鍋爐金屬材料匯總

1、電廠鍋爐金屬材料第一節(jié)電廠鍋爐用鋼一、鍋爐用鋼具有的性能制造鍋爐用的主要金屬材料是鋼材。鍋爐本體設(shè)備是由在常溫下承受靜載荷的部件（鋼架，支座，平臺等）和承受高壓高溫的部件（汽鼓、聯(lián)箱、受熱面的管子及承受高溫的支吊、定位部件等）所組成。前一種部件可用一般的結(jié)構(gòu)鋼制造，后一種部件須用具有特殊性質(zhì)的鋼材即所謂鍋爐鋼來制造。要求鍋爐鋼具有以下性能：1、在高溫條件下工作時，能持久地保持必需的機(jī)械性質(zhì)，制造鍋爐用的主要金屬材料是鋼材。鍋爐本體設(shè)備是由在常溫下承受靜載荷的部件（鋼架，支座，平臺等）和承受高溫、高壓的部件（汽強(qiáng)度、塑性、韌性等，以承受鍋爐內(nèi)部的壓力和變動以及沖擊負(fù)荷的作用，如在400以上工作則

2、還要考慮蠕變現(xiàn)象。一般鋼材當(dāng)溫度在100150c時強(qiáng)度極限比常溫下稍有降低，在200300c時略有增大，再升高溫度又降低。到400以上特別是450以上長期工作時，鋼材的應(yīng)力即使還遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于彈性極限，但往往會發(fā)生一種緩慢而連續(xù)的變形。從顯微結(jié)構(gòu)上看，低溫時晶粒之間的連結(jié)強(qiáng)度比晶粒本身的強(qiáng)度高，在外力作用下金屬的變形主要是晶粒自身的變形；然而在高溫和應(yīng)力的作用下，晶粒之間的連結(jié)強(qiáng)度會受到破壞，以致在晶粒之間發(fā)生位移，這種現(xiàn)象稱為蠕變。蠕變對溫度是很敏感的，400500c的碳素鋼增加1215C,或合金鋼增加2025C,蠕變速度會增加一倍。在有蠕變現(xiàn)象存在的情況下工作時，必須使材料在所處的溫度和應(yīng)力條件

3、下的蠕變速度不超過許可的限度，以保證材料的安全使用。在鍋爐設(shè)計中，要求材料的蠕變速度為每小時長度變形不超過一千萬分之一，這個速度相當(dāng)于工作十萬小時后材料變長1%。鋼材制成品經(jīng)過一定時間后會發(fā)生韌性降低、硬度提高的現(xiàn)象，稱為時效作用。一般在200300c時這個作用最為強(qiáng)烈。低碳鋼（含碳量0.1%左右）的時效傾向尤大，而高碳鋼和含有鉬、鋇或鎢的合金鋼則不易產(chǎn)生時效。對于鍋爐鋼板，要求沖擊韌性的下降率不大于50%或沖擊韌性的名對值不小于33.5公斤米/厘米2。2、要有良好的組織穩(wěn)定性。如果金相組織發(fā)生變化，例如產(chǎn)生球化（碳化鐵不再呈片狀而化為球狀）或石墨化（碳化鐵中的碳析出成為游離的石墨存在于晶粒之

4、間）等現(xiàn)象，對金屬的工作是很危險的。過去的實(shí)踐表明，低碳鋁鋼（如15Mo及20Mo）在500c左右工作時容易發(fā)生石墨化現(xiàn)象，使鋼質(zhì)變脆以致破裂造成事故，這種鋼材脫氧時，加入鋁的數(shù)量若超過0.25公斤/噸，尤易發(fā)生石墨化。根據(jù)研究結(jié)果，在鋁鋼中加入少量銘（0.40.6%）,對于石墨化及球化均有穩(wěn)定作用，因此近年來對于在接近500下工作的鍋爐承壓部件已不采用一度通用的15Mo、20Mo等鋁鋼而改用銘鋁鋼等材料。3、對于鍋爐用鋼，不僅要求低溫下良好的耐腐蝕性，對于高溫下工作的部件還要求在高溫下有良好的抗氧化性。尤其是過熱器和再熱器部件，在高溫下工作時，應(yīng)不易發(fā)生氧化起皮等現(xiàn)象，通常要求在工作溫度下氧

5、化深度的發(fā)展速度小于0.1毫米/年。加入合金元素鉻、鎳、鋁和硅能提高鋼的抗氧化性能，鋼內(nèi)含鉻量大于12%就稱為不銹鋼。4、金屬組織應(yīng)均勻，內(nèi)部缺陷要在容許范圍之內(nèi)，要求鋼的分層、非金屬夾雜、氣孔、疏松等缺陷盡可能少，不允許有白點(diǎn)及裂紋。5、機(jī)械加工性能（包括熱加工和冷作加工）和可焊性好。二、鍋爐管道用鋼鍋爐管道是指水冷壁管、過熱器管、再熱器管、省煤器管、聯(lián)箱及蒸汽導(dǎo)管等。溫度在450c以下的低壓鍋爐鋼管主要使用10號、20號優(yōu)質(zhì)碳素鋼；中高壓鍋爐，除了水冷壁管和省煤器用20A碳鋼外，其它受熱面管子大多采用低合金鋼管。鍋爐管道用鋼選擇的主要依據(jù)是金屬的溫度。鍋爐管子用鋼的化學(xué)成分和用途見表17-

6、1。表17-1鍋爐受熱面管子用鋼的化學(xué)成分和用途鋼號化學(xué)成分(%)用途CSiMnCrMoVWTiB其它200.170.220.170.370.350.65壁溫450C導(dǎo)管；壁溫直500c受熱面管子12CrMo0.150.200.400.400.700.400.700.400.55壁溫0510C導(dǎo)管；壁溫直540c受熱面管子15MnV0.120.180.200.601.201.600.040.12用作12CrMo的代用鋼15CrMo0.120.180.170.370.400.700.801.100.400.55壁溫0510C導(dǎo)管；壁溫直540c受熱面管子12MnMoV0.080.150.500.

