專利名稱：一種制備超超臨界汽輪機(jī)閥桿保護(hù)套的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料領(lǐng)域，涉及一種制備超超臨界汽輪機(jī)閥桿保護(hù)套的方法。
背景技術(shù)：
未來10 20年間，中國(guó)雖然將大力發(fā)展核電和新能源發(fā)電技術(shù)，但在新增發(fā)電裝機(jī)容量中燃煤發(fā)電的比例仍然居于主導(dǎo)地位。因此，優(yōu)化發(fā)展高參數(shù)、大容量的超超臨界機(jī)組，限制小火電建設(shè)，關(guān)停高煤耗老機(jī)組，增加超超臨界機(jī)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(guó)現(xiàn)階段電力發(fā)展的重要指導(dǎo)方針。燃煤火電的運(yùn)行效率主要取決于汽輪機(jī)組的蒸汽參數(shù)，即蒸汽的溫度和壓力。參數(shù)越高，機(jī)組效率越高。亞臨界機(jī)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(jī)組為 24Mpa/566°C /566°C /41 % 超超臨界機(jī)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(jī)組相比熱效率可提高2 4%左右。據(jù)統(tǒng)計(jì)，使用600MW等級(jí)的超超臨界燃煤機(jī)組， 供電煤耗可降低到278g/kWh，比同容量亞臨界機(jī)組的煤耗減少30克/kWh，按年運(yùn)行5500 小時(shí)計(jì)算，一臺(tái)600MW超超臨界機(jī)組可比同容量亞臨界機(jī)組節(jié)約標(biāo)煤6萬噸/年。發(fā)展超超臨界蒸汽發(fā)電機(jī)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(zhǎng)期使用的穩(wěn)定性和可靠性。閥桿作為汽輪機(jī)中的關(guān)鍵部件，承擔(dān)著動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)缸內(nèi)氣壓、充放蒸汽等功能，閥桿一旦發(fā)生故障，導(dǎo)致閥門不能正常開啟或閉合以調(diào)節(jié)氣缸內(nèi)壓力，則會(huì)因停機(jī)檢修造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失或因缸內(nèi)壓力過大造成重大的安全事故。因此必須對(duì)閥桿的材料或結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)以確保其在設(shè)定的服役期內(nèi)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(jī)組中通常是將閥桿進(jìn)行表面氮化，以提高其耐磨耐蝕性能，但是隨著工作的進(jìn)一步提高，即工作環(huán)境達(dá)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(dǎo)致其與閥座發(fā)生粘連、卡澀，難以正常開啟，導(dǎo)致汽輪機(jī)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(nèi)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(huì)由于表面發(fā)生氧化而導(dǎo)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(huì)融到堆焊層中，導(dǎo)致閥桿本身的力學(xué)性能會(huì)有所損失，此外，堆焊層在工作過程中也可能由于與閥桿結(jié)合不牢固而脫落， 也存在一定的風(fēng)險(xiǎn)
發(fā)明內(nèi)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(xué)性能及堆焊層在工作過程中由于與閥桿結(jié)合不牢固而可能脫落的問題。一種制備超超臨界汽輪機(jī)閥桿保護(hù)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(jìn)行機(jī)加工，套到閥桿的外表面，起到保護(hù)閥桿的作用。保護(hù)套的尺寸需根據(jù)閥桿的尺寸決定。