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1、(10)申请公布号 CN 102278151 A (43)申请公布日 2011.12.14 CN 102278151 A *CN102278151A* (21)申请号 201110151946.4 (22)申请日 2011.06.08 F01D 17/10(2006.01) B23P 11/02(2006.01) C22C 19/07(2006.01) C22C 1/10(2006.01) (71)申请人 河北五维航电科技有限公司 地址 076576 河北省张家口市涿鹿县科技园 (72)发明人 祁进坤 任淑彬 赵刚 周勇 寇晓磊 (74)专利代理机构 北京华谊知识产权代理有限 公司 11207。
2、 代理人 吕中强 (54) 发明名称 一种制备超超临界汽轮机阀杆保护套的方法 (57) 摘要 本发明提供一种制备超超临界汽轮机阀杆保 护套的方法， 属于金属材料领域。针对现有保护 阀杆的材料及其方法所存在的易磨损、 更换频率 高、 维修成本高等问题， 通过设计一种耐磨耐热耐 蚀且硬度与阀座硬度匹配的钴基合金材料并加工 成保护套， 将保护套装在阀杆的外面， 这样能够很 好的保护阀杆， 套筒的尺寸根据阀杆的外径决定， 保护套与阀杆装配时采用将阀杆液氮冷却后再与 保护套进行装配的方法， 这样可以实现阀杆与钴 基合金保护套的紧配合。该方法不但能够保护阀 杆， 提高汽轮机的可靠性， 而且当设备检修时不许。
3、 更换整根阀杆， 只需采用机加工的方法将阀杆外 面的钴基合金保护套去掉， 然后重新换用新的钴 基合金保护套即可， 大大降低了汽轮机阀杆的维 护成本。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 1 页 CN 102278155 A1/1 页 2 1. 一种制备超超临界汽轮机阀杆保护套的方法， 其特征是选择与阀座上堆焊的司太立 21# 合金硬度匹配的钴基合金， 浇铸成套筒状， 然后进行机加工， 套到阀杆的外表面 ； 保护 套的尺寸需根据阀杆的尺寸决定， 铸造钴基合金保护套与阀杆之间装配采用液氮冷缩装配 的方法以实现。
4、二者之间的过盈装配， 即将阀杆在液氮中进行冷却后再与受热的保护套进行 装配 ； 浇铸成套筒状钴基合金的成分为 ： C ： 0.5 1.0、 Cr ： 15 25、 W ： 5.0 10.0、 Si ： 1 2、 Ni ： 10 15、 Mo ： 3 5、 Mn ： 1.5 2、 Nb ： 0.8 1.2、 Ce ： 0.01 0.02、 P 和 S 都小于 0.02、 余量为 Co， 此外要求套筒状钴基合金硬度为 30 35(HRC)， 平均热膨胀系数小于 14.310-6/K(50 700 )， 屈服强度为大于 655MPa， 抗拉强度大于 950MPa， 延伸率 4 5。 2. 按照权利要。
5、求 1 所述的制备超超临界汽轮机阀杆保护套方法， 其特征在于铸造钴基 合金的热处理工艺为 1150 1200固熔处理 1 1.5 小时， 然后空冷到室温， 之后再进行 时效处理， 在 750 800范围内保温 2 3 小时后随炉冷却。 3. 按照权利要求 1 所述的制备超超临界汽轮机阀杆保护套方法， 其特征在于铸造钴基 合金保护套与阀杆进行液氮冷缩装配， 装配时首先应分别将阀杆浸入到液氮中保温 20 30min、 铸造钴基合金保护套在炉中加热到 150 200保温 20 30min 后， 然后将二者取 出进行装配。 4. 按照权利要求 1 所述的制备超超临界汽轮机阀杆保护套方法， 其特征在于铸。
