10Cr轉子鋼的低周疲勞特性試驗研究

楊百勛， 田 曉， 李 楊， 丁玲玲， 王梅英， 肖國華， 田 宇， 李益民

(1.西安熱工研究院有限公司，西安 710054；2.哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，哈爾濱 150040)

汽輪機高中壓轉子長期在高溫、高速旋轉條件下服役，隨著運行時間的延長，轉子材料會出現蠕變損傷、微觀組織老化等現象，而微觀組織老化會導致材料力學性能劣化，強度、塑性和韌性下降，脆性增加.機組頻繁啟停產生的熱應力會引起轉子的低周疲勞損傷，可能導致轉子開裂，甚至會出現事故，這對參與調峰運行的機組來說更為嚴重.因此，研究汽輪機高中壓轉子材料的低周疲勞特性具有重要的技術意義和工程應用價值，為機組的安全狀態評估、壽命評估、狀態檢修、部件維修和更換提供了技術依據.

14Cr10NiMoWVNbN屬于10%Cr型高合金馬氏體耐熱鋼，被廣泛用于制造超超臨界機組汽輪機高中壓轉子.2009年前，國內超超臨界機組10Cr汽輪機高中壓轉子均采用國外轉子鋼；2009年后，國內新建的超超臨界機組相繼采用了國產10Cr鋼.

國內外學者對汽輪機高中壓轉子鋼的低周疲勞特性進行了大量的試驗研究[1-5]，筆者對國產轉子鋼14Cr10NiMoWVNbN和國外同種轉子鋼TOS107的低周疲勞特性進行了試驗研究.

1 試驗材料的化學成分、金相組織及常規力學性能

1.1 化學成分

國產和國外轉子鋼的化學成分見表1.由表1可知，試驗材料的化學成分滿足相關標準的要求.

表1 國產和國外轉子鋼的化學成分

1.2 轉子鋼的熱處理與微觀組織

10Cr轉子鋼的性能熱處理工藝為淬火和2次回火，奧氏體化溫度為1 070～1 100 ℃.JB/T 11019—2010 《超臨界及超超臨界機組汽輪機用高中壓轉子鍛件技術條件》中規定第1次回火溫度為570±10 ℃，第2次回火溫度應不低于650 ℃，而西門子公司TLV9258中規定第2次回火溫度應不低于700 ℃.

圖1給出了轉子鋼材料的金相組織.由圖1可知，國產和國外轉子鋼的金相組織均為回火馬氏體，縱、橫截面組織較均勻.利用FEI Quatan 400型掃描電子顯微鏡(配套能譜儀Oxford Inca)對轉子鋼進行了二次電子(SE)和背散射電子(BSE)觀察，發現國產轉子鋼中有隨機分布的圓顆粒狀的富Nb相，與MX相(MX相尺寸通常在幾十納米)不同的是，富Nb相尺寸較大，約為600～700 nm，如圖2所示.國產轉子鋼出現富Nb相的原因可能是在冶煉轉子鋼時有未完全溶解的含Nb化合物，國外轉子鋼中未發現此類富Nb相.

1.3 拉伸性能

表2給出了在室溫、600 ℃下國產和國外轉子鋼拉伸性能的試驗結果.由表2可知，在室溫下國產和國外轉子鋼的拉伸性能均滿足JB/T 11019—2010的要求；室溫、600 ℃下國產和國外轉子鋼的拉伸強度基本相當，抗拉強度處于下限邊緣或略低于下限；600 ℃下國產鋼的拉伸延伸率略低于國外鍛件.

(a)國外轉子鋼

(b)國產轉子鋼

圖1 國產和國外轉子鋼軸身橫截面的金相組織

Fig.1 Microstructure on cross section of domestic and foreign rotor forgings

(a)國外轉子鋼

(b)國產轉子鋼

表2 國產和國外轉子鋼的拉伸試驗結果1)

注：1) 拉伸試驗數值為3個試樣的平均值； 2)Rp0.2表示屈服強度；3)Rm表示抗拉強度；4)A表示延伸率.

2 轉子鋼的低周疲勞特性

如圖3所示，沿轉子鋼切向取樣制備低周疲勞試樣，依據GB/T 15248—2008 《金屬材料軸向等幅低循環疲勞試驗方法》，在室溫、593 ℃下進行低周疲勞試驗.試驗在MTS-810試驗機上進行，加載波形為三角波，軸向為應變控制，應變比為-1，恒應變速率為0.008 s-1，試驗中的數據采集由計算機完成.試樣失效定義為載荷下降到穩定循環滯后環應力的50%.選取最大循環峰值拉伸應力σmax下降至50%時的循環次數作為失效循環數Nf.

2.1 循環特性與循環應力-應變特性

金屬的低周疲勞通常為應變控制.在應變控制下，隨著循環次數的增加，峰值應力逐漸減小，稱為循環軟化；隨著循環次數的增加，峰值應力逐漸增大，稱為循環硬化.通常情況下，金屬材料的抗拉強度與屈服強度的比值Rm/Rp0.2小于1.2時，稱為循環軟化；Rm/Rp0.2大于1.4時，稱為循環硬化[6].室溫下14Cr10NiMoWVNbN鋼的Rm/Rp0.2約為1.15，高溫下Rm/Rp0.2約為1.11，均表現為循環軟化.圖4給出了室溫下國產轉子的低周疲勞遲滯回線.由圖4可知，在應變控制模式下進行低周疲勞試驗，峰值應力幅隨著循環次數的增加逐漸減小，表現為循環軟化.

