燃氣輪機用高溫合金材料長時蠕變持久性能試驗方法研究

彭建強，馬雙偉，劉利強，馬新博

(1.哈爾濱汽輪機廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150046；2.長春機械科學(xué)研究院有限公司，吉林 長春 130103)

燃氣輪機用高溫合金材料長時蠕變持久性能試驗方法研究

彭建強1，馬雙偉2，劉利強2，馬新博1

(1.哈爾濱汽輪機廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150046；2.長春機械科學(xué)研究院有限公司，吉林 長春 130103)

摘要：簡述了耐高溫材料蠕變持久試驗機及試驗方法的發(fā)展歷程，分析了現(xiàn)有蠕變持久試驗機及試驗方法存在的不足。結(jié)合本次開發(fā)項目的試驗數(shù)據(jù)，給出了試驗溫度超過900℃的高溫合金材料長時蠕變持久試驗機及試驗方法的改進意見。

關(guān)鍵詞：蠕變持久試驗機；試驗方法；高溫合金

1前言

工業(yè)燃氣輪機與航空發(fā)動機一樣，高溫部件的工作溫度非常高。目前，世界最先進的J級工業(yè)燃氣輪機透平進氣參數(shù)已達1600℃[1]，這些部件均需要采用高溫合金材料制造。但是，工業(yè)燃氣輪機的高溫部件壽命要求超過100000h，遠高于航空發(fā)動機部件。因此，需要測試電站燃氣輪機用高溫合金材料的長時高溫蠕變持久性能，以保證機組能夠在高溫高應(yīng)力工況條件下安全可靠運行。然而，目前的高溫長時蠕變持久試驗機及相關(guān)的試驗方法等均為汽輪機用耐熱鋼材料設(shè)計，額定試驗溫度均不超過900℃。因此，為了滿足燃氣輪機用高溫合金材料高溫長時蠕變持久性能測試要求，需要對現(xiàn)有成熟的蠕變持久設(shè)備及試驗方法進行改進。

本文在分析耐高溫材料蠕變持久性能測試發(fā)展歷程、現(xiàn)有蠕變持久試驗設(shè)備及試驗方法不足基礎(chǔ)上，結(jié)合本項目的試驗數(shù)據(jù)，提出試驗溫度超過900℃高溫合金材料的蠕變持久試驗設(shè)備及試驗方法的改進意見。

2耐高溫材料蠕變持久試驗機及試驗方法發(fā)展歷程

日本在耐高溫材料蠕變持久試驗機研發(fā)及試驗方法制定方面做了大量的工作。在1953年、1954年，芥川武[2-3]等以可以進行到10000h的試驗為目標(biāo)，制造了放大電路的電子管式自動溫度調(diào)節(jié)器和單相感應(yīng)自動電壓調(diào)整器的立式拉桿蠕變試驗機。1954年，長谷川太郎等[4]以可以穩(wěn)定運轉(zhuǎn)多臺試驗機為目標(biāo)，制造了帶有磁放大器方式或電子管方式的自動溫度調(diào)節(jié)器和感應(yīng)調(diào)整器的蠕變持久試驗機。

日本于1956年制定了蠕變持久試驗機日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JIS)。但是，隨著試驗機構(gòu)、對象(材料)的急劇增加，試驗數(shù)據(jù)的分散性變大。為了降低數(shù)據(jù)的分散性，對試驗方法進行了探討[5]，研究了蠕變持久數(shù)據(jù)的分散性和試樣的尺寸效應(yīng)，以及不同試驗機構(gòu)由于試樣尺寸不同而導(dǎo)致的蠕變試驗數(shù)據(jù)的分散性等問題，發(fā)現(xiàn)隨著延伸載荷的變化，得到的結(jié)果與杠桿式單式試驗機沒有區(qū)別。彈簧式臥式組合蠕變持久試驗機在瑞士等國使用非常廣泛，其價格便宜，設(shè)置面積小，溫度分布均勻并且可裝很多試樣，藤田推薦將此試驗機作為進行長時蠕變持久試驗時使用的試驗機。1969年，木下詳細探討了彈簧式復(fù)式蠕變持久試驗機的溫度分布、載荷變動、破壞因素的影響等，并與杠桿式試驗機進行比較，發(fā)現(xiàn)其載荷精度差一些，但溫度精度高，綜合評價是試驗精度相當(dāng)。后來，彈簧型組合式蠕變持久試驗機又裝上了相應(yīng)于延伸自動調(diào)整載荷的裝置，在日本主要用于長時試驗，該機使用的數(shù)量相當(dāng)多。

3試驗方法

目前，國內(nèi)外的蠕變持久試驗方法有：

(1)ASTM E292 材料缺口拉伸持久試驗方法(Standard Test Methods for Conducting Time-for-Rupture Notch Tension Tests of Materials)；