7、800.801.200.400.650.250.35用作15CrMo代用鋼12Cr1MoV0.080.150.170.370.400.700.901.200.250.350.150.30壁溫0540C導(dǎo)管；壁溫直570c過熱器、再熱器等12MoVWBSiRe（無銘8號）0.08!0.150.600.900.400.700.450.650.300.500.150.400.060.0080.010Re0.15壁溫0580C的過熱器、再熱器等12Cr2MoWVB（鋼102）0.080.150.450.750.450.651.602.100.500.650.230.420.300.550.080.18

8、0.008壁溫0600C過蒸器及導(dǎo)管12Cr3MoVSiTiB（n11）0.090.150.600.900.500.802.503.001.001.200.250.350.220.380.0050.011壁溫600620c過蒸器及導(dǎo)管Mn17Cr7MoVNbZr0.05B0.120.500.8017.019.07.09.00.801.100.250.450.0050.012Zr0.08Nb0.30.5壁溫620680c過熱器再熱器及導(dǎo)管14MoV630.100.180.150.350.300.600.300.600.500.650.250.350540c過熱器及導(dǎo)管等10CrMo9100.15

9、0.150.500.400.602.02.50.91.10540c過熱器及主蒸汽管X12CrMo91（HT7）0.150.251.000.300.608.010.00.91.10560c受熱面管子X20CrMoW-V121(F11)0.170.230.150.500.400.7011.012.50.801.200.250.350.40.6N10.30.8650c過熱器管；600c主蒸汽管X20CrMoV121(F12)0.170.230.150.500.400.7011.012.50.81.20.250.35N10.30.80650c過熱器管；600c主蒸汽管Mn17Cr7MoVNblZr0.

10、05B0.120.500.8017.019.07.09.00.801.100.250.450.0050.012Zr0.08Nb0.30.5壁溫620680c過熱器再熱器及導(dǎo)管14MoV630.100.180.150.350.300.600.300.600.500.650.250.350540c過熱器及導(dǎo)管等三、汽包用鋼汽包處于高溫高壓狀態(tài)下工作，它除了受較高的內(nèi)壓外，還受到?jīng)_擊，蒸汽介質(zhì)的腐蝕和熱應(yīng)力的作用。此外，在汽包的制造過程中，還要經(jīng)過卷板、焊接、熱處理等各種冷熱加工工序，因此汽包用鋼必須具有較高的強(qiáng)度、良好的塑性、韌性、冷彎性能、焊接性能以及低的缺口敏感性（即對由于開孔等而產(chǎn)生的應(yīng)力集

11、中不敏感）。電廠中低壓鍋爐汽包一般為優(yōu)質(zhì)碳素鋼（20g、22g）或普通低合金鋼板（16Mng、15MnVg等）；高壓超高壓鍋爐汽包均采用普通低合金鋼板制造。四、吹灰器及固定零件用鋼鍋爐設(shè)備中的燃燒室、水冷壁管、過熱器、省煤器、空氣預(yù)熱器部件均有吹灰裝置，其作用是定期吹落積浮在這些設(shè)備上的煙灰渣子。吹灰器的工作時間很短，但是工作溫度高。為了保證吹灰器有一定的使用壽命，吹灰器用鋼應(yīng)選用抗氧化性和高溫強(qiáng)度都較高的鋼，如鐵素體耐熱鋼中的Cr25Ti,奧氏體耐熱鋼中的1J18Ni9Ti,馬氏體耐熱鋼中的1J13等。當(dāng)溫度小于450c時應(yīng)盡量采用低合金鋼、碳鋼和耐熱鑄鐵。鍋爐設(shè)備中的固定零件主要指：管夾、

12、定位板、吊架、支座等，它們通常工作在較高的煙氣溫度下，且無冷卻介質(zhì)冷卻，因此要求所用的鋼材有較高的抗腐蝕能力和高溫強(qiáng)度。鍋爐吹灰器及固定零件用鋼應(yīng)根據(jù)工作溫度來選用，如表17-2所示。表17-2鍋爐吹灰器及固定零件用鋼牌號CSiMnCrNi其它組織類別許用溫度（開始強(qiáng)烈氧化）Cr6SiMo<0.15<0.705.06.5<0.60Mo0.450.60珠光體鋼750C1Cr13<0.15<0.60<0.6012.014.0馬氏體鋼1000CCr25Ti<0.12<1.0<0.8024.027.0Ti0.8鐵素體鋼800C1Cr18Ni9Ti&

13、lt;0.12<0.80<2.017.019.08.011.0奧氏體鋼900-1000CCr20Ni14Si2<0.201.03.0<1.519201215奧氏體鋼900-1000CCr25Ni12MnSi2<0.20<2.0<1.022271215奧氏體鋼900-1000C25Cr18Mn11SiN(Di)0.200.281.52.010.512.517.519.0N0.220.30奧氏體鋼900-1000CCr18Mn9Ni2Si2N(鋼101)0.120.202.02.56.58.017192.03.0N<0.3奧氏體鋼900-1000C五

14、、磨煤機(jī)主要零件用鋼磨煤機(jī)是鍋爐的主要輔機(jī)之一，它的任務(wù)是將煤磨成粉以供鍋爐燃燒用。在運(yùn)行過程中，磨煤機(jī)的耐磨部件除了與煤發(fā)生激烈的摩擦外，還受到煤塊的強(qiáng)大沖擊力的作用，因此磨煤機(jī)的耐磨部件的表面層應(yīng)極硬、耐磨，且有一定的韌性以防脆斷，例如用Mn13高鎰鋼來制造鋼球和鋼甲以及中速軋輻式磨煤機(jī)的軋輻等；此外冷激鑄鐵（即表面有一定程度的極硬的白口鑄鐵層和中心具有一定韌性的灰口鑄鐵）也常用于中速軋輻式磨煤機(jī)的軋輻，有的電廠也用其作低速鋼球磨煤機(jī)的鋼球。第二節(jié)鋼在高溫時性能和組織的變化一、鋼在高溫時性能的變化火力發(fā)電廠熱力設(shè)備中許多零部件長期處在高溫高壓和腐蝕介質(zhì)條件下工作。實(shí)踐證明，鋼材在運(yùn)行過程中

