再论汽轮机高温螺栓材料的选择
700℃及以上等级超超临界汽轮机螺栓材料选材的探讨
关键词 ： ７ ０ ０ ￣ Ｃ等级超超 临界 ； 热膨胀 系数 ； 镍基 高温合金 ； 松弛性能 分类号 ： Ｔ Ｋ ２ ６ ５ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： １ ０ ０ １ － ５ ８ ８ ４ （ ２ ０ １ ４ ） Ｏ １ － ０ ０ ７ ８ － ０ ３
Ｓ ｔ ｕ ｄ ｙ ｏ ｆ Ｂ ｏ ｌ ｔ ｉ ｎ ｇ Ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ Ｕｈ ｒ ａ Ｓ ｕ ｐ ｅ ｒ Ｃ ｒ ｉ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ Ｓ ｔ ｅ ａ ｍ Ｔ ｕ ｒ ｂ ｉ ｎ ｅ Ｗｏ ｒ ｋ ｉ ｎ ｇ ａ ｔ ７ ０ ０ ｏ Ｃ ａ ｎ ｄ Ａｂ ｏ ｖ ｅ
Ｓ Ｕ Ｘ ｉ ｎ ， Ｐ Ｅ Ｎ Ｇ Ｊ ｉ ａ ｎ － ｑ ｉ ａ ｎ ｇ ， Ｙ Ａ Ｎ Ｇ Ｘ ｉ ｎ （ １ Ｈ ａ ｒ ｂ ｉ ｎ Ｘ ｉ ｎ ｒ ｕ ｎ Ｉ ｎ ｄ ｕ ｓ ｔ ｒ ｉ ａ ｌ Ｃ ｏ ｍ ｐ ａ ｎ ｙ Ｌ ｉ ｍ ｉ ｔ ｅ ｄ ， Ｈ ａ ｒ ｂ ｉ ｎ １ ５ ０ ０ ４ ６， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ； ２ Ｈ ａ ｒ ｂ ｉ ｎ Ｔ ｕ ｒ ｂ ｉ ｎ ｅ Ｃ ｏ ｍ ｐ ａ ｎ ｙ Ｌ ｉ ｍ ｉ ｔ ｅ ｄ ， Ｈ ａ ｒ ｂ ｉ ｎ １ ５ ０ ０ ４ ６ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
再论汽轮机高温螺栓材料的选择
第19卷 第2期 1999年4月 动 力 工 程POW ER EN G I N EER I N G V o l .19N o.2 A p r .1999・71・ ・材料研究・再论汽轮机高温螺栓材料的选择赵中平(上海 上海发电设备成套设计研究所)摘 要 汽轮机高温螺栓材料R 26合金由于膨胀系数大和抗应力腐蚀性能差已被替代。
作者论述了高温螺栓R 26合金替代材料的选择和材料负蠕变及其影响。
图4表3参4主题词: 汽轮机 螺栓材料 应力腐蚀 负蠕变 研究 1998212204收到来稿0 前言原引进300MW 汽轮机中高温螺栓材料采用高镍钴基合金R efractaloy 26(以下简称R 26),600MW 汽轮机中也部分采用此合金。
原设计使用R 26合金是因该材料具有很高的高温持久强度和抗松驰性能,可使汽缸、持环等结构设计得紧凑,曾被认为是先进的设计。
笔者在80年代初收集和研究了有关R 26合金的大量资料后多次指出[1]:R 26合金虽然具有很高的热强性,但由于弹性模数,特别是膨胀系数过大和抗应力腐蚀性能差,又含有大量的贵重元素钴,不适合用作与铬钼低合金铸钢汽缸相配的高温螺栓,应根据机组不同的情况,选择合适的替代材料。
对于有些机组的R 26合金螺栓可直接用12%C r 型钢或C r 2M oV T i B 钢替代,对不能用该2种钢直接替代的,可先用我国已使用过的N i m on ic 80A 替代,最后适当调整汽缸结构后仍采用12%C r 型钢或C r 2M oV T i B 低合金钢。
经过几年的争论和实践,必须替代R 26合金螺栓的观点基本得以认同,但如何替代仍有不同意见。
如有些研究[2]认为GH 4145镍基合金具有比R 26合金优良的抗应力腐蚀性能和低的热膨胀系数,可作为替代材料。
