【摘 要】
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超高参数汽轮机组的安全运行过程中,作为汽缸上下法兰连接件的高温紧固螺栓发挥着至关重要的作用。本文通过研究2Cr11Mo1Ni WVNb N螺栓材料的最佳热处理工艺的相关参数和其在疲劳蠕变交互作用下的寿命损伤,找出不同淬火温度和不同回火温度对螺栓材料的组织和性能的影响以及螺栓的剩余寿命,为该螺栓材料的热处理工艺和寿命管理提出了科学的建议,这对于提高汽轮机组运行效率,选择合理的螺栓热处理工艺,延长螺栓
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超高参数汽轮机组的安全运行过程中,作为汽缸上下法兰连接件的高温紧固螺栓发挥着至关重要的作用。本文通过研究2Cr11Mo1Ni WVNb N螺栓材料的最佳热处理工艺的相关参数和其在疲劳蠕变交互作用下的寿命损伤,找出不同淬火温度和不同回火温度对螺栓材料的组织和性能的影响以及螺栓的剩余寿命,为该螺栓材料的热处理工艺和寿命管理提出了科学的建议,这对于提高汽轮机组运行效率,选择合理的螺栓热处理工艺,延长螺栓服役寿命,具有重要的现实意义。本文以2Cr11Mo1Ni WVNb N螺栓材料为研究对象,探索不同热处理工艺对螺栓材料的组织和性能的影响、螺栓在实际工况下所受的等效应力和其在疲劳和蠕变交互作用下的剩余寿命,从而确保螺栓的安全服役。本文运用OM、SEM、EDS、XRD等材料组织分析手段、拉伸实验、冲击实验和硬度测试等力学性能测试手段、有限元软件ABAQUS和Miner损伤线性累积准则等理论分析方法,内容主要围绕单淬火时淬火温度对材料原奥氏体晶粒尺寸和硬度的影响、不同温度淬火固定温度回火和固定温度淬火不同温度回火对螺栓材料的组织和性能等的影响、服役工况下螺栓的等效应力和剩余寿命等几个方面进行。主要研究成果是:（1）单独淬火时,在820℃～1070℃之间,随着淬火温度的升高,各个试样的奥氏体晶粒会逐渐增多并长大至均匀化的状态,其室温组织也是越来越多的淬火马氏体。1120℃淬火后,部分析出相融入奥氏体晶粒使其发生异常长大。试样的布氏硬度是先升后降,原因在于原奥氏体晶粒的持续长大和异常长大引起的晶粒内的马氏体束的粗化,确定螺栓材料的最佳淬火温度为1070℃;（2）870℃～1120℃间淬火670℃回火时,试样的抗拉强度和布氏硬度会随着淬火温度的升高先升后降,其延伸率和冲击功是在一定的范围内波动;1070℃淬火570℃～770℃之间回火时,试样的抗拉强度和布氏硬度会随着回火温度的升高而下降,其延伸率和冲击功则是缓慢上升并在670℃时达到最佳。各个试样的回火后得到的都是具有细小板条束的回火马氏体组织,在各个马氏体板条束之间存在有M23C6型碳化物和MX相等析出相,螺栓在长期时效后还会析出Laves相和Z相,确定螺栓材料的最佳热处理工艺为1070℃淬火+670℃回火;（3）螺栓在服役过程中主要会承受由冷紧和热紧带来的螺栓预紧应力、法兰传热引起的热应力、汽轮机组的蒸汽应力和由螺栓安装工艺引起的由弯曲应力。利用相关的应力计算方法,得到螺栓在理想服役工况下承受的等效应力为485.3 MPa。有限元方法模拟螺栓的预紧和升温过程,得到螺栓中间杆的应力大约为463.5 MPa,螺栓的第一圈螺纹处发生应力集中,所受应力最大值达到780.4 MPa。在Miner损伤线性累积准则下,计算了螺栓在一个加载周期内由疲劳和蠕变交互作用造成的寿命损伤为D=0.11821,由此提出了螺栓的老化指数Ω和相应的老化评级标准。
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