（热能工程专业论文）汽轮机转子热脆化的非破坏性检测法研究.pdf

华北电力大学博士学位论文摘要 中文摘要 本文对当前汽轮机转子钢热脆性非破坏性检测方法的原理及其特点进行了概 述，提出了采用改进的电化学法无损检测转子钢热脆性的方案。利用实验室冶炼的 3 0 c r 2 m o v 转子钢材料，通过进行力学试验、金相分析试验和电化学试验，根据得 到的试验数据建立了精度较高的预测转子钢热脆性的模型。经过模拟老化材料验证 和现场实机验证，证明这一技术具有一定的实用性和可靠性。 通过对实验室冶炼的转子材料进行化学成分测定试验、金相组织分析试验、力 学性能试验。分析试验结果得出材料中p 元素含量的增加使转子钢韧脆转变温度增 加，另外，p 元素对转子钢有固溶强化作用的同时降低了材料的塑性和韧性。 通过采用模拟高温时效的步冷热处理工艺，使转子材料的韧脆转变温度升高1 3 5 7 ，加剧了材料的热脆化程度，证明步冷热处理能够加速转子的钢热脆化，模 拟转子钢发生热脆化的工况环境。 采用动电位阳极极化法、单环动电位再活化法和双环动电位再活化法分别对材 料进行电化学测试，得到材料在不同温度电解液中的电化学参数。电化学试验中， 首次采用了钼酸钠溶液作为电解液对3 0 c r 2 m o v 转子钢材料进行极化测试，所得的 极化曲线极化特征明显，反映材料热脆性的电化学参数可测；研究了电解液温度对 电化学参数的影响规律，结果表明将电解液温度作为材料热脆性的预测参数是十分 必要的。 采用多元线性回归法、人工神经网络法和遗传规划法建立了材料韧脆转变温度 ( f a t t 5 0 ) 的预测模型，通过比较得出，多元线性回归法建立的预测模型，拟和误 差和预测误差均在在2 0 以内，达到了国际上同类方法的精度。建模时首次将电 解液温度作为预测参数，使在现场进行电化学测试时不必控制电解液温度。 研制了适用于电化学现场测试的电解槽装置，制定了针对实际转子现场检验的 步骤和方法，对实际转子进行了现场的金相分析、硬度检测和电化学检测，利用得 到的预测模型进行了材料热脆性的评估，结果表明本检测方法能够应用在实际转子 的现场检验中。 本论文的研究工作得到了精度较高的适合无损检测在役转子材料f a t t 5 0 的方 法和技术，为汽轮机的冷启动和报废决策提供科学的决策依据，保证机组安全经济 运行，具有非常重要的意义。 关键词：热脆性、汽轮机转子、3 0 c r 2 m o v 、电化学极化、无损检测 华北电力大学博士学位论文摘要 a b s t r a c t t h ep r i n c i p l ea n dc h a r a c t e ro ft h en o n d e s t r u c t i v et e s tm e t h o df o rs t e a mt u r b i n e r o t o rs t e e lw e r er e v i e w e d ak i n do fi m p r o v e dn o n d e s t r u c t i v et e s tm e t h o db a s e do n e l e c t r o c h e m i c a lp o t e n t i a lt e c h n i q u ew a sp r o p o s e d t h et e s to fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ， m e t a l l o g r a p h ya n a l y s i sa n de l e c t r o c h e m i c a lp o t e n t i a lw a sc a r r i e do u t o nl a b - c h a r g e d p h o s p h o r u s d o p e d30 c r 2 m o vr o t o rs t e e l s a n dt h e nap r e d i c t i n gm o d e lf o rd e t e c t i n g n o n d e s t r u c t i v e l yt h ef r a c t u r ea p p e a r a n c et r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e ( f a t t s o ) o f t h es t e e l s w a sc o n s t r u c t e d t h ep r e d i c t i n gm o d e lw a sv e r i f i e do nt w os i m u l a t et e m p e re m b r i t t l e d r o t o rs t e e l sa n dar e t i r e dt u r b i n er o t o r , a n dw a sp r o v e dt ob ef e a s i b l ea n de f f e c t i v e t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o n s ，m i c r