6、造钴基 合金保护套的厚度应控制在 1 1.5mm 范围内。 权 利 要 求 书 CN 102278151 A CN 102278155 A1/3 页 3 一种制备超超临界汽轮机阀杆保护套的方法 技术领域 0001 本发明属于金属材料领域， 涉及一种制备超超临界汽轮机阀杆保护套的方法。 背景技术 0002 未来 10 20 年间， 中国虽然将大力发展核电和新能源发电技术， 但在新增发 电装机容量中燃煤发电的比例仍然居于主导地位。因此， 优化发展高参数、 大容量的超 超临界机组， 限制小火电建设， 关停高煤耗老机组， 增加超超临界机组在煤电中的比例， 提高发电效率， 有效降低供电煤耗， 减少排放污。
7、染， 是我国现阶段电力发展的重要指导方 针。燃煤火电的运行效率主要取决于汽轮机组的蒸汽参数， 即蒸汽的温度和压力。参数 越高， 机组效率越高。亚临界机组主蒸汽压力 / 蒸汽温度 / 再热蒸汽温度 / 供热效率为 ： 16.7Mpa/538/538/38， 超临界机组为24Mpa/566/566/41。 超超临界机组蒸汽 温度一般为 600， 主蒸汽压力在 25Mpa 28Mpa 之间， 供热效率在 43 48之间， 与超 临界机组相比热效率可提高 2 4左右。据统计， 使用 600MW 等级的超超临界燃煤机组， 供电煤耗可降低到 278g/kWh， 比同容量亚临界机组的煤耗减少 30 克 /k。
8、Wh， 按年运行 5500 小时计算， 一台 600MW 超超临界机组可比同容量亚临界机组节约标煤 6 万吨 / 年。发展超 超临界蒸汽发电机组， 蒸汽压力和温度的提高主要受制于核心装备材料在高温高压下长期 使用的稳定性和可靠性。 0003 阀杆作为汽轮机中的关键部件， 承担着动态调节缸内气压、 充放蒸汽等功能， 阀杆 一旦发生故障， 导致阀门不能正常开启或闭合以调节气缸内压力， 则会因停机检修造成巨 大的经济损失或因缸内压力过大造成重大的安全事故。 因此必须对阀杆的材料或结构进行 合理设计以确保其在设定的服役期内能够安全稳定工作。 0004 阀杆工作的环境为高温 (538或 566或 600。
9、以上 )、 高蒸汽压力， 因此要求阀 杆材料具备良好的高温性能， 通常采用 12 Cr 马氏体耐热钢材料， 为了提高耐热钢在高温 的耐蒸汽腐蚀性能以及耐磨性能， 在超临界机组中通常是将阀杆进行表面氮化， 以提高其 耐磨耐蚀性能， 但是随着工作的进一步提高， 即工作环境达到超超临界状态， 表面的氮化层 的防蒸汽腐蚀以及耐磨性能则明显不足， 阀杆表面容易发生蒸汽氧化导致其与阀座发生粘 连、 卡涩， 难以正常开启， 导致汽轮机发生故障。为了解决阀杆与阀座直接的粘连卡涩等问 题， 目前广泛采用的方法是将阀杆直接接触的阀座内壁以及阀杆表面堆焊一定厚度的司太 立合金层 (stellite 21#)， 二者。
10、形成摩擦副， 司太立合金具有优异的耐磨、 耐高温以及耐腐 蚀性能， 在高温高压蒸汽环境中不会由于表面发生氧化而导致阀杆与阀座粘连等问题。尽 管阀杆表面堆焊司太利合金后能够明显提高阀杆的寿命， 但是在 12 Cr 马氏体钢上堆焊 司太利合金难度较大， 而且堆焊过程中阀杆表面部分金属会融到堆焊层中， 导致阀杆本身 的力学性能会有所损失， 此外， 堆焊层在工作过程中也可能由于与阀杆结合不牢固而脱落， 也存在一定的风险。 发明内容 说 明 书 CN 102278151 A CN 102278155 A2/3 页 4 0005 本发明目的是为了解决现有的阀杆表面堆焊司太立合金层在 12 Cr 马氏体钢上。