然而实际使用表明:GH 4145镍基合金仍存在严重的应力腐蚀开裂问题,亦不适合作为与铬钼钢汽缸相配的高温螺栓材料。
根据文献[3],C r 2M oV T i B 的高温性能优于C 422钢。
汽轮机高温紧固螺栓检测
汽轮机高温紧固螺栓检测摘要：通过对刚性螺栓及柔性螺栓使用中容易出现裂纹缺陷部位的分析，根据螺栓的结构特点、探头的特性，采用横波斜探头和纵波斜探头对螺栓进行超声波探伤的方法，检测中以丝扣反射波来调整横波探伤的灵敏度，以及缺陷波、变形波的识别方法作为重点，从而有效检测出裂纹缺陷。
关键词：高温紧固螺栓；裂纹；超声波检验1.超声波探伤的依据超声波探伤的依据汽轮机高温螺栓的结构多为刚性或柔性双头螺栓，材料为2Cr12NiMo1W1V、45Cr1MoV等，经调质处理，一端旋紧在缸体上，另一端用螺母紧固。
刚性螺栓在拧紧状态时，螺栓的变形主要集中在螺纹根部，允许的变形量小，螺纹处的应力集中更为明显，由于螺栓根部产生的裂纹通常出现在螺栓紧固结合面附近，且沿着螺栓的横端面发展成为横向裂纹，用纵波小角度斜探头放在螺栓端面上检测，主声束正好与裂纹垂直，信号非常强烈，有利于发现裂纹，虽然探头的扩散声束能射到螺栓的螺纹面上产生回波，形成螺纹杂乱信号，会使声束指向性变差，影响对裂纹的判断，但当螺纹根部存在裂纹时，这种杂乱回波的规律将被破坏，因此可根据杂乱回波的规律是否被破坏来判断螺纹根部是否有裂纹[1]。
柔性螺栓在拧紧状态时，螺栓的变形主要集中在螺杆部，允许的变形量明显升高，可有效改善螺栓的受力状态。
采用横波斜探头放在螺栓的光杆部位进行检测也能检出螺栓根部的裂纹。
2.探头的选用探头声束指向性的好坏直接影响着裂纹杂乱回波的强弱，即声束指向性愈好，杂乱回波愈弱;反之愈强。
为减少螺纹杂乱回波，必须期望探头有好的指向性，提高正常螺纹回波与齿根裂纹回波的分辨率，选择探头参数非常重要，原则上应考虑以下几点[2]:(1)考虑检出率及声束指向性，应选用较高频率的探头。
(2)纵波小角度斜探头的声束轴线对准螺纹根部裂纹时检测灵敏度最高，优于纵波直探头，其纵波折射角应视探测的螺纹区长度及端面直径来确定，一般取β为8.5°，频率为5MHz，晶片尺寸根据螺栓规格选择，当螺栓规格为小于M56，M56~M100和大于M100时，晶片尺寸分别对应选取7mm×12mm，9mm×12mm和13mm×13mm。
汽轮机汽缸螺栓紧固浅议
汽轮机汽缸螺栓紧固浅议摘要：介绍了汽轮机螺栓紧固的要求、螺栓紧固的顺序，对比了热紧螺栓加热技术中电阻加热和感应加热的优劣，提出了操作过程的注意要点。
关键词：螺栓加热气缸中分面汽轮机1.概述汽轮机汽缸中分面的螺栓要求很高的预紧力，一般可通过下述方法达到。
1)冷态拧紧是在冷态时，对螺栓施加相当大的机械力。
目前，一般采用液压拧紧。
2)热态拧紧，就是加热螺栓，松解汽缸法兰螺栓时对螺栓进行加热，螺栓伸长至螺母与法兰面分离、消除预紧力后旋松螺母；拧紧螺栓时对螺栓进行加热，螺栓伸长后将螺母旋拧到预定位置，冷却后获得足够的预紧力。
1.螺栓紧固要求对于汽轮机螺栓直径不小于M52的螺栓，采用冷紧的方法不能达到设计要求的扭矩，一般采用热紧方法，热紧螺栓在热紧前必须先进行冷紧。
1) 螺栓紧固后需保证汽轮机在运行周期内结合面的严密性，中分面不能出现漏汽缺陷。
2) 紧固顺序、紧固方法及紧固力矩应符合制造厂技术文件的规定。
3) 螺栓紧固前需涂抹防咬合剂，防止螺栓咬死。
4) 螺栓预紧力应尽量均匀，防止出现部分螺栓预紧力过大导致的螺栓损坏或汽缸变形。