鑄造鈷基合金保護(hù)套與閥桿之間裝配采用液氮冷縮裝配的方法以實(shí)現(xiàn)二者之間的過盈裝配，即將閥桿在液氮中進(jìn)行冷卻后再與受熱的保護(hù)套進(jìn)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(qiáng)度為大于655MPa，抗拉強(qiáng)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(hù)套的硬度也應(yīng)該控制在此范圍內(nèi)，本發(fā)明設(shè)計(jì)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(nèi)的平均熱膨脹系數(shù))，本發(fā)明設(shè)計(jì)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(shí)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(dá)到要求的情況下，通過添加適當(dāng)?shù)腘b和Ce能夠細(xì)化鑄造晶粒，進(jìn)一步提高合金的力學(xué)性能，尤其是屈服強(qiáng)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(jìn)行，合金冶煉完畢澆鑄成保護(hù)套毛坯后，應(yīng)進(jìn)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(shí)，然后空冷到室溫，之后再進(jìn)行時(shí)效處理，在750 800°C范圍內(nèi)保溫2 3小時(shí)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(qiáng)度為大于655MPa，抗拉強(qiáng)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(jìn)行機(jī)加工，加工保護(hù)套的最佳厚度為1 1. 5mm。保護(hù)套與閥桿進(jìn)行液氮冷縮裝配，裝配時(shí)首先應(yīng)分別將閥桿浸入到液氮中保溫20 30min、鈷基合金保護(hù)套在爐中加熱到150 200°C保溫20 30min 后，然后將二者取出進(jìn)行裝配，實(shí)現(xiàn)二者之間的無損過盈配合，由于鈷基合金保護(hù)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(dòng)或滑動(dòng)。由于設(shè)計(jì)的鈷基合金具有良好的屈服強(qiáng)度和延伸率，因此膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力對(duì)保護(hù)套沒有破壞作用。由于閥桿的膨脹系數(shù)高于設(shè)計(jì)的鈷基合金保護(hù)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(shí)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(huì)在實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)松弛滑動(dòng)等問題。閥桿表面裝配鈷基合金保護(hù)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(dǎo)致的閥桿卡澀等問題，大大提高了閥門以及整個(gè)汽輪機(jī)的可靠性。


圖1為本發(fā)明的工藝流程圖
具體實(shí)施例方式(1)在Φ20πιπι的超超臨界汽輪機(jī)閥桿(材質(zhì)為2CrllNiMoV) —端上裝配Imm厚、 20cm長(zhǎng)的保護(hù)套首先按照尺寸要求，冶煉鈷基合金保護(hù)套毛坯，考慮到鑄造后毛坯表面粗糙度達(dá)不到要求，需要機(jī)加工，因此保護(hù)套毛坯的設(shè)計(jì)規(guī)格為內(nèi)徑Φ 19. 5mm,外徑21. 5mm,長(zhǎng)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(jìn)行冶煉，澆鑄成要求規(guī)格的保護(hù)套毛坯。然后對(duì)毛坯進(jìn)行固熔和時(shí)效，固熔溫度為1180°C，保溫1小時(shí)，然后空冷到室溫，之后再進(jìn)行時(shí)效處理，在800°C范圍內(nèi)保溫 2小時(shí)后隨爐冷卻。通過對(duì)隨爐試樣進(jìn)行測(cè)試，其硬度為32 (HRC)，熱膨脹系數(shù)14. 1X10—6/ K (50 700°C )，屈服強(qiáng)度700MPa，延伸率4. 2%，性能能夠滿足要求，之后對(duì)保護(hù)套毛坯進(jìn)行精加工到要求尺寸，考慮到保護(hù)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(hù)套成品的內(nèi)徑為㈨0°Q_Q2mm，長(zhǎng)度20cm(自由公差)，厚度Imm(自由公差)。保護(hù)套加工到要求尺寸后，與閥桿進(jìn)行裝配，先將閥桿的一端浸入到液氮中保溫20min、同時(shí)鈷基合金保護(hù)套在爐中加熱到15°C保溫20min，然后將二者取出迅速進(jìn)行裝配，這樣整個(gè)制造和裝配過程就已完成。(2)在Φ IOmm的超超臨界汽輪機(jī)閥桿(材質(zhì)為2CrllNiMoV) —端上裝配1. 