15、由于多種原因使組織和性能發(fā)生變化，甚至有時會導(dǎo)致某些零部件的失效而造成事故，直接影響發(fā)電。因此，現(xiàn)代火力發(fā)電廠對熱力設(shè)備中的承壓部件、鋼材質(zhì)量、焊接質(zhì)量、管道蠕變以及鋼的球化和石墨化等實(shí)行金屬監(jiān)督，掌握熱力設(shè)備零部件在運(yùn)行中組織和性能變化的規(guī)律，對于保證設(shè)備的正常運(yùn)行，具有重要的意義。實(shí)踐證明，鋼長期在高溫下運(yùn)行，其組織、結(jié)構(gòu)和性能將發(fā)生顯著的變化，鋼在高溫時所表現(xiàn)出來的性能和常溫時的性能有很大的差別，因此鋼材的室溫機(jī)械性能不能代替其高溫性能。為保證發(fā)電廠的安全經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)，必須了解和掌握鋼在高溫條件下長期運(yùn)行時所發(fā)生的組織和性能的變化。1 .機(jī)械性能的變化1）溫度對強(qiáng)度和塑性的影響米南斤告二(a

16、)溫度（P）溫度PC）(b)圖17-1高溫下鋼的機(jī)械性能鋼在各種溫度下的強(qiáng)度特性如圖17-1（a）所示。由圖知，溫度對材料的強(qiáng)度有很大的影響，當(dāng)超過某一溫度時，鋼的強(qiáng)度極限就要降低，溫度愈高，強(qiáng)度愈低。此外，鋼在高溫下使用的時間愈長，強(qiáng)度也愈低，表17-3是40號碳鋼在不同溫度及速度的強(qiáng)度（tTb）值。由表可知，20c或200c時，鋼的強(qiáng)度與加載時間無關(guān)，高于此溫度后，鋼的強(qiáng)度不僅與溫度有關(guān)，還與使用時間有關(guān)。例如溫度500c日40號鋼的瞬時強(qiáng)度（指拉伸試驗(yàn)中加載時間很短時的強(qiáng)度，這里是加載時間1分鐘時的強(qiáng)度）為40公斤/毫米2,但在該溫度下連續(xù)運(yùn)行（或試驗(yàn)）20分鐘后，負(fù)的強(qiáng)度便降為30公斤

17、/毫米2。因此，如果鋼在高溫下長期工作，則鋼的瞬時強(qiáng)度不能作為它的性能指標(biāo)的，也不能以室溫性能來代替高溫性能。表17-340號鋼在不同溫度及速度的強(qiáng)度（與）值（公斤/毫米2）溫度（C）拉斷試樣的時間（分）151020306020707070707070200757575757575500403532302928.5600302521181716由圖17-1（b）知，塑性也隨溫度的變化而變化，當(dāng)溫度超過一定值后（如300C）塑性值（?。╇S溫度的升高而增加。但溫度在200300c區(qū)域，塑性出現(xiàn)一最低值，這種碳素鋼在200300c的溫度范圍內(nèi)，塑性和韌性降低的現(xiàn)象稱之為鋼的蘭脆現(xiàn)象。圖17-2能更好

18、地說明鋼的這種蘭脆性，圖中縱座標(biāo)為拉伸試樣斷裂處的布氏硬度值，橫座標(biāo)為試樣斷裂處斷裂之后的應(yīng)變數(shù)值（即相對變形，這里用斷面收縮率少表征）。由圖看出，不同溫度下試樣斷裂處的硬度是不一樣的，例如試樣在400700c之間斷裂時，斷裂處的硬度低于常溫（20C）下斷裂的硬度。但在100300c的溫度區(qū)域內(nèi)，試樣斷裂處的硬度比常溫斷裂時的硬度要高。此外，由圖17-2還可看出，應(yīng)變數(shù)值愈大,圖17-2 溫度對鋼試樣斷裂硬度的影響圖17-3 溫度對碳鋼屈服極限的影響2）溫度對屈服極限的影響溫度對鋼材屈服極限的影響很大，圖17-3為不同溫度對碳鋼屈服極限（）的影響。由圖可知，隨溫度的升高，碳鋼的屈服極限降低，且

19、溫度愈高，屈服極限愈低。3）溫度對比例極限的影響比例極限是保證鋼材彈性變形按線性變化的最大抗力指標(biāo)，因此比例極限即彈性極限。溫度對比例極限的影響很大，如圖17-4所示，隨著溫度的升高，鋼的比例極限下降。由圖看出，300c時各種鋼（圖中1、2、3、4、5、6曲線分別代表不同成分的鋼）的比例極限值相差很大，但至500c時這種差別就幾乎完全消失。2 .蠕變1）蠕變現(xiàn)象金屬在一定溫度和應(yīng)力作用下，隨時間的延續(xù)發(fā)生緩慢的塑性變形的現(xiàn)象稱為蠕變。各種不同的金屬，開始發(fā)生蠕變的溫度各不相同，并且溫度愈高，蠕變現(xiàn)象愈顯著。例如碳鋼約在300c開始蠕變，合金鋼則在400c以上出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象。45.030。3501

20、00150500溫度工t),0 .a0 0.量形變第一階段第二階段1 一2第三階段率一時間.圖17-4 溫度對某些鋼的比例極限影響圖17-5 典型蠕變曲線2）蠕變曲線火力發(fā)電廠的熱力設(shè)備中，一些在高溫下長期運(yùn)行的部件如過熱器管、主蒸汽管道等都會發(fā)生蠕變現(xiàn)象。蠕變嚴(yán)重時會造成管壁減薄，最后引起爆管破壞。圖17-6 應(yīng)力改變（溫時恒定）時的蠕變曲線（T 4> （T 3> （T 2> （T 1）0時間圖17-7 溫度改變（應(yīng)力恒定）時的蠕變曲線（t4>t3>t 2M 1）金屬蠕變時，其變形（8 ）與時間（T）的關(guān)系曲線稱為金屬的蠕變曲線，典型的蠕變曲線如圖17-5所示。

