某燃氣機組主蒸汽溫度與汽缸螺栓高溫服役性能關聯性研究

傅洪軍

（浙江浙能蘭溪發電有限責任公司,浙江 金華 321000）

0 引 言

高壓汽缸緊固螺栓作為汽輪機的重要承載部件，其服役可靠性對機組安全穩定運行起著至關重要的作用[1]。燃氣輪機聯合循環發電機組運行時，汽缸緊固螺栓除了承受汽缸內壓引起的蠕變載荷外，還將承受因機組頻繁起停引起的交變熱應力。特別是當機組參與頻繁調峰運行時，上述熱應力波動將十分顯著。因此，高溫疲勞損傷往往成為汽缸緊固螺栓的主要壽命損耗形式之一[2]。

某燃氣輪機聯合循環發電機組由兩臺美國GE 公司生產的MS9001-E 型燃氣輪機、兩臺比利時CMI 公司生產的HRSG 余熱鍋爐、一臺美國GE 公司生產的汽輪機和兩臺GE 公司生產的9H2發電機組成。原設計燃氣輪機采用重油為燃料，為了提高燃燒效率和減少污染物排放，于2014年將燃料由重油改為天然氣。改造后，燃氣輪機排煙溫度由521℃提高至552℃，余熱鍋爐主蒸汽流量升高了10t/h，汽輪機主蒸汽溫度也升高了25℃（從原設計的490℃提高到515℃）。主蒸汽溫度和流量升高，雖有利于提高汽輪機發電效率，但也會增加汽輪機高壓缸緊固面應力，緊固螺栓的服役性能也將發生變化，對汽輪機（特別是高溫通流部件）的安全性提出了新的要求，因此在“油改氣”技術改造后，對緊固螺栓進行長期運行的安全性分析與評估工作十分必要。

本文主要針對上述9E 燃氣輪機聯合循環發電機組燃氣輪機“油改氣”前后主蒸汽溫度的變化與汽輪機高壓缸緊固螺栓材料的高溫服役性能的關聯性開展研究，以評價“油改氣”后原設計螺栓是否仍舊適用，為汽輪機關鍵部件的服役安全性評估提供試驗基礎。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料取自該機組汽輪機高壓缸汽缸緊固螺栓備品。采用X 熒光光譜儀（MiX5 Pro 600）對螺栓進行了成分檢測，獲得螺栓材料的化學成分（質量分數%）為：Cr11.1， W1.13，Mo1.02， Ni0.72， Mn0.67， V0.23， Cu0.12 和Fe84.4。

1.2 高溫拉伸試驗

沿備品螺栓軸向進行取樣，拉伸試樣如圖1所示，高溫拉伸試驗在MTS 810 材料試驗機上進行，按照技術改造前后的主蒸汽溫度，設置試驗溫度為490℃和515℃，試驗過程參照國家標準[3]進行。試驗前先將試樣加熱到規定溫度，并保溫30 min。對于拉伸試驗，在應變控制模式（應變速率：0.003 min-1）下先將試樣拉伸至1%應變值，以精確量化材料的彈性模量與屈服強度。然后在位移控制模式（位移速率：0.003 min-1）下將試樣拉斷，測定其它力學性能指標（抗拉強度、斷面收縮率）。為確保試驗結果的可靠性，上述高溫拉伸試驗在兩個溫度下各取三個平行試樣進行試驗。

圖1 高溫拉伸試驗試樣尺寸

1.3 高溫低周疲勞試驗

沿備品螺栓軸向進行取樣，高溫低周疲勞試樣如圖2 所示，高溫低周疲勞試驗同樣在MTS 810 材料試驗機上進行，試驗溫度同樣為490℃和515℃，試驗過程參照國家標準[4]進行。采用總應變控制方式，對稱循環加載，應變速率為0.004s-1。每種溫度下分別開展了9 個應變幅（εa=1.6%、1.4%、1.2%、1.0%、0.8%、0.7%、0.6%、0.5%、0.4%）的疲勞試驗。在試驗過程中，定期記錄應力—應變遲滯迴環。試樣疲勞斷裂壽命（Nf）定義為最大載荷下降25%時對應的循環周次。

圖2 高溫低周疲勞試驗試樣尺寸

2 試驗結果與討論

2.1 供貨態螺栓金相組織

由于GE 公司未提供汽輪機高壓缸緊固螺栓材料的牌號和相關技術參數，為確保備品螺栓的交貨狀態和質量，對其進行金相組織分析，結果如圖3 所示?？梢钥闯?，該螺栓材料的顯微組織主要由細長、取向隨機的板條馬氏體束相互交錯排列構成，基體中可見大量未熔碳化物存在。通過查閱有關手冊[5]，初步判斷該汽缸緊固螺栓材料為高鉻馬氏體型熱強鋼。結合其成分檢測結果，并與相關標準[6]比較，可以確定其材料牌號為2Cr12NiMolW1V(AISI422)。

