汽轮机高温紧固螺栓的组织演变与寿命预测

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R26合金螺栓主要应用于火电汽轮机的高、中压内缸、高压侧平衡活塞汽封、高压静叶持环等部套中,服役温度高达650℃,螺栓服役过程中除了复杂的环境介质外,还经常受到冲击载荷的作用,严苛的服役环境要求螺栓材料具有高的蠕变强度和优良的耐蚀性与抗应力松弛性能。目前,对于R26合金的组织演变的研究数据十分有限,特别是对经过长期服役后合金的显微组织变化、析出相的形态及分布规律,缺少相关的深入研究。本文以R26镍基高温合金为研究对象,利用SEM、EDS、TEM和XRD等多种测试手段,研究了螺栓经长期服役后的显微组织变化规律及其对力学性能的影响。使用JMat Pro热力学模拟软件分析材料在热处理过程中的相转变规律,据此设计出一种针对服役后螺栓的恢复热处理工艺,力求改善螺栓的组织与性能。针对螺栓的服役环境,计算出螺栓服役时所受的等效应力,并与Abaqus有限元模拟软件的仿真结果进行对比验证,根据Miner模型对螺栓进行剩余寿命预测并提出延寿建议。主要结果如下:(1)R26合金螺栓在服役过程中,细晶部分存在粗化的趋势,削弱了细晶强化的效果,降低了材料的室温性能。晶粒内部的退火孪晶界数量明显减少,晶界处的异常条带状γ′析出相数量增多,破坏了材料的连续性,失去了时效强化的效果,降低了材料的塑韧性。Ti元素从γ′相扩散至晶界处形成偏聚,削弱了合金的时效强化效果,并且块状Ti作为硬化相存在于晶界处会导致晶界的硬度上升。相较于出厂态螺栓,服役45000 h后的螺栓硬度最高上升了约9%,超出标准范围,延伸率和冲击韧性分别降低了7.6%和30%,达不到安全服役的规范。(2)服役45000 h后的螺栓经1031℃固溶处理1 h,油冷;820℃中间处理8 h,炉冷;730℃时效处理4 h,空冷的恢复热处理后,消除了材料中的条带状γ′析出相和晶界处偏聚的块状Ti,并使时效强化相重新在晶内均匀而弥散地析出,使材料的硬度恢复到正常水平,接近出厂态组织,延伸率和冲击韧性分别提升了8.7%和140%,具有良好的力学性能,符合继续服役的条件。(3)螺栓服役时所受的冷紧固应力为232.5 MPa,热紧固应力为94.7 MPa,热应力为117.4 MPa,等效应力为444.6 MPa,低于螺栓屈服强度,但高于材料在服役温度650℃下的持久强度6501×105:392 MPa和蠕变极限5701×10-5:343 MPa,螺栓在服役的过程中会发生蠕变和疲劳损伤。根据Miner理论,计算出R26合金螺栓在一次加载周期(20000 h)内,累积产生的蠕变损伤和疲劳损伤为0.098,螺栓的剩余寿命约为159000 h,对应8个大修期。严格按照规范施加预紧力可有效减少螺栓服役时产生的蠕变损伤;适当降低机组启动速度,可以有效减少螺栓所受的热应力,降低螺栓的疲劳损伤。
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