o s t r u c t u r e ，g r a n u l a r i t y , s t r e n g t h ，d u c t i l i t y , f r a c t u r e a p p e a r a n c et r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e ( f a t t s 0 ) ，h a r d n e s sa n de l e c t r o c h e m i c a lp a r a m e t e rf o r l a b c h a r g e dm a t e r i a l sw e r em e a s u r e d i tw a sf o u n dt h a tp h o s p h o r u sc a ns t r e n g t h e nt h e s t e e l sb ys o l i d s o l u t i o n h o w e v e r ，ai n c r e a s ei np h o s p h o r u sc o n t e n tr e s u l t e di nai n c r e a s e i nt h ef r a c t u r ea p p e a r a n c et r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e ( f a t t s 0 ) ，a n dad e c r e a s e i nt h e d u c t i l i , t ya n dt o u g h n e s s t h es t e pc o o l i n gh e a tt r e a t m e n tc a l li n c r e a s e st h ef r a c t u r ea p p e a r a n c et r a n s i t i o n t e m p e r a t u r e ( f a t t 5 0 ) b y13t o5 7 c i ti n d i c a t e st h a tt h es t e pc o o l i n gh e a tt r e a t m e n tc a i l b eu s e dt oe m b r i t t l er o t o rs t e e l sa n dt os i m u l a t et h et e m p e re m b r i t t l e m e n tt r e a t m e n t d u r i n gt h el o n g - t e r ms e r v i c eo ft u r b i n er o t o r t h r e ek i n d so fe l e c t r o c h e m i c a lp o l a r i z a t i o nt e s t w e r ec a r r i e do u t ，s u c ha s p o t e n t i o d y n a m i c a n o d i cp o l a r i z a t i o nt e s t ，s i n g l el o o pe l e c t r o c h e m i c a lp o l a r i z a t i o n r e a c t i v a t i o n ( e p r ) t e s ta n dd o u b l el o o pe l e c t r o c h e m i c a lp o l a r i z a t i o nr e a c t i v a t i o n ( e p r ) t e s t ，a n dt h e ne l e c t r o c h e m i c a lp a r a m e t e r s o ft h es t e e l sw e r eo b t a i n e di nd i f f e r e n t e l e c t r o l y t ea td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e t h es o l u t i o no fs o d i u mm o l y b d a t ew a sf i r s t l yu s e d a se l e c t r o l y t ei ne l e c t r o c h e m i c a lp o l a r i z a t i o nt e s tf o rr o t o rs t e e l s ，a n de l e c t r o c h e m i c a l p a r a m e t e rw a se a s yt og e tf r o mt h ep o l a r i z a t i o n c u r v eb yt h i sm e t h o d t h ee f f e c to f e l e c t r o l y t et e m p e r a t u r eo ne l e c t r o c h e m i c