汽輪機汽缸用ZG22Mo鑄鋼件高溫強度研究

陳 濤 張 琦 潘飛燕 方章法 鄒朋津

(杭州汽輪機股份有限公司，浙江310022)

汽缸是汽輪機的關(guān)鍵零部件之一，它的性能直接影響到機組的安全以及使用范圍。高端工業(yè)汽輪機通常采用國外先進標準API 612：2014 《石油、石化和天然氣工業(yè)用特種用途汽輪機》，此標準關(guān)于汽缸部分有明確規(guī)定：承壓缸體設(shè)計所選用材料的拉伸應(yīng)力不應(yīng)超過最高規(guī)定運行溫度下材料最小抗拉強度的0.25倍。然而工業(yè)汽輪機汽缸常用的ZG22Mo鑄鋼件的高溫拉伸強度數(shù)據(jù)在國內(nèi)的相關(guān)技術(shù)材料手冊與標準中均沒有找到。本文通過對工業(yè)汽輪機汽缸用ZG22Mo鑄鋼件的高溫力學(xué)性能進行較為系統(tǒng)的試驗與研究分析，求得該材料的高溫拉伸強度性能，為工業(yè)汽輪機產(chǎn)品的設(shè)計達到API 612的要求提供保障。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料與試樣

試驗材料為ZG22Mo，其化學(xué)成分要求如表1所示，室溫力學(xué)性能要求如表2所示。

試樣采用單鑄試樣，尺寸規(guī)格35 mm×100 mm×250 mm。試樣隨同爐鑄件一起熱處理。熱處理制度為：正火溫度≤960℃，最低回火溫度≥680℃。

表1 化學(xué)成分要求(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Chemical compositions requirement(mass fraction,%)

表2 力學(xué)性能要求Table 2 Mechanical property requirement

1.2 試驗方法

單鑄試樣澆注完成后，為保證試樣的質(zhì)量，對試塊進行超聲檢測，確保無裂紋和明顯的缺陷。與此同時，對每爐試樣進行化學(xué)成分和室溫力學(xué)性能檢測，以保證試樣的材質(zhì)無誤和室溫力學(xué)性能滿足表2的要求。室溫拉伸試驗方法按GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》的規(guī)定。隨后將滿足質(zhì)量要求的試樣送至第三方檢測中心進行高溫拉伸試驗。高溫拉伸試驗方法按GB/T 228.2—2015《金屬材料 拉伸試驗 第2部分：高溫試驗方法》的規(guī)定，且試驗速率的選?。侯A(yù)載為10 MPa；屈服范圍的速度為0.3 mm/min；彈性模量速度為0.3 mm/min；試驗速度為1.2 mm/min；屈服點速度為0.3 mm/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 室溫拉伸試驗

對每爐取1個試樣進行室溫力學(xué)性能測試，試驗結(jié)果見表3。室溫拉伸試樣斷口見圖1。

表3 室溫力學(xué)性能測試結(jié)果Table 3 Mechanical properties testing results at room temperature

表4 高溫拉伸試驗結(jié)果Table 4 Results of high temperature tensile test

圖1 室溫試驗的試樣斷口Figure 1 Sample fracture of test at room temperature

圖2 高溫試驗的試樣斷口Figure 2 Sample fracture of test at high temperature

2.2 高溫拉伸試驗

將每一溫度的10組試樣(對應(yīng)10個不同爐次)送至檢測機構(gòu)進行高溫拉伸試驗。試驗結(jié)果見表4，高溫試驗試樣斷口見圖2。

2.3 數(shù)據(jù)分析和處理

在完成每一溫度點的10組高溫拉伸測試后，分別得到了10組高溫拉伸性能數(shù)據(jù)。在試驗數(shù)據(jù)處理過程中，考慮到10組數(shù)據(jù)的分散性，不能簡單作算數(shù)平均值計算得出抗拉強度保證值，而是將其視作正態(tài)分布[1]。以ZG22Mo材料300℃的抗拉強度為例，10組測試值分別記作X1=470 MPa，X2=515 MPa，X3=455 MPa，X4=490 MPa，X5=495 MPa，X6=470 MPa，X7=460 MPa，X8=465 MPa，X9=465 MPa，X10=490 MPa，計算得出其算術(shù)平均值δ1和方差σ1：

=477.5 MPa

=18.1 MPa

由于實驗數(shù)據(jù)誤差和粗差的存在，根據(jù)3σ準則(大于3σ的測定值出現(xiàn)的概率小于0.3%)，對那些大于4σ的試驗數(shù)據(jù)肯定含有粗差應(yīng)先行剔除。故在去掉一個最大值X2和一個最小值X3，剩余8個抗拉強度值再次計算其算術(shù)平均值δ2和方差σ2：

=475.6 MPa

=11.97 MPa

進而得出：

δ2+4σ2=523.48 MPa

δ2-4σ2=427.72 MPa

由此可看出，該組10個數(shù)值均在427.72～523.48 MPa范圍內(nèi)，即10個測試值均為有效值。因此，ZG22Mo材料300℃的抗拉強度有效均值δ3=δ1=477.5 MPa，有效方差σ3=σ1=18.1 MPa。若正態(tài)分布置信區(qū)間p取0.999，則Up=3.09，故抗拉強度保證值U可由下式計算得：

式中，n為該組有效數(shù)據(jù)的個數(shù)。

同樣，對于其他試驗數(shù)據(jù)，若測試值落在δ2±4σ2范圍外，則需要將其剔除，重新計算有效數(shù)據(jù)個數(shù)n、有效均值δ3和有效方差σ3，以保證數(shù)據(jù)的有效性，從而得出抗拉強度保證值。

表5 力學(xué)性能保證值Table 5 Guaranteed values of mechanical properties

以此類推，可計算出各溫度點的力學(xué)性能保證值，見表5。

3 結(jié)論

經(jīng)過大量高溫拉伸試驗，獲得了ZG22Mo鑄鋼件在4個不同高溫點下的抗拉強度、高溫規(guī)定塑性延伸強度保證值、高溫斷后伸長率和高溫斷面收縮率的具體數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行了合理的統(tǒng)計計算得出相應(yīng)的保證值。獲得的保證值填補了汽輪機汽缸材料ZG22Mo高溫拉伸性能的空白，保證汽輪機汽缸設(shè)計能滿足API 612的要求，并為今后汽輪機高端產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計提供了支撐和依據(jù)。