在應變控制的低周疲勞試驗中，峰值應力趨于穩定的循環稱為穩定循環.金屬材料穩定循環下塑性應變與應力的關系為[7-8]：

(1)

式中：K′為循環強度系數，表示材料產生單位循環塑性變形時的真實應力；n′為循環應變硬化指數，表示材料產生塑性變形的能力；Δσ/2為應力幅；Δεp/2為塑性應變幅.

根據最小二乘法擬合試驗數據，獲得室溫、593℃下國產和國外轉子鋼的K′值和n′值，如表3所示.

(a) 室溫下低周疲勞試樣

(b) 593 ℃下低周疲勞試樣

圖4 室溫下國產轉子鋼的低周疲勞遲滯回線

表3 室溫、593 ℃下國產和國外轉子鋼的K′值和n′值

在循環條件下轉子鋼的應力-應變函數[9]為：

(2)

式中：Δε/2為應變幅；E為彈性模量.

圖5給出了室溫、593 ℃下國產和國外轉子鋼的循環應力-應變曲線.由圖5可知，室溫、593 ℃下國外轉子鋼的循環應力-應變曲線均高于國產轉子鋼.

圖5 室溫、593 ℃下國產和國外轉子鋼的循環應力-應變曲線

2.2 循環應變-壽命

金屬材料的低周疲勞應變-壽命關系可用Masson-Coffin公式來描述[9]：

(3)

(4)

(5)

表4 室溫、593 ℃下國產和國外轉子鋼的、b、和c值

圖6給出了室溫、593 ℃下國產和國外轉子鋼的低周疲勞應變-壽命曲線.由圖6可知，室溫及593 ℃下國產轉子鋼的低周疲勞壽命均略低于國外轉子鋼.

(a)室溫

2.3 14Cr10NiMoWVNbN鋼的疲勞設計曲線

工程中估算汽輪機轉子的低周疲勞壽命時通常采用應力作為依據.利用轉子材料的虛擬應力-壽命關系曲線可估算轉子的疲勞壽命，確定機組最佳啟停、運行模式，對超超臨界汽輪機的安全運行監督具有重要的技術意義和工程應用價值.

張康達[10]詳細介紹了美國ASME和英國BS 5500規范中關于壓力容器疲勞設計曲線(虛擬應力-壽命)的獲取方法，即先將應變-壽命曲線轉換為虛擬應力-壽命曲線，虛擬應力Sa實質上就是當量彈性應力，可表示為：

(6)

考慮到轉子的服役溫度以及593 ℃下國產轉子鋼低周疲勞壽命低于國外轉子鋼，故可依據593 ℃下國產轉子鋼的應變-壽命曲線確定虛擬應力-壽命曲線.

根據式(5)和表4的相關參數，取593 ℃下轉子鋼的彈性模量為1.9×105MPa，得到593 ℃下國產轉子鋼的應變-壽命關系：

εt=0.004 433×(2Nf)-0.087 19+

1.088 1×(2Nf)-0.797 3

(7)

則虛擬應力Sa為：

Sa=842.27×(2Nf)-0.087 19+

206 739×(2Nf)-0.797 3

(8)

在美國ASME和英國BS 5500規范中，虛擬應力的安全系數分別取2.0和2.2，循環壽命的安全系數分別取20和15，將取系數后的曲線下限平滑連接，即為疲勞設計曲線.圖7是按照美國的ASME規范獲得的10Cr轉子鋼疲勞設計曲線.

圖7 按美國ASME規范獲得的10Cr轉子鋼疲勞設計曲線

圖8給出了按美國ASME和英國BS 5500規范獲得的疲勞設計曲線.由圖8可知，循環反向次數小于103時，按美國ASME規范獲得的曲線略低；循環反向次數大于103時，按英國BS 5500規范獲得到曲線略低.總體看來，按2個規范獲得的疲勞設計曲線差異很小，因此該曲線可用于估算10Cr轉子鋼的疲勞壽命.

圖8 按美國ASME和英國BS 5500規范獲得的疲勞設計曲線

一旦確定了轉子鋼的疲勞設計曲線，即可根據服役轉子危險部位的最大應力確定相應的允許循環數，即轉子的疲勞壽命.若事先規定壽命(應達到的循環數), 則可根據疲勞設計曲線確定允許的最大應力，進而得到機組啟停過程中允許的溫升量和溫升率，優化運行模式，形成對轉子疲勞壽命的科學管理.

3 結 論

(1)與國外轉子鋼相比，試驗用國產轉子鋼的拉伸強度與其相當，但低周疲勞強度略低.

(2)根據593 ℃下國產轉子鋼低周疲勞的試驗結果，按美國ASME和英國BS 5500規范處理得到14Cr10NiMoWVNbN鋼的疲勞設計曲線，該曲線可用于估算10Cr鋼轉子的疲勞壽命.

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