汽轮机进汽口汽封面的表面硬化技术和改进型结构

本发明涉及到改进汽轮机各构件的耐高温氧化。耐腐蚀和耐磨损性能，更具体地说涉及到改进旨在延长进汽口汽封面使用寿命的方法和结构。

发电用汽轮机进汽口各构件，通常要遭受来自汽轮机运行期间的滑动磨损和微振磨损。此外，高于260℃温度波动和产生的应力，使得这些部分产生热导致裂纹而更可能被损坏。

传统汽轮机的进汽口构件具有喷咀室，其中设置活塞或罩式密封装置。这些构件要在大约600℃和250公斤/厘米2高压蒸汽的苛刻环境中运行。在这些条件下，必须注意选择各种结构材料，这些材料要具备冶金、物理和机械综合性能。材料的选择一般涉及具有不同膨胀系数、耐氧化性、耐腐蚀性和高温耐磨性的某些金属。归根结底，希望选择进汽口汽封面磨损最小又能提供满意汽封特性的互相配合的那些合金。

选择的进汽口室成套构件，诸如各喷咀室壁、各密封环和钨铬钴硬质合金密封罩的冶金分析表面，由于磨蚀磨损和粘附磨损而导致寿命缩短。而且还查明，那些耐压部件材料也要遭受到足够大的磨耗，由此而引起不能容许的漏汽。

在典型浮动活塞式装置中，喷咀室是由含2.25%Cr，1%MO的合金钢（ASTM    A182，Gr    F22）制造的。这些装置还包括密封环，该环的典型材料是由卡彭特26耐热合金 （REFRACTORY26    from    Carpenter    Technology）制成的。另外，这种装置的活塞通常由12%Cr耐热不锈钢（AISI    616，Bethlehem钢铁公司产品）制做。在通用的罩式密封装置中，密封面材料为钨铬钴硬质合金，配置在含2.25%Cr-1%MO的汽室壁。虽然针对性是材料的耐蚀性和密封性，但经过汽轮机长时间持续运行，上述材料的磨损和漏汽已经低于其最佳值。

仔细分析浮动式活塞装置的移动，在活塞与汽轮机进汽口喷咀室相接触的位置出现了不同的磨损级。最初，密封环相对于喷咀室滑动而引起金属与金属之间的磨擦。因为是在高温，而这些密封环比喷咀室较硬，所以滑动就导致喷咀室磨损，金属（2.25%Cr-1.0%MO合金）面上生成的微小颗粒被氧化。这些氧化物颗粒比密封环面和喷咀室面都硬，因此磨损了密封环面和喷咀室面。磨损厉程不断进行，就发生新生面的连续氧化。

除上述磨损历程外，在喷咀室和活动活塞式装置的密封环之间的接触点还发生粘附磨损。一种偶然的情况是，在汽轮机运行期间由于密封环面和喷咀室面局部区域的氧化保护膜损坏，这两个构件的光洁面就相接触。当这些接触面所受的应力超过临界值时，则在接触处就能发生冷焊或粘附磨损。假如这个情况进一步发展，则产生的垂直应力能引起接触面上的一种材料层离。因为2.25%Cr-1%MO合金钢较软，喷咀面的金属转移到较硬的密封环面上。密封环有任何偏斜或扭曲，或密封环和喷咀室之间接触不严密，足能加快各进汽口构件的损坏。

与磨损相关的问题，在罩式密封结构中也有发现，其中较硬的钨铬钴硬质合金密封罩面磨损了蒸汽室的2.25%Cr-1%MO合金材料内壁。

替换已磨损、已磨蚀或有裂纹的各构件可能非常昂贵。仅仅停机时间每天就要花费几十万美元，因为电力公司必须从别处购买电能，以满足用户需要。此外，连同修理人员的工资和购买、储存备件，这些代价可能相当可观。

因此，本发明的主要目的就是提供一种合金材料的配合和蒸汽喷咀结构，这种材料和结构可使各进汽口汽封面滑动磨损和微振磨损降至最小程度，从而延长喷咀室的使用寿命，将汽轮机仃机时间减至最短。

考虑到这个目的，本发明属于下列类型的汽轮机装置，该装置具有一个进汽口蒸汽喷咀室，它带有汽流通道进汽口套管和一个为密封蒸汽的密封环，该密封环与所述进汽口套管附近的套管壁滑动接触，其特征在于所述汽室壁设置了将磨损减至最小的硬化表面。

