汽轮机螺栓材料高温拉伸应力松弛性能研究

高温高压环境下材料的松弛与蠕变性能研究

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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。

汽轮机螺栓应力松弛行为预测的研究

ห้องสมุดไป่ตู้
Ｊａｎ．，２０１３
ｄｏｉ１１０．３９６９／ｊ．ＩＳＳＮ．１００７— ２６９１．２０１３．０１．０１７
汽轮机螺栓应力松弛行为预测的研究
董瑾
（华北电力大学数理学院，北京１０２２０６）
ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｏｆｔｈｅｆｏｒｍｕｌａａｒｅｊｕｓｔｉｉｆｅｄｂｙｔｈｅｒｅｌａｘａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａｏｆｓｅｖｅｒａｌｂｏｌｔｓｔｅｅｌｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｆｏｒ —
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｂａｓｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｍｅｔａｌｓｔｒｅｓｓｒｅｌａｘａｔｉｏｎａｔｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ａｎｄｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｆｏｒ・ｍｕｌａｔｏｐｒｅｄｉｃｔｓｔｒｅｓｓｒｅｌａｘａｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｂｙｍｅａｎｓｏｆｒｅｌａｘａｔｉｏｎｄａｔａｏｆｓｏｍｅｉｎｉｔｉａｌｓｔｒｅｓｓｖａｌｕｅｓ，ｔｈｉｓｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｃａｎｐｒｅｄｉｃｔｓｔｒｅｓｓｒｅｌａｘａｔｉｏｎｐｅｆｏｒｒｍａｎｃｅｕｎｄｅｒｖａｒｉｏｕｓｉｎｉｔｉａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅｖａｌｉｄｉｔｙａｎｄ

高温条件下的紧固件预紧力松弛

一、应力松弛钢材在高温文应力作用下，在应变量维持不变，应力随着时间的延长而逐渐下降的现象，称为应力松弛。

应力松弛试验一般采用圆柱形试样，在一定的温度下进行拉伸加载，以后随着时间的推移，由自动加载机构卸掉部分载荷以保持总变形量不变，测定应力随时间的降低值，即可绘出松弛曲线。