a lp a r a m e t e rw a s s t u d i e d ，t h er e s u l ts h o w e dt h a t i tw a sn e c e s s a r yt oa d de l e c t r o l y t et e m p e r a t u r ea sav a r i a b l et ot h em o d e lf o re s t i m a t i n g f a t t s o o f r o t o rs t e e l s t h em o d e l sf o rp r e d i c t e dt e m p e re m b r i t t l e m e n to fr o t o rs t e e l sw e r eo b t a i n e db y m u l t i p l e l i n e a r r e g r e s s i o n ，b p ( b a c k p r o p a g a t i o n ) n e u r a l n e t w o r ka n d g e n e t i c p r o g r a m m i n g t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h ep r e d i c t i o ne r r o ro ft h em o d e l so b t a i n e db y i l 华北电力大学博士学位论文摘要 m u l t i p l el i n e a rr e g r e s s i o na n dg e n e t i cp r o g r a m m i n gw a sw i t h i nt h es c a t t e ro f 士2 0 c t h ee l e c t r o l y t i cc e l lf o rf i e l dt e s tw a si n v e n t e d ，n dt h et e s tp r o g r a mf o rf i e l dt e s t w a sp r o p o s e d a c c o r d i n gt ot h et e s t p r o g r a m ，t h e t e s to fm e t a l l o g r a p h ya n a l y s i s ， h a r d n e s sa n de l e c t r o c h e m i c a lp o l a r i z a t i o nf o rt h er o t o ri nt h ef i e l dw a sc o n d u c t e d u s i n g t h ep r e d i c t i o nm o d e l ，t h ef a t t s oo ft h er o t o rw a se s t i m a t e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a t t h i sn o n d e s t r u c t i v et e s tt e c h n i q u ec a nb ea p p l i e dt oi n - s e r v i c er o t o ri nt h ef i e l d 。 t h en o n d e s t r u c t i v et e s t t e c h n i q u ew i t hh i g ha c c u r a c yf o rd e t e c t i n gf a t t s oo f i n - s e r v i c er o t o rs t e e l sw a sd e v e l o p e di nt h i ss t u d y t h i st e c h n i q u ec a no f f e rr e a s o n a b l e d a t af o rt h ec o l ds t a r t u pp r o g r a m m i n ga n dr e t i r ed e c i s i o no fa ni n - s e r v i c es t e a mt u r b i n e ， a n dt h e ne n s u r et h es a l t ya n de c o n o m yo ft h es t e a mt u r b i n e k e yw o r d s ：t e m p e re m b r i t t l e m e n t ，s t e a mt u r b i n er o t o r , 3 0 c r 2 m o v , e l e c t r o c h e m i c a l p o l a r i z a t i o n ，n o n d e s t r u c t i v et e s t i i i 声明 本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文汽轮机热脆化的非破坏性检测法的 研究，是本人在华北电力大学攻读博士学位期间，在导师指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果 不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩印或其它 复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学 术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上 发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：彬自l 觇 日 期：鲨i ：6 。