一种汽轮机类大型铸钢件开裂问题的分析改进

马进，冯周荣，唐钟雪（共享铸钢有限公司 宁夏银川 750021）



一种汽轮机类大型铸钢件开裂问题的分析改进

马进，冯周荣，唐钟雪
（共享铸钢有限公司 宁夏银川 750021）

摘要：针对一种汽轮机类大型铸钢件排气孔筋板与中法兰结合面圆角容易开裂的问题,通过对应力、组织、性能及尺寸结构等方面的分析，找出了问题的主要原因，采取加大排气孔筋板与中法兰结合面处圆角并在其两侧增加小拉筋的措施,有效地解决了开裂的问题，提高了铸件质量，同时降低了成本。

关键词：汽轮机；大型铸钢件；筋板；开裂

稿件编号:1512-1144

0 前言

随着世界经济的快速发展，全球能源消耗持续增长。电能作为全球主流能源一直供不应求，带动了发电设备市场需求的持续旺盛。作为发电设备主力机型的汽轮机仍是21世纪动力设备的核心，其配套的铸钢件有着广阔的市场前景[1]。发展百万千瓦级超超临界机组是火力发电节约能源、改善环保和提高发电效率、降低发电成本的必然趋势[2]。

1 问题概述

本产品属于Cr2Mo1系列低合金钢材质的大型超超临界汽轮机铸件，最大轮廓尺寸为4 400× 3 200×1 500(mm),铸件毛坯总质量40 t，最大壁厚250 mm，最小壁厚50 mm。采用树脂砂造型方法，钢液采用EAF+LF的冶炼工艺，浇注温度为1 560～1 570 ℃。

生产中，浇注后的铸件在打箱落砂时发现有开裂的现象发生。具体开裂位置主要为筋板与法兰结合面的圆角处，约占开裂的80%。从断裂位置区域及裂纹特点看，开裂基本属于打箱后的冷裂。这种开裂增加了返修成本，严重时有可能导致铸件报废。

2 原因分析

本产品的前序正常生产流程是：造型-浇注-箱内冷却-高温打箱-缓慢冷却-落砂-预热-切割冒口-性能热处理。因为在落砂时铸件发生开裂，开裂严重的会直接导致铸件报废，开裂在允许范围之内的，就要对裂纹进行气刨、预热焊接和消应力热处理。无论哪种情况，都是一种成本浪费和生产效率的降低。发生这种开裂的本质原因为断裂区域的应力超过了金属自身的强度，导致金属被拉裂。因此需要从开裂处的受力和开裂处的金相组织及力学性能等方面进行失效原因分析，找出主要原因并采取相应措施。

图1 铸件筋板开裂照片

2.1 筋板开裂受力分析

利用 Magma模拟软件进行应力分析。根据分析结果，铸件凝固后筋板的铸造应力均为拉应力，且各个筋板所受拉应力不完全相同，容易开裂的筋板所受拉应力最大，约300 MPa。对每个筋板来说，最大拉应力发生在筋板与结合面的圆角部位。

将上述模拟结论与现场铸件目前断裂的情形进行对比，模拟拉应力最大的筋板正是实际生产的铸件最容易发生断裂的筋板。模拟与实际情况吻合。

2.2 材料成分、组织性能分析

从断裂处取样进行成分、金相组织和力学性能检测分析。其中各成分元素含量，包括P、S含量，均在顾客要求的范围之内。从金相组织来看，属于典型的铸态组织，主要为贝氏体+网状先共析铁素体+少量魏氏体（图2所示）。

对断裂处的样块进行力学性能试验检测，主要检测拉伸和硬度。

图2 筋板断裂处金相组织

从表1检测结果看，强度、硬度均偏高，而延伸率A和断面收缩率Z这两个塑性值均很低。从所检测的力学性能值及拉伸试样的宏观断口形貌显示，落砂后铸件呈显著的脆性状态。因此，当铸件打箱落砂后，铸件内部组织属于铸态组织，呈脆性状态，当铸件表面有缺陷或局部地方应力集中并且超过铸态组织所具有的强度极限时，很容易造成缺陷延伸开裂或铸件表面直接被拉裂。而该类型铸件经过正常正火、回火热处理（简称NT）后强度、硬度适中，塑性也很好。

