涡轮机的部件、涡轮机和用于制备涡轮机的方法与流程

文中所公开的主题的实施方案一般涉及用于涡轮机的部件，且涉及用于“油气”应用的涡轮机。

一些实施方案涉及在生产和处理例如含有烃加上硫化氢、二氧化碳且具有或不具有其它污染物的油气的领域中操作的(旋转)离心压缩机或泵，以及其部件。这些材料称为“酸气”。这种装置具有至少一个由高耐腐蚀性合金制得的部件，相对于现有技术状态的马氏体不锈钢能够更好地抵抗腐蚀且表现类似于高级镍基超合金。

一些实施方案涉及(旋转)燃气涡轮或蒸汽涡轮，以及其部件。这种装置具有至少一个由高机械抵抗力合金制得的部件，相对于现有技术状态材料能够更好地抵抗疲劳和/或蠕变。

背景技术：

压缩机为能够通过使用机械能升高可压缩的流体(气体)的压力的机器。在离心压缩机中，流体的压缩通过螺钉堆栈在一起的一个或多个定子部件(隔板(diaphragm))内部的旋转运动轴上组装的一个或多个叶轮进行。所描述的组件通常称为线卷(bundle)。待压缩的流体通过一个或多个吸入管抽取到线卷中，然而该压缩流体从线卷向一个或多个递送管排出。

通常，离心压缩机通过电动机或另外通过内燃机通过用于传输运动的联轴器启动。

酸气领域中操作的离心压缩机经受与环境(腐蚀)的不同类型的相互作用，该环境(腐蚀)可以导致压缩机部件的性能损失和过早失效。

酸性工作的特征在于具有湿润硫化氢(H₂S)的烃，其中pH₂S高于0.0030巴。该值对于碳和低合金钢是有效的。NACE MR0175/ISO 15156-1并不限定耐腐蚀性合金(CRAs)的最小pH₂S限值，因为该限值还为溶液的酸度(pH)的函数且该值可以低于碳和低合金钢所限定的值。

存在多种腐蚀现象，其中以下类型为最相关的：

- 一般腐蚀 – 材料表面的均一侵袭

- 点状腐蚀 – 不均一局部侵袭

- 应力腐蚀开裂(SCC和CSCC)

应当指出只有存在充当电化学方法的电解质的冷凝水(湿润气体)，才可以出现以上列出的腐蚀现象。

含有烃、CO₂、H₂S和氯化物(或其它卤化物)的湿润气体最后在元素硫的存在下代表可以出现其中所有以上列出的现象的环境。材料对单一损坏机制或损坏机制的组合的抵抗力因此是重要的，以便保证产品的可靠性。

在以上列出的腐蚀机制中，最关键的腐蚀机制为通过湿润H₂S或氯化物(或一般卤化物)的应力腐蚀开裂，因为其使得用于工作的单元不可利用。

一般地，该机制包括通过腐蚀产生的氢原子在金属中扩散。

只有以下三种条件得到验证，才可以出现SSC：

• 拉伸应力(残留和/或施加)

• H₂S+冷凝水

• 趋向于SSC损坏的材料

污染物例如卤化物、砷(As)、锑(Sb)和氰化物(CN^-)充当催化剂，提高氢原子在表面上的浓度且通过避免它们重新组合成氢分子，使SSC更严重。

一般地，离心压缩机部件(叶轮、轴、隔板和螺钉)暴露到拉伸应力和湿润气体条件。

基于经验，发现叶轮和螺钉构成最易于SSC和CSCC的部件。这是因为应力水平高于其它部件中的应力水平且因为应力保持在压缩机停止(加压)期间施加，其中在较高分压下出现湿润气体。因此对于酸性工作环境，选择能够经受严苛环境条件的材料是强制性的。

这种工作的材料选择因此基于通过H₂S的分压(p(H₂S))、pH (主要为CO₂的功能)和氯化物(和/或其它卤化物)含量控制的三维空间，如在图1中图示。

到目前为止，使用不同材料的目的在于选择针对特定环境的最成本有效的解决方案。

为了简化匹配目的方法的材料后面的复杂规则，可以考虑以下原则：

- 对于低p(H₂S)、任何pH和高氯化物含量，双相和超级双相合金为所选择材料的类型；

- 对低至中p(H₂S)、任何pH和低氯化物，不同类型的马氏体不锈钢为所选择材料的类型；

- 对于任何p(H₂S)、任何pH和高氯化物，镍基合金为所选择材料的类型；

代表3D空间中的上述这些原则，显而易见的是在成本有效的合金(即双相、超级双相和马氏体不锈钢)和高级镍基合金之间存在可以涵盖新的合金的巨大空间。

因此，对用于离心压缩机的部件存在需要，具体地但不排它地为在生产和处理含有烃加上硫化氢且具有或不具有其它污染物的油气的领域中操作的压缩机，能够改进可靠性，提高速度(考虑材料的较高的特定强度)和通过降低昂贵合金元素主要地镍提供成本有效的合金。

