工业汽轮机整体转子锻件国产化研究

李永安

(中国长江动力集团有限公司热加工工艺部，湖北430074)

工业汽轮机整体转子锻件国产化研究

李永安

(中国长江动力集团有限公司热加工工艺部，湖北430074)

为了给水泵工业汽轮机整体转子锻件的国产化需求，采用碳当量分析法并通过将径向与切向取样实验数据进行转换比较，找出行业标准JB/T7022与日本东芝公司企业标准的差异。最终采用行业标准JB/T 7022并合理参考东芝企业标准，实现了给水泵工业汽轮机整体转子锻件国产化需求。

汽轮机;整体转子;力学性能;碳当量

我公司2011年引进日本东芝公司电站给水泵工业汽轮机技术，几年来，连续承接了多单东芝公司转手订货合同，部分订单已按东芝标准要求生产并陆续交货。通过引进、消化、吸收，拥有完全自主知识产权、自行开发的给水泵工业汽轮机也正在制造过程中。

在整个产品生产制造过程中，我们发现在给水泵工业汽轮机整体转子锻件生产方面，我国现行的行业标准与东芝公司企业标准之间有些差异。这些差异其中一个原因是由于东芝公司的标准是企业标准，标准的覆盖面相对要小，而我国行业标准的覆盖面更大。

工业汽轮机整体转子锻件是工业汽轮机的核心部件，我们认为有必要对我国行业标准JB/T 7022［1］和日本东芝企业标准进行更深入细致的分析和研究，获得有参考价值的数据和参数，为我国工业汽轮机整体转子锻件的生产提供帮助。

1 日本东芝给水泵工业汽轮机基本参数

1.1 给水泵工业汽轮机机组基本参数

机组功率:20 MW;

转速:(5 800～6 000)r/min;

工作温度:309℃(最高360℃);工作压力:0.54 MPa。

1.2 给水泵工业汽轮机整体转子锻件基本参数

锻 件 材 料:K11E73C—R7，强 度 等 级655 MPa;

锻件重量:6 000 kg;

叶轮级数:7级;

锻件总长:4 700 mm;

中部叶轮大身长度:1 600 mm;

叶轮最大直径:∅850 mm;

轴颈跳动量:＜0.025 mm，精加工后 ＜0.015 mm。

2 数据的对比与分析

2.1 化学成分

两个标准对材料化学成分的要求见表1。其中，JB/T7022标准中要求Al≤0.015%，而东芝PN KS025440中对Al没有规定;JB/T7022标准中规定当采用真空脱碳时，Si≤0.100%。目前，大型锻件均采用真空脱碳;钢中元素范围值绝对值计算采用中间值。

2.2 关于化学成分的分析与讨论

从表1可以看出，对杂质元素P、S的控制，JB/T7022要优于东芝公司的标准要求。

钢中低熔点元素为Al、Si、P、S。

影响钢的淬火性能指标的元素为C、Mn、Cr、Mo、V、Ni、Cu。根据碳当量公式:C当量=［C+Mn/6 +(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15］×100%计算出，JB/T7022 中 30Cr2Ni4MoV 的 C当量= 1.109%;东芝公司企业标准中K11E73C—R7的C当量=1.042%。

表1 材料化学成分(质量分数，%) Table 1 The chem ical com position of the steel(mass fraction，%)

表2 材料的力学性能Table 2 Themechanical properties of the steel

表3 钢的力学性能Table 3 Themechanical properties of steel

由此可见，两个标准的C当量差值极小。从影响钢的淬火性能指标的主要参数碳含量及碳当量的角度看，我们可以认为这两种材料相当。

从表1还可以看出，东芝公司企业标准选用的材料中，Ni含量比 JB/T7022绝对差值高0.125%。Ni的显著作用是其一可以降低钢的C元素含量，其二可以使钢的低温脆性转变温度显著降低。当Ni含量达到3.5%时，其它元素含量适当，钢可在-100℃时使用［2］，当Ni含量达到9%时，钢可在-196℃时使用，同时又弥补了Mo元素偏低对钢的影响。所以在JB/T7022标准中，FATT50仅为≤13℃，而东芝公司企业标准的FATT50为≤-1.2℃。两种材料的FATT50相差还是较大的。另外，FATT50这一指标的高低，与机组所在地区的低温极值温度有关，适当即可，指标不宜过高。

