CN109195733A - 用于制造涡轮机部件的方法、通过此方法可获得的部件以及包括所述部件的涡轮机 - Google Patents

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M·布乔尼
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Abstract

本申请公开一种用于生产和处理包括例如碳氢化合物及硫化氢、二氧化碳的并且具有或不具有其他污染物的油气的涡轮机及其部件。所述部件由高耐腐蚀、耐高温合金制成，所述合金在高温下比现有马氏体不锈钢具有更高的耐腐蚀性和/或耐应力性并且表现出类似于优质镍基超合金的性能，同时呈现大幅改进的硬度值。

Description

用于制造涡轮机部件的方法、通过此方法可获得的部件以及 包括所述部件的涡轮机
技术领域
本说明书中公开的实施例总体上涉及用于“油气”应用的涡轮机部件以及涡轮机。
一些实施例涉及用于生产和处理包括例如碳氢化合物及硫化氢、二氧化碳等的、具有或不具有其他污染物的油气的(旋转式)离心压缩机或泵以及其部件。这些材料称为“酸气”。所述设备具有由高度耐腐蚀合金制成、耐腐蚀能力优于现有马氏体不锈钢并且性能类似于优质镍基超合金的至少一个部件。
一些实施例涉及(旋转式)燃气涡轮或蒸汽涡轮及其部件。所述设备具有由高机械耐性合金制成、耐疲劳性和/或耐蠕变性优于现有材料的至少一个部件。
背景技术
压缩机是能够通过使用机械能提高可压缩流体(气体)的压力的机器。在离心压缩机中，所述流体的压缩通过组装在轴上的一个或多个叶轮以及在通过螺栓堆叠在一起的一个或多个定子零件(隔膜)内的旋转运动来实现。所述组件通常称为管束。待压缩的流体经由一个或多个进入管抽吸到所述管束内，而已压缩流体从所述管束向一个或多个输送管排出。
通常，所述离心压缩机由电动机或者由内燃机通过用于传递运动的联轴节驱动。
在酸气领域中操作的离心压缩机需要承受与环境(腐蚀)的各种类型的交互，所述交互可能导致压缩机部件的性能下降和过早损坏。
酸运行的特征在于含有湿硫化氢(H2S)的碳氢化合物，其中pH2S高于0.0030巴。该值对于碳钢和低合金钢有效。NACE MR0175/ISO 15156-1和NACE MR0175/ISO 15156-3未限定耐腐蚀合金(CRA)的pH2S下限，因为该限制也是溶液酸度(pH)的函数，并且这些值还可能低于针对碳钢和低合金钢限定的值。
存在若干种腐蚀现象，其中以下类型是最相关的：
-全面腐蚀–材料表面的均匀腐蚀
-点状腐蚀–不均匀的局部腐蚀
-应力腐蚀开裂(SCC和CSCC)
需要指出的是，上列腐蚀现象只能在冷凝水(湿气)存在时发生，所述冷凝水(湿气)用作电化学过程的电解质。
包括碳氢化合物、CO2、H2S和氯化物(或者其他卤化物)的湿气最终在存在元素硫的情况下，表示上列所有现象可能发生的环境。因此，材料对单一或组合损坏机理的耐性是确保产品可靠性的基本因素。
在上列腐蚀机理中，最重要的是由湿H2S或氯化物(或者一般来说，卤化物)引起的应力腐蚀开裂，因为这样会导致所在单元无法使用。
通常，所述机理包括由腐蚀产生的氢原子在金属中的扩散。
SSC只能在以下三个条件得到核实时发生：
·拉伸应力(残余和/或施加)
·H2S+冷凝水
·易于发生SSC损坏的材料
诸如卤化物、砷(As)、锑(Sb)和氰化物(CN-)等污染物用作催化剂，从而提高表面上的氢原子浓度，并且避免这些氢原子在氢分子进行重组而造成SSC进一步恶化。
通常，离心压缩机部件(叶轮、轴、隔膜和螺栓)暴露于拉伸应力和湿气条件中。
基于经验，现已发现，叶轮和螺栓构成最易于SSC和CSCC的部件。这是因为应力水平高于其他部件，并且在湿气处于高分压下的压缩机停机(加压)期间，应力一直保持施加。因此对于酸运行环境，必须选择能够承受恶劣环境条件的材料。