螺栓冷紧目的是消除由汽缸自重引起的结合面间隙，并将结合面上的汽缸密封脂挤压至一定厚度，给螺栓热紧准确的基准。
运行时间少于5年的汽缸结合面间隙一般都是由汽缸自重产生的自然垂弧引起的，而运行时间较长的汽轮机汽缸存在一定的永久变形，冷紧螺栓时还要考虑汽缸变形引起的结合面间隙，冷紧力矩要相应加大。
在汽缸变形不大的情况下，可用加大冷紧力矩的方法，冷紧可采用呆扳手、电动、气动或油压扳手冷紧。
1.螺栓紧固的顺序螺栓冷紧的顺序应该是从汽缸中间位置开始向前面后端部同时依次紧固，而且左右两侧必须同时进行，螺栓紧固顺序如图1所示。
图 1 汽轮机汽缸螺栓紧固示意图一般情况下，汽缸中间位置也就是汽缸结合面间隙和变形最大的位置，如果变形不在中间部位，则应先紧固汽缸间隙和变形最大部位的螺栓，然后从汽缸中间位置按顺序进行紧固。
发动机连杆螺栓材料及热处理方法-概述说明以及解释
发动机连杆螺栓材料及热处理方法-概述说明以及解释1.引言1.1 概述引言部分的概述应该包括以下内容：发动机连杆螺栓是发动机中非常关键的部件之一，承受着极高的负荷和压力。
为了确保发动机的可靠性和性能，连杆螺栓的材料选择和热处理方法非常重要。
本文旨在探讨发动机连杆螺栓的材料选择和相关热处理方法，以提供相关领域研究人员和工程师们有关连杆螺栓性能和强度的重要信息。
在材料选择方面，螺栓材料的选择要点是本文研究的首要问题之一。
不同材料的物理和机械性能对连杆螺栓的承载能力和耐用性起着重要作用。
通过分析螺栓材料的特性和性能指标，可以指导工程师们在设计和选择连杆螺栓材料时做出合理的决策。
同时，本文还将重点介绍发动机连杆螺栓的热处理方法。
热处理是提高连杆螺栓强度和耐久性的关键措施之一。
通过热处理，可以改善螺栓的晶体结构，提高其材料的硬度和强度。
常用的热处理方法将会在本文中详细介绍，并探讨其优缺点以及适用范围。
通过深入研究和分析连杆螺栓材料选择和热处理方法的重要性，可以为工程师们提供宝贵的指导和建议，以确保发动机的正常运行和长期可靠性。
最后，本文还将讨论材料选择和热处理方法的发展方向，探索未来可能的创新和改进。
这将有助于提高连杆螺栓材料和热处理方法的性能和效果，以应对日益复杂和严苛的发动机工作环境和要求。
通过对发动机连杆螺栓材料及热处理方法的全面研究和分析，本文的目的是为相关领域的研究人员和工程师们提供有关连杆螺栓材料和热处理方法的重要信息和指导，以推动连杆螺栓技术的进步和发展。
1.2文章结构文章结构部分的内容可以包括以下内容：文章结构:本文主要分为引言、正文和结论三个部分。
引言部分包括概述、文章结构和目的，用于介绍本文的主要内容和目的。
正文部分包括发动机连杆螺栓材料和热处理方法两个主要部分，详细探讨了螺栓材料的选择要点和性能要求，以及常用的热处理方法。
结论部分总结了材料选择和热处理方法的重要性，并提出了可能的未来发展方向。
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)04-0231-04Material Choice of High 2Temperature Bolts for Subcritical Steam TurbineR 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 ;material1 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。
螺栓等级如何选用
高强度主要用在一些比如户外工程，风电或者具有能动性的机械上，抗拉强度比较大，一般螺栓，用在一些小型机械，比如涡轮机上就可以，主要是看应用环境和运作方式高强螺栓，使用日益广泛。
