專利名稱：一種制備超超臨界汽輪機閥桿保護套的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于金屬材料領域，涉及一種制備超超臨界汽輪機閥桿保護套的方法。
背景技術：
未來10 20年間，中國雖然將大力發(fā)展核電和新能源發(fā)電技術，但在新增發(fā)電裝機容量中燃煤發(fā)電的比例仍然居于主導地位。因此，優(yōu)化發(fā)展高參數(shù)、大容量的超超臨界機組，限制小火電建設，關停高煤耗老機組，增加超超臨界機組在煤電中的比例， 提高發(fā)電效率，有效降低供電煤耗，減少排放污染，是我國現(xiàn)階段電力發(fā)展的重要指導方針。燃煤火電的運行效率主要取決于汽輪機組的蒸汽參數(shù)，即蒸汽的溫度和壓力。參數(shù)越高，機組效率越高。亞臨界機組主蒸汽壓力/蒸汽溫度/再熱蒸汽溫度/供熱效率為 16. 7Mpa/538°C /538°C /38%,超臨界機組為 24Mpa/566°C /566°C /41 % 超超臨界機組蒸汽溫度一般為600°C，主蒸汽壓力在25Mpa ^Mpa之間，供熱效率在43% 48%之間，與超臨界機組相比熱效率可提高2 4%左右。據(jù)統(tǒng)計，使用600MW等級的超超臨界燃煤機組， 供電煤耗可降低到278g/kWh，比同容量亞臨界機組的煤耗減少30克/kWh，按年運行5500 小時計算，一臺600MW超超臨界機組可比同容量亞臨界機組節(jié)約標煤6萬噸/年。發(fā)展超超臨界蒸汽發(fā)電機組，蒸汽壓力和溫度的提高主要受制于核心裝備材料在高溫高壓下長期使用的穩(wěn)定性和可靠性。閥桿作為汽輪機中的關鍵部件，承擔著動態(tài)調節(jié)缸內氣壓、充放蒸汽等功能，閥桿一旦發(fā)生故障，導致閥門不能正常開啟或閉合以調節(jié)氣缸內壓力，則會因停機檢修造成巨大的經(jīng)濟損失或因缸內壓力過大造成重大的安全事故。因此必須對閥桿的材料或結構進行合理設計以確保其在設定的服役期內能夠安全穩(wěn)定工作。閥桿工作的環(huán)境為高溫(538°C或566°C或600°C以上)、高蒸汽壓力，因此要求閥桿材料具備良好的高溫性能，通常采用12% Cr馬氏體耐熱鋼材料，為了提高耐熱鋼在高溫的耐蒸汽腐蝕性能以及耐磨性能，在超臨界機組中通常是將閥桿進行表面氮化，以提高其耐磨耐蝕性能，但是隨著工作的進一步提高，即工作環(huán)境達到超超臨界狀態(tài)，表面的氮化層的防蒸汽腐蝕以及耐磨性能則明顯不足，閥桿表面容易發(fā)生蒸汽氧化導致其與閥座發(fā)生粘連、卡澀，難以正常開啟，導致汽輪機發(fā)生故障。為了解決閥桿與閥座直接的粘連卡澀等問題，目前廣泛采用的方法是將閥桿直接接觸的閥座內壁以及閥桿表面堆焊一定厚度的司太立合金層(stellite 21#)，二者形成摩擦副，司太立合金具有優(yōu)異的耐磨、耐高溫以及耐腐蝕性能，在高溫高壓蒸汽環(huán)境中不會由于表面發(fā)生氧化而導致閥桿與閥座粘連等問題。盡管閥桿表面堆焊司太利合金后能夠明顯提高閥桿的壽命，但是在12% Cr馬氏體鋼上堆焊司太利合金難度較大，而且堆焊過程中閥桿表面部分金屬會融到堆焊層中，導致閥桿本身的力學性能會有所損失，此外，堆焊層在工作過程中也可能由于與閥桿結合不牢固而脫落， 也存在一定的風險