2mm 厚、30cm長(zhǎng)的保護(hù)套首先按照尺寸要求，冶煉鈷基合金保護(hù)套毛坯，考慮到鑄造后毛坯表面粗糙度達(dá)不到要求，需要機(jī)加工，因此保護(hù)套毛坯的設(shè)計(jì)規(guī)格為內(nèi)徑Φ9. 5mm，外徑11. 5mm，長(zhǎng)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(jìn)行冶煉，澆鑄成要求規(guī)格的保護(hù)套毛坯。然后對(duì)毛坯進(jìn)行固熔和時(shí)效，固熔溫度為1200°C，保溫1. 5小時(shí)，然后空冷到室溫，之后再進(jìn)行時(shí)效處理，在800°C范圍內(nèi)保溫2. 5 小時(shí)后隨爐冷卻。通過對(duì)隨爐試樣進(jìn)行測(cè)試，其硬度為35(HRC)，熱膨脹系數(shù)13.9X10—6/ K (50 700°C )，屈服強(qiáng)度670MPa，延伸率4%，性能能夠滿足要求，之后對(duì)保護(hù)套毛坯進(jìn)行精加工到要求尺寸，考慮到保護(hù)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(hù)套成品的內(nèi)徑為列0!U mm，長(zhǎng)度30cm(自用公差)，厚度1. 2mm(自由公差)，保護(hù)套加工到要求尺寸后，與閥桿進(jìn)行裝配，先將閥桿的一端浸入到液氮中保溫20min、同時(shí)鈷基合金保護(hù)套在爐中加熱到15°C保溫20min，然后將二者取出迅速進(jìn)行裝配，至此，整個(gè)制造和裝配過程就已完成。
權(quán)利要求
1.一種制備超超臨界汽輪機(jī)閥桿保護(hù)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(jìn)行機(jī)加工，套到閥桿的外表面；保護(hù)套的尺寸需根據(jù)閥桿的尺寸決定，鑄造鈷基合金保護(hù)套與閥桿之間裝配采用液氮冷縮裝配的方法以實(shí)現(xiàn)二者之間的過盈裝配，即將閥桿在液氮中進(jìn)行冷卻后再與受熱的保護(hù)套進(jìn)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(qiáng)度為大于655MPa，抗拉強(qiáng)度大于950MPa，延伸率4 5%。
2.按照權(quán)利要求1所述的制備超超臨界汽輪機(jī)閥桿保護(hù)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(shí)，然后空冷到室溫，之后再進(jìn)行時(shí)效處理，在750 800°C范圍內(nèi)保溫2 3小時(shí)后隨爐冷卻。
3.按照權(quán)利要求1所述的制備超超臨界汽輪機(jī)閥桿保護(hù)套方法，其特征在于鑄造鈷基合金保護(hù)套與閥桿進(jìn)行液氮冷縮裝配，裝配時(shí)首先應(yīng)分別將閥桿浸入到液氮中保溫20 30min、鑄造鈷基合金保護(hù)套在爐中加熱到150 200°C保溫20 30min后，然后將二者取出進(jìn)行裝配。
4.按照權(quán)利要求1所述的制備超超臨界汽輪機(jī)閥桿保護(hù)套方法，其特征在于鑄造鈷基合金保護(hù)套的厚度應(yīng)控制在1 1. 5mm范圍內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種制備超超臨界汽輪機(jī)閥桿保護(hù)套的方法，屬于金屬材料領(lǐng)域。針對(duì)現(xiàn)有保護(hù)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(shè)計(jì)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(hù)套，將保護(hù)套裝在閥桿的外面，這樣能夠很好的保護(hù)閥桿，套筒的尺寸根據(jù)閥桿的外徑?jīng)Q定，保護(hù)套與閥桿裝配時(shí)采用將閥桿液氮冷卻后再與保護(hù)套進(jìn)行裝配的方法，這樣可以實(shí)現(xiàn)閥桿與鈷基合金保護(hù)套的緊配合。該方法不但能夠保護(hù)閥桿，提高汽輪機(jī)的可靠性，而且當(dāng)設(shè)備檢修時(shí)不許更換整根閥桿，只需采用機(jī)加工的方法將閥桿外面的鈷基合金保護(hù)套去掉，然后重新?lián)Q用新的鈷基合金保護(hù)套即可，大大降低了汽輪機(jī)閥桿的維護(hù)成本。
文檔編號(hào)C22C19/07GK102278151SQ20111015194
公開日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2011年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月8日
發(fā)明者任淑彬, 周勇, 寇曉磊, 祁進(jìn)坤, 趙剛 申請(qǐng)人:河北五維航電科技有限公司