CN102278151B - 一种制备超超临界汽轮机阀杆保护套的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种制备超超临界汽轮机阀杆保护套的方法，属于金属材料领域。针对现有保护阀杆的材料及其方法所存在的易磨损、更换频率高、维修成本高等问题，通过设计一种耐磨耐热耐蚀且硬度与阀座硬度匹配的钴基合金材料并加工成保护套，将保护套装在阀杆的外面，这样能够很好的保护阀杆，套筒的尺寸根据阀杆的外径决定，保护套与阀杆装配时采用将阀杆液氮冷却后再与保护套进行装配的方法，这样可以实现阀杆与钴基合金保护套的紧配合。该方法不但能够保护阀杆，提高汽轮机的可靠性，而且当设备检修时不许更换整根阀杆，只需采用机加工的方法将阀杆外面的钴基合金保护套去掉，然后重新换用新的钴基合金保护套即可，大大降低了汽轮机阀杆的维护成本。
Description
技术领域
本发明属于金属材料领域，涉及一种制备超超临界汽轮机阀杆保护套的方法。
背景技术
未来10～20年间，中国虽然将大力发展核电和新能源发电技术，但在新增发电装机容量中燃煤发电的比例仍然居于主导地位。因此，优化发展高参数、大容量的超超临界机组，限制小火电建设，关停高煤耗老机组，增加超超临界机组在煤电中的比例，提高发电效率，有效降低供电煤耗，减少排放污染，是我国现阶段电力发展的重要指导方针。燃煤火电的运行效率主要取决于汽轮机组的蒸汽参数，即蒸汽的温度和压力。参数越高，机组效率越高。亚临界机组主蒸汽压力/蒸汽温度/再热蒸汽温度/供热效率为：16.7Mpa/538℃/538℃/38％，超临界机组为24Mpa/566℃/566℃/41％。超超临界机组蒸汽温度一般为600℃，主蒸汽压力在25Mpa～28Mpa之间，供热效率在43％～48％之间，与超临界机组相比热效率可提高2～4％左右。据统计，使用600MW等级的超超临界燃煤机组，供电煤耗可降低到278g/kWh，比同容量亚临界机组的煤耗减少30克/kWh，按年运行5500小时计算，一台600MW超超临界机组可比同容量亚临界机组节约标煤6万吨/年。发展超超临界蒸汽发电机组，蒸汽压力和温度的提高主要受制于核心装备材料在高温高压下长期使用的稳定性和可靠性。
阀杆作为汽轮机中的关键部件，承担着动态调节缸内气压、充放蒸汽等功能，阀杆一旦发生故障，导致阀门不能正常开启或闭合以调节气缸内压力，则会因停机检修造成巨大的经济损失或因缸内压力过大造成重大的安全事故。因此必须对阀杆的材料或结构进行合理设计以确保其在设定的服役期内能够安全稳定工作。
阀杆工作的环境为高温(538℃或566℃或600℃以上)、高蒸汽压力，因此要求阀杆材料具备良好的高温性能，通常采用12％Cr马氏体耐热钢材料，为了提高耐热钢在高温的耐蒸汽腐蚀性能以及耐磨性能，在超临界机组中通常是将阀杆进行表面氮化，以提高其耐磨耐蚀性能，但是随着工作的进一步提高，即工作环境达到超超临界状态，表面的氮化层的防蒸汽腐蚀以及耐磨性能则明显不足，阀杆表面容易发生蒸汽氧化导致其与阀座发生粘连、卡涩，难以正常开启，导致汽轮机发生故障。为了解决阀杆与阀座直接的粘连卡涩等问题，目前广泛采用的方法是将阀杆直接接触的阀座内壁以及阀杆表面堆焊一定厚度的司太立合金层(stellite 21#)，二者形成摩擦副，司太立合金具有优异的耐磨、耐高温以及耐腐蚀性能，在高温高压蒸汽环境中不会由于表面发生氧化而导致阀杆与阀座粘连等问题。尽管阀杆表面堆焊司太利合金后能够明显提高阀杆的寿命，但是在12％Cr马氏体钢上堆焊司太利合金难度较大，而且堆焊过程中阀杆表面部分金属会融到堆焊层中，导致阀杆本身的力学性能会有所损失，此外，堆焊层在工作过程中也可能由于与阀杆结合不牢固而脱落，也存在一定的风险。
发明内容
本发明目的是为了解决现有的阀杆表面堆焊司太立合金层在12％Cr马氏体钢上堆焊司太利合金难度大、损失阀杆本身的力学性能及堆焊层在工作过程中由于与阀杆结合不牢固而可能脱落的问题。
一种制备超超临界汽轮机阀杆保护套的方法，即选择与阀座上堆焊的司太立21#合金硬度匹配的钴基合金，浇铸成套筒状，然后进行机加工，套到阀杆的外表面，起到保护阀杆的作用。保护套的尺寸需根据阀杆的尺寸决定。铸造钴基合金保护套与阀杆之间装配采用液氮冷缩装配的方法以实现二者之间的过盈装配，即将阀杆在液氮中进行冷却后再与受热的保护套进行装配。
浇铸成套筒状钴基合金的成分为：
C：0.5～1.0％、Cr：15～25％、W：5.0～10.0％、Si：1～2％、Ni：10～15％、Mo：3～5％、Mn：1.5～2％、Nb：0.8～1.2％、Ce：0.01～0.02％、P和S都小于0.02％、余量为Co，此外要求套筒状钴基合金硬度为30～35(HRC)，平均热膨胀系数小于14.3×10-6/K(50～700℃)，屈服强度为大于655MPa，抗拉强度大于950MPa，延伸率4～5％。
