Оптимизация структуры и свойств Ni-Cr-Mo-V стали для крупногабаритных высоконагруженных дисков ГТУ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.01, кандидат технических наук Леонтьев, Сергей Анатольевич

• Леонтьев, Сергей Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Леонтьев, Сергей Анатольевич

Введение.

Глава 1. Применение №-Сг-Мо-У сталей для изготовления крупногабаритных роторов и дисков энергетических турбин.

1.1. Современное состояние вопроса.

1.2. Комплекс требований, предъявляемых к свойствам материала дисков турбины современных ГТУ из №-Сг-Мо-У стали.

1.3. Выводы и задачи исследования.

Глава 2. Материал и методика исследования.

2.1. Материал дисков турбины и технологические особенности их изготовления.

2.2. Методика исследования.

Глава 3. Исследование влияния повышенной прочности и особенностей технологии изготовления на механические свойства материала дисков из стали 26ХНЗМ2ФАА.

3.1. Исследование свойств материала поверхностных зон заготовок первых партий дисков из стали 26ХНЗМ2ФАА различной категории прочности.

3.2. Оценка влияния технологии изготовления и уровня прочности на свойства материала поверхностных зон.

Глава 4. Исследование фактического уровня свойств центральных зон первых натурных дисков из стали 26ХНЗМ2ФАА повышенной прочности.

4.1. Диск 4 ступени турбины.

4.2. Диск 1 ступени турбины.

4.3. Диск 3 ступени турбины.

4.4. Обобщение результатов и выводы.

Глава 5. Исследование структуры материала дисков из стали 26ХНЗМ2ФАА повышенной прочности.

5.1 Особенности макро- и микроструктуры материала дисков.

5.2 Исследование характера металлургических дефектов и оценка точности ультразвукового контроля натурных дисков.

5.3 Фазовый состав материала дисков.

Глава 6. Влияние карбидной составляющей микроструктуры стали 26ХНЗМ2ФАА повышенной прочности на свойства материала дисков.

6.1 Состояние карбидной фазы в структуре материала дисков.

6.2 Оценка параметров карбидной фазы.

Глава 7. Отпускная хрупкость стали 26ХНЗМ2ФАА.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптимизация структуры и свойств Ni-Cr-Mo-V стали для крупногабаритных высоконагруженных дисков ГТУ»

Создание паровых и газовых турбин большой мощности, а также их компоновка в парогазовые комплексы является в настоящее время основным средством повышения к.п.д. стационарных турбоагрегатов, используемых для производства электрической энергии. Повышение мощности требует увеличения некоторых параметров турбин, в частности, прочности и габаритов основных деталей. Однихми из таких деталей являются ротора и диски турбины. Увеличение габаритов при одновременном повышении прочности материала заготовок этих деталей сопряжено с решением ряда металлургических задач, связанных с обеспечением комплекса конструкторских требований, предъявляемых к материалу.

Настоящая работа посвящена оптимизации свойств 3,5 №-Сг-Мо-У-стали, использованной для изготовления крупногабаритных дисков (толщина ступицы - 620 мм, диаметр - 2000 мм) мощной газотурбинной стационарной энергетической установки ГТЭ-150 с начальной температурой газа перед турбиной равной 950-1100°С. Сталь 26ХНЗМ2ФАА является модификацией широко применяемой для изготовления крупногабаритных роторов паровых турбин стали 26ХНЗМ2ФА, но в отличие от последней, вследствие особенностей конструкции ГТУ, должна иметь более высокие значения прочности в сочетании с низкими значениями переходной температуры хрупкости по всему объему дисков. Задача, заключающаяся в достижении такого сочетания свойств в дисках таких габаритов, для этого класса сталей ставилась впервые. Для ее решения был использован ряд технологических приемов, не использованных ранее при производстве роторов турбин.

Все это обусловило актуальность темы и необходимость проведения исследований материала первых дисков ГТУ с целью оценки оптимальности структуры и свойств материала дисков, полученных при изготовлении. Г

Достижение этой цели возможно на основании определения фактически достигнутого уровня свойств материала дисков и оценки влияния технологии металлургического производства на комплекс служебных характеристик материала и связано с проведением трудоемких работ по разрезке натурных дисков, изготовлением большого количества образцов и привлечением современных специальных методов исследования структуры и свойств металла дисков.