环状密封装置沿着进汽口套管壁上至少一部分硬化表面层滑动，该管壁与环状密封装置之间为滑动接触。

在浮动活塞式喷咀室结构中，为保护喷咀室免受较硬的密封环磨损，在喷咀室的内壁上设置一层硬化表面层。在罩式密封结构中，在与罩式密封装置边缘部分相接触的喷咀室内壁至少一部分设置硬化表面层。因为这些结构中的许多现有喷咀通常在检修时不容易采用常规焊接技术进行表面硬化，所以本发明事先采取措施，即：把一个表面硬化的套管插入喷咀室内壁，以保护现有喷咀室免受磨损、损坏。

一种较好的处理程序包括：与应力消除、正火和回火热处理配用的等离子体传导电弧焊作业。以后的几道作业为检测硬化层抗热震性恢复2.25%Cr-1%MO组分（最佳组分）合金。材料受热区的延性和蠕变强度，以防过早断裂和热震损坏。

因此本发明可将进汽口汽封面的滑动摩擦和微振磨损减到最小程 度，这里所讨论的技术和作业能增加进汽口蒸汽喷咀室耐氧化性和耐腐蚀性能，减少汽轮机仃机时间，并节省发电运行费用。

按照迄今所知的最佳模式，根据下述的较佳实施例，结合附图，将更容易理解本发明，其中：

图1是浮动活塞式喷咀室剖面图，图中示出一个活塞和多个汽压密封环及设置在喷咀室一部分内壁上的硬化表面层。

图2是分层环状喷咀室剖面图，图中示出设置在进汽口套管上的一个硬质表面层和多个蒸汽密封环及间隔件。

本发明涉及到具有进汽口蒸汽喷咀室的典型汽轮机装置。由于设置了一种共晶硬质合金（垂巴合金-400（TRIBALOY-400）较佳）硬化表面层，这些装置的实用寿命增长了。该合金从加拿大圣地亚哥Stoody-Detoro-STELLITE有限公司可以买到。可将这种材料设置在进汽口蒸汽喷咀的一个或多个配合面上。

在本发明的一个实施例中，在汽轮机装置内提供一个具有活塞的蒸汽喷咀室，活塞可以在其中往复运动;还提供一个环状密封件，以供密封高压蒸汽。本发明的环状密封件的内径与活塞吻合，其外径与喷咀室内壁滑动接触。在这个实施例中，硬化表面层或套管设置在喷咀的至少一部分内壁上，硬化表面层与环状密封件呈滑动接触。这种结构可使喷咀室与较硬的环状密封件滑动摩擦接触造成的磨损减至最小。

在本发明的另一种汽轮机装置实施例中，提供了带有硬化表面层或套管的通用罩式密封装置，硬化表面层或套管设置在喷咀室的至少一部分内壁上，硬化表面层与罩式密封装置的密封边缘部分相接触。典型密封罩材料为钨铬钴硬质合金，以提供适当的膨胀系数，并保证 有较长的磨损寿命。因为钨铬钴硬质合金是一种较硬的合金，表面硬化处理喷咀室能增加对各汽封面的使用寿命。

在本发明的第三个实施例中，提供的汽轮机装置具有一个新型进汽口蒸汽喷咀结构。这个结构包括一个具有蒸汽流通道的进汽口套管和密封蒸汽用的环状密封装置。按照这个实施例，环状密封装置与进汽口套管外壁设置为滑动接触。较佳的是，环状密封装置是固定的，最佳的是，由多个间隔件隔开的多个密封环。此外，按照本实施例，硬化表面层设置在进汽口套管外壁的至少一部份上，该硬化表面层与环状密封装置呈滑动接触。

现在参考图2，这里示出一个分层环状喷咀室部件200的剖面图，它包括一个有汽流通道116的进汽口套管110。这个部件还包括与进汽口套管110外壁呈滑动接触的环状密封装置。这个新型装置不同于图1的浮动式活塞装置，在新型装置里各密封环112是固定的，不是可滑动地放置在喷咀室内。

这里所采用的术语“硬化表面层”是指设置在基底金属上的一层金属层，以在较软基底金属上设置较硬的耐磨表面。术语“硬质表面”是按上述硬化表面定义，配用其它冶金处理，诸如热处理、表面合金化、渗氮，在基底金属上形成的一个硬质表面。