通常，阀座上司太立21#合金的硬度为28～35(HRC)，因此为了与阀座上司太立合金形成摩擦副，阀杆上的钴基合金保护套的硬度也应该控制在此范围内，本发明设计的套筒状钴基合金硬度为30～35(HRC)。此外，阀杆的热膨胀系数为16.7×10-6/K(50～700℃范围内的平均热膨胀系数)，本发明设计的套筒状钴基合金平均热膨胀系数小于14.3×10-6/K(50～700℃)。在硬度和热膨胀系数的双重要求下，本发明在钴基合金中添加适量的C、Cr、W和Mo，可以通过形成碳化物提高钴基合金的硬度，同时由于形成碳化物的膨胀系数较低，因此碳化物的形成也有利于降低钴基合金的热膨胀系数。在合金的硬度和膨胀系数达到要求的情况下，通过添加适当的Nb和Ce能够细化铸造晶粒，进一步提高合金的力学性能，尤其是屈服强度和韧性。
上述钴基合金的冶炼可以在真空炉中，也可以在非真空炉中进行，合金冶炼完毕浇铸成保护套毛坯后，应进行热处理，以获得要求的性能，最佳的热处理工艺为1150～1200℃固熔处理1～1.5小时，然后空冷到室温，之后再进行时效处理，在750～800℃范围内保温2～3小时后随炉冷却，在此工艺条件下，合金的硬度为30～35(HRC)，平均热膨胀系数小于14.3×10-6/K(50～700℃)，屈服强度为大于655MPa，抗拉强大于950MPa，延伸率4～5％，能够很好的满足使用要求。
将经过热处理的铸造钴基合金毛坯按照尺寸和粗糙度要求进行机加工，加工保护套的最佳厚度为1～1.5mm。保护套与阀杆进行液氮冷缩装配，装配时首先应分别将阀杆浸入到液氮中保温20～30min、钴基合金保护套在炉中加热到150～200℃保温20～30min后，然后将二者取出进行装配，实现二者之间的无损过盈配合，由于钴基合金保护套的膨胀系数低于阀杆的膨胀系数，这样随着温度的升高二者的配合越来越紧，不易在工作温度产生松动或滑动。由于设计的钴基合金具有良好的屈服强度和延伸率，因此膨胀产生的应力对保护套没有破坏作用。
由于阀杆的膨胀系数高于设计的钴基合金保护套的膨胀系数，这样随着温度的升高，利用二者之间膨胀系数的差异可以实现二者之间的紧配合，并且二者之间的配合越来越紧，不会在实际运行中出现松弛滑动等问题。阀杆表面装配钴基合金保护套后，借助于钴基合金良好的耐高温、耐腐蚀以及耐磨损等优异特性，能够减少由于蒸汽的腐蚀和与阀座的磨损而导致的阀杆卡涩等问题，大大提高了阀门以及整个汽轮机的可靠性。
附图说明：
图1为本发明的工艺流程图：
具体实施方式：
(1)在Φ20mm的超超临界汽轮机阀杆(材质为2Cr11NiMoV)一端上装配1mm厚、20cm长的保护套
首先按照尺寸要求，冶炼钴基合金保护套毛坯，考虑到铸造后毛坯表面粗糙度达不到要求，需要机加工，因此保护套毛坯的设计规格为：内径Φ19.5mm，外径21.5mm，长度21cm，合金元素的加入量取要求范围的中限值，即：C：0.75％，Cr：20％，W：7.5％，Si：1.5％，Ni：12.5％，Mo：4％，Mn：1.75％，Nb：1.0％，Ce：0.03％(考虑到烧损)，Co为余量。采用中频真空炉进行冶炼，浇铸成要求规格的保护套毛坯。然后对毛坯进行固熔和时效，固熔温度为1180℃，保温1小时，然后空冷到室温，之后再进行时效处理，在800℃范围内保温2小时后随炉冷却。通过对随炉试样进行测试，其硬度为32(HRC)，热膨胀系数14.1×10-6/K(50～700℃)，屈服强度700MPa，延伸率4.2％，性能能够满足要求，之后对保护套毛坯进行精加工到要求尺寸，考虑到保护套与阀杆之间的过盈配合以及热膨胀系数差异，最终保护套成品的内径为
mm，长度20cm(自由公差)，厚度1mm(自由公差)。保护套加工到要求尺寸后，与阀杆进行装配，先将阀杆的一端浸入到液氮中保温20min、同时钴基合金保护套在炉中加热到15℃保温20min，然后将二者取出迅速进行装配，这样整个制造和装配过程就已完成。
(2)在Φ10mm的超超临界汽轮机阀杆(材质为2Cr11NiMoV)一端上装配1.2mm厚、30cm长的保护套
首先按照尺寸要求，冶炼钴基合金保护套毛坯，考虑到铸造后毛坯表面粗糙度达不到要求，需要机加工，因此保护套毛坯的设计规格为：内径Φ9.5mm，外径11.5mm，长度31cm，合金元素的加入量取要求范围的上限值，即：C：1.0％，Cr：25％，W：10％，Si：2％，Ni：15％，Mo：5％，Mn：2％，Nb：1.2％，Ce：0.03％(考虑到烧损)，Co为余量。采用中频真空炉进行冶炼，浇铸成要求规格的保护套毛坯。然后对毛坯进行固熔和时效，固熔温度为1200℃，保温1.5小时，然后空冷到室温，之后再进行时效处理，在800℃范围内保温2.5小时后随炉冷却。通过对随炉试样进行测试，其硬度为35(HRC)，热膨胀系数13.9×10-6/K(50～700℃)，屈服强度670MPa，延伸率4％，性能能够满足要求，之后对保护套毛坯进行精加工到要求尺寸，考虑到保护套与阀杆之间的过盈配合以及热膨胀系数差异，最终保护套成品的内径为
