蒸汽轮机用叶片钢的进展研究

摘 要：蒸汽轮机利用高温高压蒸汽与轮机叶片的机械能作用运行工作，叶片钢的使用与发展受到蒸汽参数与材料性能的影响。文章对轮机叶片的工作原理与工作环境要求进行分析，介绍铁质体素耐热钢与奥氏体系耐热钢的发展与运用状况，以及超超临界条件下汽轮耐热钢应用的研究。

关键词：蒸汽轮机；叶片；铁质体素；奥氏体系

在国家的优化煤电能源的发展策略中，优化的关键在于提高燃煤发电机组的效率和污染物排放的减少，对于火电厂发电的热效率提高可以通过减少热排放与热传递损失的方式予以实现。热排放损失可以通过冷凝器冷却汽轮和锅炉排汽方式进行降低，热传递的损失借助于蒸汽压力与温度的提高而降低，然而这类参数的提高关键在于蒸汽轮机所用的材料。

1 蒸汽轮机与叶片钢

1884年英国的查尔斯首先发明了蒸汽轮机，制造并投入生产。蒸汽轮机主要是利用锅炉内高温高压产生的蒸汽，经蒸汽喷嘴喷出产生的气体对汽轮机的叶片产生冲击，从而带动蒸汽机轴一同转动，且蒸汽喷射速度与轮机转动的速度成正比例关系，通常将利用蒸汽从而实现叶轮转动的机器称为“蒸汽轮机”。蒸汽轮机转速较高，功率也较大，产生的热效率大约为25-30%，现在主要用于大型火力发电厂或者原子能发电站中[1]。

火电机组汽轮机叶片主要负责将高温产生蒸汽的热能转化为机械能发挥作用，然而实际的运行工作条件较为复杂，对叶片的性能和材质要求较高。在轮机运行过程中，由于转子转速较大，叶片的离心力也随之变大，对叶片形成一定的拉伸力。由于叶片的重心不在同一水平面和直线上，叶轮会产生弯曲应力，加上蒸汽喷射作用的压力以及叶片的旋转作用力，都会对叶片的根齿和钉孔产生压缩和剪切作用，处于蒸汽区域的叶片尤其是末端叶片，会受到化学腐蚀和蒸汽水滴的冲刷腐蚀影响等。这些实际运行条件都将会对轮机叶片的材料与性能发挥造成一定的破坏与影响。

针对上述实际情况，叶片用钢需要满足一定的要求与条件：

第一，叶片钢具有较高的强度、塑性和热强性能。对处于低于400摄氏度工作环境温度的叶片，以保持室温和高温化学性能为主，对于一些工作环境处于400摄氏度以上区域的叶片来说，实际允许的变形量较小，因而处于保持室温性能之外，还应当具有较强的持久强度和蠕变极限。第二，叶片钢材质具有良好的耐腐蚀性。由于一些处于高温段和湿蒸汽区域工作的叶片，较为容易发生氧化腐蚀作用，在频繁的启动与停机过程中，叶片也会受到不同程度的化学腐蚀和电化学腐蚀。因此，在处于高温和湿蒸汽区域工作的叶片应当多采用耐腐蚀性能良好的不锈钢材质，或者对非不锈钢材质采用适当的表面保护处理。第三，减振性能、耐磨性能和断裂韧性性能好。在叶片的高速运转过程中，因叶片之间的共振作用容易发生裂纹，在一定程度上会发生叶片的猝断，为了避免运行过程中叶片突然断裂的情况出现，在选材时应当考虑叶片的减振性能和断裂韧性，减少叶片断裂的可能性，有利于在检修过程中及时发现。另外，在叶片与水滴之间的冲刷过程中，叶片的摩擦损耗难以避免，因而叶片也应当要求材料的耐磨性良好。

2 耐热钢的研究进展

叶片钢目前主要材料为12%Cr马氏体耐热钢，随着汽轮机蒸汽参数的不断提高，对发电锅炉以及机组耐热钢的研究不断发展，奥氏体系耐热钢与马氏体系耐热钢成为当前蒸汽轮机叶片钢研究与实际运用的主要内容。

2.1 马氏体系耐热钢

汽轮机工作环境对高温、高压和大容量要求不断加大，对叶片材料的耐蚀性、热强性、减振性等性能要求也越来越高，12%Cr马氏体耐热钢因其具有较强的耐蚀性，热强性和冷变形性能，减振性能在叶片钢中性能最好，因而主要被用于在轮机的湿蒸汽以及一些酸碱性工作环境，成为轮机叶片钢用主要材料。