现在参看附图，主要是图1，图1示出一个较佳的浮动活塞式喷咀室部件100剖面图，该部件内设置一个活塞30，活塞30在所述喷咀室10内可往复运动;还设置至少一个环件20，以密封高压蒸汽。环件（或多个环件）20的内径与活塞30相吻合，其外径与喷咀室10的内壁呈滑动接触。本实施例的一个目的是，借此提供改进的硬化表面层70，该表面层设置在喷咀室10的至少一部份内壁上，并与环件20相接触。

现在参看图2，图2为一个分层环状喷咀室部件200的剖面图，包括具有汽流通道116的进汽口套管110。另外，该部件还包括与进汽口套管110外壁呈滑动接触的环状密封装置112。这个新型装置不同于图1的浮动活塞式装置，其中密封环112相对于喷咀室是固定的，不是可滑动地设置在喷咀室内。

图2的分层环状喷咀室部件200更可取的结构是，包括多个间隔件114隔开的多个密封环112。各密封环112的分层和各间隔件114的层叠，围绕进汽口套管110形成一个壳体，非常类似浮动活塞式装置100的喷咀室10。在分层环状喷咀室结构一个较佳实施例中，硬化表面层设置在进汽口套管外壁120的至少一部份上，这一部分与环状密封装置呈滑动接触，硬化表面层材料含有钴较佳，而含垂巴合金-400（TRIBALOY-400）更佳。

浮动活塞式装置100的喷咀室10、通用的罩式密封结构的喷咀室和分层环状装置结构200的进汽口套管110，用铬钼合金钢制做较佳。这些构件最佳材料为2.25重量%Cr和1重量%MO锻钢（ASTM A 182，Gr F22）。选择这种材料是因为在高达566℃运行具有良好的耐氧化性、蠕变强度和抗热震性。这种材料的热膨胀系数为1.35×10-6（室温到550℃）。

本发明的一个重要方面，是硬化表面层设置在上述各种结构的至少一个部份磨耗面上。在图1较佳浮动式活塞装置100中，硬化表面层70（或硬质表面套管，在上述结构中已经使用这种套管）能用在高压蒸汽喷咀室10的内表面上，在通用的罩式密封结构中，硬化表面层或套管能用在喷咀室内的钨铬钴硬质合金罩的密封边缘沿室内壁滑动的区域。最后，在图2的分层环状结构200中，硬化表面层120加在进汽口套管（或多个套管）110外径上较好。事先采取 措施，可将各实施例的硬化表面层用任何已知的焊接技术（例如等离子体传导电弧焊、气体保护金属极电弧焊或气体保护钨极电弧焊作业）设置就位。

更具体地说，本发明涉及到用于已经运行的各喷咀上，为了加入一个耐磨损表面，可以将内表面堆焊硬化表面组分的一个钢套管插到喷咀室;或可以将外表面堆焊上硬化表面组分的钢套管插在进汽口套管周围。例如，可将该钢套管压合或压焊到被保护面上。这种作业被推荐为现场维修作业，因为浮动活塞结构和罩式结构中喷咀室狭窄，使用通用的焊接技术甚为困难。

硬化表面层通常包括一些已知的各种表面硬化材料，例如碳化钨、碳化铬、含铬半奥氏体合金，奥氏体锰合金等等。较佳的硬化表面层含钴，最佳的硬化表面层含垂巴合金-400（TRIBALOY-400）。后一种材料主要含有约0.08重量%C（最大量），2.6重量%Si，8.5重量%Cr，28.5重量%MO，3.0重量%Ni和Fe（最大量），余量CO。应该理解，上列成份代表制造者提供的每种元素组分范围内的理想重量百分比，所以假如各物理性质实质上能使金属熔合，则组分的改变是容许的。这个材料具有大约51到58洛氏硬度（C标度），平均热膨胀系数大约为1.35×10-6（室温到800℃）。

当硬化表面层含有垂巴合金-400时，通常高温预热后进行焊接，以防止垂巴合金-400焊层热裂。这种高预热温度能导致基底金属的“热影响区”内生成有害的冶金结构，因此需要应用精细焊接作业，并且进行焊后热处理。这里所用“热影响区”指最邻近焊层的喷咀室部份进汽口套管部分，因为这部份受焊接温度影响，冶金结构发生变化。为了解决这个问题，本发明预先采取措施，即：利用等离 子体传导电弧焊来将垂巴合金-400堆焊在喷咀室基底金属（较佳组分为2.25%Cr-1.0%MO）上。等离子体堆焊作业与粉状金属填料配合使用，能产生一种高强度冶金焊合结构，具有最小的“热影响区”，从而可得到一种延性较大的喷咀室10。

