10Cr轉(zhuǎn)子鋼的低周疲勞特性試驗(yàn)研究

楊百勛， 田 曉， 李 楊， 丁玲玲， 王梅英， 肖國(guó)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(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040)

汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子長(zhǎng)期在高溫、高速旋轉(zhuǎn)條件下服役，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，轉(zhuǎn)子材料會(huì)出現(xiàn)蠕變損傷、微觀組織老化等現(xiàn)象，而微觀組織老化會(huì)導(dǎo)致材料力學(xué)性能劣化，強(qiáng)度、塑性和韌性下降，脆性增加.機(jī)組頻繁啟停產(chǎn)生的熱應(yīng)力會(huì)引起轉(zhuǎn)子的低周疲勞損傷，可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子開(kāi)裂，甚至?xí)霈F(xiàn)事故，這對(duì)參與調(diào)峰運(yùn)行的機(jī)組來(lái)說(shuō)更為嚴(yán)重.因此，研究汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子材料的低周疲勞特性具有重要的技術(shù)意義和工程應(yīng)用價(jià)值，為機(jī)組的安全狀態(tài)評(píng)估、壽命評(píng)估、狀態(tài)檢修、部件維修和更換提供了技術(shù)依據(jù).

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(jī)組汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子.2009年前，國(guó)內(nèi)超超臨界機(jī)組10Cr汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子均采用國(guó)外轉(zhuǎn)子鋼；2009年后，國(guó)內(nèi)新建的超超臨界機(jī)組相繼采用了國(guó)產(chǎn)10Cr鋼.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子鋼的低周疲勞特性進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究[1-5]，筆者對(duì)國(guó)產(chǎn)轉(zhuǎn)子鋼14Cr10NiMoWVNbN和國(guó)外同種轉(zhuǎn)子鋼TOS107的低周疲勞特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究.

1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分、金相組織及常規(guī)力學(xué)性能

1.1 化學(xué)成分

國(guó)產(chǎn)和國(guó)外轉(zhuǎn)子鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表1.由表1可知，試驗(yàn)材料的化學(xué)成分滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求.

表1 國(guó)產(chǎn)和國(guó)外轉(zhuǎn)子鋼的化學(xué)成分

1.2 轉(zhuǎn)子鋼的熱處理與微觀組織

10Cr轉(zhuǎn)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(jī)組汽輪機(jī)用高中壓轉(zhuǎn)子鍛件技術(shù)條件》中規(guī)定第1次回火溫度為570±10 ℃，第2次回火溫度應(yīng)不低于650 ℃，而西門子公司TLV9258中規(guī)定第2次回火溫度應(yīng)不低于700 ℃.

圖1給出了轉(zhuǎn)子鋼材料的金相組織.由圖1可知，國(guó)產(chǎn)和國(guó)外轉(zhuǎn)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(duì)轉(zhuǎn)子鋼進(jìn)行了二次電子(SE)和背散射電子(BSE)觀察，發(fā)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)轉(zhuǎn)子鋼中有隨機(jī)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(guó)產(chǎn)轉(zhuǎn)子鋼出現(xiàn)富Nb相的原因可能是在冶煉轉(zhuǎn)子鋼時(shí)有未完全溶解的含Nb化合物，國(guó)外轉(zhuǎn)子鋼中未發(fā)現(xiàn)此類富Nb相.

1.3 拉伸性能

表2給出了在室溫、600 ℃下國(guó)產(chǎn)和國(guó)外轉(zhuǎn)子鋼拉伸性能的試驗(yàn)結(jié)果.由表2可知，在室溫下國(guó)產(chǎn)和國(guó)外轉(zhuǎn)子鋼的拉伸性能均滿足JB/T 11019—2010的要求；室溫、600 ℃下國(guó)產(chǎn)和國(guó)外轉(zhuǎn)子鋼的拉伸強(qiáng)度基本相當(dāng)，抗拉強(qiáng)度處于下限邊緣或略低于下限；600 ℃下國(guó)產(chǎn)鋼的拉伸延伸率略低于國(guó)外鍛件.