21、蠕變曲線可分為以下四個部分。0a為開始加載后所引起的瞬時變形。如果所加應(yīng)力超過金屬在該溫度下的彈性極 限，則這個變形包括了彈性變形和塑性變形。ab為蠕變的第一階段，在這個階段中，蠕變的特點(diǎn)是開始速度較大，以后隨時間的 增加蠕變速度逐漸減小。bc為蠕變的第二階段，是蠕變的穩(wěn)定階段。在這個階段中，蠕變速度很小且基本不變，在曲線上表現(xiàn)為具有一定傾斜角度a的直線段，該傾角a的正切值即為材料的蠕變速度。蠕變速度快，則材料斷裂就早。cd為蠕變的第三階段，也是蠕變的加速階段，當(dāng)蠕變進(jìn)行到d點(diǎn)時材料即斷裂。不同材料在不同條件下得到的蠕變曲線是不同的，同一種材料的蠕變曲線也隨著應(yīng)力和溫度的不同而不同。盡管蠕變曲

22、線各不相同，但它們都具有上述共同特點(diǎn)，只不過是各階段的時間不同而已。圖17-6表示溫度不變時，應(yīng)力對蠕變曲線的影響， 應(yīng)力愈大，蠕變速度就愈大。對于一定的溫度，如果應(yīng)力很小，則蠕變第二階段持續(xù)的圖17-8冶煉方法對碳鋼的蠕變特性影響時間可以很長，甚至有可能不出現(xiàn)蠕變的第三階段：圖 17-7表示應(yīng)力不變時，溫度對蠕變曲線的影響，溫度愈高，蠕變速度也愈大。3）蠕變極限蠕變極限是指試樣在一定溫度下于規(guī)定時 間內(nèi)，產(chǎn)生等于某規(guī)定值的蠕變變形量或蠕變速度時的最大應(yīng)力。蠕變極限用符號er b2/。或crVH /七表示，其中。表示極限應(yīng)力（公 斤/毫米2） ; t表示試3溫度（C） ； t表示試驗(yàn) 持續(xù)時間

23、（小時）；8表示變形量（）; Vh表示恒 定蠕變速度（/小時）。例如：b 1700/ 104表示在700 C時，持續(xù)時間為一萬小時，產(chǎn)生蠕變總變形量為1%寸的蠕變極限。4）影響蠕變的因素材料的蠕變主要取決于合金的化學(xué)成分，同時也與冶煉質(zhì)量、工作溫度等有關(guān)。-4 O 5 O 居4 2 O2*1J I 11米總聲斤打力能變?nèi)淇怪?5OS5鋼材化學(xué)成分的影響：實(shí)驗(yàn)證明，碳鋼圖17-90.5%鋁鋼的抗蠕變能力與溫度和晶粒度的關(guān)系的抗蠕變性能差，在300c時就開始發(fā)生蠕變現(xiàn)象。因此，熱力設(shè)備中的高溫零部件要采用含有Cr、MoV及W等元素的合金鋼以提高鋼材的抗蠕變性能，其中Mo是最有效的增加抗蠕變性能的元

24、素。合金鋼在350450c才出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象，特別是含有大量銘的高合金的銘?zhàn)x鋁鋼有很好的抗蠕變性。冶煉工藝的影響：隨著鋼材冶煉工藝的不同，鋼的質(zhì)量有很大的區(qū)別，例如電爐鋼的抗蠕變性能比平爐鋼好，而電爐鋼中，高頻爐鋼的抗蠕變性能又比電弧爐煉出來的鋼好。圖17-8為用各種冶煉方法得到的A5鋼的蠕變特性，由圖知，不同的冶煉方法（曲線1、2、3、4即代表各冶煉方法），抗蠕變性能也不同，即使是同一鋼號其抗蠕變性能也可能相差50100%晶粒大小的影響：金屬組織中晶粒的大小對鋼材的抗蠕變性能有很大的影響。實(shí)踐證明在高溫下粗晶粒的鋼具有較高的抗蠕變性能。因而從抗蠕變性角度出發(fā)，在高溫下采用粗晶粒組織的鋼有利，但是

25、晶粒變粗后會降低材料的塑性與韌性。因此每一種鋼材在不同的溫度下有不同的最佳晶粒度。圖17-9表示在不同溫度下，不同晶粒度的鋁鋼（含MO0.5%）的抗蠕變特性（蠕變速度V=1X10-5%/小時）。鋼的晶粒度分為8級，圖中曲線2、38分別代表2級、3級8級晶粒度的鋼，數(shù)字愈大，晶粒愈細(xì)。當(dāng)工作溫度低于或等于400c時，8級晶粒度的鋼抗蠕變性能最好；當(dāng)溫度升至550c時，2級晶粒度的鋼抗蠕變性能最好。因此含MO0.5%勺鋁鋼一般用于450525c溫度區(qū)間，最好的晶粒度是63級。溫度的影響：溫度提高后金屬的抗蠕變性能減弱，特別是溫度的波動會加快鋼材的蠕變速度。試驗(yàn)證明，管子工作溫度處于不穩(wěn)定時，會使其

26、抗蠕變性能降低，如15CrMo鋼處于485535c的波動溫度下時，其蠕變速度要比處于510c恒定溫度下高34倍。因此，溫度波動對金屬的工作是很不利的。5）蠕變監(jiān)督熱力設(shè)備在運(yùn)行中，應(yīng)對其進(jìn)行蠕變變形的監(jiān)督，特別是對工作在高溫下的蒸汽管道、聯(lián)箱、汽缸等高溫部件的蠕變監(jiān)督更為必要。目前，電廠中對高溫蒸汽管道蠕變變形的測量是利用這種管道的蠕變變形表現(xiàn)在直徑脹大這一現(xiàn)象來進(jìn)行的。如圖17-10所示，用不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）制作的具有一定形狀的蠕變測點(diǎn)（圖17-10,a）裝置裝在所需監(jiān)督的管段上，測量時用外徑千分尺量其基準(zhǔn)點(diǎn)間的距離D（圖17-10,b）。運(yùn)行前作第一次原始測量，運(yùn)行中視具體情況