也可以采用具有等强度半圆环的环形试样进行松弛试验，测定环形试样缺口处宽度的变化来计算应力降低的数值并画出松弛曲线。

二、应力松弛曲线以应力和时间t为坐标的应力松弛曲线可分为两个部分，分别代表两个不同的松弛阶段。

在第Ⅰ阶段内，应力随时间的增长而急剧降低；在第Ⅱ阶段内，降低的速度减慢，最后趋于稳定。

半对数坐标(lgσ-t)的应力松弛曲线中，第Ⅱ阶段呈线性关系，因此可用以进行外推，即由较短时间的试验外推求得较长时间后的剩余应力。

受相同的试验温度和初应力F，经相同的时间后，如剩余应力越高，则材料的抗松弛性能越好。

高温工作中的零件由于存在应力松弛，会不同程度地丧失弹性和紧固作用。

因此对用于高温的紧固件如弹簧、螺栓等的材料，需要测定松弛性能。

金属材料在高温下发生应力松弛，是有一部分在初应力作用下发生的弹性变形逐渐地转化为塑性变形的成效。

松弛现象与蠕变现象有着内在的联系，都是在高温应力作用下的不断变形进程，两者的区分仅在于蠕变时应力基本恒定不变，松弛时应力则不断在下降。

三、紧固件应力松弛应力松驰发生在高温下工作的紧固件上，如汽锅、汽轮机上的螺栓、螺母、压紧弹簧等。

这些零件在持久高温文应力作用下，塑性变形增加，应力下降，当松弛到一定水平后，就会引发汽缸和阀门漏汽，平安门提早起座，影响机组正常运行，甚至发生危险。

为了避免上述现象发生，一般要求经过2×104h（两次年夜修距离）运行后，螺栓最小应力不低于最小密封应力，这个密封应力为150MPa （15.3kgf/mm2）。

为了到达这一要求，可以采用以下措施：一是选择抗松弛性能高的钢材；一是提高螺栓的预紧力。

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。

高温下工作螺栓预紧状态变化研究及应对措施

高温下工作螺栓预紧状态变化研究及应对措施管建军;孙一伦;张大群;宋尔明【摘要】常温下预紧螺栓升温到高温时螺栓及法兰的应力应变的改变会对密封状态产生影响.文章首先在各应变均匀一致的假设前提下通过理论推导得到预紧后螺栓的应变大小和升温后密封状态的变化,其次采用有限元软件对常温预紧、升温及再次预紧过程中的螺栓、法兰的应力应变变化进行了分析,最后考虑了蠕变和应力松弛效应对螺栓轴力的影响.文中认为在常温下预紧的螺栓在高温工作时应再次拧紧,如此才能保证高温下的密封状态和常温下保持一致.再次拧紧的应变为法兰与螺栓的热应变之差；若高温下再次拧紧后降温则应拧松螺栓,防止损坏垫片；高温时螺栓轴力不能过高,否则易于在较短时间内降低密封性能,而且应定期拧紧螺栓.【期刊名称】《轻工机械》【年(卷),期】2013(031)005【总页数】4页(P104-107)【关键词】螺栓;预紧;密封性能;应力松弛【作者】管建军;孙一伦;张大群;宋尔明【作者单位】辽宁石油化工大学机械工程学院,辽宁抚顺113001;中国石化工程建设公司工厂系统室,北京100101;中石化催化剂长岭分公司加氢车间,湖南岳阳414012;辽宁石油化工大学机械工程学院,辽宁抚顺113001【正文语种】中文【中图分类】TH131.3化工容器法兰接口的密封面需要靠螺栓经预紧形成的较高拉应力来保证其密封性。

螺栓的预紧力是影响密封的一个重要因素，预紧力必须使垫圈压紧并形成初始密封条件，同时预紧力也不能大到将垫圈压坏或挤出［1］。

化工设备多在常温下制造安装，然后进行调试运行。

在常温下螺栓的预紧问题已有很多研究者作出了详尽的研究［2-5］。

GB150只对常温下预紧力的计算进行了规定，没有考虑高温下设备是否能在该预紧力作用下保证垫片的密封性能。

而设备使用方非常关心常温下已预紧的螺栓是否在高温下需要再次拧紧螺栓，以防止发生泄漏事故。

同时他们需要制定相应的操作指导，利于设备的安全稳定运行。

材料在高温下的力学性能（蠕变、松弛）

材料在高温下的力学性能（蠕变、松弛）第7章材料在高温下的力学性能7.1 材料在高温下力学性能的特点有许多机件是在高温下工作的，如高压锅炉，蒸汽轮机、燃气轮机、以及化工厂的反应容器等，对于这些机件的性能要求，就不能以常温下的力学性能来衡量。

材料在高温下的力学性能明显地不同于室温。

首先，材料在高温将发生蠕变现象。

即在应力恒定的情况下，材料在应力的持续作用下不断地发生变形。

这样，材料在高温下的强度便与载荷作用的时间有关了。

载荷作用的时间越长，引起一定变形速率(如)或变形量的形变抗力(蠕变极限)以及断裂抗力(持久强度)就越低。

粗略地说，发生蠕变现象的温度，对金属材料约为T>0.3-0.4TM ；(TM为材料的熔点以绝对温度K计)；对陶瓷约为T>0.4-0.5TM ；对高分子材料为T>Tg，Tg为玻璃化温度，多数高分子材料在室温下就发生蠕变。

由于蠕变的产生，我们就不能笼统地说材料在某一高温下其强度是多少，因为高温强度与时间这一因素有关。

而材料在常温下的强度是不考虑时间因素的。

除非试验时加载的应变速率非常高。

材料在高温下不仅强度降低，而且塑性也降低。

应变速率越低，载荷作用时间越长，塑性降低得越显著。

和蠕变现象相伴随的还有高温应力松驰。

一个紧固螺栓在高温长时间作用下，其初始预紧力逐渐下降，这种现象也是由蠕变造成的。

另外，蠕变还会产生疲劳损伤，使高温疲劳强度下降，为此，必须研究蠕变和疲劳的交互作用。

材料在高温下的力学性能特点都是和蠕变过程紧密相连的。

第一，材料在变形时首先总是引起形变强化，蠕变之所以能发生，必然还伴随着一个变形的软化过程，这个软化过程就是高温回复。

第二，蠕变的变形机制必然与在常温下的不同。

材料在常温下的变形可通过位错的滑动产生滑移和孪晶两种变形型式。

而在高温下位错还可通过攀移，使位错遇到障碍时作垂直于滑移面的运动，如图7-0所示。

这样位错便不会阻塞在障碍面前，而使得变形能继续下去，这就是一个变形的软化过程。