因此，基于由H2S的分压(p(H2S))、pH(主要为CO2的函数)和氯化物(和/或其他卤化物)含量所支配的三维空间为该运行选择材料，如图1中示意性地表示。
迄今为止，已经使用不同材料，以便针对指定环境选择成本效率最高的解决方案。
为简化用于选择适合目标方法的材料所遵循的复杂规则，应考虑以下原则：
-对于低p(H2S)、任何pH和高氯化物含量，首选的材料类别是二相合金和超二相合金；
-对于低到中p(H2S)、任何pH和低氯化物含量，首选的材料类别是不同类别的马氏体不锈钢；
-对于任何p(H2S)、任何pH和高氯化物含量，首选的材料类别是镍基合金；
在3D空间中表示这些原则可清楚地看出，成本高效的合金(即，二相合金、超二相合金和马氏体不锈钢)与优质镍基合金之间存在巨大空间，新合金可能覆盖该空间。
因此需要离心压缩机的部件，特别但不排他地，用于生产和处理包括碳氢化合物及硫化氢、具有或不具有其他污染物的油气的压缩机的部件，能够提高可靠性、增加速度(假定较高的具体材料强度)并且通过减少昂贵的合金元素，主要是镍来提供成本高效的合金。
在泵设计中和运行条件下或者在某个蒸汽涡轮应用(即，地热领域)中，需要解决类似问题。
燃气涡轮是一种内燃机。它具有连接到下游涡轮的上游旋转压缩机以及介于两者之间的燃烧室。
通过压缩机的空气流在燃烧室中达到较高压力，在所述燃烧室中，所述大气空气与燃料(即，液体或气体)混合并且燃烧，以增加其热函。该高温高压的流进入膨胀涡轮中，从而在此过程中产生轴功输出。所述涡轮轴功用于驱动可连接到所述轴的压缩机和其他装置，例如发电机。
此环境的特征在于，同时存在处于稳定和循环条件中的高温、高应力组合。所述应用的材料应设计成能承受蠕变、高低循环疲劳、氧化和腐蚀。这通常通过高强度钢或镍基合金来实现。
在蒸汽涡轮设计和运行条件下，需要解决类似问题。
本发明的发明人已尝试实现一部分或所有上述目标。
发明内容
根据第一示例性实施例，提供一种用于制造涡轮机的部件的方法，所述方法包括以下步骤：
a)通过真空感应熔化(VIM)或者电弧炉熔化合金化学组合物，基于所述组合物的重量，所述合金化学组合物由以下项构成：
剩余的是Fe和杂质，所述杂质包括0.0-0.01wt％的S和0.0-0.025wt％的P，
b)通过氩氧脱碳(A.O.D.)、真空感应除气和浇注(V.I.D.P)或真空氧脱碳(V.O.D.)精炼，
c)通过电渣重熔(E.S.R.)或真空电弧重熔(VAR)重新熔化，
d)在1020-1150℃的温度下对步骤c)得到的合金进行热处理，以通过至少一个热循环引起增溶，然后在液体或气体介质中快速冷却，以及
e)通过加热到600-770℃的温度进行2-20小时老化，然后在室温下冷却。
根据第二示例性实施例，提供一种可通过上述方法获取的涡轮机的部件，所述部件由合金制成，基于所述合金的重量，所述合金具有由以下项构成的化学成分：
剩余的是Fe和杂质，所述杂质包括0.0-0.01wt％的S和0.0-0.025wt％的P，并且
具有硬度值29-33HRC。
根据第三示例性实施例，提供一种涡轮机，所述涡轮机包括以上总体定义的至少一个部件。
附图说明
从以下结合附图进行的示例性实施例的说明中，可更加显而易见地了解本发明，在附图中：
图1示出了由H2S的分压(p(H2S))、pH(主要为CO2的函数)和氯化物(和/或其他卤化物)含量所支配的三维空间；
图2示出了离心压缩机的典型截面图；
图3示出了离心泵的典型截面图；
图4示出了蒸汽涡轮的典型截面图；
图5示出了燃气涡轮的典型截面图；
图6A示出了实例1中的合金的相平衡和温度曲线图，并且图6B示出了比较例UNSN07718的相平衡和温度曲线图；
图7A示出了实例1中的合金的时间温度转换曲线图，并且图7B示出了比较例UNSN07718的时间温度转换曲线图；以及