27、定期測量，將測量結(jié)果經(jīng)有關(guān)換算，即可求出管道鋼材的蠕變變形和蠕變速度，繪出蠕變曲線，以監(jiān)視蠕變的第三階段是否到來，保證設(shè)備安全。圖17-10管道的蠕變測量（a）蠕變測點(diǎn)形狀；（b）管道的蠕變測量裝置表17-4是主蒸汽管道蠕變變形和蠕變速度的實(shí)例，即某廠四臺高參數(shù)機(jī)組的主蒸汽管道在運(yùn)行十萬小時后測得的管徑最大蠕變變形值和最大平均蠕變速度值。表上所示的蠕變變形值遠(yuǎn)小于規(guī)定的1%附直徑。273毫米的鋼管應(yīng)為2.73毫米）；最大蠕變速度僅為允許值的1/5左右。這些數(shù)值對同類型鍋爐使用的12CrM615CrMo和12CCMoV鋼主蒸汽管道的蠕變有參考價值。表17-4某廠幾臺高參數(shù)機(jī)組主蒸汽管道運(yùn)行105

28、小時蠕變值表名稱參數(shù)為510C、11公斤/厘米2的12CrMo鋼主蒸汽管道參數(shù)為540C、100公斤/厘米2的12Cr1MoV鋼主蒸汽管道105小時允許的最大變形值和蠕變速度123運(yùn)行徑約105小時的最大蠕變量（）0.3850.5210.3590.4151最大蠕變速度毫米（毫米時）_-70.186X10_-70.25X10_-70.129X10一一一-70.45X101X10-73 .持久強(qiáng)度持久強(qiáng)度是評定在高溫和應(yīng)力長期作用下金屬強(qiáng)度的指標(biāo)。測量材料持久強(qiáng)度的試驗(yàn)一直要進(jìn)行到試樣的斷裂，因此持久強(qiáng)度能反映鋼材在高溫和應(yīng)力長期作用下斷裂的抗力和塑性。持久強(qiáng)度是指試樣在一定溫度和規(guī)定的持續(xù)時間內(nèi)

29、，引起繼裂的最大應(yīng)力值，以符號仃；（公斤/毫米2）表示，其上角標(biāo)t表示試驗(yàn)溫度（C）,60i1-=11斷裂時間.（時）圖17-11 運(yùn)行106000小時后的15CrMo鋼持久塑性與斷裂時間的關(guān)系下角標(biāo)T表示試驗(yàn)持續(xù)時間（小時）。例如仃1700=30公斤/毫米2表示在700c時，持續(xù)時間為100小時的持久強(qiáng)度極限值為30公斤/毫米2。蠕變極限和持久強(qiáng)度極限都是反映材料高溫性能的重要指標(biāo)，其區(qū)別在于側(cè)重點(diǎn)不同。蠕變極限主要考慮材料的變形為主，如汽輪機(jī)葉片在長期運(yùn)行中，只充許產(chǎn)生一定的變形量，在設(shè)計時就必須考慮蠕變極限。而鍋爐設(shè)備中的某些零部件如受熱在管子等，對所用鋼材的蠕變性能要求不嚴(yán)，只要求在運(yùn)

30、行中不發(fā)生爆管即可，這就需要用持久強(qiáng)度作為高溫強(qiáng)度的計算指標(biāo)。一般來說，蠕變抗力高的材料往往具有良好的持久強(qiáng)度。4 .持久塑性持久塑性反映了材料在高溫和應(yīng)力長期作用下的塑性性能，它是通過持久強(qiáng)度試驗(yàn)，用試樣斷裂后的延伸率和斷面收縮率來表示的。實(shí)踐證明，不少材料在高溫下長期工作后，只有很低的延伸率，往往會導(dǎo)致脆性破壞，如汽輪機(jī)中螺栓的脆斷，主蒸汽管道材料的脆性破壞等。持久塑性隨使用（或試驗(yàn)）時間的增加而下降，當(dāng)下降至一最小值后持久塑性又逐漸上升。其最小值出現(xiàn)的時間與試驗(yàn)溫度有關(guān)，試驗(yàn)溫度愈高，鋼的持久塑性愈高，最小持久塑性值出現(xiàn)的時間愈早。圖17-11是15CrMo鋼在試驗(yàn)溫度下持久塑性與斷裂時

31、間的關(guān)系，由圖可知，在恒定溫度下，開始時持久塑性隨斷裂時間的增加而減小，減至最小值后，又隨斷裂時間增加而上升。圖17-12 應(yīng)力松馳曲線因此，熱力設(shè)備主要零部件所用的材料應(yīng)力隨時間逐漸降低的現(xiàn)象稱為應(yīng)力松持久塑性還與多的成分有關(guān)，鋼中加入銘、硅后能提高殊光體耐熱鋼的持久塑性，而銀鋁則使持久塑性降低。持久塑性低的材料，抗疲勞和抗裂紋發(fā)展的能力也將降低，因此，一般要求持久塑性（8）不小于35%中一些承受壓力的部件，如主蒸汽管、過熱器管等，應(yīng)選用持久塑性高的材料來制造，這樣可在它們破裂之前產(chǎn)生一定的塑性變形，避免了鋼材突然的脆性破壞。必須具有較高的持外強(qiáng)度和持久塑性。5 .應(yīng)力松馳金屬在高溫和應(yīng)力狀

32、態(tài)下，其總變形保持不變,馳。應(yīng)力松馳可以用時間-應(yīng)力為座標(biāo)繪成如圖17-12曲線。稱為應(yīng)力松馳曲線。若以緊固件為例，則圖中（T0相當(dāng)于緊固件擰緊后加上的初應(yīng)力，（71為經(jīng)過。1時間后的剩余應(yīng)力,b2為經(jīng)過。2時間后的剩余應(yīng)力。顯然，在相同試驗(yàn)溫度和初應(yīng)力下，剩余應(yīng)力愈高，表明材料的抗松馳性能愈好。金屬材料的應(yīng)力松馳現(xiàn)象，在常溫下進(jìn)行得很緩慢，因而可以忽略不計，但在高溫下，應(yīng)力松馳現(xiàn)象變得很顯著。一般認(rèn)為，當(dāng)螺栓的工作溫度超過400c時，就會產(chǎn)生較明顯的應(yīng)力松馳現(xiàn)象。汽缸和閥門上的法蘭螺栓是應(yīng)力松馳的典型例子。在探緊螺母時，依靠螺栓彈性變形產(chǎn)生的應(yīng)力達(dá)到緊固。在使用過程中螺栓的彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄?/p>

