出，東芝公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)選用的材料中，Ni含量比 JB/T7022絕對差值高0.125%。Ni的顯著作用是其一可以降低鋼的C元素含量，其二可以使鋼的低溫脆性轉(zhuǎn)變溫度顯著降低。當(dāng)Ni含量達(dá)到3.5%時，其它元素含量適當(dāng)，鋼可在-100℃時使用［2］，當(dāng)Ni含量達(dá)到9%時，鋼可在-196℃時使用，同時又彌補(bǔ)了Mo元素偏低對鋼的影響。所以在JB/T7022標(biāo)準(zhǔn)中，F(xiàn)ATT50僅為≤13℃，而東芝公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的FATT50為≤-1.2℃。兩種材料的FATT50相差還是較大的。另外，F(xiàn)ATT50這一指標(biāo)的高低，與機(jī)組所在地區(qū)的低溫極值溫度有關(guān)，適當(dāng)即可，指標(biāo)不宜過高。

2.3 力學(xué)性能

兩個標(biāo)準(zhǔn)對材料力學(xué)性能的要求見表2。其中，標(biāo)準(zhǔn)JB/T7022中FATT50試驗(yàn)由用戶選定是否作，東芝公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)FATT50則必須作;縱向試料應(yīng)取自粗加工整體轉(zhuǎn)子鍛件兩端端面距外表面1/3處。

2.4 關(guān)于力學(xué)性能的分析與討論

JB/T7022與東芝公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對于整體轉(zhuǎn)子鍛件兩端縱向試料取樣部位及試驗(yàn)方法是相同的。但是，對于整體轉(zhuǎn)子鍛件葉輪大身處的試驗(yàn)方法，JB/T7022采用切向試樣，而東芝公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)采用徑向試樣。這是JB/T7022與東芝公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)最大的差異。

轉(zhuǎn)子葉輪大身處同一部位的徑向與切向性能是不同的，無法直接比較，且沒有可比性。但徑向性能相對切向性能有一個降低百分?jǐn)?shù)，兩者之間有一個差值。為了使兩個標(biāo)準(zhǔn)能夠進(jìn)行有效的比較，我們把JB/T7022中轉(zhuǎn)子葉輪大身處的切向力學(xué)性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成徑向力學(xué)性能數(shù)據(jù)，再進(jìn)行比較與分析。

設(shè)定煉鋼爐型及煉鋼方法相同，鋼錠大于25 t、鋼的鍛造比為3%～5%。這時鍛件葉輪大身處在同一部位的徑向性能相對切向性能的降低百分?jǐn)?shù)分別為［3］:Rp0.2=5%，Rm=5%，A5=10%，Z= 10%，Akv=5%，F(xiàn)ATT50不變。轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)見表3。

對表2、表3進(jìn)行比較可知，JB/T7022相對于東芝公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)度指標(biāo)Rp0.2、Rm明顯要高，但韌性指標(biāo)A5、Z、Akv要低，F(xiàn)ATT50不變?？梢奐B/T7022用高的強(qiáng)度指標(biāo)換來了低的韌性指標(biāo)。這種強(qiáng)度指標(biāo)與韌性指標(biāo)的搭配是否合適，有待在今后的實(shí)踐中驗(yàn)證。另外，JB/T7022中縱向性能Z≥45%，這一指標(biāo)也較高，有待考證和研究。

2.5 其它檢驗(yàn)項(xiàng)目及參數(shù)的分析

2.5.1 殘余應(yīng)力

在JB/T7022中，760 MPa強(qiáng)度等級的殘余應(yīng)力為屈服強(qiáng)度Rp0.2下限的8%。即≤60.8 MPa;而東芝公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，655 MPa強(qiáng)度等級的殘余應(yīng)力為≤60 MPa。從這一組數(shù)據(jù)可以看出兩者強(qiáng)度等級相差較大，但殘余應(yīng)力參數(shù)卻幾乎相當(dāng)。

在JB/T7022中，按交貨重量小于等于6 t的鍛件考慮，在葉輪大身處取一個殘余應(yīng)力試樣。而東芝公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)則規(guī)定在葉輪大身處兩端及中間各取一個試樣，共三個殘余應(yīng)力試樣。

由以上可知，JB/T7022對殘余應(yīng)力這一指標(biāo)具體參數(shù)的控制比東芝公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)較嚴(yán)，但從殘余應(yīng)力的試樣數(shù)量上看，東芝公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對殘余應(yīng)力的控制更嚴(yán)格一些。在JB/T7022中，殘余應(yīng)力的測定點(diǎn)的確處于鍛件葉輪大身處乃至整個鍛件最大的殘余應(yīng)力位置，但卻不能反映鍛件葉輪大身處兩端與中間的殘余應(yīng)力是否有差異。這種差異，體現(xiàn)的是鍛件殘余應(yīng)力各點(diǎn)是否一致，決定鍛件最終是否穩(wěn)定。

2.5.2 力學(xué)性能試樣的取樣及數(shù)量

在JB/T7022中，規(guī)定交貨重量小于等于6 t的鍛件，在軸身非傳動端上切取一個切向拉伸試樣和三個切向沖擊試樣。試料總數(shù)為4個(一拉三沖)且為切向試料。在東芝公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定在鍛件葉輪大身處兩端及中間三處取徑向試樣。試樣總數(shù)為20個(十拉十沖)。