11、 堆焊司太利合金难度大、 损失阀杆本身的力学性能及堆焊层在工作过程中由于与阀杆结合 不牢固而可能脱落的问题。 0006 一种制备超超临界汽轮机阀杆保护套的方法， 即选择与阀座上堆焊的司太立 21# 合金硬度匹配的钴基合金， 浇铸成套筒状， 然后进行机加工， 套到阀杆的外表面， 起到保护 阀杆的作用。保护套的尺寸需根据阀杆的尺寸决定。铸造钴基合金保护套与阀杆之间装配 采用液氮冷缩装配的方法以实现二者之间的过盈装配， 即将阀杆在液氮中进行冷却后再与 受热的保护套进行装配。 0007 浇铸成套筒状钴基合金的成分为 ： 0008 C ： 0.5 1.0、 Cr ： 15 25、 W ： 5.0 10.。
12、0、 Si ： 1 2、 Ni ： 10 15、 Mo ： 3 5、 Mn ： 1.5 2、 Nb ： 0.8 1.2、 Ce ： 0.01 0.02、 P 和 S 都小于 0.02、 余 量为 Co， 此外要求套筒状钴基合金硬度为 30 35(HRC)， 平均热膨胀系数小于 14.310-6/ K(50 700 )， 屈服强度为大于 655MPa， 抗拉强度大于 950MPa， 延伸率 4 5。 0009 通常， 阀座上司太立 21# 合金的硬度为 28 35(HRC)， 因此为了与阀座上司太立 合金形成摩擦副， 阀杆上的钴基合金保护套的硬度也应该控制在此范围内， 本发明设计的 套筒状钴基合。
13、金硬度为 30 35(HRC)。此外， 阀杆的热膨胀系数为 16.710-6/K(50 700范围内的平均热膨胀系数 )， 本发明设计的套筒状钴基合金平均热膨胀系数小于 14.310-6/K(50 700 )。在硬度和热膨胀系数的双重要求下， 本发明在钴基合金中添 加适量的 C、 Cr、 W 和 Mo， 可以通过形成碳化物提高钴基合金的硬度， 同时由于形成碳化物的 膨胀系数较低， 因此碳化物的形成也有利于降低钴基合金的热膨胀系数。在合金的硬度和 膨胀系数达到要求的情况下， 通过添加适当的Nb和Ce能够细化铸造晶粒， 进一步提高合金 的力学性能， 尤其是屈服强度和韧性。 0010 上述钴基合金的。
14、冶炼可以在真空炉中， 也可以在非真空炉中进行， 合金冶炼完毕 浇铸成保护套毛坯后， 应进行热处理， 以获得要求的性能， 最佳的热处理工艺为 1150 1200固熔处理11.5小时， 然后空冷到室温， 之后再进行时效处理， 在750800范围 内保温 2 3 小时后随炉冷却， 在此工艺条件下， 合金的硬度为 30 35(HRC)， 平均热膨胀 系数小于14.310-6/K(50700)， 屈服强度为大于655MPa， 抗拉强大于950MPa， 延伸率 4 5， 能够很好的满足使用要求。 0011 将经过热处理的铸造钴基合金毛坯按照尺寸和粗糙度要求进行机加工， 加工保护 套的最佳厚度为11.5mm。
15、。 保护套与阀杆进行液氮冷缩装配， 装配时首先应分别将阀杆浸 入到液氮中保温 20 30min、 钴基合金保护套在炉中加热到 150 200保温 20 30min 后， 然后将二者取出进行装配， 实现二者之间的无损过盈配合， 由于钴基合金保护套的膨胀 系数低于阀杆的膨胀系数， 这样随着温度的升高二者的配合越来越紧， 不易在工作温度产 生松动或滑动。由于设计的钴基合金具有良好的屈服强度和延伸率， 因此膨胀产生的应力 对保护套没有破坏作用。 0012 由于阀杆的膨胀系数高于设计的钴基合金保护套的膨胀系数， 这样随着温度的升 高， 利用二者之间膨胀系数的差异可以实现二者之间的紧配合， 并且二者之间的。