在泵设计和工作条件中或在一些蒸汽涡轮应用(即地热领域)中需要解决类似问题。

燃气涡轮为内燃机的类型。其具有联接到下游涡轮的上游旋转压缩机，和在下游涡轮和上游旋转压缩机之间的燃烧室。

使通过压缩机的大气流在燃烧室中得到较高压力，在燃烧室中该大气流与燃料(即液体或气体)混合且燃烧以提高其焓。该高温高压流进入膨胀涡轮，在该过程中产生轴功输出。涡轮轴功用于驱动压缩机和其它设备，例如可以联接到轴的发电机。

这种环境的特征在于在稳定和循环条件中的高温、高应力的组合。这种应用的材料应当设计成经受蠕变、低和高循环疲劳、氧化和腐蚀。这通常通过高强度钢或镍基合金实现。

在蒸汽涡轮设计和工作条件中需要解决类似问题。

本发明人试图实现上述目的之一或一些或所有。

概述

根据第一例示性实施方案，存在涡轮机的部件，所述部件由具有由以下元素组成的化学成分的合金制备：

C 0.005-0.03重量%

Si 0.05-0.5重量%

Mn 0.1-1.0重量%

Cr 19.5-22.5重量%

Ni 35.0-37.0重量%

Mo 3.0-5.0重量%

Cu 1.0-2.0重量%

Co 0.0-1.0重量%

Al 0.01-0.5重量%

Ti 1.8-2.5重量%

Nb 0.2-1.0重量%

W 0.0-1.0重量%

基于合金重量，余量为Fe和杂质，所述杂质包含S 0.0-0.01重量%和P 0.0-0.025重量%。

根据第二例示性实施方案，存在用于制备上述部件的方法，所述方法包括以下步骤中的至少一个：

a) 通过真空感应熔融(VIM)或电弧炉使权利要求1的化学组合物熔融；

b) 通过氩氧脱碳(A.O.D.)、真空感应脱气和灌注(V.I.D.P)或真空氧脱碳(V.O.D.)精炼；

c) 通过电渣重熔(E.S.R.)或真空电弧重熔(VAR)重熔。

根据第三例示性实施方案，存在包含至少一个如上文一般限定的部件的涡轮机。

附图简述

结合附图考虑例示性实施方案的以下描述，本发明将变得更显而易见，在附图中:

图1显示通过H₂S的分压(p(H₂S))、pH (主要地CO₂的功能)和氯化物(和/或其它卤化物)含量控制的三维空间；

图2显示离心压缩机的典型横截面；

图3显示离心泵的典型横截面；

图4显示蒸汽涡轮的典型横截面；

图5显示燃气涡轮的典型横截面；

图6A显示实施例1的合金的相平衡-温度且图6B显示对比UNS N07718的相平衡-温度；和

图7A显示实施例1的合金的时间温度转换曲线且图7B显示对比UNS N07718的时间温度转换曲线。

描述

例示性实施方案的以下描述是指附图。不同附图中的相同的参考数字表示相同或类似的要素。以下详细描述并不限于本发明。相反，本发明的范围通过随附权利要求限定。

在整个说明书中提及“一个实施方案”或“实施方案”表示结合实施方案描述的具体特点、结构或特征包括在所公开的主题的至少一个实施方案中。因此，在整个说明书中各种地方出现的短语“在一个实施方案中”或“在实施方案中”并不必然指相同的实施方案。而且，具体特点、结构或特征可以在一个或多个实施方案中以任何合适的方式组合。

如文中所用的术语“室温”具有本领域技术人员已知的其普通含义且可以包括约16℃(60℉)-约32℃(90℉)范围内的温度。

关于合金成分，术语“强制性元素”指合金中存在的且与其它强制性元素组合允许实现上述目的的元素。合金中的强制性元素为铁(Fe)、碳(C)、硅(Si)、锰(Mn)、铬(Cr)、镍(Ni)、钼(Mo)、铜(Cu)、铝(Al)、钛(Ti)，和铌(Nb)。