常用8.8s和10.9s两个强度等级，其中10.9级居多。
普通螺栓强度等级要低，一般为4.4级、4.8级、5.6级和8.8级。
1、【从原材料看】：高强度螺栓采用高强度材料制造。
高强螺栓的螺杆、螺帽和垫圈都由高强钢材制作，常用 45号钢、40硼钢、20锰钛硼钢。
普通螺栓常用Q235钢制造。
2、【从强度等级上看】：高强螺栓，使用日益广泛。
常用8.8s和10.9s两个强度等级，其中10.9级居多。
普通螺栓强度等级要低，一般为4.4级、4.8级、5.6级和8.8级。
3、【从受力特点来看】：高强度螺栓施加预拉力和靠摩擦力传递外力。
普通螺栓连接靠栓杆抗剪和孔壁承压来传递剪力，拧紧螺帽时产生预拉力很小，其影响可以忽略不计，而高强螺栓除了其材料强度很高之外，还给螺栓施加很大预拉力，使连接构件间产生挤压力，从而使垂直于螺杆方向有很大摩擦力，而且预拉力、抗滑移系数和钢材种类都直接影响高强螺栓的承载力。
根据受力特点分承压型和摩擦型.两者计算方法不同。
高强螺栓最小规格M12，常用M16~M30，超大规格的螺栓性能不稳定，设计中应慎重使用。
高强螺栓摩擦型和承压型连接的区别：高强螺栓连接是通过螺栓杆内很大的拧紧预拉力把连接板的板件夹紧，足以产生很大的摩擦力，从而提高连接的整体性和刚度，当受剪力时，按照设计和受力要求的不同，可分为高强螺栓摩擦型连接和高强螺栓承压型连接两种，两者的本质区别是极限状态不同，虽然是同一种螺栓，但是在计算方法、要求、适用范围等方面都有很大的不同。
在抗剪设计时，高强螺栓摩擦型连接是以外剪力达到板件接触面间由螺栓拧紧力所提供的可能最大摩擦力作为极限状态，也即是保证连接在整个使用期间内外剪力不超过最大摩擦力。
板件不会发生相对滑移变形（螺杆和孔壁之间始终保持原有的空隙量），被连接板件按弹性整体受力。
螺栓材料介绍
螺栓材料介绍一、S45C（1）特性日本标准JISG4051-79（94），高级优质碳钢，采用由电炉、平炉或纯氧转炉炼钢法制造的全静钢，该钢金相组织均匀，无组织缺陷。
该钢含碳量在0.4%以上，耐磨性优良，但延展性减少，淬火易变形和开裂，故热处理极为重要，且回火后必须急冷，以避免回火脆性发生。
通过对该钢实行球化处理，可以改善这类碳钢的切削性能。
（2）化学成分（质量分数，%）C 0.42~0.48、Si 0.15~0.35、Mn 0.60~0.90、P≤0.030、S≤0.035、Cu≤0.30、Ni≤0.20、Cr≤0.20.（3）淬火、回火规范淬火温度820℃~870℃，水冷，回火温度550~650℃，出炉极冷。
抗拉强度＞686MPa，屈服强度＞490MPa，伸长率δ5＞17%，收缩率ψ＞45%，冲击韧性值＞78J/cm2，硬度201~269HB。
（4）参考对应钢号我国GB/JB的标准钢号是45、德国DIN标准材料编号1.0503、、法国AFNOR标准钢号CC45、法国NF标准钢号C45、意大利UNI标准钢号C45、比利时NBN标准钢号C45-1、瑞典SS标准钢号1650、西班牙UNE标准钢号F.114、美国AISI/SAE标准钢号1045、国际标准化组织ISO标准钢号C45E4、日本JIS 标准钢号S45C/S48C、英国BS标准钢号IC45/080A47。
二、35CrMo35CrMo合金结构钢执行标准：GB/T3077-1999[1]（1）对应牌号：德标：1.7220；英标：708A37；法标：35CD4；意大利：35crmo4NBN：34crmo4；瑞典：2234；日标：SCM432/SCRRM3（2）特性35CrMo合金结构钢，有很高的静力强度、冲击韧性及较高的疲劳极限，淬透性较40Cr高。