圖3 緊固螺栓材料的金相組織

對備品螺栓的金相組織觀察過程中未發現明顯缺陷。按照相關標準[6]的要求，2Cr12NiMolW1V 材質的高溫螺栓推薦的熱處理狀態為退火（860～ 930℃緩冷）+高溫回火（660～700℃空冷），螺栓金相組織為回火索氏體，與調質熱處理狀態相符，未發現明顯異常情況。

2.2 高溫拉伸試驗結果

上述緊固螺栓材料在兩種溫度（490℃和515℃）下的高溫拉伸曲線如圖4 所示?？梢钥闯?，相比于490℃，在515℃下材料的拉伸曲線略有下降，盡管斷裂應變有不同程度增加。將高溫拉伸試驗過程中獲得的兩種溫度下緊固螺栓材料主要拉伸性能指標（包括彈性模量、強度性能（屈服應力、抗拉強度）、延性（斷面收縮率））統計于表1 以便于進行比較，表中結果為三個試樣的平均值?？梢赃M一步得出，當試驗溫度從490℃提高到515℃后，螺栓材料的剛度與強度性能略有下降（剛度下降約3%、強度下降約2%），而延性性能略有改善。根據已有的研究[7-9]，對于高鉻馬氏體型熱強鋼，提高溫度容易引起馬氏體內部發生碳擴散、聚集和重新分布，從而導致碳的固溶強化作用減弱，并造成材料強度下降。因此，本次試驗中螺栓材料在515℃下強度略有降低，很有可能與材料中微觀組織的演變有關。

表1 兩種溫度下螺栓材料的拉伸性能比較

圖4 兩種溫度下螺栓材料的高溫拉伸曲線

對于緊固螺栓，由于變形抗力是其重要指標，因此，提高主蒸汽溫度對螺栓預緊力控制需要采取相應的措施。然而，基于高溫拉伸試驗結果，主蒸汽溫度由490℃上升至515℃，高溫螺栓材料的力學性能略有下降，仍可滿足使用要求，因此，該機組進行“油改氣”技術改造后，對于汽輪機高壓缸緊固螺栓的預緊力等安裝工藝可不作大幅調整。

2.3 高溫低周疲勞試驗結果

對螺栓材料的高溫疲勞力學行為研究，主要關注在兩種服役溫度（490℃和515℃）下材料的循環應力響應以及與疲勞壽命預測密切相關的循環應力—應變曲線與應變—壽命曲線等[10]。

圖5 給出了兩種溫度（490℃和515℃）下螺栓材料的循環應力響應曲線。圖中結果表明，無論是在原設計溫度（490℃）下，還是在提升溫度（515℃）后，螺栓材料抵抗循環變形的能力（或疲勞抗力）均呈現出持續下降的特征，即在高溫服役條件下，螺栓材料表現為循環軟化行為[10-11]。類似的現象在其它高鉻馬氏體鋼的高溫疲勞研究中也有相關報道[7]。一般認為，由于受長期高溫時效的影響，材料中碳化物與其它不穩定第二相發生聚集長大，并溶解和向其它結構碳化物轉化，失去原有的強化作用，出現了上述軟化現象。從圖5 中也能進一步發現，相較于490℃，515℃下螺栓材料的疲勞抗力有所降低。同時，515℃下試樣的疲勞斷裂壽命也普遍較490℃有所下降。上述結果表明，提高主蒸汽溫度后，對汽缸緊固螺栓材料的疲勞抗力和壽命均將帶來不利影響。但是否會導致原設計材料不再適用，需要進一步評估服役溫度提高25℃對其疲勞抗力和疲勞壽命的衰減程度。

圖5 兩種溫度下緊固螺栓材料的循環應力響應

為了定量研究試驗溫度對螺栓材料疲勞抗力和疲勞壽命的影響，取兩種溫度下試樣半壽命處的應力幅以及試樣疲勞斷裂壽命進行比較，結果見表2 和表3。從表中結果則可進一步得出，相較于490℃，515℃下螺栓材料的疲勞抗力平均下降約為1.74%，而疲勞壽命平均下降達到15.4%。這說明螺栓材料的疲勞斷裂壽命對溫度較為敏感。因此，提高主蒸汽溫度后汽輪機緊固螺栓的疲勞壽命是否還滿足原設計，要求需要建立汽缸—螺栓有限元模型[12-15]等方法進一步開展安全性評估。

表2 兩種溫度下螺栓材料的疲勞抗力比較

表3 兩種溫度下螺栓材料的疲勞斷裂壽命比較

在低周疲勞壽命預測研究中，循環應力-應變曲線和應變—壽命曲線提供了重要的設計曲線[16]。前者由循環穩定下（通常采用半壽命時）試樣的應力幅(σa)與作用應變幅(εa)之間的關系來描述，而后者則采用作用應變幅(εa)與試樣疲勞斷裂反復數(2Nf)之間的關系來確定。上述循環應力-應變曲線與應變—壽命曲線也可以采用Morrow 方程[17]和Manson-Coffin 公式[18]進行數學描述。