术语“任选的元素”指除了限定合金的必要化学成分的强制性元素以外可能存在的元素。合金中的任选的元素为：钴(Co)，和钨(W)。

术语“杂质”或“杂质元素”，另外，指在设计合金成分以便实现上述目的中不提供的元素。然而，可以存在所述元素，因为，取决于制造方法，其存在会是不可避免的。合金中的杂质包括磷(P)、硫(S)、硼(B)、铋(Bi)、钙(Ca)、镁(Mg)、银(Ag)、铅(Pb)、氮(N)、锡(Sn)，和氧(O)。

在一个实施方案中，涡轮机的至少一个部件由高腐蚀高温抵抗性合金制得，相对于现有技术状态马氏体不锈钢能够更好地抵抗高温腐蚀和/或应力且表现类似于高级镍基超合金，如遵从UNS N07718 e UNS N00625的要求的那些。所述合金具有由以下元素组成的化学成分：

C 0.005-0.03重量%

Si 0.05-0.5重量%

Mn 0.1-1.0重量%

Cr 19.5-22.5重量%

Ni 35.0-37.0重量%

Mo 3.0-5.0重量%

Cu 1.0-2.0重量%

Co 0.0-1.0重量%

Al 0.01-0.5重量%

Ti 1.8-2.5重量%

Nb 0.2-1.0重量%

W 0.0-1.0重量%

基于合金重量，余量为Fe和杂质，所述杂质包含S 0.0-0.01重量%和P 0.0-0.025重量%。

上述合金为有利地成本有效的合金，其同时意料不到地涵盖减少量的昂贵合金元素，例如主要地镍，而且还有铬、钼和钛，而不消极影响机械和耐腐蚀性质。所述合金还显示对高温和高压的显著抵抗力，从而导致由该合金制得的部件有利地适用于涡轮机，特别是离心压缩机。