（我国我国GB的标准钢号，40Cr钢是机械制造业使用最广泛的钢之一。
调质处理后具有良好的综合力学性能，良好的低温冲击韧性和低的缺口敏感性。
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第19卷 第2期 1999年4月 动 力 工 程POW ER EN G I N EER I N G V o l .19N o.2 A p r .1999・71・ ・材料研究・再论汽轮机高温螺栓材料的选择赵中平(上海 上海发电设备成套设计研究所)摘 要 汽轮机高温螺栓材料R 26合金由于膨胀系数大和抗应力腐蚀性能差已被替代。
作者论述了高温螺栓R 26合金替代材料的选择和材料负蠕变及其影响。
图4表3参4主题词: 汽轮机 螺栓材料 应力腐蚀 负蠕变 研究 1998212204收到来稿0 前言原引进300MW 汽轮机中高温螺栓材料采用高镍钴基合金R efractaloy 26(以下简称R 26),600MW 汽轮机中也部分采用此合金。
原设计使用R 26合金是因该材料具有很高的高温持久强度和抗松驰性能,可使汽缸、持环等结构设计得紧凑,曾被认为是先进的设计。
笔者在80年代初收集和研究了有关R 26合金的大量资料后多次指出[1]:R 26合金虽然具有很高的热强性,但由于弹性模数,特别是膨胀系数过大和抗应力腐蚀性能差,又含有大量的贵重元素钴,不适合用作与铬钼低合金铸钢汽缸相配的高温螺栓,应根据机组不同的情况,选择合适的替代材料。
对于有些机组的R 26合金螺栓可直接用12%C r 型钢或C r 2M oV T i B 钢替代,对不能用该2种钢直接替代的,可先用我国已使用过的N i m on ic 80A 替代,最后适当调整汽缸结构后仍采用12%C r 型钢或C r 2M oV T i B 低合金钢。
经过几年的争论和实践,必须替代R 26合金螺栓的观点基本得以认同,但如何替代仍有不同意见。
如有些研究[2]认为GH 4145镍基合金具有比R 26合金优良的抗应力腐蚀性能和低的热膨胀系数,可作为替代材料。
然而实际使用表明:GH 4145镍基合金仍存在严重的应力腐蚀开裂问题,亦不适合作为与铬钼钢汽缸相配的高温螺栓材料。
根据文献[3],C r 2M oV T i B 的高温性能优于C 422钢。
本文再次认为,应通过计算用C r M oV T i B 低合金螺栓钢替代R 26镍钴基合金。
如有必要,可调整汽缸结构,但这种结构调整不会很大。
1 高温螺栓设计因素高温螺栓是汽轮机的关键部件之一,它连结汽缸法兰和阀门法兰,应在汽轮机运行期(一般为30年)内保证高温蒸汽的密封,工作条件非常苛刻。
传统的高温螺栓设计准则主要有3条:(1)材料30000h 的松驰性能和足够的持久强度;(2)初始紧固应力应使螺栓产生0.15%～0.2%的应变;(3)5%的长时持久塑性和低的缺口敏感性。
从这些因素出发选择高温强度很高的镍钴基合金R 26或镍基合金作为高温螺栓可减少汽缸、持环或阀门法兰的宽度,简化结构。
但实际使用情况表明,仅仅考虑螺栓材料本身的高温性能是不够的。
在设计时,除计算分析蒸汽的压力外,还需计算分析汽缸法兰和螺栓的性能配合,以及由于法兰和螺栓材料的物理、化学性能引起的应力变化。
后一点往往容易被忽视。
1.1 刚性的影响螺栓和法兰的刚性对螺栓受力状态的影响可用两者的拉伸(压缩)曲线来阐述(图1)。
图中OA 和B A 线分别表示螺栓和法兰的负荷2位移曲线。
A C 线为螺栓初始紧固力P 0b ,此力与法兰受到的初始紧固压力P of 大小相等方向相反。
