压气机丨清华大学&哈汽：重型燃气轮机压气机关键部件用材分析

燃气轮机发电具有高效低排、 缓解全球气候变暖的优势， 在可再生能源暂不能替代化石能源之时， 燃气轮机发电尤其是重型燃气轮机发电装置， 将成为我国调整能源结构的主力之一[1]。压气机是燃气轮机的核心部件之一， 而气缸、 叶片、叶轮又是压气机的关键部件。压气机进气部分的工作温度通常在零下， 而排气部分的工作温度则往往超过400 ℃，有的已经超过600 ℃[2]。因此， 压气机进气部分的部件需要采用低温韧性优异的材料， 而排气侧部件需要采用高温蠕变性能优异的材料。

由于压气机属于冷端部件， 使用的材料等级相对较低， 国内外的相关研究， 尤其是较为系统的研究较少。本文详细介绍了重型燃气轮机压气机关键部件用材的化学成分、 力学性能、 制造工艺等， 并对不同材料进行对比分析， 总结了压气机关键部件用材的特点， 为国内重型燃气轮机压气机关键部件选材提供了支持。

1 压气机缸体材料

国内外重型燃气轮机压气机缸体材料见表1。

表1 重型燃气轮机压气机缸体用材情况[3-8]

从表1 可以看出， 重型燃气轮机压气机缸体材料主要分为两类：

1）球墨铸铁；

2）合金钢铸钢。

1.1 球墨铸铁

文献[8]深入研究了不同使用温度的球墨铸铁材料， 并将其按使用温度分为4 类：①常规铁素体型（使用温度≤350 ℃）， ②改良铁素体型（使用温度≤400 ℃）， ③新型铁素体型 （使用温度≤450℃）， ④超级铁素体型（使用温度＞500 ℃）。表1 中所列的球墨铸铁均属于常规铁素体型， 主要用于压气机进气侧缸体。

如前所示， 压气机的进气温度较低， 往往低于0 ℃， 因此， 对于进气侧缸体材料必须要有较好的低温韧性。

杂质元素含量对球墨铸铁力学性能的影响见表2。

表2 不同杂质元素含量对力学性能的影响[9]

从表2 可以看出， 杂质元素含量对球墨铸铁性能的影响如下：

1）对强度和塑性影响很小；

2）对冲击性能影响显著， 含量越少， 冲击性能越高；

3）杂质元素含量如果超过0.1%， 即使进行二次热处理， 球墨铸铁的冲击功也无法满足标准要求。

因此， 对于厚壁高韧性球墨铸铁， 特别是要求低温（-20 ℃以下）冲击性能的铁素体球墨铸铁，必须使用高纯度原材料， 否则冲击性能无法满足标准要求。

常规型球墨铸铁已经广泛用于制造汽轮机低压内缸。国内已经采用新型铁素体型耐热铸铁代替CrMo 铸钢用于超超临界汽轮机中压外缸。同样， 可以采用新型铁素体型耐热铸铁代替CrMo 铸钢用于重型燃气轮机压气机排气侧缸体。

1.2 合金钢铸钢

压气机缸体用合金钢铸钢的蠕变持久强度如图1 所示。

图1 合金钢铸钢在不同温度下的蠕变持久强度与碳钢（GP240GP）和9Cr 钢（GX12CrMoVNbN9-1）铸钢的比较

从图1 可以看出， 合金钢铸钢具有优异的蠕变持久强度， 其中G17CrMo5-5 在400~500 ℃，蠕变持久强度高于G17CrMo9-10， 可以用到500 ℃，G17CrMo9-10 可以用到510 ℃， 而G17CrMoV5-10 可以用到550 ℃。如果排气缸的工作温度达到600 ℃， 就要采用9Cr 钢铸钢。

另外一个值得注意的问题是， 对于同一种材料， 比如G17CrMo9-10 和G17CrMoV5-10， 不同的标准， 其强度要求是不一样的， 如图2 所示。从图2 可以看出， 同一材料不同标准之间的强度要求差异是比较大的。这主要是与铸件截面尺寸和热处理工艺不同造成的。

图2 同一材料不同标准的强度要求

2 压气机叶片

常用压气机叶片材料及其性能见表3 和表4。

表3 常用压气机叶片材料[10]

表4 常用压气机叶片材料的力学性能[10-11]

从表4 可以看出，

1）压气机进气侧的动叶片材料的塑韧性要求非常高， 比如1、 2 级动叶用材料的冲击功要求超过100 J， FATT50 要求低于-50 ℃， 同时还要求很高的强度；