图8示出了实例1中的合金的硬度加工能力，其中“ST”是指短期标准偏差，“LT”是指长期标准偏差，并且“USL”是指规格上限。
具体实施方式
下文将参考附图对示例性实施例进行说明。不同附图中的相同参考数字是指相同或类似的元件。以下具体说明并非限制本发明。相反，本发明的范围由附属权利要求限定。
整个说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”表示，结合该实施例所描述的具体特征、结构或者特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书全文中不同地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”并不一定是指相同的实施例。另外，具体特征、结构或者特性能以任何合适方式组合在一个或多个实施例中。
本说明书中所用的“室温”具有所属领域中的技术人员所知晓的普通含义，并且可包括在约16℃(60℉)到约32℃(90℉)的范围内的温度。
关于合金成分，术语“必需元素”是指存在于合金中并且在与其他必需元素相组合时允许实现上述目标的元素。合金中的必需元素是铁(Fe)、碳(C)、硅(Si)、锰(Mn)、铬(Cr)、镍(Ni)、钼(Mo)、铜(Cu)、铝(Al)、钛(Ti)和铌(Nb)。
术语“可选元素”是指除限定合金基本化学成分的必需元素之外可能存在的元素。合金中的可选元素是：钴(Co)和钨(W)。
相反，术语“杂质”或“杂质元素”是指为达到上述目标，合金成分设计中未提供的元素。但是，所述元素可能存在的原因是，根据制造工艺，其存在是不可避免的。合金中的杂质包括磷(P)、硫(S)、硼(B)、铋(Bi)、钙(Ca)、镁(Mg)、银(Ag)、铅(Pb)、氮(N)、锡(Sn)和氧(O)。
在第一实施例中，用于制造涡轮机的部件的方法包括以下步骤：
a)通过真空感应熔化(VIM)或者电弧炉熔化合金化学组合物，基于所述组合物的重量，所述合金化学组合物由以下项构成：
剩余的是Fe和杂质，所述杂质包括0.0-0.01wt％的S和0.0-0.025wt％的P，
b)通过氩氧脱碳(A.O.D.)、真空感应除气和浇注(V.I.D.P)或真空氧脱碳(V.O.D.)精炼，
c)通过电渣重熔(E.S.R.)或真空电弧重熔(VAR)重新熔化，
d)在1020-1150℃的温度下对步骤c)得到的合金进行热处理，以通过至少一个热循环引起增溶，然后在液体或气体介质中快速冷却，以及
e)通过加热到600-770℃的温度进行2-20小时老化，然后在室温下冷却。
通过这种方式，可大幅减小杂质的存在、分离和不均匀性，同时获得合金的改善的机械特性和耐腐蚀性。
确切地说，在步骤e)中设置的所选老化条件允许在硬度方面实现大幅改进，同时有利地维持非常优良的其他特性，例如耐腐蚀性和耐应力腐蚀开裂性。实际上，如下所示，所得的涡轮机部件取得了29-33HRC的硬度值。
这些硬度值可使材料非常硬，性能特别是硫化物耐应力腐蚀开裂性能得以改进。实际上，CRA的SSC耐性增加，将使合金硬度降低。所述老化处理以NACE MR0175/ISO15156-3中详细描述的硬度要求为目标，确保在处理高维锻造产品(high dimension forgingproducts)中具有高加工能力。
在优选实施例中，执行老化步骤e)的方法是加热到720-760℃的温度5-10小时，然后在室温下冷却。
在一些实施例中，所述方法进一步包括，在步骤d)之前，在高于1100℃的温度下至少6小时，对步骤c)得到的合金执行均化步骤d’)。
在其他实施例中，所述方法进一步包括，在步骤d)之前并且在步骤d’)之后，通过至少一个塑性变形循环执行热塑性变形或冷塑性变形的步骤d”)，以便获得2:1的最小总缩减率。所述塑性变形循环包括锻造(开式模或闭式模)、轧制、挤出、冷膨胀以产生原始部件形状或者更广泛的原始形状，以便进一步机加工以产生离心压缩机、泵、燃气涡轮和蒸汽涡轮以及它们的部件。