再加上蒸汽压力,螺栓进一步被拉长,其伸长量为A D ,而法兰的压缩量同时减少A D 。
此时,螺栓受到的初始紧固力和蒸汽张力的合力为EG ,比加蒸汽张力前增加的力为P sb =EG -A C =D E ,而法兰减少的蒸汽压力p sf =D F ,E F 即为蒸汽产生的力p s。
图1 螺栓和法兰的刚性对螺栓受力状态的影响由此可知蒸汽张力对螺栓和法兰的作用在数量上是不相等的。
如果法兰的刚性比螺栓大,则法兰将会由于压力释放而补偿大部分的蒸汽压力负荷。
构件的刚性是由物件材料的弹性模数和尺寸因素决定的。
即刚性正比于弹性模数E 和尺寸因素A 。
设螺栓的弹性模数为E b ,尺寸因素以A b 表示,法兰的弹性模数为E f ,尺十因素为A f ,则螺栓与法兰的刚性比R 为R =E b A b E f Af经计算P sb =P s R1+R P sf =P s11+R 从而可知,螺栓所承受的蒸汽张力负荷与螺栓对法兰的刚性比有关,与初始预紧负荷无关。
若法兰的刚性与螺栓相同(R =1),螺栓和法兰多承受二分之一的蒸汽压力,而法兰的刚性为螺栓的2倍(R =12)时,螺栓只承受三分之一的蒸汽压力,而法兰承受三分之一的蒸汽压力。
若法兰刚性不变,则螺栓刚性愈大,所承受的蒸汽压力分量就愈大(R ′>R ,D ′E ′>D E )。
螺栓的刚性随材料的弹性模数E 而正比变化,材料E 愈小,螺栓的工作应力就愈低。
从这点看C 422钢的E 较小,是比较可取的高温螺栓材料。
同时螺栓的直径愈小,其刚性也愈小,那么材料热强性愈大,设计的螺栓尺寸可减小,其刚性也愈小,则20C r 1M o 1V (N b )T i B 钢较为可取。
1.2 热膨胀系数的影响在高温螺栓与法兰的相互配合方面,材料的热膨胀系数起着关键性的作用。
汽轮机高温螺栓是在室温下紧固的。
运行时汽缸内通过高温高压蒸汽,汽缸和螺栓都会产生热膨胀。
如果两者热膨胀系数相同,则能在高温下保持原来的预紧固应力。
如果螺栓材料的热膨胀系数大于汽缸材料,在运行时原紧固应力就会下降,两者的热膨胀系数相差越大,紧固应力下降越显著。
从螺栓和法兰的负荷2位移曲线(图1)已知,在高温运行条件下,如果法兰与螺栓膨胀系数相同,法兰在紧固力和蒸汽压力共同作用下的压缩位移为B G 。
而如果螺栓与法兰热膨胀系数的差值大于B G 时,法兰的弹性位移就会消失,汽缸就会漏汽,螺栓与蒸汽直接接触,将可能产生应力腐蚀。
几种螺栓材料和汽缸材料的热膨胀系数列于表1。
当预紧应力为300M Pa 时,根据表1估算几种螺栓材料的紧固应力随温度的变化,作出应力2温度关系曲线,示于图2。
由图2可知,汽缸材料为C r 2M o 铸钢时,R 26合金制造的螺栓其紧固应力在汽轮机刚运行时已经显著下降,说明它与C r 2M o 钢汽缸不相匹配。
表1 几种螺栓材料和汽缸材料的热膨胀系数材 料Α・106,1 °C0～200°C0～300°C 0～400°C 0～500°C 0～600°C N i m onic 8013.013.513.714.0Inconelx 275014.0～13.0514.2～13.8414.6～13.9515.0～14.4115.3～15.0R efractaloy 2614.214.414.614.815.0C 2422(H 46)10.911.311.512.012.1C r 2M o 2V 2T i 2B 11.7412.8513.1713.7413.98C r 2M o 铸钢12.4312.7813.1213.5713.94C r 2M o 2V 铸钢12.113.213.714.114.72 应力腐蚀开裂应力腐蚀开裂是腐蚀环境、应力状态和材料特性三者共同作用造成的现象。