顯然，兩個標(biāo)準(zhǔn)在取樣數(shù)量和取樣方式上差異較大。東芝公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，對葉輪大身處力學(xué)性能要求更為嚴(yán)格。因?yàn)椋艽慊鹨蛩氐挠绊?，葉輪大身處各部位的力學(xué)性能不一定是一致的。而東芝公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)更看重鍛件力學(xué)性能的均勻性。

2.5.3 硬度均勻性

JB/T7022中規(guī)定，在鍛件兩軸頸端和軸身部位外圓表面每隔90°各測一點(diǎn)，鍛件硬度的檢測點(diǎn)共計(jì)12個。

東芝公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在鍛件兩軸頸端兩處和軸身部位五處外圓表面每隔90°各測一點(diǎn)，鍛件硬度的檢測點(diǎn)共計(jì)28個。

顯然，東芝公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對鍛件硬度均勻性的控制更嚴(yán)格、苛刻。

2.5.4 磁粉檢測

東芝公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)具體規(guī)定了鍛件磁粉檢測點(diǎn)為五處，而JB/T7022沒有具體的規(guī)定。

2.5.5 剩磁

為了提高鍛件測量精度，東芝公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定剩磁小于3×10-4T，而JB/T7022中沒有這一要求。

3 討論

(1)根據(jù)碳當(dāng)量分析法，我們認(rèn)為兩個標(biāo)準(zhǔn)所用的材料相當(dāng)。JB/T7022對雜質(zhì)元素P、S的控制要優(yōu)于東芝公司的標(biāo)準(zhǔn)要求。鋼中Ni元素固然是我國緊缺的戰(zhàn)略資源，但應(yīng)深入研究Ni元素在鋼中的作用。在 JB/T7022中，F(xiàn)ATT50≤13℃。因我國地域遼闊，F(xiàn)ATT50≤13℃限制了機(jī)組的使用范圍。

(2)整體轉(zhuǎn)子鍛件中部葉輪大身處采用徑向試料成本雖高，但更能切實(shí)反映鍛件最真實(shí)的性能和內(nèi)在質(zhì)量，更貼近整體轉(zhuǎn)子鍛件工作狀態(tài)的實(shí)際性能。因此，東芝公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對鍛件葉輪大身處力學(xué)性能試料的取樣方式、取樣數(shù)量及對鍛件硬度均勻性的控制更嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)、具體。

JB/T7022中，強(qiáng)度等級600 MPa與760 MPa之間如果再增加一檔可能會更好。另外，760 MPa這樣高的強(qiáng)度等級也給鍛件的機(jī)械加工帶來一定的困難。

(3)為了提高鍛件測量精度，東芝公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了剩磁標(biāo)準(zhǔn)，將剩磁作為鍛件考核指標(biāo)，而JB/T7022中沒有這一要求。這一指標(biāo)應(yīng)當(dāng)?shù)玫娇刂啤?/p>

(4)JB/T7022對殘余應(yīng)力具體參數(shù)指標(biāo)的控制要嚴(yán)格一些，但是東芝公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對殘余應(yīng)力試驗(yàn)取樣數(shù)量、取樣部位的控制要求更高一些。

(5)通過以上的比較、分析，我們認(rèn)為東芝公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)雖然標(biāo)準(zhǔn)的覆蓋面小，但標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容具體、可操作性強(qiáng)，對鍛件的質(zhì)量控制更科學(xué)、合理、可靠。相對而言，JB/T7022的覆蓋面大，但標(biāo)準(zhǔn)更粗放，鍛件的檢測方法、檢測點(diǎn)的設(shè)置、檢測項(xiàng)目還有待進(jìn)一步論證。

目前我公司擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)、自行開發(fā)的給水泵工業(yè)汽輪機(jī)整體轉(zhuǎn)子鍛件正是考慮到JB/T7022與日本東芝公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的差異，最終采用JB/T7022并合理參考東芝企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了給水泵工業(yè)汽輪機(jī)整體轉(zhuǎn)子鍛件國產(chǎn)化需求。

以上是個人對兩個標(biāo)準(zhǔn)的一些認(rèn)識和理解，歡迎同行深入探討。

［1］ JB/T7022—2002.工業(yè)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子體鍛件技術(shù)條件［S］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［2］ 沈?qū)幐?新編金屬材料手冊［M］.北京:科學(xué)出版社，2003，ISBN 7-03-010002-6.17.

［3］ 汽輪機(jī)、鍋爐、發(fā)電機(jī)金屬材料手冊［M］.上海:人民出版社，1973，474.

編輯 肖紅原

Research on Localization of Integral Rotor Forging Production for Industrial Steam Turbine

Li Yongan

In order to satisfy the domestic production demand of the integral rotor forgings for the feed pump industrial steam turbine，bymeans of carbon equivalent analytic method，and converting and comparing the test data of radial specimen＆tangential specimen，discrepancies in Industrial Standard JB/T 7022 and Japan Toshiba Corporation's Enterprise Standard have been found out.

Steam turbine，integral rotor，mechanical property，carbon equivalent

TG142.1

A

2013—05—28

李永安(1956—)，男，工學(xué)碩士，高級工程師。主要研究方向?yàn)榘l(fā)電設(shè)備大型鍛件設(shè)計(jì)。