Настоящая работа является частью комплекса работ, проведенных на ЛМЗ, Ижорском заводе, НПО ЦКТИ и НПО ЦНИИТМАШ при непосредственном участие автора, по решению задач обеспечения материалом для высоконагруженных дисков турбины новой энергетической установки.

Заключение диссертации по теме «Материаловедение (по отраслям)», Леонтьев, Сергей Анатольевич

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. В результате выполненных исследований структуры и свойств материала поверхностных зон первых партий дисков турбины и компрессора головного образца ГТУ и материала трех натурных поковок по толщине и радиусу из стали 26ХНЗМ2ФАА определен фактический уровень характеристик механических свойств и значений переходной температуры хрупкости и их соответствие техническим требованиям для высокопрочной стали 26ХНЗМ2ФАА, примененной для изготовления крупногабаритных дисков турбины головного и последующих образцов газотурбинной установки ГТЭ-150.

2. Показано, что технологический процесс изготовления дисков у поставщика обеспечивает получение высокого уровня прочностных характеристик в сочетании с высокими значениями пластичности и ударной вязкости и с низкой переходной температуры хрупкости, а распределение характеристик механических свойств по объему исследованных дисков свидетельствует об однородности механических свойств и реализации преимуществ технологического процесса не только для поверхностных зон дисков, но и по всему сечению поковок.

3. Установлено, что изменения механических свойств по сечению и объему дисков из стали 26ХНЗМ2ФАА с высокой прочностью аналогичны изменениям, которые наблюдаются для материала дисков и роторов с более низкой категорией прочности.

4. Выявлена зависимость значений переходной температуры хрупкости и параметров карбидной фазы высокопрочного отпущенного бейнита стали 26ХНЗМ2ФАА от скорости охлаждения при закалке в интервале температур бейнитного превращения 400-300 °С.

5. Обнаружено значительное увеличение размера карбидных частиц от поверхности к центру дисков. В центральных зонах их размер соизмерим с размером неметаллических включений. Выявлена взаимосвязь значений переходной температуры хрупкости и максимального размера карбидных частиц.

6. Установлено, что сталь 26ХНЗМ2ФАА, несмотря на низкое содержание вредных примесей, склонна к отпускной хрупкости, что ограничивает ее применение для дисков турбин, работающих при температурах металла до 350 °С. Для повышения верхней границы температурного интервала использования стали необходимо применение высокочистой модификации этой стали с низким содержанием вредных примесей, кремния и марганца.

7. Выполненные подробные исследования структуры и свойств по объему крупногабаритных заготовок дисков из высокопрочной стали 26ХНЗМ2ФАА позволяют расширить область надежного применения стали при проектировании мощных паровых и газовых турбин и изготовлении высоконагруженных дисков при увеличении размеров их металлургических заготовок.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Леонтьев, Сергей Анатольевич, 2004 год

1. Нагорнов Н.П., Руби некая Н.Ю. Основные свойства конструкционных легированных сталей марок 38ХГН, 35ХНВ и 34ХН1М. Производство крупных машин. М. Машиностроение, 1964, вып. 5, С.76-90.

2. Жиронкин А.Н., Хинский П.Д. и др. Механические свойства крупных поковок. Сталь, 1955, N 11, С. 1016-1022.

3. Склюев П.В. Влияние скорости охлаждения на механические свойства конструкционной стали. Производство крупных машин. М. Машиностроение, 1964, вып.5, С. 109-122.

4. Склюев П.В. Статистическая обработка результатов механических испытаний крупных деталей. Производство крупных машин. М.Машиностроение, 1964, вып.5, С. 123-142.

5. Склюев П.В. Применение метода корреляции для изучения взаимосвязи между механическими свойствами легированных марок стали. Заводская лаборатория, 1956, N3, С.325-329.

6. Склюев П.В., Чижик А.И. и др. Сталь с пониженным содержанием никеля для крупных дисков паровых турбин. Производство крупных машин. М.Машиностроение, 1966, вып. 13.