2）整体而言， 对于压气机动导叶片材料的塑韧性要求都非常高。

因此， 对于1、 2 级动叶， 必须采用沉淀强化型马氏体钢X5CrNiCuNb16-4。该类钢种含碳量极低， 含有较多的Cr、 Ni， 同时含有较多的Cu， 保证材料在淬火后形成低碳马氏体基体， 时效时在马氏体基体上形成细小弥散分布的强化相——富铜相， 使材料获得极高的强度。

X22CrMoWV12-1 是压气机排气侧叶片材料，具有优异的蠕变持久性能， 使用温度可达560 ℃，广泛用于燃气轮机和汽轮机高温叶片、 紧固件、阀芯等部件。

3 压气机轮盘

常用压气机轮盘材料的主要化学成分和杂质元素含量见表5 和表6。

表5 常用压气机轮盘材料主要化学成分含量[12-13] wt/%

表6 常用压气机轮盘材料杂质元素含量[12-13] wt%

从表5 和表6 可以看出， 目前重型燃气轮机轮盘普遍采用CrMoV 类似合金钢制造， 其化学成分具有以下特点：

1）杂质元素控制严格， 对于P、 S、 As、 Sn、Sb 等均有严格的上限控制；

2）29Cr2Ni4MoV 和26Cr2Ni4MoV 的J 参数（=（Si+Mn）·（P+Sn）·104）≤10， 达到超纯要求， 使其使用温度可以达到400 ℃以上；

3）以高Ni（超过3wt%）合金钢居多。

这是因为：

1）采用高纯原料炼钢， 同时采用真空钢包精炼或电渣重熔（ESR）工艺精炼， 保证钢水纯净；

2）采用超纯净钢使Ni4 钢用于400 ℃以上，可以充分满足压气机轮盘对于高韧性的要求；

3）Ni 元素可以显著提高CrMoV 类钢的韧性，大大提高轮盘的安全性。

常用压气机轮盘材料的力学性能见表7。从表7 可以看出：

表7 常用压气机轮盘材料的力学性能

1）这些材料主要分为两类：进气侧轮盘材料30Cr2Ni4MoV、 27Cr2Ni3MoV、 29Cr2Ni3MoV 等，排气侧轮盘材料30Cr1Mo1V、 30Cr2NiMo1V、29Cr2Ni4MoV、26Cr2Ni4MoV、13Cr10Mo1W1VNbN；

2） 排 气 侧 轮 盘 材 料 中29Cr2Ni4MoV 和26Cr2Ni4MoV 可用于400 ℃以上， 30Cr2NiMo1V可用于500 ℃以上， 13Cr10Mo1W1VNbN 可用于600 ℃；

3）无论是进气侧还是排气侧材料， 与汽轮机转子用材相比， 都要求具有极高的冲击韧性， 比如， 汽轮机转子用13Cr10Mo1W1VNbN 的FATT50仅要求不超过80 ℃， 30Cr2Ni4MoV 仅要求不超过-7 ℃。

由上述分析可知， 对于压气机轮盘材料， 从化学成分的设计到力学性能要求， 尤为重视的性能是材料的韧性。

4 重型燃气轮机压气机关键部件用材的特点

综上所述， 无论是压气机缸体， 还是压气机叶片和轮盘， 其用材与汽轮机部件有很多相同之处， 但是由于工况条件和部件尺寸的差异， 压气机部件用材的性能要求与汽轮机完全不同。其中，最大的不同点， 也是压气机关键部件用材的最大特点， 是压气机用材要求材料具有极高的韧性。

要实现材料的高韧性， 必须在每一步制造工艺环节采取措施， 具体如下：

1）冶炼方面：采用高纯原材料， 减少杂质元素含量；采用精炼工艺， 比如电渣重熔工艺等；

2）成型方面：锻造比必须充分， 确保使晶粒细化， 组织均匀；

3）热处理方面：淬火冷却速度必须快， 确保组织彻底转变， 回火温度尽量低， 保证碳化物以细小弥散方式析出。

5 总结

本文分析了重型燃气轮机压气机缸体、 叶片、轮盘等关键部件常用材料的种类、 化学成分、 力学性能等， 指出高韧性是其主要特点， 并给出了实现材料高韧性在制造工艺方面的措施， 为国内重型燃气轮机压气机关键部件用材的研发和应用提供了支持。

声明: 文章内容来源于《东方汽轮机》