Крепежное средство для корпуса турбины или клапана

Изобретение относится к области металлургии, а именно к крепежному средству, используемому для соединения двух частей корпуса паровой или газовой турбины. Крепежное средство выполнено из основного материала, имеющего следующий состав в мас.%: С от 0,08 до 0,15, Mn от 0,20 до 0,60, Cr от 8,5 до 10,5, W от 2,5 до 3,5, Co от 2,5 до 3,5, N от 0,003 до 0,02, B от 0,001 до 0,015, V от 0,10 до 0,30, Al самое большее 0,010, Nb от 0,02 до 0,08, Ni < 0,20, Mo < 0,20, Si самое большее 0,10, P самое большее 0,010, S самое большее 0,005, Fe - остальное, при этом отношение N/B составляет от 0,30 до 3,0. Крепежное средство обеспечивает соединение между собой частей турбины, используемой при высоких температурах протекающей среды и высоких разностях давлений, составляющих более 250 бар. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к крепежному средству для соединения первой части корпуса паровой или газовой турбины со второй частью корпуса паровой или газовой турбины.

Изобретение также относится к корпусу турбины для паровой или газовой турбины, имеющему первую часть корпуса и вторую часть корпуса, а также крепежное средство такого типа для соединения этих двух частей корпуса в фланцеобразной области соединения частей корпуса.

Изобретение также относится к корпусу клапана.

Кроме того, изобретение относится к турбине для тепловой электростанции, имеющей корпус турбины такого типа.

Под корпусом турбины здесь понимается внутренний корпус паровой или газовой турбины, который, как правило, окружен внешним корпусом.

При эксплуатации паровой турбины существует стремление к максимально высоким параметрам водяного пара. Это значит, что существует стремление к эксплуатации паровой турбины при максимально высоких давлениях водяного пара и при очень высоких температурах водяного пара. При этом используемые для соединения двух частей корпуса паровой турбины болты, в качестве варианта выполнения крепежного средства, подвержены высоким напряжениям при господствующих в то же время высоких температурах. В уровне техники эти болты изготавливаются поэтому из высокожаропрочного материала. При этом в качестве материала болтов используются сплавы разных составов. Однако используемые в уровне техники болты применимы только в корпусах турбин, рассчитанных на относительно малые разности давлений менее 250 бар. Рассчитанные на более высокие разности давлений паровые турбины отчасти снабжены специальными монолитными впускными корпусами без резьбовых соединений. У других известных в уровне техники паровых турбин частое подтягивание болтов и, тем самым, открывание турбины необходимы уже через относительно короткое время эксплуатации, а именно, возможно, уже после 30000 часов вместо 100000 часов.

Лежащая в основе изобретения задача заключается в усовершенствовании турбины, имеющей крепежное средство, таким образом, чтобы крепежное средство можно было использовать для соединения первой части корпуса турбины со второй частью корпуса турбины даже при больших разностях давлений, в частности при разностях давлений более 250 бар, а также высоких температурах протекающей среды.

Согласно изобретению, эта задача решается посредством крепежного средства с признаками п. 1 формулы.

Эта задача также решается посредством корпуса турбины для паровой или газовой турбины, снабженного крепежным средством в соответствии с изобретением.

Кроме того, задача решается посредством турбины для тепловой электростанции, имеющей корпус турбины такого типа.

Основной материал выполнен таким образом, что отношение N/B (в мас.%) составляет от 0,30 до 3,0.

За счет использования предложенного в настоящем изобретении основного материала крепежное средство обладает такой прочностью, что его можно надежно использовать при больших разностях давлений более 250 бар и высоких температурах для соединения двух частей корпуса. Если крепежное средство выполнено в виде болта, то в его преждевременном подтягивании нет необходимости. Используемый в предложенном болте, в качестве варианта выполнения крепежного средства, материал имеет по сравнению с известными в уровне техники материалами болтов более высокую исходную прочность, бóльшую затяжку болта и, тем самым, более высокие релаксационные конечные напряжения. Предложенный болт обеспечивает монтаж комбинированной турбины (комбинация из цилиндров турбины высокого и среднего давления в едином корпусе) для ультрасверхкритических параметров пара (300 бар/600°С). Даже при использовании в других паровых турбинах, таких как паровые турбины высокого давления, среднего давления или однокорпусные паровые турбины среднего и низкого давления, новая разработка обеспечивает потенциалы в отношении реконструкции.

В основном материале/сплаве не используется вольфрам во избежание того, чтобы во время нагружения конструктивного элемента из основного материала/сплава не было выделений, например типа фазы Лавеса, которые могут быстро расти и повлиять на стабильность микроструктуры в такой степени, что будет значительно снижена прочность при ползучести и релаксационная прочность.

Кроме того, с выделением вольфрамсодержащих новых фаз изменяется пластичность основного материала сплава, в результате чего на радиусах, канавках и переходах возникает опасность трещин, и, тем самым, конструктивный элемент подвергается опасности разрушения при эксплуатации.