一种成功的等离子体传导电弧焊技术是采用预合金化的一定细度的垂巴合金-400粉末。喷咀室或进汽口套管被预热到575℃，并且保持650℃（最大）层间温度。建议使用流速为1.27±0.15米3/小时的95%Ar-5%He保护气体。

硬化表面层较佳堆焊厚度约为4.8毫米～5.9毫米;更佳堆焊厚度约为5.0毫米～5.5毫米，最佳约为5.3毫米。为了最后得到所要求的厚度，不论褂媚闹趾附蛹际趵炊押赣不砻娌悖伎赡苄枰导庸ぁ?

在表面硬化堆焊金属完成后，较好的是对喷咀室或进汽口套管（已堆焊上硬化表面层）进行热处理，以减小由焊接操作产生的剩余应力。这种应力消除热处理最好是立即进行，应当在大约666℃到694℃进行热处理，较好在大约680℃。这个温度要保持约1至4小时，最好保持2小时。进行这种热处理时，加热和冷却速率应当稍低于38℃/小时。完成这个步骤后，将部件机械加工到所要求的公差。

粗机加工后，最好将部件在温度大约为846℃到874℃（最好大约860℃）进行奥氏体化正火处理，喷咀室厚度每英寸最少要正火1小时。这里所用的“正火”是指一种处理过程，即：将合金钢加热处理至足够使显微组织成奥氏体的温度，随后冷却，较好是风冷。在“正火”期间加热速率也应为38℃/小时或以下。部件经过这种处理后，应当从奥氏体化温度冷却，风冷较好。因为风冷可使热影响 区中倾向于形成所要求的结构，所以是较好的。况且，在风冷非常近似于进汽口汽室在汽轮机环境中所经受的快速冷却。因此这种较快的冷却给喷咀室提供了实用前的一种热震试验。

更进一步，按照本发明，正火过的喷咀室或进汽口套管再经一次回火处理，在回火过程中，喷咀室或进汽口套管以及硬化表面层70或120都被加热到大约660℃～694℃，较好是约680℃，加热和冷却速率达38℃/小时。回火的效果是：可使推荐的喷咀室钢材中的有害冶金结构转变成在高温能达到预定形式的那种结构。当喷咀室温度达到低于大约260℃时，允许以38℃/小时以上的速率冷却回火温度。

本发明所提供的详细热处理工艺，目的是减少由焊接引起的脆热影响区。高温表面硬化作业能在晶粒边界产生铁素体，从而也能导致延性降低。假如不加补救，这种情况会导致基底金属破裂，使喷咀室或进汽口套管过早损坏。这里的热处理工艺能使脆的铁素体相重新奥氏体化，能使合金钢回火到延性相，并形成抗蠕变和抗裂的喷咀室或进汽口套管。这些都是这个发明的重要特点，因为喷咀室和各部件都暴露在高压蒸汽中，可以受到250公斤/厘米2的压力，周期温度达600℃。此外，这些特点使喷咀室在起动和仃机时免受热震作用。

浮动活塞式结构的环状密封件（或汽压密封环）20，由耐热合金制成较好，硬度约为26.0到35.5洛氏硬度（C标度）的合金最好。所用的较成功的一种材料是国家碳精公司（门罗）的产品卡膨特难熔合金26（REFRACTACOY，Carpenter Technology）。这种材料的热膨胀系数约为14.8×10-6（室温到550℃）。这种较好的环状密封件材料的组分主要含有大约35.0到39.0重量%Ni，18.0到22.0 重量%CO，16.0到20.0重量%Cr，2.5到3.0重量%Ti，2.5到3.5重量%MO，0.001到0.01重量%B，0.0到1.5重量%Si，0.0到1.0重量%Mn，0.0到0.25重量%AL，0.0到0.8重量C，0.0到0.8重量C，0.0到0.03重量%P，0.0到0.03重量%S，余量Fe。

