汽輪機(jī)汽封片材料選用分析

1、汽輪機(jī)汽封片材料選用分析 杭 州汽輪機(jī)股份有 限公 司趙小 董 金長 生 何 成 摘要 ：本文從金屬材料學(xué)方面對汽封 片用不銹鋼進(jìn) 行了對 比分析 ，結(jié)合 國外 先進(jìn)企 業(yè)的實(shí) 際 情況 ，探討 了多種奧 氏體不銹鋼 和馬氏體不銹鋼的優(yōu)缺點(diǎn) ，對 汽封片材料的選擇提出一定的見解。關(guān)鍵詞 ：汽封 片 ；奧 氏體不銹鋼 ；敏化溫度 ；馬 氏體不銹鋼 1前 言 為了避 免 汽輪 機(jī)動 、靜部 件之 間 的碰擦 ，在汽 機(jī) 的設(shè)計 中都會 考

2、慮動 靜 問 留有適 當(dāng)?shù)膯?隙 。這 些 間隙 的存 在 又必 然產(chǎn) 生漏 汽使 汽機(jī) 效 率 降低 。為 了解 決這 一 問題 ， 沒計 人 員選擇 在 汽 輪機(jī) 動靜 部件 之 間 的間 隙處 安裝 密封 齒 裝 置 ，該 裝 置 由汽封 片 和方 鋼組 合 而成 ，鑲 嵌到轉(zhuǎn) 子或汽封體上的相應(yīng)的槽 內(nèi)¨。在汽機(jī) 的運(yùn)行過程 中，汽封 片不但要承受蒸 汽壓力 ，還要 接 受 高溫蠕 變 、腐 蝕 等考 驗(yàn) ，而 汽封

3、片 自身 又 比較 薄 ( 一般 在 0 ． 2 5 r a m 左 右 ) ，因此 汽封 片 的材 質(zhì)選 用 至關(guān) 重要 。若 材 料選 用 不 當(dāng)極 易 導(dǎo)致 汽封 片 過早 損壞 ，使 汽 輪 機(jī)在 運(yùn)行 時 的汽 牦 增 加 ，而 平衡 活 塞 的汽封 片損壞 還 可能 導(dǎo)致 轉(zhuǎn)子 軸 向力平 衡 受到 影 響 ，造 成嚴(yán) 砸后 果 。工業(yè) 汽輪 機(jī) 的汽 封 片一 直 以來 均采用 1 C r l 8 N i 9 T i ，未

4、發(fā) 現(xiàn) 有 明顯 的 問題 。但 隨 著高 溫 島 壓機(jī)組的增多，汽封片故 障 日 益頻繁 ，多次出現(xiàn) 了崩裂 等事故 ( 見 圖 1 ) 。經(jīng)我們 長期 的觀 察 ，有不 少 汽輪 機(jī) 的汽封 片腐蝕 得 比較 厲 害 ，而且 汽輪 機(jī) 的實(shí) 際運(yùn) 行 時問 不 ，大多 只彳 『 ·年 ，甚 至有 的 只有 幾個 月 。為避 免 在 以后生 產(chǎn) 的汽 輪機(jī) 中繼 續(xù) 出現(xiàn) 該類 問題 ，本 文從 金屬 材 料學(xué) 的角度 出發(fā)

5、 ，對用 于 汽封 片 的各種 不銹 鋼 進(jìn)行 了探 討 ，結(jié)合 國外 同類 型 機(jī)組 汽封 片材 料 的分 析 ，對 汽封 片 材料 的選 擇 提 出一定 的見解 。· 3 2 ·圖 1損 壞 的汽 封 片 我 國使 用非 常廣 泛 ，其最 大 特 點(diǎn) 是 含 T i 。這 是 因 為不 銹 鋼 的耐 腐 蝕 能 力 主要 依 靠 c r 元 索 ，但 C和 c r 的親和 力很 大 ，極 易與不 銹 鋼 中的 c

6、 r 結(jié)合 形成 碳化 物 ，C含 量 越高 ，被結(jié)合 的 ( ： t ’也越 多 ，從 而影 響 不銹鋼 的耐腐蝕 能 力 。而 r r i 是強(qiáng) 烈形 成碳 化 物 的元 素 ， 比 c r 更 容 易形 成 碳化 物 ，通 過添 加 T i 可 以使不 銹 鋼 中 的 C盡 可 能 的 與 T i 結(jié)合 ，保 證 c r 能 盡 量 穩(wěn) 定 的存 于固溶體中 ，提高耐腐蝕性能。但 同時 ，由于 T i 是形成鐵素體的元素 ，可能會

7、使奧氏體鋼 產(chǎn)生 少許 鐵素 體 ，有形 成 盯相 的 可能 ，引起 脆 性 ¨，故 需 嚴(yán) 格 限制 鈦 的含 量 ，當(dāng) 鈦 的含 量 嚴(yán)格 控制 在 限量范 圍內(nèi)可 有效 避免鐵 素 體 的產(chǎn) 生 。隨著 冶煉 技術(shù) 的提高 ，人 們可 以在 冶煉過 程 中更 好 的減小碳 的含 量 ，根據(jù) 對 不銹 鋼耐腐 蝕性 能 的需求 ，市 面 上 出現(xiàn) 了越 來 越 多 低 碳 和超 低 碳 的新 型 鋼 種 。 而 1 C r