7. Хинский П.Д.Станюкович A.B., Чижик A.A., Рабинович В.П., Солнцев

8. Ю.П., Склонность к хрупким разрушениям роторов из высокопрочной конструкционной стали. Энергомашиностроение, 1966, N2, С. 33-37.

9. Малеева О.Э. Аварии роторов турбогенераторов в США в 1954г. Энергомашиностроение, 1977, N11, С.30-31.

10. Хинский П.Д. К вопросу оценки склонности роторов и дисков к хладноломкости. Труды ЦКТИ, 1968, N84

11. Склюев П.В.,Захаров В.М., Кватер Л.И., Тиморов Б.Д., Зелинский В.М., Чижик А.И., Иванова И.Г., Беркман И.В. Механические свойства крупных дисков из стали 34XH3MA, 35ХН1М2ФА и ЗОХНЗМ2ФА. Энергомашиностроение, 1978, N7, С.28-30.

12. Чижик А.И., Рабинович В.П., Беркман И.В., Гензе A.A., Иванова И.Г.

13. Сравнительная оценка сопротивления хрупкому разрушению сталей для дисков паровых турбин. Энергомашиностроение, 1974, N 4, С.31-33.

14. Хинский П.Д., Генерсон И.Г., Либман П.М. и др. Выбор материалов,4исследование и технология производства дисков и покрышек для нагнетателя газа, работающего в условиях Крайнего Севера. Энергомашиностроение, 1973, N5, С.25-28.

15. Хинский П.Д., Генерсон И.Г. Влияние величины зерна и интенсивности закалки на хладноломкость роторной стали. МиТОМ, 1973, N6, С.60-62.

16. Колпишон Э.Ю., Чижик А.И., Иванова И.Г. Исследование материала ротора экспериментальной паровой турбины. Энергомашиностроение, 1978, N10, С. 6-9.

17. Крянин И.Р., Рабинович В.П. и др. Исследование склонности к хрупким разрушениям материалов турбинных дисков и валов, работающих при низких температурах. Проблемы прочности, 1970, N8, С. 20-27.

18. Чижик А.И., Чижик A.A. Материалы для основных деталей паровых турбин. Энергомашиностроение, 1975, N12, С.6-10.

19. Соболев Ю.П., Хинский П.Д., Колпишон Э.Ю. и др. Изготовление крупной роторной поковки с низкой переходной температурой из стали 35ХНЗМФА. Энергомашиностроение, 1981, N7, С.27.

20. Ф.Хенгер, Т.Гайгер, Б.Зондергер, Механические свойства хромомолибденовых и хромоникельмолибденовых улучшаемых сталей для крупных поковок. Черные металлы, 1970, N22, С.75-86.

21. П.Опель, К.Флорин , К.Фишер. Перспективная хромоникельмолибденовая сталь для роторов турбин и валов генераторов. Черные металлы, 1970, С.23-33.

22. К.-Х. Пиль. Влияние химического состава, термообработки и структуры на свойства никельхроммолибденванадиевых улучшаемых сталей. Черные металлы, 1975, N18, С. 19-27.

23. К.Ферх, К.Фишер, К.-Х. Пиль. Целенаправленные изменения состава стали 26NiCrMoV145. Черные металлы, 1981, N15, С.21-25.

24. К. Фишер и др. Изготовление 200т вала генератора из 435т кузнечного слитка. Черные металлы, 1985, N13, С.29-31.

25. К.-Д. Хаверкамп, К. Фишер, К.-Х. Пиль. Изготовление 200т вала генератора из 435 т слитка. Черные металлы, 1985, №13, С.20-24.

26. Догенкольбе И. и др. Воздействие примесей на свойства материалов. Черные металлы, 1988, N11, С.3-12.

27. Поттхаст Э. Высокочистые стали 3,5%NiCrMoV и улучшенные стали 1%-СгМо для турбостроения. Черные металлы, 1988, N14-15, С.40.

28. Попов A.A., Попова JI.E. Изотермические и термокинетические диаграммы распада переохлажденного аустенита. Машгиз, Свердловск, 1961.