Задание согласованного с основным составом матрицы отношения N/B является существенной для задания долговременных свойств в исходном состоянии и для их поддержания в течение длительного времени при высокой температуре. Целью является обеспечение достаточного количества N для выделения нитридов V или Nb типа МХ и М2Х для стабильности матрицы и В для подавления роста углеродсодержащих выделений М23С6 при воздействии временем и температурой.

Поскольку N и B обладают также высоким химическим сродством по отношении друг к другу, и при неблагоприятных отношениях N/B могут возникать крупные выделения BN, N и B больше не обеспечивают длительную прочность микроструктуры.

Крупные выделения BN не оказывают больше никакого повышающего прочность действия, в результате чего основная микроструктура существенно ослабляется.

Крепежное средство может быть выполнено в виде болта или шпильки (болт с двухсторонней резьбой). Кроме того, крепежное средство может быть выполнено в виде гайки или накидной гайки.

В одном предпочтительном варианте крепежное средство выполнено в виде соединяющего части корпуса болта, который соединяет первую часть корпуса со второй частью корпуса во фланцеобразной области соединения частей корпуса. Соединяющий части корпуса болт может быть выполнен в виде болта без головки или сквозного болта.

Чтобы обеспечить прочность крепежного средства при высоких параметрах водяного пара, предпочтительно, если материал крепежного средства оптимизирован по прочности в диапазоне температур от 400 до 650°С, в частности квалифицирован с прочностью Rp 0,2 по меньшей мере 700 МПа при комнатной температуре. Это значит, что материал крепежного средства достигает предел текучести пластической деформации 0,2% только при нагрузке 700 МПа при комнатной температуре. Натяжение болта может быть учтено дополнительно к повышению релаксационного конечного напряжения в качестве переменной.

Чтобы достичь, в частности, указанных выше параметров материала, таких как, например, желаемая прочность при 400-650°С, предпочтительно, если процесс изготовления крепежного средства включает в себя следующие стадии: расплавление составных компонентов материала, подвергание расплава предварительно термообработке и дальнейшей обработке с образованием круглого профиля, а также закалку и отпуск круглого профиля с параметрами отпуска Т ≤ 720°С. При расплавлении предпочтительно использовать сталь электрошлакового переплава (ЭШП) и тщательно ее проковывать. Закалка и отпуск предпочтительно проводится в виде закалки и отпуска в масле. По всей наружной поверхности крепежного средства должно происходить полное превращение в мартенситную фазу. Температура закалки должна составлять от 1050 до 1120°С. Предпочтительным образом может проводиться двухкратный отпуск, причем тогда необходимо обратить внимание на следующее: для первого отпуска целесообразно используется температура 570°С, а температура второго отпуска должна быть выше температуры первого отпуска.

В одном целесообразном варианте крепежное средство содержит материал X11CrCoWBN9-3-3. В частности, крепежное средство состоит на 100% из этого материала. За счет использования этого материала повышается прочность крепежного средства при высоких температурах водяного пара, так что оно оптимально подходит для соединения двух частей корпуса соответствующей паровой турбины при высоких параметрах водяного пара.

Материал с таким составом обладает улучшенными свойствами в отношении прочности, прочности на растяжение, деформационной прочности, образованию шейки и прочности при ползучести. Таким образом, соответственно повышается пригодность изготовленного из этого материала крепежного средства для соединения двух частей корпуса паровой турбины, подвергающейся воздействию высоких параметров водяного пара.

Описанные выше свойства, признаки и преимущества этого изобретения, а также то, как они достигаются, более подробно поясняются в связи с чертежом.

Пример осуществления изобретения описан ниже со ссылкой на чертеж. Он представляет пример осуществления не в масштабе, а, напротив, там, где это важно для пояснения, в схематичном и/или слегка искаженном виде. В отношении дополнений к непосредственно различимым на чертеже техническим решениям дана ссылка на соответствующий уровень техники. На чертеже изображен разрез фланцеобразной области соединения частей корпуса турбины, имеющего соединяющий части корпуса болт.

На фигуре представлен фрагмент корпуса 12 паровой турбины 10 в области соединения 18 частей корпуса. Здесь корпус 12 турбины обозначает внутренний корпус паровой турбины 10, который окружен внешним корпусом.

Изобретение может также использоваться для корпуса клапана.

Корпус 12 турбины имеет верхнюю или первую часть 14 корпуса и нижнюю или вторую часть 16 корпуса. Соединение 18 частей корпуса находится между первой частью 14 корпуса и второй частью 16 корпуса. В области соединения 18 частей корпуса первая часть 14 корпуса и вторая часть 16 корпуса имеют фланцеобразную форму. Фланец 15 первой части 14 корпуса и фланец 17 второй части 16 корпуса снабжены отверстием 20 под болт, имеющим внутреннюю резьбу.