8、 l 8 N i 9 T i 由于 其碳 含 量較 高而 逐漸 不再 使用 ，1 9 9 4年版 的 G B 1 2 2 0 《 不 銹 鋼棒 》 中 即注 明 “ 此牌 號 除專 剛 外 ，一 般 情況 不 推薦使 用 ” ，新 版本 的不 銹 鋼 國標(biāo) 中則 直接 取 消 了 1 C r l 8 N i 9 T i 等 國 際上 已淘 汰的 材 料牌號 。與此同時 ， 0 6 C r i 9 N i l 0 ( 國外牌號 3 0 4

9、 ，化學(xué)成分見表 1 )則 由于其 良好 的耐腐蝕性能 和力學(xué)性能得到了廣泛的應(yīng)用 。該類不銹鋼為 目前使用最為廣泛 的奧 氏體不銹鋼。山于 C含量較 低 ，即使 不 加 T i 元 素也 可 達(dá) 到 良好 的耐 腐 蝕 性 能 ，有 效 的 降低 了其 出現(xiàn) 脆 性 的 可能 性并且 控制 了成 本 。但 0 6 C r l 9 N i l 0不 適 合 在 高 溫 下 服 役 ，若 服 役 環(huán)境 在 敏 化 溫 度 范 Ⅲ 內(nèi) ，仍

10、 會 出現(xiàn) 明顯 的晶 問腐蝕 。因 此人 們 通 過 添 加 T i 來 改 良其 高 溫 耐 蝕 性 能 ，即 0 6 C r l 8 N i l1 T i( 國外 牌號 3 2 1 ，化 學(xué)成 分 見表 1 ) 。T i 元 素 的存 在有 效 緩 解 了高 溫 服 役 時 的 品 問 貧 鉻 現(xiàn)象 ，使其 在敏化 溫度 服 役 時也不 易 出現(xiàn) 晶問腐 蝕 。表 1常見 奧 氏體不 銹鋼 的化 學(xué) 成分 質(zhì) 量分 數(shù) 為％牌

11、號 CS iMnPSN iC rT i1C r l 8 N i 9 T i≤O ． 1 2≤ 1 ． O 0≤2 ． 0 0≤0 ． O 3 5≤0 ． 0 3 08 ． 0 O～l 1 ． O Ol 7 ． 0 0～l 9 ． O 05 ( C一0 ． 0 2 ) ～0 ． 8 0O 6 C r l 9 N i l O≤ O ． 0 8≤ 1 ． O 0≤ 2 ． 0 O≤ 0 ． 0 4 5≤ 0 ． 0 3 08 ． 0 O ～

12、 1 1 ． 0 01 8 ． 0 O ～2 0 ． 0 0O 6 Cr l 8 N n 1T i≤ O ． O 8≤ 1 ． 0 0≤ 2 ． 0 0≤ 0 ． 0 4 5≤ 0 ． 0 3 09 ． 0 0 ～ 1 2 ． 0 01 7 ． O 0 ～ l 9 ． O 05 C ～0 ， 7 0但 無論 如何 改進(jìn) ，敏 化 溫度 的存 在 仍 然 制 約 了 奧 氏體 不 銹 鋼 的適 用 范 圍 ，對 _ r長j5 0 0

13、％以上的環(huán)境服役的汽輪機(jī)汽封片 ，不存在敏化溫度范圍的馬氏體不銹鋼可能是更好的選 擇 。因此 對 國外先 進(jìn)公 司同類 型汽 輪機(jī) 進(jìn)行 了詳 細(xì) 的考察 ，發(fā) 現(xiàn) 他們 的 汽輪 機(jī)在 川 r卜后 ，其汽封 片仍 然 完好 如初 。為此我 們對 一些 國外 先進(jìn) 公 司汽 輪機(jī) 的 汽封 片樣 本進(jìn) 行 了 系 列 的檢驗(yàn) ，其 化學(xué) 成分 見表 2 ，金 相組 織為 回火 索 氏體 ，硬度 為 2 8 6～3 0 0 ( } I V

14、) 。表 2表 2馬 氏體 不銹 鋼 汽封 片的化 學(xué) 成分 對 比 質(zhì) 量分?jǐn)?shù) 為％ 牌號 CS iMnPSN iC rMOV國外 汽 封 片樣 品 O ． 1 90 ． 4 00 ． 3 3O ． O l 80 ． O l 5O ． 3 61 2 ． 3 71 ． 0 70 ． 0 6 9X2 OCr M 0 130 ．1 7 ～0． 2 2≤ 1 ． O 0≤ 1 ． 0 O≤ 0 ． 04 0≤ 0． Ol 5≤ 1 ．

15、0 O1 2． OO ～ l 4． 000． 9 0 ～ 1 ． 3 O可 以看 出 ，國外 汽輪 機(jī) 汽封 片采用 的材料 為 典 型 的馬 氏體 不 銹鋼 ，從 化 學(xué) 成分 上 米 祈 ，材料 牌號 為 X 2 0 C r Mo l 3 ( 德 國牌號 ，化 學(xué)成 分 見表 2 ) 。該 類 鋼 強(qiáng) 度 較奧 氏體 不 銹 鋼 { I I l 并 的提 高 ，同時在 高 溫下 有著 良好 的耐 腐蝕 性能 ，這 也是 國外 汽 輪