2.3 力学性能

两个标准对材料力学性能的要求见表2。其中，标准JB/T7022中FATT50试验由用户选定是否作，东芝公司企业标准FATT50则必须作;纵向试料应取自粗加工整体转子锻件两端端面距外表面1/3处。

2.4 关于力学性能的分析与讨论

JB/T7022与东芝公司企业标准，对于整体转子锻件两端纵向试料取样部位及试验方法是相同的。但是，对于整体转子锻件叶轮大身处的试验方法，JB/T7022采用切向试样，而东芝公司企业标准采用径向试样。这是JB/T7022与东芝公司企业标准最大的差异。

转子叶轮大身处同一部位的径向与切向性能是不同的，无法直接比较，且没有可比性。但径向性能相对切向性能有一个降低百分数，两者之间有一个差值。为了使两个标准能够进行有效的比较，我们把JB/T7022中转子叶轮大身处的切向力学性能数据转化成径向力学性能数据，再进行比较与分析。

设定炼钢炉型及炼钢方法相同，钢锭大于25 t、钢的锻造比为3%～5%。这时锻件叶轮大身处在同一部位的径向性能相对切向性能的降低百分数分别为［3］:Rp0.2=5%，Rm=5%，A5=10%，Z= 10%，Akv=5%，FATT50不变。转化后的数据见表3。

对表2、表3进行比较可知，JB/T7022相对于东芝公司企业标准，强度指标Rp0.2、Rm明显要高，但韧性指标A5、Z、Akv要低，FATT50不变。可见JB/T7022用高的强度指标换来了低的韧性指标。这种强度指标与韧性指标的搭配是否合适，有待在今后的实践中验证。另外，JB/T7022中纵向性能Z≥45%，这一指标也较高，有待考证和研究。

2.5 其它检验项目及参数的分析

2.5.1 残余应力

在JB/T7022中，760 MPa强度等级的残余应力为屈服强度Rp0.2下限的8%。即≤60.8 MPa;而东芝公司企业标准中，655 MPa强度等级的残余应力为≤60 MPa。从这一组数据可以看出两者强度等级相差较大，但残余应力参数却几乎相当。

在JB/T7022中，按交货重量小于等于6 t的锻件考虑，在叶轮大身处取一个残余应力试样。而东芝公司企业标准则规定在叶轮大身处两端及中间各取一个试样，共三个残余应力试样。

由以上可知，JB/T7022对残余应力这一指标具体参数的控制比东芝公司企业标准较严，但从残余应力的试样数量上看，东芝公司企业标准对残余应力的控制更严格一些。在JB/T7022中，残余应力的测定点的确处于锻件叶轮大身处乃至整个锻件最大的残余应力位置，但却不能反映锻件叶轮大身处两端与中间的残余应力是否有差异。这种差异，体现的是锻件残余应力各点是否一致，决定锻件最终是否稳定。

2.5.2 力学性能试样的取样及数量

在JB/T7022中，规定交货重量小于等于6 t的锻件，在轴身非传动端上切取一个切向拉伸试样和三个切向冲击试样。试料总数为4个(一拉三冲)且为切向试料。在东芝公司企业标准中，规定在锻件叶轮大身处两端及中间三处取径向试样。试样总数为20个(十拉十冲)。

显然，两个标准在取样数量和取样方式上差异较大。东芝公司企业标准中，对叶轮大身处力学性能要求更为严格。因为，受淬火因素的影响，叶轮大身处各部位的力学性能不一定是一致的。而东芝公司企业标准更看重锻件力学性能的均匀性。