垫 导师签名： 日期 华北电力大学博士学位论文 1 1 研究的背景与意义 第一章绪论弟一早瑁化 随着我国国民经济快速发展，社会对电力的需求与日俱增，中国的电力工业也 进入了一个大发展的时期。到2 0 0 5 年底，我国电力装机容量达到5 0 8 亿千瓦，而 新中国成立时这个数字仅为18 5 万千瓦。目前，中国发电机组构成中火电机组占有 绝对主导地位，约占7 4 2 ，其次是水电机组，约占2 4 ，核电占到1 4 。随着 电力工业的发展，一方面，各大电网容量快速递增，相继建设安装了一大批高效率、 高参数、大容量的发电机组；另一方面，社会对机组运行的安全性、经济性和机动 性提出了更高的要求。 随着经济的发展，用电量的昼夜及季节的峰谷差值加大，电网必须通过调峰来 满足用户的需要，也就是说各大电网的峰谷差会越来越大，面临着高峰负荷出力不 足和低谷时出力有余而又低调困难的问题。在这种条件下，只依靠中小机组进行调 峰已经满足不了要求，而大容量火电机组参与调峰运行已势在必行。据了解，当前 用户向汽轮机制造厂订购2 0 0 m w 和3 0 0 m w 机组时都提出了不同程度的调峰技术 要求。大容量火电机组参与调峰运行，由于启动频繁和大幅度负荷变动，机组部件 要经常承受剧烈的温度变化和交变应力。为了保证调峰机组安全可靠的运行和取得 较大的经济效益，必须加强机组运行寿命的评估和管理。 与此同时，机组的老龄化问题越来越严重，按现在一般的设计原则，机组的运 行寿命一般为2 5 3 0 年，服役期超过2 0 年的机组称之为老龄化机组。我国六十 年代及七十年代初先后投入运行的机组也相继进入老龄化阶段，预计今后老龄化机 组所占的比例会越来越大，机组老龄化的问题越来越突出。这些机组经过长期的运 行，材料性能下降，事故率增高。如何保证老龄化机组的安全经济运行，如何增加 机组的服役期，延长其使用寿命，具有重大的现实意义和经济价值。 高温金属设备或部件在长期高温运行的条件下，会发生老化现象，材料的机械 性能发生很大的变化。这些主要是由于碳化物的粗大化、微量杂质元素向晶界的偏 析以及金属间化合物的析出等造成的材料软化和脆化等，使材料的性能下降，造成 材料的劣化。因此，为了保证设备的安全经济运行，进行有效的安全评价和寿命管 理，必须对这些材料劣化程度给出定量的评价。 图l 一1 示出了为防止发生脆性断裂，按照断裂力学的方法进行热力设备大型部 件安全性评价的基本流程【2 1 。 由图l l 中可以看出，为了进行设备的安全性评价，必须进行材料的机械性 1 第一章绪论 能定量评价、材料内部缺陷的定量评价和应力应变定量分析。这里，设备的安全性 评价实质上是材料的缺陷评价，设备安全运行的主要条件就是其缺陷评价合格。 继 续 ， 运 转 图1 1 大型设备安全性评价流程图 电站金属的高温损伤形式主要有蠕变、疲劳和脆化【3 7 】。为了对设备进行安全性 评价，必须定量评价这些金属的高温损伤。但是，对于在役设备，直接从设备上取 样进行这些定量评价是很困难的，必须进行非破坏性的定量评价。 为此，自2 0 世纪8 0 年代后期以来，主要工业国家对材料劣化、损伤的非破坏 性定量评价方法进行了积极的基础研究和技术开发。如日本，除日本政府的科技厅 组织进行了广泛深入的研究外，以各个电力公司为主的各有关企业也都进行了深入 细致的研究和技术开发。在中国，国家电力公司在2 0 0 1 2 0 0 5 2 0 15 年科技发展规划 中把“提供对高参数、大容量火电机组关键部件及材料的安全性评估与寿命损耗的 综合技术，提高机组运行安全可靠性”作为当前的研究目标，把“机组关键部件及 材料的安全性评估与寿命损耗研究”作为高参数、大容量火电机组关键技术的研究 内容，采取了包括加强设备寿命管理、推行状态检修等在内的许多措施，以在确保 设备运行安全的同时，尽力降低设备的老化程度，延长设备的使用寿命。 汽轮机的转子是汽轮机的主要部件，转子的寿命基本上代表了机组的寿命。转 子材料长期在3 5 0 。c 以上的高温下运行时会发生塑性、韧性降低现象，即热脆化现 象。这种现象是由于在长期高温及高应力下运行，钢中的磷( p ) 、锡( s n ) 和锑 2 华北电力大学博士学位论文 ( s b ) 等微量杂质在晶界偏析，降低了晶界表面能和脆断应力，促使脆性断裂沿晶 界发生【6 引。随钢中镍( n i ) 、铬( c r ) 、锰( m n ) 和硅( s i ) 等含量增加，热脆 性的倾向也增加。汽轮机材料( c r m o v 钢) 的热脆化是仅次于高温蠕变、疲劳的第三 大高温损伤形式。