Стали для лопаток паровых турбин

До последнего времени рабочие лопатки паровых турбин, работающие при температуре выше 525 °С, изготавливали из аустенитных сталей.

Нержавеющие хромистые стали 1X13 и 2X13, нашедшие широкое применение в промышленности в качестве материала для лопаток турбин, имеют низкие жаропрочные свойства при температуре выше 525°С, например предел длительной прочности стали 1X13 при 550 °С равен приблизительно 6 кГ1мм2. Указанные стали нельзя использовать в качестве материала для лопаток паровых турбин, предел длительной прочности которых за 100000 час. при 550 °С должен быть не менее 12 и предел ползучести при скорости 1 • 10~5%/час не менее 8 кПмм2. В то же время высокохромистые стали хорошо куются, прокатываются и штампуются.

Закаленные и отпущенные стали 1X13 и 2X13 обладают высокой коррозионной стойкостью и имеют очень высокий декремент затухания колебаний. Расширение температурного диапазона применения хромистых сталей в последние годы стало настолько необходимым, что этому вопросу и в Советском Союзе и за границей уделяется много внимания.

В таких странах, как, например, США, Англия и ФРГ, также проводятся большие работы по изысканию новых хромистых сталей. Некоторые из них, например Н-46, Рекс-448, Круцибл AISI-422, Х22 СчМо V(V") 1211), нашли довольно широкое применение не только для лопаток, но и для роторов и дисков паровых и газовых турбин, работающих при 565—580 °С и даже до 600 и 650 °С (при 650 °С срок службы до 1000 час.). Данных для оценки работоспособности сталей этого типа при длительных сроках службы еще недостаточно, имеются лишь указания о все более увеличивающихся масштабах применения легированных 12%-ных хромистых сталей.

Химический состав и механические свойства хромистых сталей, наиболее часто применяемых для лопаток паровых турбин. Отдельные стали используют также для изготовления дисков и валов паровых турбин.

В Англии в последнее время опробируется новая марка Н-53 на базе стали Н-46, дополнительно легированной 10% Со и 0,8% W, имеющая более высокую жаропрочность при 500 °С (при 580—600 °С по сравнению с Н-46 преимуществ нет).

Известно также, что в Бельгии успешно разрабатываются стали на основе 12%-ных хромистых с содержанием 6-феррита 0—100%.

Пластичность, исследованная методом кручения образцов, оказалась хорошей. Данных по свариваемости не имеется.

Вопрос о влиянии структурно-свободного феррита

на механические свойства, в основном зависит от воздействия всей суммы факторов горячей термомеханической обработки

Все рассматриваемые стали отечественного производства отличаются высокими пределами текучести и прочности и хороших i пластическими свойствами—удлинением и сжатием площади поперечного сечения. Как указывалось выше, наиболее чувствительной характеристикой, зависящей от структурного состояния сталей с основным твердым раствором а, является ударная вязкость. При значительном увеличении структурно-свободного 6- или а-феррита (более 30—40%) порог хладноломкости сдвигается в область положительных температур. Однако тщательно проведенные операции ковки и термической обработки, не приводящие к сильному росту зерна феррита, в большинстве случаев обеспечивают удовлетворительную ударную вязкость основного металла и сварных соединений, выполненных близкими по составу электродами (ЦЛ-32, КТИ-10). Температура нагрева под ковку или прокатку хромистых сталей полуферритного класса не должна превышать 1150—1170 °С; заканчивать горячую обработку необходимо при 880—890 °С, т. е. ниже тем-пературы интенсивной рекристаллизации и роста зерна.

Термическая обработка заключается в нагреве на 50—60°С выше точки Ас3 (880—1000 °С), т. е. до 1030—1050 °С с после-дующим охлаждением на воздухе или в масле в зависимости от сечения лопатки, и отпуске при 680—740 °С с последующим охлаждением на воздухе. Такая термическая обработка основного металла и сварных соединений приводит к полной или частичной (в зависимости от наличия свободного феррита) пере-кристаллизации структуры и смятию термических и сварочных внутренних напряжений во время отпуска.

Вопрос о влиянии структурно-свободного феррита на механические свойства, с нашей точки зрения, в основном зависит от воздействия всей суммы факторов горячей термомеханической обработки на структуру стали. Нельзя добиться, например, устойчивых значений ударной вязкости при комнатной температуре только за счет термической обработки без соблюдения точных режимов металлургического изготовления, отливки и ковки при больших степенях обжима слитков. Также важно влияние шихтовых материалов, добавок редких и редко-земельных элементов в процессе плавки и разливки.

рабочие и направляющие лопатки

При изготовлении лопаток из хромистых сталей в большинстве случаев были получены вполне удовлетворительные данные

При изготовлении лопаток из хромистых сталей в большинстве случаев были получены вполне удовлетворительные дан-ные при комнатной и высоких температурах. Так, например, из 12%-ных хромистых сталей марок ЭИ754, ЭИ756 и ЭИ757 было изготовлено около 100 рабочих лопаток методом ковки из 250-кг слитков с последующей термической и механической обработкой. Лопатки были установлены на рабочем колесе паровой турбины, где успешно работают при температуре металла 525 °С в течение ~ 60000 час.; лопатки находятся в хорошем состоянии.

Успешно изготовлены рабочие и направляющие лопатки из хромистой стали ЭИ756 для газовой турбины Брянского машиностроительного завода. В большом количестве изготовлены лопатки из стали 15X11МФ, одной из лучших для работы при 550—565 °С.

Наиболее важным свойством, отличающим легированные 12%-ные хромистые стали от близких к ним по составу сред- нелегированных хромоникелевых сталей, применяемых для лопаток (по сумме основных легирующих элементов, исключая никель), является очень высокий декремент затухания у хромистых сталей. Благодаря этому турбина надежно работает при переменном режиме, что особенно важно для транспортных и стационарных установок при работе их в критическом интервале оборотов.