因此，这类材质铸件在做完正回火后，基本没有开裂的情况发生。

表1 铸态和正回火后力学性能对照

2.3 开裂处尺寸结构分析

横向对比与本文所述系列其它类产品后可发现，其它同系列产品并没有如此典型的断裂问题。对比各产品，发现本文所述产品轮廓尺寸和吨位相对较大,但筋板与法兰结合面的圆角却不是很大，拉筋与法兰内圆之间几乎没有明显的圆角过渡，这容易在筋板与法兰处造成应力集中。另外，该产品筋板厚度约50 mm，与其它同系列产品筋板厚度相近。经过结构对比可知本文所述的产品筋板与法兰结合面的圆角过小过薄，从而导致这个产品筋板承受了较其它产品约2倍多的应力，因此也更容易开裂。

通过铸件应力模拟、成分、金相组织、力学性能及开裂处筋板尺寸结构等综合分析可知，本文所述产品，筋板和法兰结合面圆角易产生开裂的内在原因是筋板与法兰结合面圆角过小且筋板厚度相对较薄，导致局部应力集中且承载外力的能力变弱，加上铸件铸态组织及性能不良，使得筋板与法兰结合面圆角处开裂。

3 改进措施

根据以上原因分析，最容易实现的改进措施就是将该产品容易开裂的筋板与法兰结合面圆角加大，将有效地降低应力的集中[3]，同时在容易开裂的筋板两侧加一个强化小拉筋。铸件质量热处理后，通过气刨可将强化小拉筋以及筋板与法兰结合面圆角处多余的金属刨除；在采取了以上改进措施后，该产品批量生产中再没有发现筋板开裂的现象。

4 结论

通过对大型汽轮机类某铸钢件产品筋板与法兰结合面圆角处容易开裂的现象进行应力、组织、性能及结构的分析，问题改进及批量生产验证，可得出：

(1)经常开裂的筋板相对其它筋板所受应力较大，且最大应力部位在筋板与法兰结合面处圆角处；

(2)该类型产品铸态组织主要为贝氏体+网状先共析铁素体+少量魏氏体，组织不良，对应的力学性能中塑性很差；

(3)通过实际生产验证，加大筋板与法兰结合面处圆角并在其两侧增加强化小拉筋，即可有效地解决此处容易开裂的问题，提高了铸件质量，同时降低了生产成本。

参考文献

[1] 张素心，杨其国，王为民.我国汽轮机行业的发展与展望[J].热力透平.2003.3(1)：1-5.

[2] 沈又幸.百万千瓦级超超临界国产机组汽轮机冷端参数优化与主要辅机选型[R].浙江省电力设计院.2003.5.

[3] 李莹，黄侨，唐海红.焊接工字梁应力集中的有限元分析[J].哈尔滨工业大学学报.2008.12，1999-2002.

[4] 侯华玲.我国与发达国家汽轮机铸钢件标准对比分析[J].中国铸造装备与技术,2001(6).

Analysis and improvements for cracking of a class of large-scale turbine castings

MA Jin，FENG ZhouRong，TANG ZhongXue
（Kocel Steel Foundry Co., Ltd.，Yinchuan 750021,Ningxia,China)

Abstract:Stress, organizational, performance and size structure analysis for turbine of large-scale steel casting vent ribs and fl ange rounded corners easy cracking, Find out the cause of the problem, Measures taken to increase rounded corners of vent ribs and the fl ange junction , and design a small stretch on both sides of rounded corners, Effectively solving the problem of cracking , improving casting quality while reducing costs.

Keywords:turbine ; large steel castings; rib; cracking

中图分类号：TG260；

文献标识码：A；

文章编号:1006-9658（2016）03-0041-02

DOI：10.3969/j.issn.1006-9658.2016.03.012

收稿日期:2015-12-03

作者简介：马进（1979—），男，工程师,从事铸造工艺的研究与开发.