20世纪40年代，英国工业的发展对于涡轮盘和汽轮机叶片不断提出新的要求，12%Cr钢逐步得到广泛的研究与发展，随后不断开发出持久强度良好的其他钢种。20世纪50年代至60年代，美国在H46的基础上降低叶片钢中Cr含量，以保证材质的韧性，并开发出性能较好的其他12%Cr，并应用到汽轮机的叶片和小型汽轮机转子的实际工作中。在超超临界参数条件下，常规的12%Cr钢难以满足叶片的蠕变强度要求，AISI-422合金此前被成功用于550摄氏度轮机工作环境，而在超超临界参数条件下，温度要求提高需要使用合金含量更好的12%Cr钢[2]。20世纪70年代，日本和欧洲不断开发出一系列转子用钢和超超临界机组用钢，满足在593摄氏度下高温合金的成功运用。由于在超超临界条件下转子钢能够满足叶片钢的材料要求，同时专门为叶片设计的钢种较少，因而主要在开发选用转子用钢的试验研究中，获取叶片钢的开发与研究。

目前日本的三菱公司采用耐热合金，东芝公司采用改进型的12%Cr钢，对于蒸汽温度达到600摄氏度的叶片，一般需要采用镍基超合金，而发展最为广泛的铁素体耐热钢可以达到极限值620至650摄氏度，既可以减少高温合金叶片的断裂程度，也可以满足电力系统对电厂负荷能力的建设要求水平。不断开发的新型12%Cr铁素体耐热钢目前已经逐步取代用于593摄氏度蒸汽温度的高温合金叶片，实现更高蒸汽温度的12%Cr铁素体耐热叶片用钢也在不断的研究与开发中，并且研究学者更是建议采用HR1200与合金D两种铁素体钢结合作为今后630摄氏度高温环境下的叶片材料。

2.2 奥氏体系耐热钢

奥氏体耐热钢根据化学成分的质量分数可以分为15%Cr、18%Cr、20%-25%Cr和高铬高镍四类。其中15%系列奥氏体耐热钢热强度较高，但其抗腐蚀性能较差，在实际的运用中较少[3]。18%Cr系列奥氏体耐热钢具有较高的蠕变强度和抗腐蚀性，经济效益较好。后两类的奥氏体耐热钢具有较强的抗氧化和抗腐蚀性，但因其高温性能与实际价格之间存在一定的差距，这两种钢种的实际应用受到限制。

奥氏体耐热钢相比较铁素体耐热钢热强度性能优良，但是其热膨胀系数、抗腐蚀性能以及制造工艺方面与铁素体耐热钢相差甚远，不适合在火电站锅炉或者蒸汽轮机叶片使用，在此研究方向下，一般蒸汽轮机工作环境下，轮机叶片钢的使用应当朝着马氏体耐热钢方向不断发展。在航空领域中，奥氏体耐热钢被广泛应用，在当前的蒸汽机机组中主要被运用于叶片和紧固件材料[4]。在对铁素体系钢的研究过程中，可以发现如果蒸汽参数上升至700摄氏度后，这个条件已经远远超出铁素体钢的承受能力范围，因此在超临界和超超临界机组运行开发过程中，奥氏体耐热钢在航空领域内得到广泛的使用。

3 前景与研究

目前，针对超超临界火电机组蒸汽轮机用转子钢研究较多，而叶片钢材质选择的研究较少，大多参考机组转子的成分进行设计与选择。由于叶片的尺寸以及热强度和韧性要求不同，因此叶片钢材料的成分选择与机组的选择有所差异。根据现有研究，铁素体耐热钢在620至630摄氏度蒸汽轮机用叶片材料方面具有较好的应用前景。针对超超临界条件下，蒸汽轮机叶片用钢材料的选择方面，鉴于实际运用与理论意义上的差距，奥氏体系耐热钢理论上有着一定的应用发展前景，需要未来研究工作的不断深入与努力。

参考文献

[1]杨刚，王立民，程世长，刘正东.蒸汽轮机用叶片钢的研究进展[J].特钢技术，2009，15（60）：1-10.

[2]叶栋，王淑欣，曹米丹，任永霞，王胜岚.汽轮机-超临界与超超临界[J].知识园地，2014，5：26-28.

[3]马力博.超临界与超超临界汽轮机耐热钢的研究进展[J].电子制作，2015，6：38.

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