一旦材料发生脆化，材料对脆性破坏的抵抗力降低，材料的韧脆 转变温度( f a t t 5 0 ) 升高，如不能及时检测出材料韧脆转变温度的升高并在冷启动时 适当延长暖机时间，易造成部件发生脆性断裂，导致事故发生【7 ，9 1 。而且，脆化了 的材料的裂纹发生寿命缩短，裂纹扩展速度加快，使材料的实际使用寿命缩短f l ”“。 对于低压转子，为防止其发生热脆化，其运行温度被限制在3 5 0 。c 以下，其热效率 也因此受到限制。另一方面，汽轮机材料的热脆化程度，也是衡量汽轮机材料的寿 命消耗的一项重要指标，是汽轮机材料的安全性和寿命消耗评估的一项重要内容、 是机组判废的指标之一【6 】。然而，在我国目前的设备寿命管理和设备的状态检测中 没有对高温部件的热脆化状态进行检测和管理的内容。因此，急需研究和开发汽轮 机材料热脆性的定量检测方法。 电站高温金属材料的热脆化检测主要是检测材料的韧脆转变温度。主要的非破 坏性检测法有化学腐蚀法【1 2 m 】、俄歇电子分光法、电化学法 体19 1 、电磁法、超声波 法【2 0 1 和微小试样机械试验法。其中，微小试样机械试验法是从部件上挖取微小试样， 直接测定其韧脆转变温度。俄歇电子分光法利用热脆化c r m o v 钢的晶界磷浓度与 材料的韧脆转变温度的相关关系，从部件上挖取一微小试样，直接测定试样晶界处的 磷的浓度，进而求出材料的韧脆转变温度。这两种方法的精度很高，但是需要从汽 轮机部件上挖取微小试样，在实际应用中受到了很大的限制。电磁法和超声波法的 主要问题是检测结果的精度低、误差太大。实际上，能用于实际检测的只有化学腐 蚀法和电化学法。电化学法灵敏、有效，但受测定环境温度的影响很大，在测定时 需严格控制试样( 转子) 的温度，在使用中很不方便。化学腐蚀法受测定环境温度 的影响较小，但精度稍差。 1 2 国内外的研究现状 目前，许多工业国家的电力公司对运行时间超过1 0 万小时的汽轮机高温部件的热 脆化状态开始定期进行检测。我国尚未开始进行此项检测。 自2 0 世纪6 0 年代开始，美国的西屋电力公司、电力研究院( e p 砒) 等就对汽轮机 转子的热脆化进行了系统的研究，基本弄清了材料热脆化的机理。7 0 年代以来，主要电 力先进国家，如美国、日本和西德，都对此进行了广泛和深入的基础研究和技术开发， 得出了化学元素对热脆化的影响规律和预、攫4 模型。同时，这一时期各国开始了对汽轮机 寿命管理和诊断技术的开发研究。8 0 年代初至9 0 年代中，各国开展了汽轮机部件热脆 化的非破坏性检测方法的开发，如日本，除日本政府的科技厅组织进行了广泛深入的 3 第一章绪论 研究外，以各个电力公司为主的各有关企业也都进行了深入细致的研究和技术开发，提 出了各种检测技术，并开始应用于汽轮机的运行维护和寿命管理中。目前的研究主要集 中于提高精度和拓宽使用范围的研究。 通过长期、系统的开发研究，目前各主要工业国家都开发出了自己的汽轮机部件热 脆化的非破坏性检测技术。 美国的电力研究院( e p i u ) 是最早提出汽轮机部件热脆化的非破坏性检测的思想与 方法的单位之一，并对化学腐蚀法和超声波检测法进行了开发研究。同时，它还开发出 了属于破坏性试验法的微小试样机械试验法，并提出将材料热脆化程度( 韧脆转变温度 及其升高值) 作为机组报废的一个指标。目前主要致力于提高超声波法的精度并将这一 方法应用于核电站材料的脆化检测中。 在日本，由于日本的电力法规规定，可以根据寿命消耗评估和剩余寿命预测结果， 延长机组的检修期间【2 ”，因此，许多电力公司都对寿命消耗评估和剩余寿命预测技术进 行了开发研究，其中包括汽轮机部件熟脆化的检测技术的开发研究。 日本的关西电力公司主要对电化学法和超声波法进行了开发研究。目前，它们已经 开始在汽轮机检修和寿命消耗评估中应用这些方法。此外，经过在4 所发电厂试行后， 关西电力公司从2 0 0 2 年开始全面实施的新检修制度( i m m 设备维护检修制度，该制度 的实施可以使检修费用减少5 0 ) ，其中，材料热脆化程度的检测是其中的主要内容之 一。 日本的三菱重工、日立、东芝、石川岛播磨重工业公司都进行了开发研究，开发出 了化学腐蚀法【2 2 1 ( - - 菱重工、日立、东芝) 、电化学法( 东芝、石川岛播磨重工业公司) 等技术。这些技术也已经应用于其汽轮机检修和寿命消耗评估中工作中。目前，这些公 司主要致力于各检测法精度的提高和应用范围的拓宽( 应用于燃气轮机和核电站材 料) 。 此外，日本的东北大学承担文部省( 教育部) 项目并受其它公司的委托对电化学法 进行了基础理论和技术开发研究闭。 化学腐蚀法是利用c r m o v 钢的韧脆转变温度与晶界处磷的浓度有关，以及晶 界处磷的浓度又与材料在特定腐蚀液中的晶间腐蚀程度有关的规律，用特定的腐蚀 液对部件表面进行轻微的腐蚀，使晶界处磷浓度高的部分被选择溶解，发生晶间腐 蚀，用复膜的方法提取部件表面腐蚀状态，在电子显微镜下观察复膜，确定晶界处产 生的腐蚀沟槽的宽度，用这些参数来衡量晶界处杂质元素的偏析程度，进而估算材 料的韧脆转变温度。它的主要不足是由于在对晶界处腐蚀沟槽的宽度测量时，在选 取测量位置时一般凭经验选取，这样存在较大的误差，另外，该法没有考虑晶界总 长度对韧脆转变温度的影响。 