10Cr转子钢的低周疲劳特性试验研究

杨百勋， 田 晓， 李 杨， 丁玲玲， 王梅英， 肖国华， 田 宇， 李益民

(1.西安热工研究院有限公司，西安 710054；2.哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨 150040)

汽轮机高中压转子长期在高温、高速旋转条件下服役，随着运行时间的延长，转子材料会出现蠕变损伤、微观组织老化等现象，而微观组织老化会导致材料力学性能劣化，强度、塑性和韧性下降，脆性增加.机组频繁启停产生的热应力会引起转子的低周疲劳损伤，可能导致转子开裂，甚至会出现事故，这对参与调峰运行的机组来说更为严重.因此，研究汽轮机高中压转子材料的低周疲劳特性具有重要的技术意义和工程应用价值，为机组的安全状态评估、寿命评估、状态检修、部件维修和更换提供了技术依据.

14Cr10NiMoWVNbN属于10%Cr型高合金马氏体耐热钢，被广泛用于制造超超临界机组汽轮机高中压转子.2009年前，国内超超临界机组10Cr汽轮机高中压转子均采用国外转子钢；2009年后，国内新建的超超临界机组相继采用了国产10Cr钢.

国内外学者对汽轮机高中压转子钢的低周疲劳特性进行了大量的试验研究[1-5]，笔者对国产转子钢14Cr10NiMoWVNbN和国外同种转子钢TOS107的低周疲劳特性进行了试验研究.

1 试验材料的化学成分、金相组织及常规力学性能

1.1 化学成分

国产和国外转子钢的化学成分见表1.由表1可知，试验材料的化学成分满足相关标准的要求.

表1 国产和国外转子钢的化学成分

1.2 转子钢的热处理与微观组织

10Cr转子钢的性能热处理工艺为淬火和2次回火，奥氏体化温度为1 070～1 100 ℃.JB/T 11019—2010 《超临界及超超临界机组汽轮机用高中压转子锻件技术条件》中规定第1次回火温度为570±10 ℃，第2次回火温度应不低于650 ℃，而西门子公司TLV9258中规定第2次回火温度应不低于700 ℃.

图1给出了转子钢材料的金相组织.由图1可知，国产和国外转子钢的金相组织均为回火马氏体，纵、横截面组织较均匀.利用FEI Quatan 400型扫描电子显微镜(配套能谱仪Oxford Inca)对转子钢进行了二次电子(SE)和背散射电子(BSE)观察，发现国产转子钢中有随机分布的圆颗粒状的富Nb相，与MX相(MX相尺寸通常在几十纳米)不同的是，富Nb相尺寸较大，约为600～700 nm，如图2所示.国产转子钢出现富Nb相的原因可能是在冶炼转子钢时有未完全溶解的含Nb化合物，国外转子钢中未发现此类富Nb相.

1.3 拉伸性能

表2给出了在室温、600 ℃下国产和国外转子钢拉伸性能的试验结果.由表2可知，在室温下国产和国外转子钢的拉伸性能均满足JB/T 11019—2010的要求；室温、600 ℃下国产和国外转子钢的拉伸强度基本相当，抗拉强度处于下限边缘或略低于下限；600 ℃下国产钢的拉伸延伸率略低于国外锻件.

(a)国外转子钢

(b)国产转子钢

图1 国产和国外转子钢轴身横截面的金相组织

Fig.1 Microstructure on cross section of domestic and foreign rotor forgings

(a)国外转子钢

(b)国产转子钢

表2 国产和国外转子钢的拉伸试验结果1)

注：1) 拉伸试验数值为3个试样的平均值； 2)Rp0.2表示屈服强度；3)Rm表示抗拉强度；4)A表示延伸率.

2 转子钢的低周疲劳特性

如图3所示，沿转子钢切向取样制备低周疲劳试样，依据GB/T 15248—2008 《金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法》，在室温、593 ℃下进行低周疲劳试验.试验在MTS-810试验机上进行，加载波形为三角波，轴向为应变控制，应变比为-1，恒应变速率为0.008 s-1，试验中的数据采集由计算机完成.试样失效定义为载荷下降到稳定循环滞后环应力的50%.选取最大循环峰值拉伸应力σmax下降至50%时的循环次数作为失效循环数Nf.

2.1 循环特性与循环应力-应变特性

金属的低周疲劳通常为应变控制.在应变控制下，随着循环次数的增加，峰值应力逐渐减小，称为循环软化；随着循环次数的增加，峰值应力逐渐增大，称为循环硬化.通常情况下，金属材料的抗拉强度与屈服强度的比值Rm/Rp0.2小于1.2时，称为循环软化；Rm/Rp0.2大于1.4时，称为循环硬化[6].室温下14Cr10NiMoWVNbN钢的Rm/Rp0.2约为1.15，高温下Rm/Rp0.2约为1.11，均表现为循环软化.图4给出了室温下国产转子的低周疲劳迟滞回线.由图4可知，在应变控制模式下进行低周疲劳试验，峰值应力幅随着循环次数的增加逐渐减小，表现为循环软化.