29. Соболев Ю.В., Колпишон Э.Ю., Хинский П.Д., Рудченко A.B., Плеханов В.А. Раскисление стали 35ХНЭМФА для крупной роторной поковки углеродом под вакуумом. Сталь, 1980, N11.

30. Хинский П.Д., Иващенко М.М., Плеханов В.А. и др. Пути оптимизации термической обработки крупных поковок. Энергомашиностроение, 1975, N12, С.13-16.

31. Крылов В.П., Улизко Э.П., Златин З.П. Влияние скорости охлаждения при закалке на переходную температуру металла роторов. Труды ЦКТИ, 1977, N146, С.29-33.

32. Хоугарди Х.П., Вильдау М. Расчет термической обработки сталей. Черные металлы ,1985, N25, С.36-43.

33. Финклер X. и др. Влияние скорости охлаждения при закалке на механические свойства улучшенных сталей. Черные металлы, 1985,N8, С.32.

34. Энгель Х.Ю., Хартвиг Ю. Перспективы развития конструкционных материалов. Черные металлы ,1986, N6, С.26-37.

35. Каваджи С., Хом Р., Джин Т. и др. Поковки из огромных слитков диаметром 3550 мм и весом 400 т. 6 международное совещание по ковке, 1972, США, Черри-Хилл, Нью-Джерси.

36. Борисов И.А. Измельчение зерна аустенита в крупных поковках из стали 25ХНЗМФА. МиТОМ, 1978, N2.

37. Борисов И.А., Меринов Г.Н. Влияние отпуска на механические свойства и сопротивление распространению трещины стали 24Х2НМ2ФА. МИТОМ, 1976, N7, С.57-58.

38. Ермаков Б.С., Колчин Г.Г., Чижик A.A. Влияние термообработки на структуру и свойства стали 26ХНЗМ2ФА. МиТОМ, 1987, N2, С. 13-15.

39. Калетин А.Ю., Кутьин А.Б. и др. Длительный высокий отпуск стали 38ХНЗМФА с бейнитной структурой. 1. Карбидообразование и структурные превращения. ФИМ, 1986. т.61., вып.5, С.915-921.

40. Кутьин А.Б., Калетин А.Ю. Длительный отпуск стали с бейнитной структурой. 2. Ударная вязкость и характер разрушения. ФММ, 1986, т.62, вып. 1, С.128.

41. Калетин А.Ю., Рыжков А.Г. и др. Легирование и термообработка сталей с бейнитной структурой. МиТОМ, 1987, N10, С. 13-17.

42. Склюев П.В. Механические свойства покрышек и дисков в зависимости от марки стали, габаритов детали. Энергомашиностроение, 1974, N8, С.26-28.

43. Солнцев Ю.П., Лебедев В.Н., Колчин Г.Г., Крамаров М.А.

44. Исследование сопротивления разрушению роторов турбогенераторов из стали 35ХНЭМФА. Энергомашиностроение, 1974, N7, С.23-26.

45. Хинский П.Д., Крылов В.П. Влияние водорода на свойства крупных стальных поковок. Труды ЦКТИ, 1971, N105, С.89-101.

46. Гуляев А.П., Голованенко Ю.С., Зикеев В.Н. Влияние качества немартенситных продуктов превращения на сопротивление разрушению улучшаемой конструкционной стали. МиТОМ, 1978, N7, С.60-67.

47. Чижик A.A., Хотмиров В.Г., Жумахова Т.Н., Чижик Т.А., Иванова И.Г. Исследование вязкости разрушения дисковых и роторных сталей. Труды ЦКТИ, 1977, N146.

48. Иванова И.Г., Смирнова И.А., Кубачек В.В., Жумахова Т.Н., Кислен кова Л.В. Исследование материала натурных дисков паровых турбин, изготовленным по различным вариантам металлургической технологии. Труды ЦКТИ, 1982, N194, С.61-67.

49. Хинский П.Д., Иващенко М.М., Циринская И.И., Соболев Ю.В., Колпишон Э.Ю., Иванова И.Г. Моделирование термообработки роторных поковок. Энергомашиностроение, 1978, N9, С.37.

50. Захаров В.Н., Склюев П.В. Современное состояние производства уникальных поковок. Энергомашиностроение, 1983, N36, С.40-44.