發(fā)明內容
本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有的閥桿表面堆焊司太立合金層在12% Cr馬氏體鋼上堆焊司太利合金難度大、損失閥桿本身的力學性能及堆焊層在工作過程中由于與閥桿結合不牢固而可能脫落的問題。一種制備超超臨界汽輪機閥桿保護套的方法，即選擇與閥座上堆焊的司太立21# 合金硬度匹配的鈷基合金，澆鑄成套筒狀，然后進行機加工，套到閥桿的外表面，起到保護閥桿的作用。保護套的尺寸需根據(jù)閥桿的尺寸決定。鑄造鈷基合金保護套與閥桿之間裝配采用液氮冷縮裝配的方法以實現(xiàn)二者之間的過盈裝配，即將閥桿在液氮中進行冷卻后再與受熱的保護套進行裝配。澆鑄成套筒狀鈷基合金的成分為C :0· 5 1. 0%, Cr 15 25%、W :5. 0 10. 0%, Si :1 2%、Ni 10 15%、 Mo 3 5%,Mn :1. 5 2%,Nb :0. 8 1. 2%,Ce :0. 01 0. 02%、P 禾口 S 都小于 0. 02%、余量為Co，此外要求套筒狀鈷基合金硬度為30 35 (HRC)，平均熱膨脹系數(shù)小于14. 3X 10_6/ K(50 700°C )，屈服強度為大于655MPa，抗拉強度大于950MPa，延伸率4 5%。通常，閥座上司太立21#合金的硬度為28 35 (HRC)，因此為了與閥座上司太立合金形成摩擦副，閥桿上的鈷基合金保護套的硬度也應該控制在此范圍內，本發(fā)明設計的套筒狀鈷基合金硬度為30 35 (HRC)。此外，閥桿的熱膨脹系數(shù)為16. 7X 10_6/K(50 700°C范圍內的平均熱膨脹系數(shù))，本發(fā)明設計的套筒狀鈷基合金平均熱膨脹系數(shù)小于 14. 3X IO-6A(50 700°C )。在硬度和熱膨脹系數(shù)的雙重要求下，本發(fā)明在鈷基合金中添加適量的C、Cr、W和Mo，可以通過形成碳化物提高鈷基合金的硬度，同時由于形成碳化物的膨脹系數(shù)較低，因此碳化物的形成也有利于降低鈷基合金的熱膨脹系數(shù)。在合金的硬度和膨脹系數(shù)達到要求的情況下，通過添加適當?shù)腘b和Ce能夠細化鑄造晶粒，進一步提高合金的力學性能，尤其是屈服強度和韌性。上述鈷基合金的冶煉可以在真空爐中，也可以在非真空爐中進行，合金冶煉完畢澆鑄成保護套毛坯后，應進行熱處理，以獲得要求的性能，最佳的熱處理工藝為1150 1200°C固熔處理1 1. 5小時，然后空冷到室溫，之后再進行時效處理，在750 800°C范圍內保溫2 3小時后隨爐冷卻，在此工藝條件下，合金的硬度為30 35 (HRC)，平均熱膨脹系數(shù)小于14. 3 X 10—7K (50 700°C )，屈服強度為大于655MPa，抗拉強大于950MPa，延伸率 4 5%，能夠很好的滿足使用要求。將經(jīng)過熱處理的鑄造鈷基合金毛坯按照尺寸和粗糙度要求進行機加工，加工保護套的最佳厚度為1 1. 5mm。保護套與閥桿進行液氮冷縮裝配，裝配時首先應分別將閥桿浸入到液氮中保溫20 30min、鈷基合金保護套在爐中加熱到150 200°C保溫20 30min 后，然后將二者取出進行裝配，實現(xiàn)二者之間的無損過盈配合，由于鈷基合金保護套的膨脹系數(shù)低于閥桿的膨脹系數(shù)，這樣隨著溫度的升高二者的配合越來越緊，不易在工作溫度產(chǎn)生松動或滑動。