(a)國(guó)外轉(zhuǎn)子鋼

(b)國(guó)產(chǎn)轉(zhuǎn)子鋼

圖1 國(guó)產(chǎn)和國(guó)外轉(zhuǎn)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(guó)外轉(zhuǎn)子鋼

(b)國(guó)產(chǎn)轉(zhuǎn)子鋼

表2 國(guó)產(chǎn)和國(guó)外轉(zhuǎn)子鋼的拉伸試驗(yàn)結(jié)果1)

注：1) 拉伸試驗(yàn)數(shù)值為3個(gè)試樣的平均值； 2)Rp0.2表示屈服強(qiáng)度；3)Rm表示抗拉強(qiáng)度；4)A表示延伸率.

2 轉(zhuǎn)子鋼的低周疲勞特性

如圖3所示，沿轉(zhuǎn)子鋼切向取樣制備低周疲勞試樣，依據(jù)GB/T 15248—2008 《金屬材料軸向等幅低循環(huán)疲勞試驗(yàn)方法》，在室溫、593 ℃下進(jìn)行低周疲勞試驗(yàn).試驗(yàn)在MTS-810試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加載波形為三角波，軸向?yàn)閼?yīng)變控制，應(yīng)變比為-1，恒應(yīng)變速率為0.008 s-1，試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)采集由計(jì)算機(jī)完成.試樣失效定義為載荷下降到穩(wěn)定循環(huán)滯后環(huán)應(yīng)力的50%.選取最大循環(huán)峰值拉伸應(yīng)力σmax下降至50%時(shí)的循環(huán)次數(shù)作為失效循環(huán)數(shù)Nf.

2.1 循環(huán)特性與循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變特性

金屬的低周疲勞通常為應(yīng)變控制.在應(yīng)變控制下，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，峰值應(yīng)力逐漸減小，稱為循環(huán)軟化；隨著循環(huán)次數(shù)的增加，峰值應(yīng)力逐漸增大，稱為循環(huán)硬化.通常情況下，金屬材料的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度的比值Rm/Rp0.2小于1.2時(shí)，稱為循環(huán)軟化；Rm/Rp0.2大于1.4時(shí)，稱為循環(huán)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(xiàn)為循環(huán)軟化.圖4給出了室溫下國(guó)產(chǎn)轉(zhuǎn)子的低周疲勞遲滯回線.由圖4可知，在應(yīng)變控制模式下進(jìn)行低周疲勞試驗(yàn)，峰值應(yīng)力幅隨著循環(huán)次數(shù)的增加逐漸減小，表現(xiàn)為循環(huán)軟化.

在應(yīng)變控制的低周疲勞試驗(yàn)中，峰值應(yīng)力趨于穩(wěn)定的循環(huán)稱為穩(wěn)定循環(huán).金屬材料穩(wěn)定循環(huán)下塑性應(yīng)變與應(yīng)力的關(guān)系為[7-8]：

(1)

式中：K′為循環(huán)強(qiáng)度系數(shù)，表示材料產(chǎn)生單位循環(huán)塑性變形時(shí)的真實(shí)應(yīng)力；n′為循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)，表示材料產(chǎn)生塑性變形的能力；Δσ/2為應(yīng)力幅；Δεp/2為塑性應(yīng)變幅.

根據(jù)最小二乘法擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲得室溫、593℃下國(guó)產(chǎn)和國(guó)外轉(zhuǎn)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(guó)產(chǎn)轉(zhuǎn)子鋼的低周疲勞遲滯回線

表3 室溫、593 ℃下國(guó)產(chǎn)和國(guó)外轉(zhuǎn)子鋼的K′值和n′值

在循環(huán)條件下轉(zhuǎn)子鋼的應(yīng)力-應(yīng)變函數(shù)[9]為：

(2)

式中：Δε/2為應(yīng)變幅；E為彈性模量.

圖5給出了室溫、593 ℃下國(guó)產(chǎn)和國(guó)外轉(zhuǎn)子鋼的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線.由圖5可知，室溫、593 ℃下國(guó)外轉(zhuǎn)子鋼的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線均高于國(guó)產(chǎn)轉(zhuǎn)子鋼.