4 华北电力大学博士学位论文 电化学法是灵敏度和预测精度较高的一种方法。这种方法的原理与化学法的原 理相似，不同的是：化学法是通过测定转子钢在特定腐蚀液中产生的腐蚀沟槽的特 征参数来估算材料的韧脆转变温度，而电化学法是通过测定转子钢在特定腐蚀液中 的电化学极化参数来估算材料的韧脆转变温度。日本的e c p ( e l e c t r o c h e m i c a l p o l a r i z a t i o n ，电化学极化) 装置为由工作电极、参比电极和电解液制成的一个探头。 试验时，只要将探头紧压在现场某一部件的被测部位上，探头连接微机控制的恒电 位仪，维持电解液在一恒定温度，即可测出材料在该部位的极化特性，以此来判断 材料的脆化程度。但是，由于电化学极化参数受温度的影响很大，无论是美国或者 日本的e c p 装置在进行现场测试时都需要把电解液的温度( 实际上是试样，即转子 的温度) 维持在一个恒定的值，比如3 0 ，来克服温度对于电流的影响，而实际中， 随着季节的不同，现场转子温度往往差别很大，因此在实际使用中造成了一定困难。 另外，与其它非破坏性检测法一样，电化学法的精度也需要进一步提高。 在我国，对汽轮机部件热脆化的研究工作开展的较晚。2 0 世纪8 0 年代，由于 在我国向国外订购的转子钢的验收标准中对材料的韧脆转变温度( f a t t 5 0 ) 有明确 的验收指标，从而引起了我国有关部门的重视，一些汽轮机制造企业开始对这一现 象进行了研究。通过研究认识到了韧脆转变温度( f a t t 5 0 ) 是一个受转子锻件、化 学成分、微量元素、冶炼工艺、锻造工艺和热处理工艺等多种因素影响，可用于分 析、判断转子锻件工艺水平和质量水平的参数，并在转子锻件技术条件中增加了对 韧脆转变温度( f a t t 5 0 ) 的要求，之后，制定了相应的标准。这一时期的研究基本上 都是汽轮机制造企业从转子锻件的制造、加工等方面进行的研究【2 3 。”j 。此时，电力 企业尚未开展这一方面的研究。8 0 年代末期，随着我国电力工业的发展和设备寿命 管理工作的开展，同时我国也发生了汽轮机螺栓、转子的热脆化，国内的大学和电 力科研单位，如华北电力大学的安江英等就此对国外的工作进行了综述、介绍和理 论分析【6 - 7 2 9 - 30 1 ，但未见到进行试验研究或技术开发、应用方面的报道。 1 3 论文的主要研究内容和预期目标 本项研究主要针对国产汽轮机高中压转子钢3 0 c r 2 m o v 钢的热脆化进行研究。 3 0 c r 2 m o v 钢是我国2 0 世纪5 0 年代从前苏联引进的大型锻件用钢【3 1 】，我国有的文献 称为2 7 c r 2 m o v 钢。该钢具有较高的热强性和组织稳定性，是我国大量用于2 0 0 m w 以下的汽轮机高中压转子材料。 1 3 1 总体研究方案 由于转子钢热脆性的产生主要是由于杂质元素磷以原子形式在晶界析出，而一 些电解质溶液对磷有选择溶解性，当将脆化了的转子钢浸入这种电解质溶液中时， 5 第一章绪论 晶界上偏析的磷就会溶解在电解质溶液中，发生晶间腐蚀。晶界上偏析的磷越多， 晶间腐蚀就越严重。因此，通过定量评价晶间腐蚀的程度，可以间接评价晶界上磷 的偏析程度。 评价晶界腐蚀程度的方法可分为化学腐蚀法和电化学法。电化学方法评价钢的 晶间腐蚀敏感性有动电位阳极极化法和动电位再活化法。通过测量腐蚀后晶界处产 生的腐蚀沟槽的形状参数，如腐蚀沟槽的宽度、深度等可以定量评价晶间腐蚀的程 度，这就是化学腐蚀法也叫蚀刻法。 与电化学法相比，用腐蚀沟槽的宽度或深度评价晶间腐蚀程度进而评价材料脆 化程度的优点是这种方法对测试温度不太敏感，在实际应用中比较方便，不足之处 是误差较大。如用腐蚀沟槽的体积作为测量参数虽然准确度可能会提高，但所需要 的三维表面形状参数测定设备价格昂贵。而且，通过试验发现，晶界处腐蚀沟槽的 面积受温度的影响很大，而且面积的测量误差较大，影响了该方法的应用。因此， 本项研究选用电化学法。 1 3 2主要研究内容 本项研究采用的总体研究方案为： 首先，制备具有不同韧脆转变温度的转子钢试样并测定其化学成分和韧脆转变 温度等机械性能参数，测定其电化学极化参数；然后，利用数学方法建立反映电化 学特征参数与韧脆转变温度之间关系的预测模型，利用这一预测模型，通过测量材 料的电化学极化参数，就可以预测新材料的韧脆转变温度；最后，在实际转子上对 该检测方法的可行性进行验证。由于电化学参数的测量是非破坏性的，因此，这一 技术可以实现在役汽轮机转子韧脆转变温度的非破坏性检测。 1 3 2 1 电化学测试方法和测试条件的确定 用于材料热脆化评价的电化学法主要包括：动电位阳极极化法、单环动电位再 活化法和双环动电位再活化法。为了确定一个灵敏、精度较高的方法，需要对各种 方法进行比较、选择。同时，测试温度、电位扫描方式和扫描速度等测试条件对测 试结果的影响也很大，需确定最佳的测试条件。 1 3 2 2 腐蚀液的筛选 腐蚀液是影响测试结果的一个主要因素。筛选出对晶界偏析杂质选择溶解性较 强的腐蚀液有利于电化学极化参数的测定，以提高韧脆转变温度测算精度。因此， 需要研究筛选出选择性好的腐蚀液和适当的测试条件。 1 3 2 3 材料韧脆转变温度的关系式的建立与检验 6 华北电力大学博士学位论文 将测得的电化学极化参数与材料韧脆转变温度等试验数据进行数学处理，建立 起材料韧脆转变温度与电化学极化参数等之间的关系式。