重型燃气轮机压气机关键部件用材分析
重型燃气轮机压气机关键部件用材分析
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燃气轮机发电具有高效低排、缓解全球气候变暖的优势，在可再生能源暂不能替代化石能源之时，燃气轮机发电尤其是重型燃气轮机发电装置，将成为我国调整能源结构的主力之一。
压气机缸体材料
国内外重型燃气轮机压气机缸体材料如表1所示。 可以看出重型燃气轮机压气机缸体材料主要分为 球墨铸铁和合金钢铸钢 两类。
01
球墨铸铁
通过对不同使用温度的球墨铸铁材料进行深入研究，将其按使用温度分为4类：
① 常规铁素体型（使用温度≤350 ℃）；
② 改良铁素体型（使用温度≤400 ℃）；
③ 新型铁素体型（使用温度≤450 ℃）；
④ 超级铁素体型（使用温度＞500 ℃）。
杂质元素含量对球墨铸铁力学性能的影响如表2所示。
常规型球墨铸铁已经广泛用于制造汽轮机低压内缸。国内已经采用新型铁素体型耐热铸铁代替CrMo铸钢用于超超临界汽轮机中压外缸。同样，可以采用新型铁素体型耐热铸铁代替CrMo铸钢用于重型燃气轮机压气机排气侧缸体。
02
合金钢铸钢
压气机缸体用合金钢铸钢的蠕变持久强度如图1所示。
图1 合金钢铸钢在不同温度下的蠕变持久强度与碳钢（GP240GP）和9Cr 钢（GX12CrMoVNbN9-1）铸钢的比较
从图1可以看出，合金钢铸钢具有优异的蠕变持久强度， 其中G17CrMo5-5在400~500 ℃，蠕变持久强度高于G17CrMo9-10，可以用到500 ℃，G17CrMo9-10可以用到510 ℃，而G17CrMoV5-10可以用到550 ℃。如果排气缸的工作温度达到600 ℃，就要采用9Cr铸钢。
压气机叶片
表4 常用压气机叶片材料的力学性能
X22CrMoWV12-1是压气机排气侧叶片材料，具有优异的蠕变持久性能，使用温度可达560 ℃，广泛用于燃气轮机和汽轮机高温叶片、紧固件、阀芯等部件。
压气机轮盘
表5 常用压气机轮盘材料主要化学成分含量 （wt%）
表6 常用压气机轮盘材料杂质元素含量 （wt%）
从表5和表6可以看出，目前重型燃气轮机轮盘普遍采用CrMoV类合金钢制造，其化学成分具有以下特点：
1）杂质元素控制严格，对于P，S，As，Sn，Sb等均有严格的上限控制；
2）29Cr2Ni4MoV和26Cr2Ni4MoV的J参数≤10，达到超纯要求，使其使用温度可以达到400 ℃以上；
3）以高Ni（超过3%）合金钢居多。
这是因为：
1）采用高纯原料炼钢， 同时采用真空钢包精炼或电渣重熔（ESR）工艺精炼，保证钢水纯净；
2）采用超纯净钢使Ni4钢用于400 ℃以上，可以充分满足压气机轮盘对于高韧性的要求；
3）Ni元素可以显著提高CrMoV类钢的韧性，大大提高轮盘的安全性。
常用压气机轮盘材料的力学性能如表7所示。
表7 常用压气机轮盘材料的力学性能
从表7可以看出：
1）这些材料主要分为两类：进气侧轮盘材料30Cr2Ni4MoV，27Cr2Ni3MoV，29Cr2Ni3MoV等，排气侧轮盘材料30Cr1Mo1V，30Cr2NiMo1V，29Cr2Ni4MoV，26Cr2Ni4MoV，13Cr10Mo1W1VNbN；
2）排气侧轮盘材料中29Cr2Ni4MoV和26Cr2Ni4MoV可用于400 ℃以上，30Cr2NiMo1V可用于500 ℃以上，13Cr10Mo1W1VNbN可用于600 ℃；
3）无论是进气侧还是排气侧材料，与汽轮机转子用材相比，都要求具有极高的冲击韧性，如汽轮机转子用13Cr10Mo1W1VNbN的FATT50仅要求不超过80 ℃，30Cr2Ni4MoV仅要求不超过-7 ℃。
由上述分析可知， 对于压气机轮盘材料，从化学成分的设计到力学性能要求，尤为重视的性能是材料的韧性。
压气机关键部件用材特点