在其他实施例中，可在熔炉内、空气、受控大气或真空下执行步骤d)，即在1020-1150℃的温度下通过至少一个热循环引起增溶，然后在液体或气体介质中快速冷却，以使合金元素(即，铜、钛、铝、铌等)处于和维持在固溶(solution)状态，以便进行后续的热处理步骤。
在其他实施例中，合金进一步雾化以产生粉末，然后通过粉末冶金进行处理。优选地，术语“粉末冶金”是指所述粉末通过冷等静压(CIP)、金属注射模塑(MIM)、烧结、热等静压(HIP)密实化，或者通过MIM制造并且暴露于HIP工艺中。基本上，粉末送入到模具中，压实成所需的形状。所压制的粉末随后在受控氛围熔炉中，在室压或高压下烧结或者进行热等静压(HIP)，以在粉末颗粒之间产生冶金接合。随后，可以应用可选的烧结后操作，例如等温锻造、渗透、精加工或表面处理，以完成所述部件。
在第二实施例中，涡轮机的部件可通过上述方法获取，所述部件由合金制成，基于所述合金的重量，所述合金具有由以下项构成的化学成分：
剩余的是Fe和杂质，所述杂质包括0.0-0.01wt％的S和0.0-0.025wt％的P，并且具有29-33HRC的硬度值。
凭借其高耐腐蚀性(即便在高温下)和/或其高耐疲劳性和/或耐蠕变性，所述部件非常实用，特别是，所述部件非常适用于与涡轮机的工作流体接触，同时呈现出非常有利的硬度值。
实际上，所述合金是高度耐腐蚀和耐高温的，因此所述合金在高温下的耐腐蚀性和/或耐应力性能够优于现有马氏体不锈钢，并且性能能够类似于优质镍基超合金，例如符合UNS N07718 e UNS N00625的要求的优质镍基超合金，但是同时，上述用于制造所述部件的所述方法允许合金达到29-33HRC的理想硬度值。
在优选的实施例中，所述合金在高温下，特别是在200-250℃的范围内具有高耐腐蚀性。
在其他优选的实施例中，所述合金在高温下，特别是在400-700℃的范围内具有高耐疲劳性和/或耐蠕变性。
优选地，基于合金的重量，所述合金具有由以下项构成的化学成分：
剩余的是杂质，所述杂质包括0.0-0.001wt％的S和0.0-0.02wt％的P。
更优选地，基于合金的重量，所述合金具有由以下项构成的化学成分：
剩余的是杂质，所述杂质包括0.0-0.001wt％的S和0.0-0.015wt％的P。
有利地，上述合金是成本高效的合金，同时所述合金出乎意料地包括较少量昂贵的合金元素，例如主要是镍，但也包括铬、钼和钛，而不对机械特性和耐腐蚀特性产生负面影响。所述合金还呈现出绝佳的耐高温高压性，以便由所述合金制成的部件能够有利地适用于涡轮机，尤其是离心压缩机。
所述杂质是P、S、B、Bi、Ca、Mg、Ag、Pb、N、Sn、O或其组合。
优选地，所述杂质小于0.5wt％；更优选地，小于0.2wt％。
在优选的实施例中，所述杂质是至多0.025wt％的P、至多0.01wt％的S、以及B、Bi、Ca、Mg、Ag、Pb、N、Sn和O。
在特别优选的实施例中，所述合金具有由以下项构成的化学成分：
具有以下杂质：
在一些实施例中，所述合金具有小于依据ASTM E112的板3的晶粒尺寸。
凭借上述化学成分、杂质含量、加工条件所得的晶粒尺寸，所述合金有利地呈现出以下特性：
-优异的硬度特性，
-对于全面腐蚀和局部腐蚀具有优异的耐腐蚀性，NACE MR0175溶液A方法A的阈值应力，更高的耐应力腐蚀开裂(SCC)性，更高的耐氯化物应力腐蚀开裂(CSCC)性，更高的耐硫化物应力开裂(SSC)性，更高的电偶引发的氢应力开裂(GHSC，Galvanically-inducedHydrogen Stress Cracking)性；
-室温和高温下更高的拉伸特性；