(2)ASTM E139金屬材料蠕變、持久試驗方法(Standard Test Methods for Conducting Creep,Creep-Rupture,and Stress-Rupture Tests of Metallic Materials)；

(3)JIS Z2271 金屬材料蠕變和持久試驗方法(Method of creep and creep rupture test for metallic materials)；

(4)EN 10291 金屬材料 單軸拉伸蠕變試驗方法(metallic material——uniaxial creep testing in tension——methods of test)；

(5)GB/T2039-2012 金屬材料 單軸拉伸蠕變試驗方法(metallic material——uniaxial creep testing in tension)。

4熱電偶

目前，蠕變持久試驗機溫度測量普遍采用熱電偶。對于高溫長時試驗，熱電偶存在劣化和漂移問題。

4.1熱電偶的劣化

在長時蠕變試驗中，對溫度精度具有很大影響的因素是熱電偶劣化。伊藤等在1986年、門馬等在1989年，對此問題進行了探討，發(fā)現(xiàn)到10000h熱電偶劣化緩慢下來，之后急劇劣化，原因是由于氧化物的生成。此外，在1000℃以上，蒸發(fā)也是熱電偶劣化的一個重要原因。日本JIS標(biāo)準(zhǔn)Z 2271給出了不同試驗溫度不同時間后熱電偶的劣化情況，如圖1所示。從圖1可以看出，試驗溫度越高，試驗時間越長，熱電偶劣化越嚴(yán)重。

圖1　熱電偶在不同試驗溫度下隨時間劣化情況

4.2熱電偶的穩(wěn)定性

對于高溫長時試驗，標(biāo)準(zhǔn)沒有規(guī)定不允許使用廉金屬熱電偶(即使是ASTM E139標(biāo)準(zhǔn)，也只是規(guī)定不得重復(fù)使用)，但此類熱電偶長期使用過程中的漂移問題是不容忽視的。對于廉金屬熱電偶的選用，需要指出的是，文獻報道N型熱電偶熱電穩(wěn)定性比廣泛使用的K型熱電偶要好得多(見表1)[8]，甚至可以部分替代鉑銠-鉑熱電偶，高溫蠕變及持久試驗或許有可能也采用N型熱電偶。

GB/T 2039標(biāo)準(zhǔn)要求熱電偶滿足Ⅱ級要求，這樣對于廉金屬來說是±2.5K或±0.75%，貴金屬熱電偶是±1.5K或±0.25%。顯然，如果用Ⅱ級廉金屬熱電偶，溫度偏差就不容易滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。除GB/T 2039標(biāo)準(zhǔn)對測(控)溫儀器的定期檢定未有明確規(guī)定外，各標(biāo)準(zhǔn)對熱電偶和測(控)溫儀器的定期檢定都作了規(guī)定。對于熱電偶的安裝，各標(biāo)準(zhǔn)均要求熱電偶工作端(接點)與試樣表面緊密接觸，并且屏蔽熱輻射。

表1　N型和K型熱電偶溫度漂移比較

4.3熱電偶使用導(dǎo)則

目前，蠕變持久試驗機導(dǎo)則標(biāo)準(zhǔn)僅有ASTM E633大氣中試驗溫度達1000℃的蠕變持久試驗用熱電偶使用導(dǎo)則(Guide for Use of Thermocouples in Creep and Stress Rupture Testing to 1800℉(1000°C) in Air)。

在JJG 141和JJG 351中，給出相關(guān)不同類型熱電偶的資料，GB/T4989給出了熱電偶補償導(dǎo)線的信息。

對于使用的貴金屬熱電偶，擇優(yōu)使用S或R型熱電偶，建議使用溫度大于等于400℃。

對于廉價的K型熱電偶，宜在低于400℃溫度下使用，或者高溫下、時間小于1000h的情況下使用，并且不宜重復(fù)使用。對于廉價的N型熱電偶，宜在低于600℃溫度下使用，或者高溫下、時間小于3000h的情況下使用，并且不宜重復(fù)使用。

熱電偶在校準(zhǔn)周期內(nèi)的溫度漂移不宜超過以下要求：(1)當(dāng)溫度小于等于600℃時為±1℃；(2)當(dāng)溫度大于600℃、小于等于800℃時為±1.5℃；(3)當(dāng)溫度大于800℃、小于等于1100℃時為±2℃。

對于貴金屬熱電偶，在以下校準(zhǔn)周期內(nèi)這些要求通常可以滿足：(1)當(dāng)溫度小于等于600℃時為4年；(2)當(dāng)溫度大于600℃、小于等于800℃時為2年；當(dāng)溫度大于800℃、小于等于1100℃時為1年。