所述杂质为P、S、B、Bi、Ca、Mg、Ag、Pb、N、Sn、O或其组合。

优选地，所述杂质为小于0.5重量%；更优选地，小于0.2重量%。

在优选的实施方案中，所述杂质为P至多0.025重量%、S至多0.01重量%、B、Bi、Ca、Mg、Ag、Pb、N、Sn和O。

在一些实施方案中，所述合金具有在高温(特别是200-250℃范围)下的高耐腐蚀性。

在其它实施方案中，所述合金具有在高温(特别是400-700℃范围)下的高耐疲劳性和/或耐蠕变性。

在优选的实施方案中，所述合金具有由以下元素组成的化学成分：

C 0.005-0.03重量%

Si 0.05-0.2重量%

Mn 0.1-0.6重量%

Cr 20.0-21.5重量%

Ni 35.0-37.0重量%

Mo 3.5-4.0重量%

Cu 1.2-2.0重量%

Co 0.0-0.2重量%

Al 0.05-0.4重量%

Ti 1.9-2.3重量%

Nb 0.2-0.5重量%

W 0.0-0.6重量%

基于合金重量，余量为Fe，其中Fe为至少30重量%，和杂质，所述杂质包含S 0.0-0.001重量%和P 0.0-0.02重量%。

在更优选的实施方案中，所述合金具有由以下元素组成的化学成分：

C 0.005-0.02重量%

Si 0.05-0.2重量%

Mn 0.1-0.6重量%

Cr 20.0-21.5重量%

Ni 35.0-37.0重量%

Mo 3.5-4.0重量%

Cu 1.2-2.0重量%

Co 0.0-0.2重量%

Al 0.05-0.4重量%

Ti 1.9-2.3重量%

Nb 0.2-0.5重量%

W 0.0-0.6重量%

基于合金重量，余量为Fe，其中Fe为至少30重量%，和杂质，所述杂质包含S 0.0-0.001重量%和P 0.0-0.02重量%。

在甚至更优选的实施方案中，所述合金具有由以下元素组成的化学成分：

C 0.005-0.02重量%

Si 0.06-0.15重量%

Mn 0.2-0.4重量%

Cr 20.2-21.0重量%

Ni 36.0-36.5重量%

Mo 3.6-3.8重量%

Cu 1.3-1.7重量%

Co 0.0-0.1重量%

Al 0.1-0.3重量%

Ti 2.0-2.2重量%

Nb 0.25-0.4重量%

W 0.0-0.4重量%

基于合金重量，余量为Fe，其中Fe为至少30重量%，和杂质，所述杂质包含S 0.0-0.001重量%和P 0.0-0.015重量%。

在最优选的实施方案中，所述合金具有由以下元素组成的化学成分：

C 0.015重量%

Si 0.09重量%

Mn 0.3重量%

Cr 20.4重量%

Ni 36.2重量%

Mo 3.7重量%

Cu 1.41重量%

Co 0.03重量%

Al 0.25重量%

Ti 2.04重量%

Nb 0.27重量%

W 0.1重量%

Fe 余量

具有以下杂质：

P 至多0.013重量%

S 至多0.0002重量%

B 至多0.003重量%

Bi 至多0.3 ppm

Ca 至多50 ppm

Mg 至多30 ppm

Ag 至多5 ppm

Pb 至多5 ppm

N 至多100 ppm

Sn 至多50 ppm

O 至多50 ppm

在一些实施方案中，所述合金具有小于根据ASTM E112的板(plate) 3的晶粒尺寸。

上述合金可以通过任何铸造方法获得。然而，优选通过包括以下步骤中的至少一个的方法获得所述合金：

a) 通过真空感应熔融(VIM)或电弧炉使上述化学成分熔融；

b)通过氩氧脱碳(A.O.D.)、真空感应脱气和灌注(V.I.D.P)或真空氧脱碳(V.O.D.)精炼；

c) 通过电渣重熔(E.S.R.)或真空电弧重熔(VAR)重熔。

在这种方式中，显著降低杂质的存在、其偏析和不均质性，且同时获得合金的改进的机械特征和耐腐蚀性。

在一些实施方案中，由上述铸造方法产生的合金经受在高温优选高于1100℃下均质化至少6小时的步骤d)。

在一些实施方案中，由上述铸造方法和随后的均质化热处理步骤d)产生的合金通过至少一个塑性变形周期进一步经受热或冷塑性变形的步骤e)，以便获得2:1的最小总降低比率。这种塑性变形周期包括锻造(开模或闭模)、辊轧、挤出、冷膨胀，以产生未加工的部件形状或进一步机器加工以产生离心压缩机、泵、燃气和蒸汽涡轮以及其部件的更通常未加工的形状。

在其它实施方案中，由步骤e)产生的合金随后经受步骤f):通过至少一个加热周期优选地在1020-1150℃的温度下热处理以诱导溶解(可以在炉内部、在空气下、在受控气氛或真空下进行),且接着在液体或气体介质中快速冷却,以便将合金元素(即铜、钛、铝、铌等)放在和保持在溶体中以便进行任选的随后的热处理步骤。

在其它实施方案中，所述热处理的步骤f)之后为时效处理的步骤g)。

优选地，所述时效处理的步骤g)包括以下子步骤：

g-1) 经4-8 h将所述合金加热到710-780℃的温度；

g-2) 在40-60℃/h的冷却速率下冷却到610-670℃的温度；

g-3) 保持所述合金到610-670℃的温度至少6 h，和

g-4) 让所述合金在室温下在空气中冷却。

或者，所述时效处理的步骤g)包括以下子步骤：

g-1’) 经2-8 h加热所述合金到780-820℃的温度；和

g-2’) 让所述合金在室温下在空气中冷却。

由于上述化学成分、杂质的水平、由受控的塑性变形方法和热处理条件产生的晶粒尺寸，所述合金相对于不锈钢(马氏体、铁素体、奥氏体和奥氏体-铁素体)有利地显示以下性能且与高级镍基超合金相媲美：

- 在根据NACE MR0175的溶液A方法A中的一般和局部腐蚀、阀值应力方面的优异耐腐蚀特征、较高的应力腐蚀开裂(SCC)抵抗力、较高的氯化物应力腐蚀开裂(CSCC)、硫化物应力开裂(SSC)、电偶诱导的氢应力开裂(GHSC)；

- 在室温和高温下较高的拉伸性能；

- 合适的韧性性质；

- 较高的高和低循环疲劳性能；

- 较高的蠕变强度；

- 较高的耐氧化性和耐热腐蚀性。

在一些实施方案中，所述合金进一步雾化以产生粉末且随后通过粉末冶金处理。优选地，术语“粉末冶金”表示所述粉末通过冷等静压(CIP)，通过金属注射成型(MIM)、烧结、热等静压(HIP)加固，或通过MIM和暴露到HIP方法制造。基本上，将粉末进料到模中，压缩成期望的形状。所压制的粉末随后在受控气氛的炉中在常压或高压下烧结或热等静压（hipped）以在粉末颗粒之间产生冶金连接。任选的烧结后操作，例如等温锻造、渗透、精加工或表面处理可以随后应用以完成部件。