对于分层密封环200实施例，密封环112相对于进汽口套管是固定的，与进汽口套管110的外径吻合。这些密封环用表面渗氮的12%Cr调质的不锈钢制做较佳。选用这种材料，是因为它的膨胀系数和高温性能均佳。一般来说，这种含铬不锈钢不含镍，常常叫做马氏体不锈钢。然而马氏体不锈钢的硬度，很大程度上取决于碳量，高含碳量趋于生成较硬结构。这些不锈钢通常能承受热处理，这些不锈钢的规格编号为AISI403，AISI410，AISI414，AISI416，AISI418（特种），AISI420，AISI420Se，AISI431，AISI440A，AISI440B，AISI440C，AISI440Se和AISI616。用于制造汽轮机构件（例如本发明的活塞30）基本型号是AISI616，这种材料铬的含量约为12%，这种材料由于它们的合金成份平衡，暴露到奥氏体化温度，然后风冷，就能加强硬化，但是如果不注意，就会由于硬度增高而破裂。然而对这些不锈钢预热，就能降低温度，并且让不锈钢慢慢冷却，即可进一步减少破裂的趋势。

本发明还提供分层密封环装置200的选定的12%铬钢构件，具有耐磨损硬质表面。不锈钢容易被较硬的材料磨损，例如被氧化的金属颗粒和覆盖垂巴合金-400的表面磨损。因此，在分层环状喷 咀室200的12%铬钢（较佳）密封环112上提供一种硬质表面，这些构件更能耐腐蚀、耐磨损。用类似的方法，浮动活塞式装置100的12%铬钢（较佳）活塞30也可以如此保护，然而这是不需要的。虽然表面硬化焊接技术可以用来硬化分层密封环结构的密封环112，但更为的作业为扩散硬化，例如渗碳硬化、碳氮共渗硬化、感应加热淬火、火焰加热淬火和渗氮碳化。最好的扩散硬化技术是渗氮。

本发明的较佳渗氮期应在大约550℃到580℃，渗氮最短时间约25小时。应该理解，必要时，为了得到所要求的表面硬度范围和表面硬化深度，上述温度和持续时间是可以改变的。这里所用的，“表面硬化深度”是指铁合金制品的外层，实质上它比内层（或芯部）硬。这种渗氮作业的最佳表面硬深度约为0.15毫米到0.3毫米，氮化表面的洛氏硬度（15N标度）表面测值约为90到96。表面硬度读数应按照ASTM    E-18来测定。

渗氮是在冶金工业中一种众所周知的作业，通常在较低温度（大约为500℃到570℃）的熔融氰化物浴内进行处理。渗氮浴内可以含60%到70%NaCN以及一种或多种少量的Na2CO2，NaCNO，KCN，K2CO3，NCNO和KCl。渗氮能改善密封环112的耐磨性和耐疲劳性。

另一方面，可采用气体渗氮作业。这个作业是将氮从含氨气气氛扩散到12%Cr合金上。这种作业并不需要淬火，而且温度范围约为500℃到570℃。由于铬合金添加剂的关系，密封环112的较佳不锈钢材料提供了更稳定的氮化物层，并形成一种具有优异耐磨性的渗氮硬化表面。

概括来说，本发明对通用汽轮机装置的进汽口蒸汽喷咀室提供了许多改进。本发明中，在2.25%Cr-1.0%MO合金钢喷咀 室和进汽口套管上加上较佳的垂巴合金-400，已由实验室磨损试验证实，大大改进了它们在热蒸汽环境下的耐磨性。如上所述，垂巴合金-400和2.25%Cr-1.0%MO基底合金的热膨胀系数相似，所以使构件的热应力减至最小，例如喷咀装置大约在538℃蒸汽温度才膨胀。对喷咀室和进汽口套管的表面预处理会引起这些构件表面达到一个硬度范围，这个范围非常近似于其余构件的硬度，于是磨蚀磨损和粘附磨损减至最少。本发明所提供的热处理工艺能恢复本发明焊合的合金钢件热影响区内的延性。最后一点，上述的从正火温度快速冷却，提供了硬化表面层使用前的抗热震性验证试验。

综上所述，可以认识到，本发明为改进的进汽口蒸汽喷咀室各构件在汽轮机运行条件下提供耐磨性能。因此，本发明提供长寿命的汽轮机装置，并节省发电设备的运行成本。虽然已举出几种实施例，只是为了达到说明目的，并不是限定本发明。对于那些技术上熟练的人很容易在本发明范围内进行各种不同的修改和改进。