应用这一关系式，可以通 过测量材料的电化学极化参数估算材料韧脆转变温度。 用废弃的汽轮机部件或模拟热脆化材料，测定其电化学极化参数，利用上述关 系式计算出材料的韧脆转变温度，并与实测的韧脆转变温度进行比较，检验方法的 精度。 1 3 2 4 实机验证 在实际的汽轮机部件上测定其电化学极化参数，根据测得电化学极化参数计算 材料的韧脆转变温度。 1 3 3 预期目标 开发出一种能应用于预测3 0 c r 2 m o v 转子钢韧脆转变温度的非破坏性检测方 法。 1 4 本章小结 本章介绍了国内外现有的针对汽轮机转子钢热脆化的非破坏性检测方法的基本 原理、操作流程及其优缺点，对目前电化学法中存在的主要问题进行了分析，针对 该方法中普遍存在的电化学参数受温度影响较大以及预测精度较低的问题，提出了 本论文的主要研究工作。论文的研究结果将通过模拟试验建立汽轮机3 0 c r 2 m o v 转 子钢热脆性的预测模型，制定该方法的现场检测步骤和方法。论文的目的就是寻找 出对温度适应性更强、精度更高的无损检测3 0 c r 2 m o v 汽轮机转子钢热脆性的电化 学方法，并将该方法应用于实际汽轮机转子之上。 7 第二章转子钢热脆化机理及其电化学测试原理 第二章转子钢热脆化机理及其电化学测试原理 2 1 钢的热脆化性能研究概况 2 1 1 钢热脆性的定义 某些碳钢，低合金钢及高合金钢( 特别是高铬钢) ，在3 0 0 8 0 0 的工作温度 下长期加热以后，室温的冲击韧性往往发生明显降低，有时伴随其它机械性能指标 如强度、硬度及塑性的变化，物理性能( 比重、磁性) 和化学性能( 抗氧化性、耐 腐蚀性) 也可能发生改变。这种现象称为热脆性或时效脆性【3 2 1 。 钢经长期加热后出现的脆性，常是动力机械、石油及化工高压气体设备和电站 设备发生破坏事故的重要原因。构成脆性的原因固然很多，但本质上都是钢的组织 不稳定性的反映。对于低合金钢，一般认为是由于溶质原子在a f e 固溶体晶界上 发生偏析，因而降低了晶粒之间的结合强度，导致沿晶界发生脆性破坏；对于高合 金钢，主要是合金元素在固溶体内发生重新分配，或沿晶界发生析出脆性的第二相 ( 碳化物、氮化物及金属间化合物) 而引起的。 2 1 2 钢热脆- 眭的评定方法 钢的热脆化程度的大小通常是以韧脆转变温度表示的。所谓韧脆转变温度即钢 从韧性状态过渡到脆性状态的温度，它是通过一组成分及状态相同的试样，在不同 温度下进行冲击试验，获得冲击值( a k ) 或断面纤维率一温度( t ) 曲线后确定的。 关于钢的韧脆转变温度的评定，通常采用的有以下几种： ( 1 ) 取钢在较高温度下的最高冲击值a k 最大和低温下的最低冲击值a k 量小的算术 平均值的相应温度t m 为韧脆转变温度。 ( 2 ) 当a k 最小值很低时，也有采用1 2 ( 或0 4 ) a k 最大的相应温度为韧脆转变温 睁 d 己o ( 3 ) 利用冲击试样的断口特征评定。一般是以冲击试样的断口出现5 0 脆性 断面( 即晶粒状断面) 的相应温度为韧脆转变温度( 汀t 5 0 ) ：更为严格者是以冲击 试样开始出现脆性断面的温度作为韧脆转变温度。 ( 4 ) 以冲击值降低至某一规定值的温度为韧脆转变温度。 上述四种方法中，有时采用一种方法，有时采用几种方法同时进行。如在选材 设计时，多以第( 4 ) 种方法所得的韧脆转变温度为取舍标准；在研究新材料做系 统比较试验时常以( 1 2 ) a k - 大与试样断口出现5 0 脆性断面的温度评定韧脆转变 8 华北电力大学博士学位论文 温度。图2 1 韧脆转变温度曲线示意图表示了( 3 ) ( 4 ) 两种方法确定的韧脆转变 温度。 一柚一o 试驻温重r l 8 0 曲 x 鲁 翟 誓 簟 m 图2 1韧脆转变温度曲线示意图 除了用冲击试验的方法评定钢的韧脆转变温度以外，也有采用静弯曲试验获得 载荷( p ) 一饶度( f ) 曲线的方法，以及落锤试验，模拟容器的低温爆破试验等方 法确定钢的韧脆转变温度。冲击试验因为比较简便而在实际生产中应用较多，静弯 曲试验则更易发现大尺寸钢样的脆性倾向。所以，有时为了更确切地评定钢的韧脆 转变温度，有在做冲击试验的同时还补充进行静弯曲试验的。 2 1 3 化学成分对钢韧脆转变温度的影响 钢的韧脆转变温度因化学成分不同而异，钢中常存杂质元素及常用合金元素对 钢的韧脆转变温度的影响如下： 碳碳使钢的韧脆转变温度提高。普通碳钢每增加o 0 1 的碳，约使韧脆转变 温度提高2 4 。合金钢在其它条件相同时，韧脆转变温度也因含碳量增加而提高， 如含2 4 铬的钢，当含碳量由0 0 0 3 增加至o 2 1 时，韧脆转变温度由1 0 提高 至+ 8 5 。许多合金元素对钢的韧脆转变温度的影响，也与含碳量有关，即随着钢 中含碳量的增加，合金元素对钢的韧脆转变温度提高的作用加剧。 氧氧强烈地提高铁的韧脆转变温度，由于工业用钢均是以铁为基的合金，氧 9 第二章转子钢热脆化机理及其电化学测试原理 对铁的韧脆转变温度的影响必然影响钢的韧脆转变温度。因此，降低钢的含氧量有 益于降低韧脆转变温度。 磷磷对钢的韧脆转变温度影响很大。 