16、配合越来 越紧， 不会在实际运行中出现松弛滑动等问题。 阀杆表面装配钴基合金保护套后， 借助于钴 基合金良好的耐高温、 耐腐蚀以及耐磨损等优异特性， 能够减少由于蒸汽的腐蚀和与阀座 说 明 书 CN 102278151 A CN 102278155 A3/3 页 5 的磨损而导致的阀杆卡涩等问题， 大大提高了阀门以及整个汽轮机的可靠性。 附图说明 ： 0013 图 1 为本发明的工艺流程图 ： 具体实施方式 ： 0014 (1) 在 20mm 的超超临界汽轮机阀杆 ( 材质为 2Cr11NiMoV) 一端上装配 1mm 厚、 20cm 长的保护套 0015 首先按照尺寸要求， 冶炼钴基合金保护。
17、套毛坯， 考虑到铸造后毛坯表面粗糙度达 不到要求， 需要机加工， 因此保护套毛坯的设计规格为 ： 内径 19.5mm， 外径 21.5mm， 长 度 21cm， 合金元素的加入量取要求范围的中限值， 即 ： C ： 0.75， Cr ： 20， W ： 7.5， Si ： 1.5， Ni ： 12.5， Mo ： 4， Mn ： 1.75， Nb ： 1.0， Ce ： 0.03 ( 考虑到烧损 )， Co 为余量。 采用中频真空炉进行冶炼， 浇铸成要求规格的保护套毛坯。 然后对毛坯进行固熔和时效， 固 熔温度为1180， 保温1小时， 然后空冷到室温， 之后再进行时效处理， 在800范围内保。
18、温 2 小时后随炉冷却。通过对随炉试样进行测试， 其硬度为 32(HRC)， 热膨胀系数 14.110-6/ K(50 700 )， 屈服强度 700MPa， 延伸率 4.2， 性能能够满足要求， 之后对保护套毛坯进 行精加工到要求尺寸， 考虑到保护套与阀杆之间的过盈配合以及热膨胀系数差异， 最终保 护套成品的内径为mm， 长度 20cm( 自由公差 )， 厚度 1mm( 自由公差 )。保护套加工到 要求尺寸后， 与阀杆进行装配， 先将阀杆的一端浸入到液氮中保温 20min、 同时钴基合金保 护套在炉中加热到 15保温 20min， 然后将二者取出迅速进行装配， 这样整个制造和装配 过程就已完。
19、成。 0016 (2) 在 10mm 的超超临界汽轮机阀杆 ( 材质为 2Cr11NiMoV) 一端上装配 1.2mm 厚、 30cm 长的保护套 0017 首先按照尺寸要求， 冶炼钴基合金保护套毛坯， 考虑到铸造后毛坯表面粗糙度达 不到要求， 需要机加工， 因此保护套毛坯的设计规格为 ： 内径 9.5mm， 外径 11.5mm， 长度 31cm， 合金元素的加入量取要求范围的上限值， 即 ： C ： 1.0， Cr ： 25， W ： 10， Si ： 2， Ni ： 15， Mo ： 5， Mn ： 2， Nb ： 1.2， Ce ： 0.03 ( 考虑到烧损 )， Co 为余量。采用中频。
20、 真空炉进行冶炼， 浇铸成要求规格的保护套毛坯。然后对毛坯进行固熔和时效， 固熔温度 为 1200， 保温 1.5 小时， 然后空冷到室温， 之后再进行时效处理， 在 800范围内保温 2.5 小时后随炉冷却。通过对随炉试样进行测试， 其硬度为 35(HRC)， 热膨胀系数 13.910-6/ K(50 700 )， 屈服强度 670MPa， 延伸率 4， 性能能够满足要求， 之后对保护套毛坯进行 精加工到要求尺寸， 考虑到保护套与阀杆之间的过盈配合以及热膨胀系数差异， 最终保护 套成品的内径为mm， 长度 30cm( 自用公差 )， 厚度 1.2mm( 自由公差 )， 保护套加工到 要求尺寸后， 与阀杆进行装配， 先将阀杆的一端浸入到液氮中保温 20min、 同时钴基合金保 护套在炉中加热到 15保温 20min， 然后将二者取出迅速进行装配， 至此， 整个制造和装配 过程就已完成。 说 明 书 CN 102278151 A CN 102278155 A1/1 页 6 图 1 说 明 书 附 图 CN 102278151 A 。