由于設計的鈷基合金具有良好的屈服強度和延伸率，因此膨脹產(chǎn)生的應力對保護套沒有破壞作用。由于閥桿的膨脹系數(shù)高于設計的鈷基合金保護套的膨脹系數(shù)，這樣隨著溫度的升高，利用二者之間膨脹系數(shù)的差異可以實現(xiàn)二者之間的緊配合，并且二者之間的配合越來越緊，不會在實際運行中出現(xiàn)松弛滑動等問題。閥桿表面裝配鈷基合金保護套后，借助于鈷基合金良好的耐高溫、耐腐蝕以及耐磨損等優(yōu)異特性，能夠減少由于蒸汽的腐蝕和與閥座的磨損而導致的閥桿卡澀等問題，大大提高了閥門以及整個汽輪機的可靠性。


圖1為本發(fā)明的工藝流程圖
具體實施例方式(1)在Φ20πιπι的超超臨界汽輪機閥桿(材質為2CrllNiMoV) —端上裝配Imm厚、 20cm長的保護套首先按照尺寸要求，冶煉鈷基合金保護套毛坯，考慮到鑄造后毛坯表面粗糙度達不到要求，需要機加工，因此保護套毛坯的設計規(guī)格為內徑Φ 19. 5mm,外徑21. 5mm,長度21cm，合金元素的加入量取要求范圍的中限值，S卩C:0. 75%, Cr -.20%, W :7.5%, Si 1. 5%, Ni 12. 5%, Mo :4%,Mn :1. 75%, Nb :1. 0%, Ce :0. 03% (考慮到燒損)，Co 為余量。 采用中頻真空爐進行冶煉，澆鑄成要求規(guī)格的保護套毛坯。然后對毛坯進行固熔和時效，固熔溫度為1180°C，保溫1小時，然后空冷到室溫，之后再進行時效處理，在800°C范圍內保溫 2小時后隨爐冷卻。通過對隨爐試樣進行測試，其硬度為32 (HRC)，熱膨脹系數(shù)14. 1X10—6/ K (50 700°C )，屈服強度700MPa，延伸率4. 2%，性能能夠滿足要求，之后對保護套毛坯進行精加工到要求尺寸，考慮到保護套與閥桿之間的過盈配合以及熱膨脹系數(shù)差異，最終保護套成品的內徑為㈨0°Q_Q2mm，長度20cm(自由公差)，厚度Imm(自由公差)。保護套加工到要求尺寸后，與閥桿進行裝配，先將閥桿的一端浸入到液氮中保溫20min、同時鈷基合金保護套在爐中加熱到15°C保溫20min，然后將二者取出迅速進行裝配，這樣整個制造和裝配過程就已完成。(2)在Φ IOmm的超超臨界汽輪機閥桿(材質為2CrllNiMoV) —端上裝配1. 2mm 厚、30cm長的保護套首先按照尺寸要求，冶煉鈷基合金保護套毛坯，考慮到鑄造后毛坯表面粗糙度達不到要求，需要機加工，因此保護套毛坯的設計規(guī)格為內徑Φ9. 5mm，外徑11. 5mm，長度 31cm，合金元素的加入量取要求范圍的上限值，即:C:1.0%, Cr :25%，W 10%, Si 2%, Ni 15%, Mo 5%, Mn 2%, Nb 1. 2%, Ce :0. 03% (考慮到燒損)，Co 為余量。采用中頻真空爐進行冶煉，澆鑄成要求規(guī)格的保護套毛坯。然后對毛坯進行固熔和時效，固熔溫度為1200°C，保溫1. 5小時，然后空冷到室溫，之后再進行時效處理，在800°C范圍內保溫2. 5 小時后隨爐冷卻。