关键词：核电汽轮机；低压转子；发展
前言
大型铸锻件是核电站的关键组件。它们具有较高的技术含量，较长的加工周期和对加工设备的严格要求，代表了最高水平的综合处理技术。它们的质量和水平直接影响整套设备的整体水平和可靠性。例如，中国的汽轮机转子产能远不够市场需求，必须从国外进口。
1低压转子材料的发展
1.1核电汽轮机低压转子的服役条件
汽轮机与发电机转子是发电设备的关键零件，第三代核电AP1000技术要求必须满足60年寿命的要求。由于采用半速汽轮机，净重170t以上的低压转子需要以每分钟1500-1800r的高速运行，汽轮机低压转子主要承受巨大的离心力和扭矩。
因此，低压转子除了对材料韧性、强度、冲击韧性、疲劳强度和工艺性能有很高的要求外，还有一个重要的性能指标就是回火脆性。
1.2世界各国低压转子材料的开发
20世纪50年代，苏联用于制造低压主轴和发电机转子的材料为34CrNi3Mo。后来，中国引进苏联技术生产100MW高压机组。之后，又设计制造了125MW和200MW超高压机组。
20世纪80年代初，中国从西屋公司引进了300MW和600MW亚临界机组的制造技术。经消化吸收后，我国一重、二重等企业均已生产出超纯净的30Cr2Ni4MoV钢，达到了美国EPRI标准，并成功制造了600MW超纯净低压转子钢锭及1000MW超临界汽轮机低压转子锻件，列入85、93电站大锻件专用标准。此钢具有材料强度高、低温韧性好，能够满足当时汽轮机尺寸和参数的要求。
常规纯度的30Cr2Ni4MoV钢在350℃~575℃温度范围内长期时效后，其中的杂质元素P、Sn、As、Sb向晶界偏聚，从而引起此温度范围内韧性恶化、导致FATT显著上升，即回火脆化敏感性提高，而Mn和Si又加速这种脆化现象。因此，此钢的使用温度限制在350℃以下。
20世纪八、九十年代以来，日本、美国、韩国等国家通过先进冶炼手段对低压转子铸锭的杂质元素含量进行了严格控制，使铸锭纯度得到较大幅度提高，转子力学性能也得到较大提高，尤其是脆性转变温度FATT降到-20℃左右。
我国一重、二重等企业均已生产出超纯净的30Cr2Ni4MoV钢，达到了美国EPRI标准，并成功制造了600MW超纯净低压转子钢锭及1000MW超临界汽轮机低压转子锻件。
2低压转子成形制造技术的发展
在高质量低压转子锻件的成形制造，包括冶炼、铸锭、锻造和热处理等生产环节，半个世纪以来，通过各国工作者的不断探索研究，低压转子成形的理论上升到一个新的高度，不断获得新的方法并运用到实践中，获得了显著效果。
2.1冶炼与铸锭
转子冶炼的目的是减少钢中有害杂质元素的含量，提高钢的纯净度。美国电力研究所EPRI倡导开发的超净化钢的化学成分，其回火致脆的P、As、Sn、Sb不纯净元素，使韧性恶化的元素S，以及助长脆化、过去曾作为合金元素添加的Si与Mn都要求减低到极限。
日本制钢所后来采用包括VCD钢包炉精炼、MP合浇技术、最优化设计的低高径比大锥度钢锭模、二重脱气方法等新技术浇注的600t NiCrMoV高品质超大型钢锭，经检验证明，锭中的逆V型偏析与V型偏析、夹渣偏聚等已基本消失。1991年日本生产出J=2.8（注：J因子表示元素与回火脆性敏感性的关系J=（Mn+Si）（P+Sn）×104，Yashika等指出为了避免钢的回火脆性，J不能大于10）。
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韩国1997年生产出J=2.5钢锭，两国都用超净钢成功制造出1000MW的低压转子。国际上生产的大型优质锻件用钢锭，普遍向短粗型发展，高径比（H/D）一般都在减小；钢锭棱边由8棱逐渐发展到16棱、24棱、36棱、48棱；钢锭锥度也向大锥度发展。如日本室兰制钢所生产的钢锭高径比为1.1~1.5，锥度为8％~10%；意大利台尼尔生产的钢锭高径比是1.1~1.5，锥度为8%；法国克鲁索生产的钢锭高径比是1.23，锥度为9%。短粗型钢锭不仅提高了锭心质量，有时不镦粗只拔长也能满足锻造比。
2.2锻造
自20世纪70年代以来，国内外大锻件生产厂家不断研究开发了一些新的锻造方法：
（1）FM法（不对称平砧锻造法）。
（2）WHF法（宽砧大压下量锻造法）。
（3）FML法（低锻压力锻造法）。
（4）KD锻造法。
（5）JTS法（中心压实锻造法）。
（6）TER锻造法。
（7）SUF锻造法。
（8）AVO锻造法等。
对于大型转子锻件，其尺寸和重量都十分巨大，为了保证成形性能，在实际生产中往往是多种锻造方法的组合使用。
31000MW核电汽轮机低压转子锻造的技术关键
核电机组功率达到百万千瓦之后，大容量机组需要大排汽面积与之匹配。这就必然使得配套的低压转子有更大的尺寸和更高的性能要求。
转子锻件的技术要求高，其锻造的技术关键：
（1）保证超大直径（尴2000mm以上）转子锻件中心区域充分压实。
（2）细化铸态组织，保证锻件的组织均匀、性能合格。
（3）保证锻造过程的缺陷控制，保证探伤合格。
4核电汽轮机低压转子制造的发展趋势
随着机组功率的增加，汽轮机的排汽面积要随之增加，低压缸的尺寸就要进一步增大，需增加低压转子的尺寸来适应。但超过1000MW后，机组单机容量无需急剧增加，1000MW的低压转子生产技术，基本可以满足我国最近几十年中电力行业的需求。
未来，去湿和防浸蚀技术不会成为汽轮机制造的屏障因素，汽轮机也可由半速提高为全速，尺寸会相应的减小。这会使得低压进汽的参数不断提高，低压进汽温度可达到370℃以上。此时，对转子的FATT、韧性、强度、冲击韧性、抗腐蚀性能以及疲劳强度有更高要求，低压转子材料仍可选用超纯净的30Cr2Ni4MoV钢，可以进一步提高此钢的纯净度，同时借鉴运用现有火电和核电的成熟技术来发展核电汽轮机。
结语
如何通过引进消化、自主研究攻克大型低压转子的制造难点，并掌握具有自主知识产权的百万千瓦级核电低压转子的制造技术，是未来发展核电技术的关键。
参考文献
[1]胡志强,徐嗣华.核电汽轮机抗震分析方法的发展和应用[J].热力透平,2015,44(04):
290-295.
[2]罗吉江.AP1000核电汽轮机的去湿防蚀技术[J].热力透平,2014,43(04):265-268.
论文作者:符礼游 张柏杨 胡念柯
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年11期
论文发表时间:2019/12/2
标签：转子论文; 低压论文; 汽轮机论文; 核电论文; 钢锭论文; 技术论文; 锥度论文; 《当代电力文化》2019年11期论文;