圖5 室溫、593 ℃下國(guó)產(chǎn)和國(guó)外轉(zhuǎn)子鋼的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2 循環(huán)應(yīng)變-壽命

金屬材料的低周疲勞應(yīng)變-壽命關(guān)系可用Masson-Coffin公式來(lái)描述[9]：

(3)

(4)

(5)

表4 室溫、593 ℃下國(guó)產(chǎn)和國(guó)外轉(zhuǎn)子鋼的、b、和c值

圖6給出了室溫、593 ℃下國(guó)產(chǎn)和國(guó)外轉(zhuǎn)子鋼的低周疲勞應(yīng)變-壽命曲線.由圖6可知，室溫及593 ℃下國(guó)產(chǎn)轉(zhuǎn)子鋼的低周疲勞壽命均略低于國(guó)外轉(zhuǎn)子鋼.

(a)室溫

2.3 14Cr10NiMoWVNbN鋼的疲勞設(shè)計(jì)曲線

工程中估算汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的低周疲勞壽命時(shí)通常采用應(yīng)力作為依據(jù).利用轉(zhuǎn)子材料的虛擬應(yīng)力-壽命關(guān)系曲線可估算轉(zhuǎn)子的疲勞壽命，確定機(jī)組最佳啟停、運(yùn)行模式，對(duì)超超臨界汽輪機(jī)的安全運(yùn)行監(jiān)督具有重要的技術(shù)意義和工程應(yīng)用價(jià)值.

張康達(dá)[10]詳細(xì)介紹了美國(guó)ASME和英國(guó)BS 5500規(guī)范中關(guān)于壓力容器疲勞設(shè)計(jì)曲線(虛擬應(yīng)力-壽命)的獲取方法，即先將應(yīng)變-壽命曲線轉(zhuǎn)換為虛擬應(yīng)力-壽命曲線，虛擬應(yīng)力Sa實(shí)質(zhì)上就是當(dāng)量彈性應(yīng)力，可表示為：

(6)

考慮到轉(zhuǎn)子的服役溫度以及593 ℃下國(guó)產(chǎn)轉(zhuǎn)子鋼低周疲勞壽命低于國(guó)外轉(zhuǎn)子鋼，故可依據(jù)593 ℃下國(guó)產(chǎn)轉(zhuǎn)子鋼的應(yīng)變-壽命曲線確定虛擬應(yīng)力-壽命曲線.

根據(jù)式(5)和表4的相關(guān)參數(shù)，取593 ℃下轉(zhuǎn)子鋼的彈性模量為1.9×105MPa，得到593 ℃下國(guó)產(chǎn)轉(zhuǎn)子鋼的應(yīng)變-壽命關(guān)系：

εt=0.004 433×(2Nf)-0.087 19+

1.088 1×(2Nf)-0.797 3

(7)

則虛擬應(yīng)力Sa為：

Sa=842.27×(2Nf)-0.087 19+

206 739×(2Nf)-0.797 3

(8)

在美國(guó)ASME和英國(guó)BS 5500規(guī)范中，虛擬應(yīng)力的安全系數(shù)分別取2.0和2.2，循環(huán)壽命的安全系數(shù)分別取20和15，將取系數(shù)后的曲線下限平滑連接，即為疲勞設(shè)計(jì)曲線.圖7是按照美國(guó)的ASME規(guī)范獲得的10Cr轉(zhuǎn)子鋼疲勞設(shè)計(jì)曲線.

圖7 按美國(guó)ASME規(guī)范獲得的10Cr轉(zhuǎn)子鋼疲勞設(shè)計(jì)曲線

圖8給出了按美國(guó)ASME和英國(guó)BS 5500規(guī)范獲得的疲勞設(shè)計(jì)曲線.由圖8可知，循環(huán)反向次數(shù)小于103時(shí)，按美國(guó)ASME規(guī)范獲得的曲線略低；循環(huán)反向次數(shù)大于103時(shí)，按英國(guó)BS 5500規(guī)范獲得到曲線略低.總體看來(lái)，按2個(gè)規(guī)范獲得的疲勞設(shè)計(jì)曲線差異很小，因此該曲線可用于估算10Cr轉(zhuǎn)子鋼的疲勞壽命.