图2、3、4和5显示不同的涡轮机，其中可以使用如上文所述的一个或多个部件。图2显示离心压缩机的典型横截面，图3显示离心泵的典型横截面，图4显示蒸汽涡轮的典型横截面，且图5显示燃气涡轮的典型横截面。

由于其高耐腐蚀性(甚至在高温下)和/或其高耐疲劳性和/或耐蠕变性，所述部件非常有用，特别是其对于与涡轮机的工作流体接触的部件非常有用。

实施例

实施例1

制备具有以下成分的合金：

C 0.015重量%

Si 0.09重量%

Mn 0.3重量%

Cr 20.4重量%

Ni 36.2重量%

Mo 3.7重量%

Cu 1.41重量%

Co 0.03重量%

Al 0.25重量%

Ti 2.04重量%

Nb 0.27重量%

W 0.1重量%

Fe 余量

具有以下杂质：

P 至多0.013重量%

S 至多0.0002重量%

B 至多0.003重量%

Bi 至多0.3 ppm

Ca 至多50 ppm

Mg 至多30 ppm

Ag 至多5 ppm

Pb 至多5 ppm

N 至多100 ppm

Sn 至多50 ppm

O 至多50 ppm

上述化学组合物通过真空感应熔融(VIM)熔融，通过氩氧脱碳(A.O.D.)精制，且通过电渣重熔(E.S.R.)重熔。

所得合金在高于1100℃的温度下均质化至少6小时。

所述合金随后经受热塑性变形的两个循环。

随后，所述合金在1020-1150℃的温度下经受热处理以诱导溶解，接着在液体或气体介质中快速冷却。

所得合金业已试验以评估机械和耐腐蚀性质。结果在下表1中与已知的马氏体不锈钢(简称为‘马氏体SS’)对比。

马氏体不锈钢为具有主要由回火马氏体构成的微观结构的一类不锈钢。马氏体(Matertensite)通过奥氏体相的快速冷却形成，所述奥氏体相通过淬火热处理获得。常规的马氏体钢具有0.08-1.%范围的高碳含量、12-17%范围的铬。与其它不锈钢类型相比，它们的主要特征为高强度和公平的耐腐蚀性。

表1.

其它验证的SSC性质在表2和表3中报道。

表2.

表3.

调节合金元素的重量%以避免拓扑密堆积相(TCP)或使其最小。过量的Cr、Mo、W将促进富含这些元素的中间相沉淀。一般而言，TCP相具有化学式A_xB_y。例如，μ相基于理想的化学计量A₆B₇且具有含有13个原子的斜方六面体晶胞，例如W₆Co₇和Mo₆Co₇。

σ相基于化学计量A₂B且具有含有30个原子的四方晶胞，例如Cr₂Ru，Cr₆₁Co₃₉和Re₆₇Mo₃₃。

P相，例如，Cr₁₈Mo₄₂Ni₄₀为原始正交晶系，每晶胞含有56个原子。

如图6A(热力学平衡)和7A(动力学评估)中所示，只有σ相为热力学可能且沉淀动力学如此缓慢使得在溶体退火期间和在时效期间可以不发生。

优化这种合金的化学成分以增大可热加工性窗口。这通过低镍含量和降低硬化第二相(γ')的沉淀温度实现。如图6中可见，理论可加工性范围在平衡下相当大且为1020℃-1280℃。该区间大于通过UNS N07718提供的那些(图6B和7B)。

平衡区间并不考虑动力学和粘塑性现象，但可以给出这种合金比其它公知的商业高级镍基合金好多少的观点。

实际上，这种合金具有900-1200℃的热成形范围，因此降低在生产和循环时间期间的失效风险。

所述合金具有化学元素的组合从而提供第二相硬化例如以提供750 Mpa的最小产生强度与34 HRC的最大硬度，因此增强应力腐蚀性质。

如果与高级镍基合金如UNS N07718相比，降低的硬度水平导致更好的机器加工。这种硬度水平允许涡轮机部件在时效条件中机器加工，产生优化的制造周期，如果与高级镍基合金如UNS N07718相比。

这种合金设计成易于通过用同系列或不同的镍基填料材料如UNS N06625、UNS N07725或UNS N09925的常见电弧焊接方法(SMAW和GTAW)焊接。