度提高7 1 3 ；含1 5 c r 的低碳铬钢， 转变温度由1 1 5 提高至0 。 碳钢中增加0 0 1 的磷可使韧脆转变温 磷量由o 0 0 1 增加至0 0 4 8 时，韧脆 硫低碳钢的含硫量在0 0 2 0 0 4 变化，韧脆转变温度无明显差异。对于低合 金钢硫含量对韧脆转变温度有影响。 硅工业用钢多因含硅而使脆性倾向增大，如含硅在3 6 的铬硅钢在常温下的 脆性就很大，说明硅是使钢的韧脆转变温度提高的元素。 锰锰对钢的韧脆转变温度的影响因含量不同而异。低碳钢含锰在1 5 以下时 可使韧脆转变温度降低。所以降碳增锰可以减少钢中的碳化物，细化晶粒，有利于 低碳钢获得较高的冲击韧性，并且不致于因碳低而降低钢的强度。含锰高时使钢的 韧脆转变温度提高。在更高的含锰量下如奥氏体铬锰和铬锰氮不锈钢，由于集体组 织的改变而可获得较高的冲击韧性。这是因为锰使奥氏体组织的稳定性增加的结 果。 铬含碳量( o 0 3 ) 很低时加0 5 1 的铬可使钢的韧脆转变温度降低，这是 因为铬最初加入时引起的软化作用的结果。当含铬量在1 8 时，钢的硬度虽然接 近同一水平，但韧脆转变温度会升高。在合金钢中，当含碳量( o 2 5 ) 低时，铬 量由1 3 变化对韧脆转变温度的影响不大：含碳量( 0 4o 6 0 ) 高的铬钢，韧脆转 变温度因铬量增加而提高。 镍镍被认为是降低钢的韧脆转变温度作用最大的元素。不仅，镍钢具有低的 韧脆转变温度，含镍及其它元素的合金钢如铬镍铜钢、铬镍钨钢等的韧脆转变温度 也很低。 钼和钨钼和钨降低钢的韧脆转变温度，特别是当钢中含有提高韧脆转变温度 的合金元素时，加钼和钨有利于获得高的冲击韧性。 钛和钒钛和钒提高钢的韧脆转变温度，但作用程度较弱。这两种元素在结构 钢中多与钼同时使用，因此，在钼的影响下它们对提高韧脆转变温度的作用常被抑 制。 综上所述可知，碳、氮、磷、硅等元素增大钢的韧脆转变温度，镍、锰等元素 有利于钢获得较高的冲击韧性值。 1 0 华北电力大学博士学位论文 2 1 4 组织及热处理状态对钢韧脆转变温度的影响 成分、组织和热处理状态的影响是相互联系的。热脆性的现象是很多金属材料 共有的现象，韧性一脆性转变在很大程度上决定于金属的晶格类型。一般认为具有 面心立方晶格的金属是不具有热脆性的。体心立方晶格的金属的热脆性倾向最大。 由于工业用钢中奥氏体钢毕竟是少数，绝大多数钢都是以仪一f e 为基的，因此，大 多数工业用钢具有热脆性倾向。 同样是以a f e 为基的钢，在化学成分相同的前提下，因热处理状态不同所得 的组织不一样，韧脆转变温度也可能有很大差异。增加钢的含碳量使组织中的碳化 物增多，而碳化物则被认为是形成脆性裂纹的核心。粗晶粒的钢的韧脆转变温度较 细晶粒的为高，在韧脆转变温度下的断裂应力也低。 钢的化学成分相同时，退火状态的韧脆转变温度较调质状态为高。成分为0 3 1 c 、1 0 5 c r 、o 3 4 m o 的中碳铬钼钢，退火状态的冲击值与调质状态的冲击值 与试验温度的关系，表明8 5 0 退火转态的韧脆转变温度最高，而淬火后5 5 0 回 火者又高于6 5 0 回火者。另外，淬火温度越高，钢的韧脆转变温度也越高。在同 样淬火条件下，钢的回火温度越高，冲击韧性值也越愈高，韧脆转变温度越低。在 同样回火温度下，回火缓冷使钢的韧脆转变温度提高，快冷则降低韧脆转变温度。 在马氏体一铁素体不锈钢和热强钢如0 c r l 3 、1 c r l 3 、c r l 7 n i 2 及改型1 2 c r 热强钢中，韧脆转变温度尚与组织中的6 铁素体含量及其晶粒大小有关。6 铁素体数 量多及晶粒度大使韧脆转变温度提高。用c r l 2 w 2 m o v 钢生产的大型锻件，虽然6 铁素体量差别不大，但由于各部分锻压比不同使6 铁素体晶粒度不同，韧脆转变温度 也不同。当6 铁素体晶粒由5 级增大致l 级时，韧脆转变温度由一1 0 。c 提高至+ 5 0 。 2 23 0 c r 2 m o v 转子钢及其热脆化的研究现状 3 0 c r 2 m o v 钢具有较高的热强性和组织稳定性。7 0 年代至8 0 年代初，是我国 大量用于2 0 0 m w 以下的汽轮机高中压转子材料，有长期的生产和运行经验。但由 于钼含量较低，直径较大的转子芯部难以淬透；而铬含量偏高，使钢的冶炼和锻造 工艺困难，容易开裂。因此，它作为转子用钢应受限制，其使用温度通常在5 4 0 以下。该钢主要用于制造汽轮机高中压转子锻件、阀座、阀碟套筒和其它高温下使 用的中小锻件及需氮化处理的阀杆等，也可做紧固件使用。 3 0 c r 2 m o v 钢作为汽轮机高中压转子材料，其出厂时韧脆转变温度( 汀t 5 0 ) 约为1 2 0 ，在冷启动时，由于转子材料温度低于韧脆转变温度( f a t t 5 0 ) ，易发生 脆性断裂。因此，3 0 c r 2 m o v 转子是预防脆性损伤的主要对象。另外，在长期高温 1 1 第二章转子钢热脆化机理及其电化学测试原理 运行过程中，3 0 c r 2 m o v 会发生热脆化现象，使转子f a t t 5 0 进一步升高，降低了材 料的机械性能，为安全运行带来事故隐患。这种现象是由于高中压转子长期在高温 及高应力下运行，运行的环境温度为5 2 5 一5 6 0 ，此温度恰是转子材料产生热脆 化的温度。经俄歇能谱分析表明