Отверстие 20 под болт выполнено с возможностью размещения соединяющего части корпуса болта 22. Соединяющий части корпуса болт 22 является вариантом крепежного средства 22. Другими вариантами крепежного средства 22 являются шпильки или гайки, в частности накидные гайки. При этом отверстие 20 под болт проходит полностью через фланец 15 первой части 14 корпуса и частично во фланце 17 второй части 16 корпуса. Соединяющий части корпуса болт 22 может быть ввинчен в отверстие 20 под болт сверху, т.е. с верхней стороны фланца 15 первой части 14 корпуса. В данном примере соединяющий части корпуса болт 22 выполнен в виде болта с шестигранной головкой и содержит головку 24 болта и стержень 26 болта с наружной резьбой, соответствующей внутренней резьбе отверстия 20 под болт. В показанном на чертеже положении соединяющего части корпуса болта 22, в котором он полностью ввинчен в отверстие 20 под болт, указанный соединяющий части корпуса болт создает прочное соединение между первой частью 14 корпуса и второй частью 16 корпуса посредством соответствующих фланцев 15, 17. Помимо изображенного на чертеже варианта выполнения соединяющий части корпуса болт 22 может быть выполнен также в других различных вариантах конфигурации. Например, соединяющий части корпуса болт 22 может быть выполнен также в виде шпильки с соответствующими гайками на торцах.

Соединяющий части корпуса болт 22 выполнен из основного материала.

Химический состав основного материала соединяющего части корпуса болта 22 содержит следующие химические элементы в мас.%:

С: от 0,08 до 0,15

Mn: от 0,20 до 0,60

Cr: от 8,5 до 10,5

W: от 2,5 до 3,5

Co: от 2,5 до 3,5

N: от 0,003 до 0,020

B: от 0,005 до 0,015

V: от 0,10 до 0,30

Al: самое большее 0,010

Nb: от 0,02 до 0,08

Ni: < 0,20

Mo: < 0,20

Si: самое большее 0,10

P: самое большее 0,010

S: самое большее 0,005

Fe: остальное.

Основной материал выполнен таким образом, что отношение N/B (в мас.%) составляет от 0,3 до 3,0.

Болт 22 содержит материал X11CrCoWBN9-3-3, в частности, состоит на 100% из этого материала.

Основной материал болта 22 оптимизирован по прочности в диапазоне температур от 400 до 650°С, в частности квалифицирован с прочностью Rp 0,2 по меньшей мере 700 МПа при комнатной температуре.

Процесс изготовления болта 22 включает в себя следующие стадии: расплавление составных компонентов материала, подвергание расплава предварительной термообработке и дальнейшей обработке с образованием круглого профиля, а также закалку и отпуск круглого профиля с параметрами отпуска Т ≤ 720°С.

С = углерод, Mn = марганец, Cr = хром, W = вольфрам, Co = кобальт, N = азот, B = бор, V = ванадий, Al = алюминий, Nb = ниобий, Ni = никель, Mo = молибден, Si = кремний, P = фоcфор, S = сера, Fe = железо.

1. Применение крепежного средства, выполненного из основного материала, имеющего следующий состав в мас.%:

С: от 0,08 до 0,15,

Mn: от 0,20 до 0,60,

Cr: от 8,5 до 10,5,

W: от 2,5 до 3,5,

Co: от 2,5 до 3,5,

N: от 0,003 до 0,02,

B: от 0,001 до 0,015,

V: от 0,10 до 0,30,

Al: самое большее 0,010,

Nb: от 0,02 до 0,08,

Ni: <0,20,

Mo: <0,20,

Si: самое большее 0,10,

P: самое большее 0,010,

S: самое большее 0,005,

Fe: остальное,

в котором отношение N/B (в мас.%) составляет от 0,30 до 3,0, в качестве крепежного средства (22) для соединения первой части (14) корпуса паровой или газовой турбины (10) со второй частью (16) корпуса паровой или газовой турбины (10), имеющего прочность, достаточную для его использования для соединения указанных частей корпуса при разности давлений более 250 бар.

2. Применение по п. 1, в котором основной материал содержит от 0,0051 до 0,0099 мас.% N.

3. Применение по п. 1 или 2, в котором крепежное средство выполнено в виде болта (22).

4. Применение по п. 1 или 2, в котором крепежное средство выполнено в виде гайки, в частности накидной гайки.

5. Применение по любому из пп. 1-3, в котором крепежное средство выполнено в виде соединяющего части корпуса болта (22), который соединяет первую часть (14) корпуса со второй частью (16) корпуса во фланцеобразной области (15, 17) соединения частей корпуса.

6. Применение по любому из предыдущих пунктов, в котором процесс изготовления крепежного средства (22) включает в себя следующие стадии: расплавление составных компонентов материала, подвергание расплава предварительной термообработке и дальнейшей обработке с образованием круглого профиля, а также закалку и отпуск круглого профиля с параметрами отпуска Т≤720°С.