33、變形，因而應(yīng)力下降，這時螺栓的總變形并未改變，從而產(chǎn)生應(yīng)力松馳現(xiàn)象。 低，導(dǎo)致法蘭接合面漏汽，因此要采取一定措施 高初緊力等）來保證法蘭接合面的嚴(yán)密。二、鋼在高溫下組織的變化鋼在常溫時組織和性能一般是相當(dāng)穩(wěn)定的，螺栓的這種應(yīng)力松馳現(xiàn)象， 使螺栓的緊力降（選擇抗松馳性能好的材料來制作螺栓、提但是在高溫和應(yīng)力的長期作用下，組織將逐漸發(fā)生變化。這種組織的不穩(wěn)定，最終將導(dǎo)致鋼性能的劣化，影響它們的安全運(yùn)行。1.珠光體的球化和碳化物的聚集3圖17-13 珠光體球化過程示意圖（a）原始組織；（b）珠光體分散；（c）成球；（d）球化組織 1鐵素體；2一片狀珠光體；3一球化碳化物鋼中珠光體球化和碳化物的聚集，

34、是電廠鍋爐用鋼（如20號鋼、16M。15CrMo12Cr1MoV等）在使用過程中常出現(xiàn)的一種組織變化形式。珠光體球化是指珠光體中的碳化物由片狀滲碳體逐漸轉(zhuǎn)變成球狀滲碳體的現(xiàn)象。球化后的碳化物繼續(xù)增大自己的尺寸，使小直徑的球變成大直徑的球，這就是碳化物的聚集。球光體球化過程如示意圖17-13所示，圖中（a）是鋼的原始組織，由鐵素體和珠光體組成。經(jīng)過珠光體的碳化物分散、成球、最后便成為圖中（d）所示的球狀組織。圖17-14是高溫過熱器管（12ChMoV）珠光體球化的顯微組織。圖中（a）所示為540c下運(yùn)行18285小時后，組織為鐵素體加珠光體，強(qiáng)度（bb）為53.956.3公斤/2毫米，810=2

35、022%圖（b）為540c下運(yùn)行27777小時后，組織為鐵素體加珠光體，珠光體開始球化。強(qiáng)度（bb）僅46.8公斤/毫米2。（a）（b）圖17-14高溫過熱器珠光體球化珠光體的球化和碳化物的聚集使鋼常溫下的強(qiáng)度（bb）和硬度降低，球化還會加速鋼材的蠕變過程，試驗(yàn)指出12ChMoV完全球化后，持久強(qiáng)度將降低1/3?；鹆Πl(fā)電廠的爆管事故有不少是由于球化而引起的。1V圖17-15過熱器（20號鋼）管石墨化顯微組織500X圖12-1625Cr2Mo1V螺栓原材料心部開裂影響鋼材球化的因素很多，最主要是：1） 溫度與時間的影響溫度對球化起著極重要的作用，到達(dá)同一級球化程度時，溫度愈高，所需球化的時間愈短

36、?；鹆Πl(fā)電廠中，鍋爐、汽輪機(jī)等熱力設(shè)備對超溫運(yùn)行有嚴(yán)格的規(guī)定，因?yàn)槌瑴剡\(yùn)行會加速鋼的球化過程，從而縮短設(shè)備的使用壽命。2） 應(yīng)力的影響運(yùn)行時材料所受應(yīng)力愈大，球化過程愈快。3） 化學(xué)成分的影響材料的化學(xué)成分對碳化物球化影響較大，因?yàn)榛瘜W(xué)成分決定了組織結(jié)構(gòu)。碳鋼的組織穩(wěn)定性較差，所以容易產(chǎn)生球化現(xiàn)象，同樣條件下鉬鋼球化速度就比碳鋼小。鋼中加入Cr、M。WV、Nb等合金元素，可以提高組織穩(wěn)定性，阻止球化過程。2石墨化在高溫應(yīng)力長期作用下，鋼中珠光體內(nèi)滲碳體分解為游離石墨的現(xiàn)象稱為石墨化。鋼在石墨化要在長期運(yùn)行（一般幾萬小時以上）和高溫（一般碳鋼要大于450，鉬鋼要大于485）的條件下才能發(fā)生。圖1

37、7-15是某電廠的過熱器管（20號鋼）在450運(yùn)行十萬小時后出現(xiàn)石墨化現(xiàn)象后鋼的顯微組織。石墨化是碳鋼和鉬鋼組織不穩(wěn)定的一種最危險的形式。低碳鋼和0.5%鉬鋼常用在低、中壓鍋爐的高溫段和高壓鍋爐中的低溫段，長期運(yùn)行后容易發(fā)生鋼的石墨化現(xiàn)象，使管子鋼材變脆，強(qiáng)度和塑性顯著下降，嚴(yán)重時造成管子爆破。如某電廠一臺高溫高壓鍋爐，低溫段過熱器管用20號碳鋼，由于實(shí)際工作溫度長期處于475，短期超溫竟達(dá)505，累計運(yùn)行75894小時后發(fā)生爆管事故。經(jīng)分析，是鋼已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重石墨化和完全球化所致。石墨化過程與溫度、時間、應(yīng)力、化學(xué)成分以及焊接等因素有關(guān)。鋼經(jīng)退火、正火、或焊接之后回火等熱處理，都能推遲墨化出現(xiàn)

38、的時間，但如果熱處理時冷卻不均勻則會加速石墨化的過程。高壓蒸汽管道的焊縫熱影響區(qū)（焊接時受熱的材料區(qū)域稱為焊縫熱影響區(qū)）易出現(xiàn)石墨化現(xiàn)象。鋼中加入Cr、Ti、NhV等合金元素可以有效地阻止多的石墨化傾向。所以火力發(fā)電廠常用Cr-Mo鋼和Cr-Mo-V鋼。產(chǎn)生輕度石墨化的管子可以用熱處理的方法使組織得以恢復(fù)。第三節(jié)鋼的缺陷和事故一、鋼的缺陷、焊縫缺陷和焊縫組織對運(yùn)行的影響火力發(fā)電廠熱力設(shè)備用鋼多數(shù)是在高溫高壓和腐蝕介質(zhì)作用下長期運(yùn)行的，因而對鋼的質(zhì)量與焊接質(zhì)量要求很高。在運(yùn)行中的鋼的質(zhì)量、焊縫質(zhì)量和焊縫組織不合要求常常是發(fā)生事故的根源。1鋼的缺陷對運(yùn)行的影響鋼的缺陷有宏觀缺陷和微觀缺陷兩類。宏觀