51. Хинский П.Д. Влияние величины зерна на критическую температуру хрупкости роторной стали. Энергомашиностроение, 1973, N10, С.24-25.

52. Рыжков А.Г., Калетин Ю.М. Хромоникельмолибденовые* конструкционные стали. МиТОМ, 1988, N6, С.20-22.

53. Хинский П.Д., Коган Н.Э. Зависимость температуры полухрупкости от уровня прочности конструкционных сталей. МиТОМ, 1982, N10, С.37-39.

54. Хинский П.Д., Коган Н.Э., Канова О.И., Рубашный Л.Г. Исследование влияния уровня прочности на переходную температуру хрупкости роторной стали 26ХНЗМФА. Труды ЦКТИ,1982, N194, С.43-45.

55. Хинский П.Д., Пигрова Г.Д. Сокращение продолжительности отпуска конструкционной стали. Энергомашиностроение, 1985, N9, С.25-26.

56. Бойченко Ю.А., Сосин A.B., Шкатова A.M., Шаков H.A., Куликова Л.Г. Трещиностой кость роторной Cr-Ni-Mo-V-стали с бейнитной структурой. МиТОМ, 1988, N9.

57. Боднер, Тейлор, Албано, Хейн. Повышение трещиностойкости поковок дисков паровых турбин из стали 35NiCrMoV. Современное машиностроение N8, 1989.

58. Jhelning Karl-Erik. ССТ Liagraws with natural cooling. Scandinavian journal of metallurgy, 1978, V.7, N6, p.252-263.

59. Лошкарев B.E., Хинский П.Д. Термическая обработка заготовок дисков турбин ГТЭ-150 на предел текучести 900 МПа. Энергомашиностроение, 1989, N9, С.26-29.

60. Отчет о НИР. Разработать технологию производства заготовок элементов головной энергетической газотурбинной установки типа ГТЭ-150 из роторной стали типа 26ХНЗМ2ФА. Л.-М, 1987.

61. Астафьев A.A. Новые процессы термической и химико-термической обработки в машиностроении. Энергомашиностроение, 1988,N10, С.27-30.

62. Баженова З.С„ Канова О.И., Зорькин Е.Ф., Иоффе П.А., Колпишон Э.Ю. Особенности предварительной термообработки крупных поковок из среднеуглеродистой Cr-Ni-Mo-V стали. Энергомашиностроение, 1988, N6, С.25-26.

63. Карк Г.С., Астафьев A.A. Металловедение и термическая обработка сталей для оборудования жароустановок. Труды ЦНИИТМаш, 1983, N 177, С. 43-46.

64. Утевский Л.М., Гликман Е.Э., Карк Г.С. Обратимая отпускнаяхрупкость стали и сплавов железа. М. Металлургиздат, 1987,

65. Gould G.C., The comparing embrittlement of steel. Special Technical Paper, 1968, p.90-105.

66. Меськин B.C., Основы легирования стали. M., 1959, С.260-271.

67. Манилова Е.П., Мельникова И.С. Связь переходной температуры хрупкости с тонкой структурой роторной стали. Труды ЦКТИ, 1985, N218, С.7-11.

68. Утевский JI.M. Дифракционная электронная микроскопия в металловедении. М., "Металлургия", 1973.

69. Горелик С.С., Расторгуев JI.H., Скаков Ю.А. Рентгенографический и электроннографический анализ металлов. М., Изд-во черной и цветной металлургии, 1973.

70. К.Эндрюс, Д.Дайсон, С.Киоун. Электроннограммы и их интерпретация. М., "Мир", 1971.

71. П.Хирш и др. Электронная микроскопия тонких кристаллов. М., "Мир", 1968.

72. Металлография железа. Том 1. М.,"Металлургия", 1972.

73. Миркин Л.И. Рентгеноструктурный контроль машиностроительных материалов. Справочник, М.,"Машиностроение", 1979.

74. Смирнова A.B. и др. Электронная микроскопия в металловедении. Справочник, М., Из-во "Металлургия", 1985.

75. Степнов М.Н. Статистические методы обработки результатов механических испытаний: Справочник М, "Машиностроение", 1985.Щ1. Приложспнс1.