-适当的韧性特性；
-更高的高低循环疲劳特性；
-更高的蠕变强度；
-更高的耐氧化性和耐热腐蚀性；
上述特性相对于不锈钢(马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、奥氏体-铁素体不锈钢)而言，并且可与优质镍基超合金相当。
在第三实施例中，一种涡轮机包括上文大体定义的至少一个部件。
在优选实施例中，所述涡轮机是离心压缩机或离心泵。
在其他优选实施例中，所述涡轮机是燃气涡轮或蒸汽涡轮。
图2、3、4和5示出了可使用上文所述的一个或多个部件的不同涡轮机。图2示出了离心压缩机的典型截面图，图3示出了离心泵的典型截面图，图4示出了蒸汽涡轮的典型截面图，并且图5示出了燃气涡轮的典型截面图。
应了解，确定为合金部件优选和有利的所有方面对于所述合金部件的制造方法以及包括所述合金部件的涡轮机而言，也视作类似地优选的和有利的。
还应了解，因此也公开了合金部件及其制造方法的优选方面的组合，以及它们在燃气涡轮应用中的用途，如上所述，被视作于此公开。
实例
实例1
已经制备一种合金，所述合金具有以下成分：
具有以下杂质：
以上化学成分通过真空感应熔化(VIM)熔化，通过氩氧脱碳(A.O.D.)精炼，并且通过电渣重熔(E.S.R.)重新熔化。
所得到的合金在高于1100℃的温度下均化至少6小时。
所述合金随后经历两个热塑性变形循环。
之后，所述合金在1020-1150℃的温度下进行热处理以引起增溶，然后在液体或气体介质中快速冷却。
最后，所述合金通过加热到约750℃的温度进行6小时的老化处理，然后在室温下冷却。
所得的合金已经进行机械和耐腐蚀性能评估测试。下文表1中示出与已知马氏体不锈钢(简称“马氏体SS”)进行了比较的结果。马氏体不锈钢是一种不锈钢类别，其特征在于介于12-18wt％之间的铬含量、低镍含量以及定义为马氏体的晶体结构。这种类别的合金具有中高机械特性以及合理的耐腐蚀性。
表1.
另行验证的SSC特性见表2和表3。
表2.
表3.
合金元素的重量百分比进行特别设置，以避免或最小化拓扑密排相(TCP)。过量的Cr、Mo、W将促进这些元素中所富含的金属间相沉淀。一般来说，TCP相具有化学式AxBy。例如，μ相基于理想化学计量A6B7，并且具有包含13个原子的菱形晶胞，例如W6Co7和Mo6Co7。
σ相基于化学计量A2B，并且具有包含30个原子的四方晶胞，例如Cr2Ru、Cr61Co39和Re67Mo33。
P相是原始正交晶(primitive orthorhombic)，例如Cr18Mo42Ni40，每个晶胞包括56个原子。
如图6A(热动平衡)和7A(动力估计)中所示，只有σ相在热动方面可能存在，并且由于沉淀动力非常缓慢，因而在固溶退火和老化期间中均无法发生。
此合金的化学成分经优化，以放大热可加工窗。这可以通过低镍含量并且降低硬化二次相(γ'，gamma prime)的沉淀的温度来实现。从图6中可以看出，处于平衡状态下的理论可加工范围非常大，并且介于1020℃与1280℃之间。该间隔大于UNS N07718(图6B和7B)中所提供的间隔。
平衡间隔不考虑动力和粘塑性现象，但是可以提供关于这种合金相对于其他著名商用优质镍基合金性能优异的概念。
实际上，这种合金拥有介于900℃-1200℃之间的热成形范围，因而可降低生产和循环时间内的故障风险。
所述合金具有化学元素的组合，从而提供二次相硬化，例如，以提供最小屈服强度750Mpa和硬度值29-33HRC，从而增强应力腐蚀特性。
实际上，参见图8，通过在750℃下对上述30个实例合金的样本测试6小时，示出了实例1的所述合金的硬度加工能力。图8中的图表示出了在30.86HRC中获得的平均硬度值。