进入汽轮机的水蒸汽虽然具有很高的纯洁度,但仍免不了含极少量的杂质,如C l -、N a +等。
在开机、停机等时螺栓因多种原因与蒸汽接触部分会逐渐附着浓缩了的氯化物等残留物,形成腐蚀环境,一般认为材料受受的应力超过其屈服强度就容易产生应力腐蚀开裂,如应力低于屈服强度则几乎不发生或难发生应力腐蚀破裂,此应力亦称作界限应力。
但实际上应力低于屈服强度时・27・ 动 力 工 程第19卷 图2 螺栓预紧应力与温度的关系(示意图)仍有可能产生应力腐蚀,只是随应力的降低,破断时间明显增加。
试验表明外加应力Ρ与破断时间t p有关系式log t f=1-bΡ 式中a、b为材料常数。
即应力与破断时间的对数呈直线关系。
另一方面,材料所受应力虽在屈服强度以下,但由于缝隙腐蚀、孔蚀等缺陷附近产生局部应力集中,亦可引起局部塑性变形而损伤表面膜,加速裂纹的发生和发展。
例如螺栓表面镀铬后因镀铬层会产生细小的裂纹,加上螺栓紧固后本体与镀铬层变形不一,也可能造成细小的缺陷,从而加速材料的应力腐蚀开裂。
在火电站和核电站中一些关键设备,如蒸发器、热交换器、过热器、再热器和转子叶轮等发生应力腐蚀破裂早已为人们所熟知,但国内对高温螺栓的应力腐蚀现象并没有得到广泛注意。
例如在80年代初就有论文[1]指出R26合金高温螺栓有严重的应力腐蚀开裂现象,可是没有引起足够的重视。
当我国第一名高性能的300MW机组运行不到1年就发生R26合金螺栓开裂和破断时,许多人难以理解高温强度如此之高的R26合金会很快破坏。
对R26合金的代用问题上由于对R26合金失效主要原理理解的不同,曾有2种代用方案,其一是可直接替代时即用C422钢和C r2 M OV ti(N i)B钢替代,在调整正汽缸结构前可用我国已有使用经验的N i m on ic80A暂时替代。
另一种采用改良型镍合金GH4145,一劳永逸地替代R26合金,以达到节省贵重元素钴和降低成本的目的。
后者[2]经过大量试验研究得出结论GH4145的综合性能,特别是抗应力腐蚀性能高,完全可以替代R26合金,适用于汽轮机高温螺栓。
但此结论下得仍然过早。
GH4145虽然比R26的抗应力腐蚀性能好,或可以说在试验条件下要好得多,但还是存在应力腐蚀现象,只不过程度不同而已。
因为应力腐蚀破裂是与时间有关的脆性破坏类型,还必须是介质腐蚀性不强的情况下才出现的开裂现象。
试验条件与实际工况在应力水平、腐蚀介质和在拉应力下经历的时间都有很大差异。
实际运行结构也证实GH4145制造的高温螺栓发生开裂和断裂的现象仍然十分严重。
究其原因,我们认为仍然是由于应力腐蚀破断。
3 负蠕变(Nega tive Creep)众所周知,钢和合金在高温下受拉伸应力的作用会随时间而逐渐伸长,这称作高温蠕变。
如果与此相反在一定条件下材料在高温和应力作用下随时间而逐渐缩短,称作为负蠕变,其在拉伸蠕变曲线上的图形可用图3来表示。
在松驰曲线上负蠕变则表现为弹性应变不是随时间而减小(转变成塑性变形),而是随时间而增加(图4)。
图3 拉伸蠕变曲线曲线2、3呈现负蠕变 文献[4]对镍基合金N i m on ic80A进行了大量的松驰试验,结果说明这种材料的负蠕变与紧固温度、初应变大小、时间、化学成份、材料的热处理和紧固情况等复杂的相互作用有关。
试验表明:在较低的温度和较低的初始应变下负蠕变比在较高温度和较大的初始应变下要大。
不同炉次的n i2 m on ic80A在不同的初始应变量下出现的负蠕变也不一样。