汽轮机汽缸用ZG22Mo铸钢件高温强度研究

陈 涛 张 琦 潘飞燕 方章法 邹朋津

(杭州汽轮机股份有限公司，浙江310022)

汽缸是汽轮机的关键零部件之一，它的性能直接影响到机组的安全以及使用范围。高端工业汽轮机通常采用国外先进标准API 612：2014 《石油、石化和天然气工业用特种用途汽轮机》，此标准关于汽缸部分有明确规定：承压缸体设计所选用材料的拉伸应力不应超过最高规定运行温度下材料最小抗拉强度的0.25倍。然而工业汽轮机汽缸常用的ZG22Mo铸钢件的高温拉伸强度数据在国内的相关技术材料手册与标准中均没有找到。本文通过对工业汽轮机汽缸用ZG22Mo铸钢件的高温力学性能进行较为系统的试验与研究分析，求得该材料的高温拉伸强度性能，为工业汽轮机产品的设计达到API 612的要求提供保障。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料与试样

试验材料为ZG22Mo，其化学成分要求如表1所示，室温力学性能要求如表2所示。

试样采用单铸试样，尺寸规格35 mm×100 mm×250 mm。试样随同炉铸件一起热处理。热处理制度为：正火温度≤960℃，最低回火温度≥680℃。

表1 化学成分要求(质量分数，%)Table 1 Chemical compositions requirement(mass fraction,%)

表2 力学性能要求Table 2 Mechanical property requirement

1.2 试验方法

单铸试样浇注完成后，为保证试样的质量，对试块进行超声检测，确保无裂纹和明显的缺陷。与此同时，对每炉试样进行化学成分和室温力学性能检测，以保证试样的材质无误和室温力学性能满足表2的要求。室温拉伸试验方法按GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》的规定。随后将满足质量要求的试样送至第三方检测中心进行高温拉伸试验。高温拉伸试验方法按GB/T 228.2—2015《金属材料 拉伸试验 第2部分：高温试验方法》的规定，且试验速率的选取：预载为10 MPa；屈服范围的速度为0.3 mm/min；弹性模量速度为0.3 mm/min；试验速度为1.2 mm/min；屈服点速度为0.3 mm/min。

2 结果与分析

2.1 室温拉伸试验

对每炉取1个试样进行室温力学性能测试，试验结果见表3。室温拉伸试样断口见图1。

表3 室温力学性能测试结果Table 3 Mechanical properties testing results at room temperature

表4 高温拉伸试验结果Table 4 Results of high temperature tensile test

图1 室温试验的试样断口Figure 1 Sample fracture of test at room temperature

图2 高温试验的试样断口Figure 2 Sample fracture of test at high temperature

2.2 高温拉伸试验

将每一温度的10组试样(对应10个不同炉次)送至检测机构进行高温拉伸试验。试验结果见表4，高温试验试样断口见图2。

2.3 数据分析和处理

在完成每一温度点的10组高温拉伸测试后，分别得到了10组高温拉伸性能数据。在试验数据处理过程中，考虑到10组数据的分散性，不能简单作算数平均值计算得出抗拉强度保证值，而是将其视作正态分布[1]。以ZG22Mo材料300℃的抗拉强度为例，10组测试值分别记作X1=470 MPa，X2=515 MPa，X3=455 MPa，X4=490 MPa，X5=495 MPa，X6=470 MPa，X7=460 MPa，X8=465 MPa，X9=465 MPa，X10=490 MPa，计算得出其算术平均值δ1和方差σ1：

=477.5 MPa

=18.1 MPa

由于实验数据误差和粗差的存在，根据3σ准则(大于3σ的测定值出现的概率小于0.3%)，对那些大于4σ的试验数据肯定含有粗差应先行剔除。故在去掉一个最大值X2和一个最小值X3，剩余8个抗拉强度值再次计算其算术平均值δ2和方差σ2：

=475.6 MPa

=11.97 MPa

进而得出：

δ2+4σ2=523.48 MPa

δ2-4σ2=427.72 MPa

由此可看出，该组10个数值均在427.72～523.48 MPa范围内，即10个测试值均为有效值。因此，ZG22Mo材料300℃的抗拉强度有效均值δ3=δ1=477.5 MPa，有效方差σ3=σ1=18.1 MPa。若正态分布置信区间p取0.999，则Up=3.09，故抗拉强度保证值U可由下式计算得：

式中，n为该组有效数据的个数。

同样，对于其他试验数据，若测试值落在δ2±4σ2范围外，则需要将其剔除，重新计算有效数据个数n、有效均值δ3和有效方差σ3，以保证数据的有效性，从而得出抗拉强度保证值。

表5 力学性能保证值Table 5 Guaranteed values of mechanical properties

以此类推，可计算出各温度点的力学性能保证值，见表5。

3 结论

经过大量高温拉伸试验，获得了ZG22Mo铸钢件在4个不同高温点下的抗拉强度、高温规定塑性延伸强度保证值、高温断后伸长率和高温断面收缩率的具体数据，并对数据进行了合理的统计计算得出相应的保证值。获得的保证值填补了汽轮机汽缸材料ZG22Mo高温拉伸性能的空白，保证汽轮机汽缸设计能满足API 612的要求，并为今后汽轮机高端产品的开发设计提供了支撑和依据。