在应变控制的低周疲劳试验中，峰值应力趋于稳定的循环称为稳定循环.金属材料稳定循环下塑性应变与应力的关系为[7-8]：

(1)

式中：K′为循环强度系数，表示材料产生单位循环塑性变形时的真实应力；n′为循环应变硬化指数，表示材料产生塑性变形的能力；Δσ/2为应力幅；Δεp/2为塑性应变幅.

根据最小二乘法拟合试验数据，获得室温、593℃下国产和国外转子钢的K′值和n′值，如表3所示.

(a) 室温下低周疲劳试样

(b) 593 ℃下低周疲劳试样

图4 室温下国产转子钢的低周疲劳迟滞回线

表3 室温、593 ℃下国产和国外转子钢的K′值和n′值

在循环条件下转子钢的应力-应变函数[9]为：

(2)

式中：Δε/2为应变幅；E为弹性模量.

图5给出了室温、593 ℃下国产和国外转子钢的循环应力-应变曲线.由图5可知，室温、593 ℃下国外转子钢的循环应力-应变曲线均高于国产转子钢.

图5 室温、593 ℃下国产和国外转子钢的循环应力-应变曲线

2.2 循环应变-寿命

金属材料的低周疲劳应变-寿命关系可用Masson-Coffin公式来描述[9]：

(3)

(4)

(5)

表4 室温、593 ℃下国产和国外转子钢的、b、和c值

图6给出了室温、593 ℃下国产和国外转子钢的低周疲劳应变-寿命曲线.由图6可知，室温及593 ℃下国产转子钢的低周疲劳寿命均略低于国外转子钢.

(a)室温

2.3 14Cr10NiMoWVNbN钢的疲劳设计曲线

工程中估算汽轮机转子的低周疲劳寿命时通常采用应力作为依据.利用转子材料的虚拟应力-寿命关系曲线可估算转子的疲劳寿命，确定机组最佳启停、运行模式，对超超临界汽轮机的安全运行监督具有重要的技术意义和工程应用价值.

张康达[10]详细介绍了美国ASME和英国BS 5500规范中关于压力容器疲劳设计曲线(虚拟应力-寿命)的获取方法，即先将应变-寿命曲线转换为虚拟应力-寿命曲线，虚拟应力Sa实质上就是当量弹性应力，可表示为：

(6)

考虑到转子的服役温度以及593 ℃下国产转子钢低周疲劳寿命低于国外转子钢，故可依据593 ℃下国产转子钢的应变-寿命曲线确定虚拟应力-寿命曲线.

根据式(5)和表4的相关参数，取593 ℃下转子钢的弹性模量为1.9×105MPa，得到593 ℃下国产转子钢的应变-寿命关系：

εt=0.004 433×(2Nf)-0.087 19+

1.088 1×(2Nf)-0.797 3

(7)

则虚拟应力Sa为：

Sa=842.27×(2Nf)-0.087 19+

206 739×(2Nf)-0.797 3

(8)

在美国ASME和英国BS 5500规范中，虚拟应力的安全系数分别取2.0和2.2，循环寿命的安全系数分别取20和15，将取系数后的曲线下限平滑连接，即为疲劳设计曲线.图7是按照美国的ASME规范获得的10Cr转子钢疲劳设计曲线.

图7 按美国ASME规范获得的10Cr转子钢疲劳设计曲线

图8给出了按美国ASME和英国BS 5500规范获得的疲劳设计曲线.由图8可知，循环反向次数小于103时，按美国ASME规范获得的曲线略低；循环反向次数大于103时，按英国BS 5500规范获得到曲线略低.总体看来，按2个规范获得的疲劳设计曲线差异很小，因此该曲线可用于估算10Cr转子钢的疲劳寿命.

图8 按美国ASME和英国BS 5500规范获得的疲劳设计曲线

一旦确定了转子钢的疲劳设计曲线，即可根据服役转子危险部位的最大应力确定相应的允许循环数，即转子的疲劳寿命.若事先规定寿命(应达到的循环数), 则可根据疲劳设计曲线确定允许的最大应力，进而得到机组启停过程中允许的温升量和温升率，优化运行模式，形成对转子疲劳寿命的科学管理.

3 结 论

(1)与国外转子钢相比，试验用国产转子钢的拉伸强度与其相当，但低周疲劳强度略低.

(2)根据593 ℃下国产转子钢低周疲劳的试验结果，按美国ASME和英国BS 5500规范处理得到14Cr10NiMoWVNbN钢的疲劳设计曲线，该曲线可用于估算10Cr钢转子的疲劳寿命.

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