通過對隨爐試樣進行測試，其硬度為35(HRC)，熱膨脹系數(shù)13.9X10—6/ K (50 700°C )，屈服強度670MPa，延伸率4%，性能能夠滿足要求，之后對保護套毛坯進行精加工到要求尺寸，考慮到保護套與閥桿之間的過盈配合以及熱膨脹系數(shù)差異，最終保護套成品的內徑為列0!U mm，長度30cm(自用公差)，厚度1. 2mm(自由公差)，保護套加工到要求尺寸后，與閥桿進行裝配，先將閥桿的一端浸入到液氮中保溫20min、同時鈷基合金保護套在爐中加熱到15°C保溫20min，然后將二者取出迅速進行裝配，至此，整個制造和裝配過程就已完成。
權利要求
1.一種制備超超臨界汽輪機閥桿保護套的方法，其特征是選擇與閥座上堆焊的司太立 21#合金硬度匹配的鈷基合金，澆鑄成套筒狀，然后進行機加工，套到閥桿的外表面；保護套的尺寸需根據(jù)閥桿的尺寸決定，鑄造鈷基合金保護套與閥桿之間裝配采用液氮冷縮裝配的方法以實現(xiàn)二者之間的過盈裝配，即將閥桿在液氮中進行冷卻后再與受熱的保護套進行裝配；澆鑄成套筒狀鈷基合金的成分為C :0. 5 1. 0%Xr 15 25%、W :5. 0 10. 0%,Si 1 2%、Ni :10 15%、Mo 3 5%,Mn 1. 5 2%,Nb :0. 8 1. 2%,Ce :0. 01 0. 02%、P 和 S 都小于 0. 02%、余量為 Co, 此外要求套筒狀鈷基合金硬度為30 35 (HRC)，平均熱膨脹系數(shù)小于14. 3X10^(50 7000C )，屈服強度為大于655MPa，抗拉強度大于950MPa，延伸率4 5%。
2.按照權利要求1所述的制備超超臨界汽輪機閥桿保護套方法，其特征在于鑄造鈷基合金的熱處理工藝為1150 1200°C固熔處理1 1. 5小時，然后空冷到室溫，之后再進行時效處理，在750 800°C范圍內保溫2 3小時后隨爐冷卻。
3.按照權利要求1所述的制備超超臨界汽輪機閥桿保護套方法，其特征在于鑄造鈷基合金保護套與閥桿進行液氮冷縮裝配，裝配時首先應分別將閥桿浸入到液氮中保溫20 30min、鑄造鈷基合金保護套在爐中加熱到150 200°C保溫20 30min后，然后將二者取出進行裝配。
4.按照權利要求1所述的制備超超臨界汽輪機閥桿保護套方法，其特征在于鑄造鈷基合金保護套的厚度應控制在1 1. 5mm范圍內。
全文摘要
本發(fā)明提供一種制備超超臨界汽輪機閥桿保護套的方法，屬于金屬材料領域。針對現(xiàn)有保護閥桿的材料及其方法所存在的易磨損、更換頻率高、維修成本高等問題，通過設計一種耐磨耐熱耐蝕且硬度與閥座硬度匹配的鈷基合金材料并加工成保護套，將保護套裝在閥桿的外面，這樣能夠很好的保護閥桿，套筒的尺寸根據(jù)閥桿的外徑?jīng)Q定，保護套與閥桿裝配時采用將閥桿液氮冷卻后再與保護套進行裝配的方法，這樣可以實現(xiàn)閥桿與鈷基合金保護套的緊配合。該方法不但能夠保護閥桿，提高汽輪機的可靠性，而且當設備檢修時不許更換整根閥桿，只需采用機加工的方法將閥桿外面的鈷基合金保護套去掉，然后重新?lián)Q用新的鈷基合金保護套即可，大大降低了汽輪機閥桿的維護成本。
文檔編號C22C19/07GK102278151SQ20111015194
公開日2011年12月14日 申請日期2011年6月8日 優(yōu)先權日2011年6月8日
發(fā)明者任淑彬, 周勇, 寇曉磊, 祁進坤, 趙剛 申請人:河北五維航電科技有限公司