Morrow 方程：

其中K′和n′分別為循環強度系數和循環應變硬化指數。

Manson-Coffin 公式：

其中σ′f和b為疲勞強度系數和指數；ε′f和c為疲勞延性系數和指數。

圖6 和圖7 分別給出了上述緊固螺栓材料在兩種溫度(490℃和515℃)下的循環應力—應變曲線(σa-εa)和應變—壽命曲線(εa-2Nf)比較。從圖5 中515℃下循環應力—應變曲線總體位于490℃以下也能夠進一步證明，515℃下螺栓材料的疲勞抗力低于490℃。而從圖6中同樣可以得出：515℃下螺栓材料的疲勞斷裂反復數( 2 倍疲勞壽命)總體小于490℃。

圖6 兩種溫度下螺柱材料的循環應力-應變曲線比較

圖7 兩種溫度下螺柱材料的應變-壽命曲線比較

一般汽輪機汽缸緊固螺栓的應力可通過有限元分析得到[1]，因此，應用式(1)可確定已知載荷和對應服役溫度下螺栓的塑性應變幅，并可估計相應的疲勞損傷。結合式(2)則可預估服役溫度下汽缸緊固螺栓的疲勞壽命，從而可對提高主蒸汽溫度后汽缸緊固螺栓的服役安全性進行評估。

采用Morrow 方程(式(1))和Manson-Coffin公式(式(2))，結合圖6 和圖7 的試驗結果，應用最小二乘法對上述循環應力-應變曲線和應變—壽命曲線進行回歸分析，則可確定緊固螺栓材料在兩種溫度下的低周疲勞參數(K′和n′、σ′f和b、ε′f和c)，結果示于表4 中，為后續可能的有限元分析工作提供數據積累，也為服役溫度下汽缸緊固螺栓疲勞壽命的預估提供參考。

表4 兩種溫度下螺栓材料的低周疲勞參數

2.4 改造后繼續服役6 年的螺栓狀態測試

經2014 年改造后，該機組于2020 年大修周期時進行開缸檢修，對高壓缸兩側共計30 根螺栓實際狀態進行檢測。

硬度檢測結果如表5 所示，全部螺栓硬度均在合格范圍內（290-321HBHLD）。此外，PT、UT 等無損檢測結果均正常。

表5 螺栓硬度檢查情況

A9 297 B9 307 A10 288 B10 312 A11 311 B11 315 A12 299 B12 314 A13 305 B13 306 A14 303 B14 307 A15 295 B15 301

2.5 汽輪機高壓內缸緊固螺栓安全性討論

近年來，眾多電站機組陸續出現了大量高溫緊固件在應用初期就發生斷裂的案例，造成了嚴重的經濟損失。汽輪機平臺人員流動較多，一旦螺栓斷裂導致高溫蒸汽泄漏，會發生人員傷亡的重大惡性事故。作為保障發電機組安全生產的重要元素，緊固螺栓的失效原因主要有應力促進晶界氧化腐蝕開裂[19]、硬度異常、松弛問題[20-21]、組織穩定性差[22]等，引入時間不長的高溫合金材料頻繁失效，馬氏體型熱強鋼螺栓的高溫服役性能相對穩定，由試驗結果也可以看出，主蒸汽溫度提高25℃，原設計螺栓材料的高溫強度僅出現很小幅度的下降。

本文對主蒸汽溫度與螺栓材料高溫拉伸、高溫疲勞等服役性能的關聯性開展了研究，試驗結果雖表明溫度提高會使材料高溫強度、疲勞壽命出現小幅下降，但服役6 年后螺栓狀態的檢測結果可以驗證，螺栓能夠滿足機組參數提高后的長期運行要求。鑒于螺栓高溫強度、疲勞壽命的下降情況，為安全起見，仍建議檢修時進行相關檢測，必要時可根據螺栓檢測情況進行更換。

3 結論

本文研究了某燃氣輪機“油改氣”技術改造后主蒸汽溫度的改變對汽輪機汽缸緊固螺栓材料服役性能的影響，獲得主要結論如下：

1)當試驗溫度從490℃提高到515℃后，螺栓材料的剛度、強度性能略有降低，延性略有增加，但差異并不十分明顯。

2)相較于490℃，515℃下螺栓材料的疲勞抗力有進一步降低，相應的疲勞斷裂壽命也有所下降。

3)獲得了兩種試驗溫度(490℃和515℃)下螺栓材料的循環應力—應變曲線和應變—壽命曲線及其擬合方程，為進一步開展提高主蒸汽溫度后汽輪機汽缸緊固螺栓的疲勞壽命評估提供了試驗基礎。

4)改造后汽輪機主蒸汽溫度提升，雖然螺栓高溫服役性能有所下降，但螺栓仍能夠滿足機組長期運行要求。