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工程硕士(翻译)汽轮机叶片用钢中铁素体形成机理与控制
绪论 引言 中国是“多煤、缺油、少气”的资源国家,中国的能源发展政策是,煤为主体,电为中心。我国电源建设的总方针是:大力开发水电,优化发展煤电,积极推进核电建设,适度发展天然气发电,加快新能源发电。中国电源结构的主体是火电机组,我国一次能源构成决定了燃煤电厂占据主导地位,这种状况在今后相当长的时间内不会改变[1]。依靠科技进步,创建节约型社会,以达到保护资源、高效利用、减少污染的目的。优化发展煤电,除考虑电源的合理布局外,主要是提高燃煤发电机组的效率和减少污染物的排放。高参数、大容量的发电机组是提高效率和减少排放的有效途径,目前采用超超临界参数的机组配烟气净化装置已公认是一种洁净煤发电技术,是优化煤电结构的主要方向[2]。火电厂热效率可以通过减少热排放和热传递损失而提高。事实上降低热排放的损失可以实现,主要通过冷凝器冷却汽轮机排汽和锅炉排汽;热传递的损失可以通过增加蒸汽的压力和温度而降低,但是参数的提高程度主要取决于所用材料。 美国、英国和德国曾在20世纪50、60年代投运了几台USC机组,但由于技术和经济的原因,这些机组只能降低参数运行[3]。制造和运行中出现的多数是材料问题。受当时材料技术的限制,厚壁部件采用奥氏体耐热钢,导致高温热应力和疲劳开裂,考虑到建设成本和可用率,后来新建的机组退回到亚临界参数。20世纪70年代中期能源危机的出现使人们重新考虑高参数发电技术,促成了一系列发展超临界和超超临界发电技术的合作开发计划。 从发展历史看,超超临界机组和超临界机组的研究开发是同时提出的,但在设计和制造方面存在许多问题,如:主蒸汽温度升高,材料力学性能和许用应力下降,超超临界汽轮机承压部件和转动部件强度降低;盐分和氧化物固体颗粒进入汽轮机对高压部件造成固体侵蚀,对低压部分造成应力腐蚀和疲劳腐蚀;工作应力下产生蠕变变形以及快速负荷变化过程中的疲劳损伤;压力提高,汽缸、喷嘴室、阀壳、导汽管等承压部件应力上升、寿命问题加剧,这些问题可以归结为材料方面的问题。 超超临界机组汽轮机主要部件包括转子、高温动叶、气缸、阀门以及螺栓等。材料研究的重点是获得铁素体-马氏体高铬钢。 日本的材料开发是各企业独自进行的[4],而欧洲是采用称作COST项目的形式进行国家级的共同研究开发[5]。作为火电设备用耐热钢,进行了COST 501(1983~1997年)、COST 522(1998~2003年)、COST 536(2004~2009年)项目的开发,目前欧洲大部分国家参加了这些开发项目。作为各开发项目的105h蠕变断裂强度目标值,COST 501在600℃时是100MPa;COST 522在625℃时是100MPa;COST 536在650℃时是100Mpa欧盟还启动了必威体育精装版一轮的研发计划-Thermie AD700 PF Power Plant(兆卡计划-先进的700℃燃烧电厂),即在今后20年实现37.5MPa/700℃参数运行,机组效率达到55%的目标,预计于2015年完成。2000年美国能源部启动了一项“Vision 21”计划,为15年以后建立使用煤、天然气、石油焦、生活垃圾等多种原料且能生产电能、液体能料、化工品、氢或生产供热等多种产品的工厂提供支持,且要求实现零排放、蒸汽参数达到760℃,可进一步达到870℃。δ-铁素体火电机组汽轮机叶片分为静叶片和动叶片,担负着将高温蒸汽的热能转换为机械能的作用,工作条件极其复杂[6]。运行中转子高速度旋转时,由叶片的离心力引起拉应力,叶片各个截面的重心不在同一直线上或叶片安装位置偏高,叶轮辐射方向所产生的弯曲应力,由蒸汽流动的压力造成叶片的弯曲应力和扭转应力,都传递到叶根的销钉孔或根齿,还会产生剪切和压缩应力。由于机组的频繁启停、气流的扰动、电网周波的改变等因素的影响,叶片承受交变载荷的作用。另外,转子平衡不好,隔板结构和安装质量不良,个别喷嘴节距不一,喷嘴损坏等,会引起叶片振动的激振力。处于湿蒸汽区的叶片,特别是末级叶片,还要经受化学腐蚀和水滴的冲蚀作用。 叶片用钢要求: (1)较高的强度、塑性和热强性能 对工作温度≤400℃的叶片,以室温和高温力学性能为主,而对于高压汽轮机某些区域在400℃以上工作的叶片,因其允许的变形量很小,除室温性能外,还应具有较高的持久强度和蠕变极限。持久塑性和组织稳定性好,持久缺口敏感性低。 (2)优良的耐蚀性 高温段叶片容易受到氧腐蚀,处于湿蒸汽区工作的叶片容易发生电化学腐蚀,在停机过程中,叶片也会受到化学腐蚀和电化学腐蚀。为此,处于湿蒸汽区工作的叶片多采用耐蚀性好的不锈钢制造,或采用非不锈钢予以适当的表面保护处理。 (3)高的振动衰减率 振动衰减率标志着材料消除振动的能力,它影响叶片共振的安全范围。造成汽轮机叶片的断裂原因总是或多或少与振动相联系,因此,选用减
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