5溫度控制要求

溫度偏差對試驗結(jié)果有重大影響，標(biāo)準(zhǔn)中對于溫度偏差的要求直接影響溫度控制和測量兩方面的要求。一般來說，溫度偏差是指實測溫度與名義試驗溫度的差值，也就是從試樣測量點到儀表輸出整個過程所涉及到的各種偏差的總和，表2中所指溫度偏差均同此定義。從表2給出的結(jié)果來看，ASTM E292標(biāo)準(zhǔn)對溫度偏差的要求最高，JIS Z2271和ISO 204的要求基本相當(dāng)，而GB/T 2039、EN10291和ECCC要求相對較低。

表2　蠕變持久試驗溫度控制要求

6目前高溫蠕變持久試驗機及試驗方法存在的問題

目前，現(xiàn)有的高溫蠕變持久試驗機及試驗方法存在以下問題：

(1)除歐洲ECCC外，國內(nèi)外蠕變持久試驗方法均未明確給出試驗溫度在1100℃以上的溫度偏差要求；

(2)除美國ASTM E633外，國內(nèi)外均未給出蠕變持久試驗熱電偶使用導(dǎo)則，而E633標(biāo)準(zhǔn)也僅給出了試驗溫度達1000℃的熱電偶使用導(dǎo)則；

(3)對于熱電偶劣化問題，僅日本JIS Z2271給出了不同試驗溫度下熱電偶的劣化情況，而最高試驗溫度也僅到900℃。

7本項目試驗裝置的參數(shù)及試驗數(shù)據(jù)

7.1試驗裝置的技術(shù)參數(shù)

高溫真空可充氣環(huán)境蠕變疲勞試驗裝置主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3　試驗裝置主要技術(shù)參數(shù)

7.2試驗裝置的整體控制系統(tǒng)

高溫真空可充氣環(huán)境蠕變疲勞試驗裝置控制系統(tǒng)由觸摸屏、PLC、電流電壓監(jiān)測元件以及壓力監(jiān)測裝置等構(gòu)成。溫度采集使用B型熱電偶，溫度控制儀表采用宇電AI808智能溫控表，0.1級，巡檢表為AI706M，0.1級，其控制系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

圖2　高溫真空可充氣環(huán)境蠕變疲勞試驗裝置控制系統(tǒng)原理框圖

7.3試驗數(shù)據(jù)

試驗數(shù)據(jù)如表4所示，本數(shù)據(jù)是單獨對試驗裝置的溫度進行檢驗時記錄。由試驗數(shù)據(jù)可以看出，本設(shè)備的溫度控制波動度不僅可以滿足國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的要求，而且大大優(yōu)于國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的要求。但是，由于采用單段電磁感應(yīng)加熱，溫度梯度比較差強人意。

表4　試驗數(shù)據(jù)

8總結(jié)

隨著燃氣輪機用高溫合金材料蠕變持久性能的不斷提高，對其蠕變持久性能測試也提出了更高的要求。本文簡述了耐熱材料蠕變持久試驗機及試驗方法的發(fā)展歷程，分析了目前蠕變持久試驗機及試驗方法存在的問題，結(jié)合本次開發(fā)項目所得到的試驗數(shù)據(jù)，給出國內(nèi)蠕變持久試驗機及試驗方法改進意見，如下：

(1)深入研究熱電偶在不同試驗溫度下的劣化問題，比如更高溫度、更多規(guī)格的熱電偶、更長使用時間等，并在試驗方法標(biāo)準(zhǔn)中給出，同時修訂高溫下蠕變持久試驗用熱電偶使用導(dǎo)則標(biāo)準(zhǔn)。

(2)進一步研究避免高溫下蠕變試驗用熱電偶漂移問題出現(xiàn)的措施，比如不允許使用廉金屬熱電偶、增加涂層、采用惰性氣體保護等。

(3)通過本次試驗數(shù)據(jù)，為進一步完善蠕變持久試驗方法中，溫度超過1100℃試驗的溫度控制要求，提供了數(shù)據(jù)支持。.

參考文獻

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Study on Test Methods for Creep Performance of High Temperature Alloy Materials of Gas Turbine

Peng Jianqiang1,Ma Shuangwei2,Liu Liqiang2,Ma Xinbo1

(1.Harbin Steam Turbine Factory Co.,Ltd.Harbin 150046,Heilongjiang,China; 2.Changchun Research Institute for Mechanical Science Co.,Ltd.Changchun 130103,Jilin,China)

Abstract：The development process of high temperature creep testing machine and test method is introduced in the paper,and the deficiencies of the current creep testing machine and test method are analyzed.According to the experimental data of the development project,the improvement suggestions for creep testing machine and the test method are proposed when the test temperature of alloy materials is more than 900℃.

Keywords:creep testing machine;test method;high temperature alloy

[收稿日期]2016-02-18

[作者簡介]彭建強(1980—)，男，工程師，主要從事燃氣輪機和汽輪機材料研發(fā)和應(yīng)用工作。

[基金項目]國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(2012YQ22023304)。

中圖分類號：TH87

文獻標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1674-3407.2016.01.019