39、缺陷有裂紋、氣孔、砂眼和夾砂等，其中影響較大的是裂紋。圖12-16所示為25Cr2MolV螺栓材質(zhì)不良，存在心部裂紋的組織形貌。鋼中的裂紋會造成應(yīng)力集中，在高溫運(yùn)行中這種缺陷極易擴(kuò)展而導(dǎo)致鋼的破壞，因此在高溫下運(yùn)行的鋼管要特別注意其表面質(zhì)量，因?yàn)楸砻娴牧鸭y等缺陷，在溫度波動影響下會很快擴(kuò)展，有時表面微小的劃痕也會導(dǎo)致爆破。微觀缺陷如金屬夾雜物（包括硫化物、氧化物、氮化物和硅酸鹽）等，可看作為金屬內(nèi)部的銳角，使金屬內(nèi)部應(yīng)力集中，過早導(dǎo)致疲勞損壞。一般夾雜物的熔點(diǎn)比母材低，從而造成金屬的熱脆性。2 .焊縫缺陷對運(yùn)行的影響火力發(fā)電廠熱力設(shè)備中，需要焊接的部位是很多的。焊縫同母材一樣是在高溫高壓條件下

40、工作的，因而對焊接質(zhì)量要求很高。但是由于材質(zhì)、結(jié)構(gòu)和工藝等原因，在焊接中會產(chǎn)生各種缺陷，如裂紋、氣孔、夾渣、根部未焊透等，這些缺陷在運(yùn)行中變化和發(fā)展，給運(yùn)行帶來不利影響。圖17-17為12CrMo鋼大口徑管電焊接頭，由于根部嚴(yán)重未焊透造成裂縫和夾使焊縫有效截面削弱、強(qiáng)度減弱，造成了曷花工鋼工僻火）15 hi 1 1圖17-17焊縫根部未焊透而發(fā)展的裂紋區(qū);1渣，其裂紋在運(yùn)行中由根部未焊透層向焊縫發(fā)展,應(yīng)力集中，給運(yùn)行帶來不利影響。圖17-18焊接熱影響區(qū)各部分組織過熱區(qū)；2正火區(qū)；3一不完全重結(jié)晶區(qū)4一未發(fā)生組織變化區(qū)；5淬火；6一不完全淬火區(qū)；7一回火區(qū)；3 .焊縫組織對運(yùn)行的影響焊接過程中

41、，焊縫金屬被加熱熔化，冷卻時又經(jīng)凝固結(jié)晶和固態(tài)相變的過程，焊接接頭各部位受到不同的熱循環(huán)，造成焊接接頭各處組織的差異及不均勻性。焊接時受熱的這部分原材料稱為熱影響區(qū)。熱影響區(qū)組織如圖17-18所示。由圖可知，熱影響區(qū)域溫度從4到熔化連續(xù)變化，焊后空冷，使該區(qū)域的組織很復(fù)雜，而且焊后熱處理又難以使熱影響區(qū)的組織性能均勻化，使熱影響區(qū)的組織和性能不同于母材。合金元素含量較少的低合金鋼，因淬硬傾向小，其焊縫組織分布與低碳鋼相似；但合金元素含量較多的合金鋼，淬硬傾向大，即使空冷也會出現(xiàn)馬氏體組織，焊縫組織顯然與碳鋼和低合金鋼不同。對焊接進(jìn)行運(yùn)行溫度下的持久強(qiáng)度試驗(yàn)證明：斷裂一般總是發(fā)生在焊縫的熱影響區(qū)

42、，說明焊縫熱影響區(qū)是一個薄弱地區(qū)。因此，合金鋼要進(jìn)行焊前預(yù)熱與焊后回火（或焊后緩冷）處理，焊前預(yù)熱可減小焊接過程中的熱應(yīng)力，從而預(yù)防裂紋的產(chǎn)生。焊后回火或緩冷用于改善焊縫組織，消除焊接應(yīng)力（高溫回火可使焊接產(chǎn)生的馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樗魇象w，焊后緩冷是防止產(chǎn)生馬氏體組織）。二、電廠高溫金屬常見事故火力發(fā)電廠熱力設(shè)備高溫部件在運(yùn)行中會發(fā)生管子的爆破，螺栓的斷裂以及其它損壞事故，影響機(jī)組的安全運(yùn)行，因此對金屬事故的分析和預(yù)防是非常重要的。熱力設(shè)備零部件的損壞與結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料質(zhì)量、加工、裝配及運(yùn)行工況等五個方面緊密相關(guān)。對零部件損壞原因的分析，目的在于找出損壞的主要原因，進(jìn)而采取相應(yīng)的措施，防止類似事故的發(fā)生

43、。常見零部件的損壞事故有：1 .過熱器管的長時過熱爆破如圖17-19所示為某鍋爐過熱器管(15CrMo)因長時超溫運(yùn)行而爆破的破口形貌。過熱器管長時過熱爆破的破口形貌圖 17-19 15CrMo2.水冷壁管的短時過熱爆破如圖12-20所示為某鍋爐水冷壁管(20號鋼)因短時壁溫超過 A3而爆破的破口形貌。圖17-20 20號鋼水冷壁管短時過熱爆破的破口形貌3 .減溫器因錯用鋼材而發(fā)生蠕變爆破圖17-21是某高壓鍋爐n級減溫器，因錯用20號碳鋼，運(yùn)行6174小時后由于長時過熱而發(fā)生蠕變損壞的破口形貌。經(jīng)金相分析證明，珠光體完全球化，晶界有蠕變裂紋，其破口邊緣組織如圖17-22所示。4 .螺栓脆斷圖

