汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件超聲波最小可探缺陷尺寸研究

鞠紅霞，呂振家，彭建強(qiáng)，閆紅博

(1.哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046; 2. 黑龍江科技大學(xué),哈爾濱 150022)

轉(zhuǎn)子是汽輪機(jī)最核心的部件，在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，工況條件較為惡劣，因此汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件需要有良好的質(zhì)量。超聲波檢測(cè)是檢查轉(zhuǎn)子內(nèi)部質(zhì)量的主要手段之一，國(guó)內(nèi)外汽輪機(jī)制造商都非常重視轉(zhuǎn)子鍛件超聲波檢測(cè)能力的研究。隨著汽輪機(jī)參數(shù)的不斷提高，轉(zhuǎn)子鍛件的超聲波探傷難度也越來(lái)越大。目前，投入商業(yè)運(yùn)行的超超臨界汽輪機(jī)進(jìn)汽溫度已經(jīng)達(dá)到620 ℃，轉(zhuǎn)子鍛件采用成分非常復(fù)雜的9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼FB2制造[1]；國(guó)內(nèi)外廣泛研發(fā)的700 ℃先進(jìn)超超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件采用Ni基或Fe-Ni基合金制造，涉及的合金有IN625、IN617、263合金、718合金(國(guó)內(nèi)牌號(hào)為GH4169)、TOS1X、FENI-700等[2-3]。無(wú)論是FB2轉(zhuǎn)子鍛件，還是Ni基或Fe-Ni基合金轉(zhuǎn)子鍛件，其晶粒都比較粗大，這大大減小了超聲波的可探性。而對(duì)于常規(guī)的CrMoV合金鋼轉(zhuǎn)子鍛件，由于汽輪機(jī)機(jī)組功率的不斷提高，轉(zhuǎn)子的直徑也不斷增大，這大大增加了超聲波探傷的難度。

本文在分析超聲波最小可探缺陷尺寸(Minimum Detectable Defects Size，MDDS)的定義及影響因素的基礎(chǔ)上，介紹了國(guó)內(nèi)外Ni基或Fe-Ni基合金和9%～12%Cr大型轉(zhuǎn)子鍛件的最小可探缺陷尺寸，給出了減小轉(zhuǎn)子鍛件MDDS的方法，為提高國(guó)內(nèi)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件超聲波檢測(cè)水平提供支持。

1 MDDS的定義和影響因素

1.1 MDDS的定義

MDDS是指超聲檢測(cè)系統(tǒng)在給定頻率下，可檢測(cè)出被檢件的缺陷的最小當(dāng)量直徑,用于表征超聲波極限檢測(cè)能力。轉(zhuǎn)子是汽輪機(jī)最核心的部件，因此，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件的技術(shù)條件中所規(guī)定的報(bào)告或記錄缺陷的要求，比允許的缺陷水平要求嚴(yán)格得多。這就要求超聲波探傷系統(tǒng)具有很高的靈敏度，即很小的MDDS。只有在高靈敏度下進(jìn)行超聲波探傷，才能確保轉(zhuǎn)子鍛件質(zhì)量能夠滿足使用要求。

1.2 MDDS的影響因素

MDDS的影響因素主要是指固體介質(zhì)對(duì)超聲波的衰減，即不同介質(zhì)間界面引起的散射衰減，而吸收衰減可忽略不計(jì)。常用金屬材料均為多晶體結(jié)構(gòu)，決定超聲波衰減的主要因素是晶粒大小、晶界結(jié)構(gòu)和晶界析出物等。這些因素由材質(zhì)成分和制造工藝等決定，其中制造工藝包括冶煉方法、鍛造溫度或變形量、熱處理加熱溫度或冷卻速度等方面。

文獻(xiàn)[4]研究了Ni基或Fe-Ni基合金中不同晶粒尺寸對(duì)GH4169超聲波衰減性能的影響，如圖1所示。可以看出，晶粒越大，超聲波的衰減系數(shù)就越大，也就意味著可探性越差。

圖1 Ni基合金GH4169衰減系數(shù)與晶粒直徑的關(guān)系

本文對(duì)不同晶粒尺寸的FB2轉(zhuǎn)子鍛件不同位置的MDDS進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)位置如圖2所示，結(jié)果如表1所示。可以看出，較細(xì)的晶?？梢燥@著提高鍛件的可探性。

圖2 FB2轉(zhuǎn)子鍛件超聲波檢測(cè)位置(最大直徑1250 mm)

表1 不同晶粒度FB2轉(zhuǎn)子鍛件不同位置的MDDS (單位：mm)

2 不同材質(zhì)轉(zhuǎn)子鍛件的MDDS

2.1 Ni基和Fe-Ni基合金

德國(guó)SAAR公司和日本JSW公司是目前在Ni基和Fe-Ni基合金轉(zhuǎn)子鍛件研發(fā)和制造方面經(jīng)驗(yàn)比較豐富的廠家，其制造的Ni基和Fe-Ni基合金鍛件的MDDS如表2所示。

表2 部分Ni基和Fe-Ni基合金轉(zhuǎn)子鍛件的MDDS[5]

從表2可以看出，F(xiàn)e-Ni基合金的MDDS最好，接近9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼轉(zhuǎn)子鍛件的水平，時(shí)效強(qiáng)化Ni基合金轉(zhuǎn)子鍛件的MDDS最差，直徑超過(guò)3.5 mm，這是因?yàn)椋?/p>

1)Fe-Ni基合金的變形抗力相對(duì)較小，易于通過(guò)充分鍛造、優(yōu)化熱處理等工藝細(xì)化晶粒，并使組織均勻；

2)時(shí)效強(qiáng)化Ni基合金含有Cr、Co、Mo、Al、Ti等強(qiáng)化相，組織中含有大量γ’、M23C6等強(qiáng)化相，這些強(qiáng)化相會(huì)大大增加超聲波的衰減，降低鍛件的可探性。