圖8 按美國(guó)ASME和英國(guó)BS 5500規(guī)范獲得的疲勞設(shè)計(jì)曲線

一旦確定了轉(zhuǎn)子鋼的疲勞設(shè)計(jì)曲線，即可根據(jù)服役轉(zhuǎn)子危險(xiǎn)部位的最大應(yīng)力確定相應(yīng)的允許循環(huán)數(shù)，即轉(zhuǎn)子的疲勞壽命.若事先規(guī)定壽命(應(yīng)達(dá)到的循環(huán)數(shù)), 則可根據(jù)疲勞設(shè)計(jì)曲線確定允許的最大應(yīng)力，進(jìn)而得到機(jī)組啟停過(guò)程中允許的溫升量和溫升率，優(yōu)化運(yùn)行模式，形成對(duì)轉(zhuǎn)子疲勞壽命的科學(xué)管理.

3 結(jié) 論

(1)與國(guó)外轉(zhuǎn)子鋼相比，試驗(yàn)用國(guó)產(chǎn)轉(zhuǎn)子鋼的拉伸強(qiáng)度與其相當(dāng)，但低周疲勞強(qiáng)度略低.

(2)根據(jù)593 ℃下國(guó)產(chǎn)轉(zhuǎn)子鋼低周疲勞的試驗(yàn)結(jié)果，按美國(guó)ASME和英國(guó)BS 5500規(guī)范處理得到14Cr10NiMoWVNbN鋼的疲勞設(shè)計(jì)曲線，該曲線可用于估算10Cr鋼轉(zhuǎn)子的疲勞壽命.

[1] 呂方明. 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子低周疲勞壽命評(píng)價(jià)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題研究[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2014.

[2] 周紅偉. 超(超)臨界機(jī)組用鋼的高溫低周疲勞行為研究[D]. 南京: 東南大學(xué), 2015.

[3] 吳海利, 朱月梅, 賈國(guó)慶. X12CrMoWVNbN10-1-1轉(zhuǎn)子鋼室溫低周疲勞特性[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 33(7): 841-845.

WU Haili, ZHU Yuemei, JIA Guoqing. Low cycle fatigue behaviors of X12CrMoWVNbN10-1-1 steel for rotors at room temperature[J].JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing, 2011, 33(7): 841-845.

[4] 呂方明, 王坤, 黃樹(shù)紅, 等. 國(guó)產(chǎn)超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鋼低周疲勞特性的試驗(yàn)研究[J].動(dòng)力工程學(xué)報(bào), 2013, 33(8): 653-658.

Lü Fangming, WANG Kun, HUANG Shuhong, et al. Experimental study on low-cycle fatigue properties of domestic supercritical turbine rotor steels[J].JournalofChineseSocietyofPowerEngineering, 2013, 33(8): 653-658.

[5] 周新靈, 田宇, 李海霞, 等. 超超臨界汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子鋼高溫低周疲勞性能研究[J].機(jī)械工程師, 2013(7): 51-53.

ZHOU Xinling, TIAN Yu, LI Haixia, et al. Study on the high temperature low cycle fatigue behavior of ultra-supercritical turbine HP/IP rotor steel[J].MechanicalEngineer, 2013(7): 51-53.

[6] 曼森. 金屬疲勞損傷[M]. 陸索, 譯. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 1976.

[7] 李舜酩. 機(jī)械疲勞與可靠性設(shè)計(jì)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2006.

[8] 中國(guó)航空工業(yè)第一集團(tuán)公司. 金屬材料軸向等幅低循環(huán)疲勞試驗(yàn)方法: GB/T 15248—2008[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2008.

[9] 王栓柱. 金屬疲勞[M]. 福州: 福建科學(xué)技術(shù)出版社, 1986.

[10] 張康達(dá). 壓力容器的疲勞失效[M]. 北京: 勞動(dòng)人事出版社, 1988.