44、17-23是一臺2.5萬千瓦機(jī)組汽缸大螺栓運(yùn)行七年后，因材質(zhì)脆化而斷裂的斷口形貌。經(jīng)分析證明，脆化后的材料強(qiáng)度增加，而沖擊韌性下降。圖17-21 20號鋼減溫器長時過熱爆破的破口形貌J*圖17-22 爆破口邊緣組織300 X圖17-23 螺栓脆斷的斷口形貌第四節(jié)鋼的質(zhì)量鑒別與監(jiān)督一、鋼的質(zhì)量鑒別鋼的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和缺陷，都可以通過一定的方法進(jìn)行鑒別。電廠常用的鑒別方法有化學(xué)成分鑒別法、金相分析法和無損探傷等。1 .化學(xué)成分鑒別法1）化學(xué)分析法化學(xué)分析法可發(fā)為定性分析和定量分析兩種。定性分析法只能測定鋼材中含有哪些元定量分析法不僅測定鋼材中素，大致確定鋼號，而這些元素的含量不作為分析的主要要

45、求:所含的各種元素，而且還測定鋼材中各種元素和雜質(zhì)的質(zhì)量。在選取鋼材化學(xué)分析試樣時，必須注意取樣部位的代表性。取樣前應(yīng)先將被加工試樣表面的氧化物或脫碳層除掉。取樣時切削速度不宜過快，以防試樣表面氧化；進(jìn)刀量也不宜過大，以免金屬屑過厚，給以后的化學(xué)分析工作帶來困難；還要求金屬屑無油、無銹、不得混入其它雜質(zhì)，以保證化學(xué)分析的正確性。應(yīng)用化學(xué)分析法測定鋼材中各種元素的方法很多，主要有重量法，比色法，容量法等數(shù)種，本書不再細(xì)述?；瘜W(xué)分析法不僅能對鋼鐵進(jìn)行化學(xué)成分分析, 承合金以及珠光體耐熱鋼中的碳化物進(jìn)行分析。 泛。2）光譜分析法光譜分析法主要用來鑒定鋼材的化學(xué)成分，而且還能對銅與銅合金、鋁與鋁合金、

46、軸 因此，化學(xué)分析法在電力部門中的應(yīng)用較廣對鋼材進(jìn)行定性或半定量分析。由于光譜分析法具有操作簡便、分析速度快等優(yōu)點(diǎn)，所以在電廠中得到了廣泛的應(yīng)用。光譜分析法的基本原理是：在電火花或電弧的激發(fā)下，鋼材中的各種元素都能發(fā)射出自己特有的光譜，光譜通過看譜鏡便能清晰地看到。因此，根據(jù)譜線的條紋、位置和波長，即可確定鋼材中的各種元素；并且根據(jù)譜線的強(qiáng)度、位置，可以確定各種元素的含量。進(jìn)行光譜分析時，首先必須正確地識別譜線。在觀察時應(yīng)耐心細(xì)致，以免造成識別和判斷上的錯誤。應(yīng)用看譜鏡對鋼材進(jìn)行分析時速度較快，通常分析一種多材中的56個元素只需要23分鐘。但是，光譜分析的精確度不高，分析誤差達(dá)20%£

47、;右。然而，在熟練工作人員的操作下，精確度可大大提高，特別是當(dāng)某些元素的含量較低時，其分析誤差可降到10蛆下。2 .金相分析法金相分析法是一種用來分析金屬材料內(nèi)部組織、形態(tài)及外部缺陷的一種直觀分析法。它分為宏觀和微觀兩種分析方法。1）宏觀分析法又稱為低倍分析法：它是用肉眼或低倍放大鏡來觀察鋼的宏觀組織和缺陷的一種分析方法。鋼的宏觀分析方法主要有斷口分析法和酸蝕分析法等不同方法。斷口分析法：斷口分析就是通過觀察斷口的形狀來了解鋼材內(nèi)部的組織、判斷鋼材質(zhì)量、發(fā)現(xiàn)鋼材本身的缺陷以及生產(chǎn)過程中所存在的一些問題（如氣孔、砂眼、裂紋等）。斷口分析還可以對某些零部件的損壞進(jìn)行原因分析。常見的斷口有以下三種。

48、a.纖維狀斷口：斷口呈暗灰色，這是鋼材韌性破斷后斷口的特征。b.晶粒狀斷口：斷口呈白亮色，并具有金屬光澤，這是鋼材脆性破斷后斷口的特征。c.陶瓷狀斷口：斷口呈灰白色，無金屬光澤，形似細(xì)瓷碎片，在正常溫度下淬火的鋼材斷裂時具有這種斷口。酸蝕分析法：酸蝕分析法就是將鋼置于某種腐蝕介質(zhì)進(jìn)行腐蝕，而使鋼中所存在的缺陷得以顯現(xiàn)的一種試驗(yàn)方法。對于鋼材，一般在1:1的鹽酸水溶液中于6580c的溫度下，恒溫浸蝕1545分鐘，然后取出試樣用7080c的熱水沖洗干凈，再用熱風(fēng)吹干，使用低于20倍的放大鏡即可觀察鋼的低倍組織和缺陷。2）顯微分析法：是利用金相顯微鏡，在1002000倍的放大倍率下（近年來已有更高放

49、大倍數(shù)電子顯微鏡），來研究金屬的微觀組織和缺陷的一種方法。進(jìn)行顯微分析法時，其試樣需經(jīng)過特殊的制備，使被分析的表面光亮如鏡。并根據(jù)不同的金屬材料和需要來選擇相應(yīng)的浸蝕劑，對試樣表面進(jìn)行腐蝕，然后便可在金相顯微鏡下觀察，也可攝成相進(jìn)行分析。顯微分析法可以顯示金屬材料的組織特征，測定晶粒的大小，鑒定各種夾雜物和缺陷（如微小裂紋、組織不勻等）以及分析零件報廢的原因等。3 .無損探傷無損探傷是在不損壞工件（或金屬原材料）的前提下測定材質(zhì)內(nèi)部有無缺陷的一種檢驗(yàn)方法，簡稱探傷。無損探傷方法在工業(yè)生產(chǎn)各個部門中已獲得廣泛的應(yīng)用。如射線探傷法，超聲波探傷法，磁粉探傷法、著色探傷法等。電廠常用射線探傷和超聲波探傷。4 ）X射線與.射線探傷法X射線與啕寸線均為不可見光，是一種具有較短波長的電磁波，它們具有穿透金屬材料的能力。當(dāng)射線照射在金屬零件上時，只要金屬零件內(nèi)部有缺陷，射線就會發(fā)生不