2.2 9%～12%Cr鋼

1991年至2013年，JCFC公司采用真空碳脫氧(VCD)、電渣熱冒口(ESHT-J)或電渣(ESR)工藝為世界各地高效電廠提供了近200根9%～12%Cr鋼轉(zhuǎn)子。JCFC能夠制造的最大FB2轉(zhuǎn)子鍛件質(zhì)量達(dá)50.2 t，還可以制造630 ℃等級(jí)MTR10大型轉(zhuǎn)子鍛件。FB2和MTR10大型轉(zhuǎn)子鍛件在調(diào)質(zhì)后的超聲波最小可探缺陷直徑均在1.5 mm以內(nèi)，如圖3所示[6]。

3 減小MDDS的方法

3.1 改進(jìn)預(yù)備熱處理工藝

對(duì)于成分復(fù)雜的大型9%～12%Cr鋼轉(zhuǎn)子鍛件，特別是對(duì)于添加B元素的鋼種，其調(diào)質(zhì)后的晶粒度與之前的組織狀態(tài)密切相關(guān)，調(diào)質(zhì)對(duì)于改善晶粒度的作用是有限的。與CrMoV合金鋼轉(zhuǎn)子

(a) FB2轉(zhuǎn)子

(b) MTR10A轉(zhuǎn)子

圖3 FB2和MTR10轉(zhuǎn)子的MDDS

鍛件不同，9%～12%Cr轉(zhuǎn)子鍛件的預(yù)備熱處理通常采用等溫珠光體轉(zhuǎn)變工藝，即轉(zhuǎn)子從奧氏體化溫度緩慢冷卻至某一溫度后充分保溫，使材料發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變。等溫珠光體轉(zhuǎn)變可以有效細(xì)化晶粒，改善晶界結(jié)構(gòu)和析出物形態(tài)，進(jìn)而顯著提高轉(zhuǎn)子的超聲波可探性。文獻(xiàn)[7]指出經(jīng)過(guò)等溫珠光體轉(zhuǎn)變后，軸身直徑1 200 mm的轉(zhuǎn)子的最小可探缺陷尺寸可以達(dá)到1.1～1.3 mm。

單缸汽輪機(jī)采用高低壓聯(lián)合轉(zhuǎn)子。隨著單缸汽輪機(jī)功率的不斷增大，高低壓聯(lián)合轉(zhuǎn)子低壓部分直徑也不斷增大。目前大多數(shù)大功率單缸汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件低壓部分直徑已經(jīng)超過(guò)1 500 mm，有的甚至超過(guò)1 800 mm，而之前同類產(chǎn)品低壓部分直徑均不超過(guò)1 500 mm。對(duì)于直徑超過(guò)1 500 mm的轉(zhuǎn)子，如果采用傳統(tǒng)的預(yù)備熱處理工藝，即兩次正火加回火工藝，那么其超聲波檢測(cè)穿透性將非常差，低壓部分軸身(要求中心可控缺陷尺寸直徑不超過(guò)3 mm)中心探傷的合格率非常低，不超過(guò)30%。個(gè)別鍛件甚至還需要兩次正火返修才能滿足要求。通過(guò)改進(jìn)預(yù)備熱處理工藝，即采用正火與退火相結(jié)合的預(yù)備熱處理工藝，可以顯著提高晶粒細(xì)化效果，從而大大提高超聲波可探性，使超聲波探傷合格率提高到80%以上，如圖4所示[8]。

圖4 改進(jìn)預(yù)備熱處理后的超聲波探傷合格率

3.2 改進(jìn)鍛造工藝

日本JSW公司與三菱公司開展了FENIX-700合金鍛件的研制工作。2根FENIX-700合金轉(zhuǎn)子鍛件不同位置的晶粒度如圖5所示。由于第1根轉(zhuǎn)子鍛件的晶粒較為粗大，鍛件的MDDS直徑為3.7～4.8 mm，通過(guò)降低終鍛溫度和增大鍛比，細(xì)化了鍛件晶粒，顯著提高了第2根轉(zhuǎn)子鍛件的可探性，MDDS減小至1.6～1.9 mm[9]，接近9%～12%Cr鋼轉(zhuǎn)子鍛件的水平。

中心表面第1根第2根第1根第2根頂部DA1(G.S.No.=1.3)DA2(G.S.No.=2.1)FA1(G.S.No.=1.2)FA2(G.S.No.=3.2)中部JA1(G.S.No.=0.5)JA2(G.S.No.=2.8)MA1(G.S.No.=1.0)MA2(G.S.No.=2.1)底部AA1(G.S.No.=1.3)AA2(G.S.No.=2.4)CA1(G.S.No.=1.2)CA2(G.S.No.=3.1)

圖5 2根FENIX-700合金轉(zhuǎn)子鍛件不同位置的晶粒度

4 結(jié) 論

本文通過(guò)介紹汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件超聲波最小可探缺陷尺寸(MDDS)的定義和影響因素，對(duì)典型轉(zhuǎn)子鍛件的MDDS的情況進(jìn)行了歸納總結(jié)，并提出了減小轉(zhuǎn)子鍛件超聲波探傷MDDS的措施，即通過(guò)優(yōu)化和改進(jìn)鍛造、熱處理的制造工藝，改善鍛件內(nèi)部組織狀態(tài)，進(jìn)一步減小Ni基和Fe-Ni基合金、9%～12%Cr鋼轉(zhuǎn)子鍛件以及大直徑CrMoV合金鋼轉(zhuǎn)子鍛件的超聲波探傷MDDS。