与诸如UNS N07718等优质镍基合金相比，硬度水平的下降可实现更好的机加工。这种硬度水平允许在老化条件下对涡轮机部件进行机加工，从而与诸如UNS N07718等优质镍基合金相比，优化制造循环。图7A示出了实例1中的合金的时间温度转换曲线图，并且图7B示出了比较例UNS N07718的时间温度转换曲线图。可清楚地看出，相对于UNS N07718，所呈现合金中的有害相(即，δ相和Σ相)的沉淀更加缓慢。这样可允许更宽区域的热处理和更清晰的微观结构，脆性影响低，以及低韧性特性。
此合金设计成易于使用同系或不同镍基填料，例如UNS N06625、UNS N07725或UNSN09925，进行常规电弧方法(SMAW和GTAW)焊接。

Claims (14)

1.一种用于制造涡轮机的部件的方法，所述方法包括以下步骤：
a)通过真空感应熔化(VIM)或者电弧炉熔化合金化学组合物，基于组合物的重量，所述合金化学组合物由以下项构成：
剩余的是Fe和杂质，所述杂质包括0.0-0.01wt％的S和0.0-0.025wt％的P，
b)通过氩氧脱碳(A.O.D.)、真空感应除气和浇注(V.I.D.P)或真空氧脱碳(V.O.D.)精炼，
c)通过电渣重熔(E.S.R.)或真空电弧重熔(VAR)重新熔化，
d)在1020-1150℃的温度下对步骤c)得到的所述合金进行热处理，以通过至少一个热循环引起增溶，然后在液体或气体介质中快速冷却，以及
e)通过加热到600-770℃的温度2-20小时进行老化，然后在室温下冷却。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述老化步骤e)通过加热到720-760℃的温度5-10小时，然后在室温下冷却来执行。
3.根据权利要求1或2所述的方法，进一步包括，在步骤d)之前，在高于1100℃的温度下至少6小时，对步骤c)得到的所述合金执行均化步骤d')。
4.根据权利要求3所述的方法，进一步包括，在所述步骤d)之前并且在所述步骤d')之后，通过至少一个塑性变形循环执行热塑性变形或冷塑性变形步骤d”)。
5.根据权利要求1-4中的任一权利要求所述的方法，其中所得合金进一步雾化以产生粉末，然后通过选自以下项的粉末冶金进行处理：冷等静压(CIP)、金属注射模塑(MIM)、烧结、热等静压(HIP)，或MIM和HIP过程。
6.一种通过权利要求1-5中的任一权利要求所述的方法可获取的涡轮机的部件，所述部件由合金制成，基于所述合金的重量，所述合金具有由以下项构成的化学成分：
剩余的是Fe和杂质，所述杂质包括0.0-0.01wt％的S和0.0-0.025wt％的P，并且
具有硬度值29-33HRC。
7.根据权利要求6所述的部件，其中所述合金在高温下，特别是在200-250℃的范围内具有高耐腐蚀性。
8.根据权利要求6或7所述的部件，其中所述合金在高温下，特别是在400-700℃的范围内具有高耐疲劳性和/或耐蠕变性。
9.根据权利要求6-8中的任一权利要求所述的部件，其中基于所述合金的重量，所述合金具有由以下项构成的化学成分：
剩余的是杂质，所述杂质包括0.0-0.001wt％的S和0.0-0.02wt％的P。
10.根据权利要求6-9中的任一权利要求所述的部件，其中基于所述合金的重量，所述合金具有由以下项构成的化学成分：
剩余的是杂质，所述杂质包括0.0-0.001wt％的S和0.0-0.015wt％的P。
11.根据权利要求10所述的部件，其中所述合金具有由以下项构成的化学成分：
具有以下杂质：
12.一种涡轮机，所述涡轮机包括至少一个根据权利要求6-11中的任一权利要求所述的部件。
13.根据权利要求12所述的涡轮机，所述涡轮机是离心压缩机或离心泵。
14.根据权利要求13所述的涡轮机，其中所述涡轮机是燃气涡轮或蒸汽涡轮。
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