2.5.3 硬度均匀性

JB/T7022中规定，在锻件两轴颈端和轴身部位外圆表面每隔90°各测一点，锻件硬度的检测点共计12个。

东芝公司企业标准规定，在锻件两轴颈端两处和轴身部位五处外圆表面每隔90°各测一点，锻件硬度的检测点共计28个。

显然，东芝公司企业标准对锻件硬度均匀性的控制更严格、苛刻。

2.5.4 磁粉检测

东芝公司企业标准具体规定了锻件磁粉检测点为五处，而JB/T7022没有具体的规定。

2.5.5 剩磁

为了提高锻件测量精度，东芝公司企业标准规定剩磁小于3×10-4T，而JB/T7022中没有这一要求。

3 讨论

(1)根据碳当量分析法，我们认为两个标准所用的材料相当。JB/T7022对杂质元素P、S的控制要优于东芝公司的标准要求。钢中Ni元素固然是我国紧缺的战略资源，但应深入研究Ni元素在钢中的作用。在 JB/T7022中，FATT50≤13℃。因我国地域辽阔，FATT50≤13℃限制了机组的使用范围。

(2)整体转子锻件中部叶轮大身处采用径向试料成本虽高，但更能切实反映锻件最真实的性能和内在质量，更贴近整体转子锻件工作状态的实际性能。因此，东芝公司企业标准对锻件叶轮大身处力学性能试料的取样方式、取样数量及对锻件硬度均匀性的控制更严谨、科学、具体。

JB/T7022中，强度等级600 MPa与760 MPa之间如果再增加一档可能会更好。另外，760 MPa这样高的强度等级也给锻件的机械加工带来一定的困难。

(3)为了提高锻件测量精度，东芝公司企业标准规定了剩磁标准，将剩磁作为锻件考核指标，而JB/T7022中没有这一要求。这一指标应当得到控制。

(4)JB/T7022对残余应力具体参数指标的控制要严格一些，但是东芝公司企业标准对残余应力试验取样数量、取样部位的控制要求更高一些。

(5)通过以上的比较、分析，我们认为东芝公司企业标准虽然标准的覆盖面小，但标准内容具体、可操作性强，对锻件的质量控制更科学、合理、可靠。相对而言，JB/T7022的覆盖面大，但标准更粗放，锻件的检测方法、检测点的设置、检测项目还有待进一步论证。

目前我公司拥有完全自主知识产权、自行开发的给水泵工业汽轮机整体转子锻件正是考虑到JB/T7022与日本东芝公司企业标准的差异，最终采用JB/T7022并合理参考东芝企业标准，实现了给水泵工业汽轮机整体转子锻件国产化需求。

以上是个人对两个标准的一些认识和理解，欢迎同行深入探讨。

［1］ JB/T7022—2002.工业汽轮机转子体锻件技术条件［S］.北京:机械工业出版社，2003.

［2］ 沈宁福.新编金属材料手册［M］.北京:科学出版社，2003，ISBN 7-03-010002-6.17.

［3］ 汽轮机、锅炉、发电机金属材料手册［M］.上海:人民出版社，1973，474.

编辑 肖红原

Research on Localization of Integral Rotor Forging Production for Industrial Steam Turbine

Li Yongan

In order to satisfy the domestic production demand of the integral rotor forgings for the feed pump industrial steam turbine，bymeans of carbon equivalent analytic method，and converting and comparing the test data of radial specimen＆tangential specimen，discrepancies in Industrial Standard JB/T 7022 and Japan Toshiba Corporation's Enterprise Standard have been found out.

Steam turbine，integral rotor，mechanical property，carbon equivalent

TG142.1

A

2013—05—28

李永安(1956—)，男，工学硕士，高级工程师。主要研究方向为发电设备大型锻件设计。