mm，长度30cm(自用公差)，厚度1.2mm(自由公差)，保护套加工到要求尺寸后，与阀杆进行装配，先将阀杆的一端浸入到液氮中保温20min、同时钴基合金保护套在炉中加热到15℃保温20min，然后将二者取出迅速进行装配，至此，整个制造和装配过程就已完成。
Claims (3)
1.一种制备超超临界汽轮机阀杆保护套的方法，其特征是选择与阀座上堆焊的司太立21#合金硬度匹配的钴基合金，浇铸成套筒状，然后进行机加工，套到阀杆的外表面；保护套的尺寸需根据阀杆的尺寸决定，铸造钴基合金保护套与阀杆之间装配采用液氮冷缩装配的方法以实现二者之间的过盈装配，即将阀杆在液氮中进行冷却后再与受热的保护套进行装配；
浇铸成套筒状钴基合金的成分为：
C：0.5～1.0％、Cr：15～25％、W：5.0～10.0％、Si：1～2％、Ni：10～15％、Mo：3～5％、Mn：1.5～2％、Nb：0.8～1.2％、Ce：0.01～0.02％、P和S都小于0.02％、余量为Co，此外要求套筒状钴基合金硬度为30～35(HRC)，平均热膨胀系数小于14.3×10-6/K(50～700℃)，屈服强度为大于655MPa，抗拉强度大于950MPa，延伸率4～5％；
铸造钴基合金的热处理工艺为1150～1200℃固熔处理1～1.5小时，然后空冷到室温，之后再进行时效处理，在750～800℃范围内保温2～3小时后随炉冷却。
2.按照权利要求1所述的制备超超临界汽轮机阀杆保护套方法，其特征在于铸造钴基合金保护套与阀杆进行液氮冷缩装配，装配时首先应分别将阀杆浸入到液氮中保温20～30min、铸造钴基合金保护套在炉中加热到150～200℃保温20～30min后，然后将二者取出进行装配。
3.按照权利要求1所述的制备超超临界汽轮机阀杆保护套方法，其特征在于铸造钴基合金保护套的厚度应控制在1～1.5mm范围内。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 076576 Zhuolu science and Technology Park, Zhangjiakou, Hebei, China Patentee after: HEBEI WUWEI AERO & POWER TECHNOLOGY CO.,LTD. Address before: 076576 Zhuolu science and Technology Park, Zhangjiakou, Hebei, China Patentee before: Hebei Wuwei Aero & Power Technology Co.,Ltd. |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A Method for Preparing the Stem Protection Sleeve of Ultra Supercritical Steam Turbines Effective date of registration: 20230901 Granted publication date: 20140108 Pledgee: Agricultural Bank of China Limited Zhuolu County Branch Pledgor: HEBEI WUWEI AERO & POWER TECHNOLOGY CO.,LTD. Registration number: Y2023980054896 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Granted publication date: 20140108 Pledgee: Agricultural Bank of China Limited Zhuolu County Branch Pledgor: HEBEI WUWEI AERO & POWER TECHNOLOGY CO.,LTD. Registration number: Y2023980054896 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A method for preparing valve stem protection sleeves for ultra supercritical steam turbines Granted publication date: 20140108 Pledgee: Agricultural Bank of China Limited Zhuolu County Branch Pledgor: HEBEI WUWEI AERO & POWER TECHNOLOGY CO.,LTD. Registration number: Y2024980004331 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |