_鍋爐金屬材料課件

1、 鍋爐金屬材料第一節(jié) 鍋爐受壓元件用金屬材料鍋爐的受壓元件都是在承壓狀態(tài)下工作的，有些還要同時承受高溫或腐蝕的作用，因而工作條件十分惡劣。若鍋爐在使用過程中發(fā)生破壞性事故，則將造成嚴重后果。 一、鋼材的分類： 按化學成分分類按品質(zhì)分類按冶煉方法分類按金相組織分類按用途分類低碳鋼：鍋爐受壓元件用得最多的鋼材，如20g、20、15均為低碳鋼。中低壓鍋爐的受壓元件，除個別元件（如過熱器出口集箱）外，幾乎均用低碳鋼。（可滿足鍋爐元件的要求，有好的塑韌性，同時又有較好的可焊性，價格低廉）高碳鋼：鍋爐上不用高碳鋼，這種鋼主要用于制造刀具、量具。按硫、磷含量：普通碳鋼 優(yōu)質(zhì)碳鋼（一定的力學性能和化學成分，好

2、的塑韌性）鍋爐受壓元件須用優(yōu)質(zhì)碳素鋼制造。在中、低壓鍋爐的制造中，廣泛采用優(yōu)質(zhì)低碳鋼和低合金鋼，這兩種鋼具有一定的強度和良好的冷加工、焊接等工藝性能。1、碳素鋼碳素鋼是以鐵為基體，含碳量低于2.11%的鐵碳合金。鋼材中的含碳量越高，其強度越高，但塑性和韌性降低較多，不能滿足鍋爐承壓的要求。因此制造鍋爐受壓元件的鋼材，其含碳量需在規(guī)定的范圍內(nèi)。鋼材中含有過量的硫時：400高溫下工作或熱加工過程中易發(fā)生脆化（熱脆性）；鋼材中含有過量的磷時：較低溫度下工作或冷加工過程中易發(fā)生脆化（冷脆性）。 優(yōu)質(zhì)碳素鋼的表示方法：兩位數(shù)字（鋼中平均含碳量的萬分之幾）。如20, 20g(平均含碳量為0.20%的優(yōu)質(zhì)碳

3、素鋼（鍋爐專用鋼）2、合金鋼合金鋼是為了獲得鋼材的必要性能而在冶煉過程中加入一種或多種合金元素的鋼材。低合金鋼：鍋爐制造中越來越多選用低合金鋼取代優(yōu)質(zhì)碳素鋼， 減少金屬耗量。高合金鋼：在鍋爐機組中，只有與高溫火焰直接接觸的吹灰器、固定件等才采用耐熱的高合金鋼制造。合金鋼的表示方法：數(shù)字（鋼中平均含碳量的萬分之幾）+合金元素（用化學符號表示）+數(shù)字（數(shù)字前所含合金元素的平均百分數(shù)，含量小于等于1.5%可不標）。如：16Mng表示鋼中平均含碳量為0.16%、平均含錳量為1%的鍋爐用普通低錳合金鋼。二、對鍋爐鋼材的要求1、 規(guī)定的強度（1）短期強度特性 應力小于屈服點，鋼材僅產(chǎn)生彈性變形；達到屈服點

4、還產(chǎn)生塑性變形。只要應力不變，變形值也不變，這種現(xiàn)象稱短期強度特性 。指標：常溫及工作下的屈服點、抗拉強度（2） 長期強度特性表示長期強度特性采用以下兩個指標 ：1）蠕變強度：在某一較高溫度下，在規(guī)定的工作時間內(nèi)，引起允許的總?cè)渥冏冃蔚膽ΨQ為蠕變強度。2）持久強度：在某一較高溫度下，在規(guī)定的工作期限內(nèi)，引起蠕變破壞時的應力稱為持久強度。區(qū)別：前者是引起變形的因素，而后者是引起破壞的因素。 在高溫條件下，不但要考慮鋼材的短期強度特性，還要考慮鋼材的長期強度特性 。2、規(guī)定的塑性和韌性（1）鋼材的塑性 制造鍋爐受壓元件的鋼材應具有變形而不破壞的特性，即鋼材的塑性要比較好。（2）規(guī)定的韌性反映鋼材

5、發(fā)生脆性破壞的指標。用 表示試樣缺口底部單位橫截面積上的應變時效沖擊吸收功，單位為J/CM2。 鍋爐用鋼材，不但要求保證常溫沖擊韌性，還要保證一定的時效沖擊韌性。3、良好的可焊性鋼材的可焊性是表示在焊接過程中及焊接后發(fā)生裂紋的傾向性。它與鋼材的化學成分、力學性能有關(guān)，也與焊接材料及工藝方法有關(guān)，評定鋼材可焊性一般包含兩個方面：（1）工藝可焊性?？沽研裕?）使用可焊性。（焊接接頭在使用中的可靠性，也包括接頭的力學性能及其他特殊性能。第二節(jié) 鍋爐主要設備用鋼一、鍋爐管道用鋼及事故分析（一） 對鍋爐管道用鋼的要求鍋爐管道包括受熱面管子（過熱器、水冷壁（蒸發(fā)器）管、省煤器等管子）和蒸汽管道（主蒸汽管道

6、、蒸汽導管、聯(lián)箱、連接管等）管道。電廠對管路管道用鋼有下列要求：（1）足夠高的蠕變強度、持久強度和良好的持久塑性。（2）高的抗氧化性能和耐腐蝕性。（3）足夠的組織穩(wěn)定性。（4）良好的工藝性能，特別是焊接性能要好。以上三式中：鋼在T溫度下的屈服強度；鋼在T溫度下的抗拉強度；鋼在T溫度下斷裂時間為105h的持久強度；n安全系數(shù)選擇鍋爐管道用鋼，其主要依據(jù)是其工作溫度。進行強度計算時，必須確定在工作溫度下的許用應力。根據(jù)JB2194-77的規(guī)定，對鍋爐所用的低碳鋼、低錳碳鋼及低碳錳釩鋼在380以下，其他低合金耐熱鋼在420以下，許用應力按下式計算：在380或420 以上除按上式計算外，還需按持久強度

7、計算許用應力：= 或 =（二）鍋爐管道用鋼介紹蒸汽溫度在450以下的低壓鍋爐管道主要使用10號、20號優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。中、高壓機組除水冷壁（蒸發(fā)器）和省煤器管用20A碳鋼外，其它受熱面管子和蒸汽管道均采用合金鋼管。常用的鍋爐管道用鋼其化學成分和應用范圍列于表7l中.常用的鍋爐管道用鋼其熱處理和機械性能列于表72中。下面按鍋爐管道的壁溫(工作溫度)介紹一些用鋼情況：1壁溫500的過熱器管子及壁溫450的蒸汽管道一般采用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，其含碳量在0.10.2之間，組織為鐵素體和珠光體。常用的是20號鋼，該鋼在450以下具有足夠的強度，530以下具有抗氧化性能，而且工藝性能良好，價格低廉。碳鋼鋼管在

8、高溫長期運行過程中，會出現(xiàn)滲碳體球化和石墨化現(xiàn)象，出現(xiàn)了組織的異常情況后，鋼的蠕變極限和持久強度會降低。2壁溫550的過熱器管子及壁溫510的蒸汽管道15CrMo鋼是在這個溫度范圍內(nèi)應用很廣泛的鋼種。15CrMo鋼的化學成分及熱處理工藝在表7l及表72中均已分別作了介紹。經(jīng)熱處理后的組織一般是鐵素體和珠光體，有些是貝氏體。15CrMo鋼在500550溫度范圍內(nèi)有較高的熱強性和抗氧化性能，其工藝性能也很好。15CrMo鋼雖無石墨化傾向，但在高溫下長期運行過程中會發(fā)生滲碳體的球化及固镕體中合金元素貧化的組織變化，從而使熱強性降低。當溫度超過550時，持久強度顯著下降。我國在發(fā)展普通低合金鋼時，結(jié)合

9、我目的資源情況，提出以12MnMoV鋼替代15CrMo鋼。3.壁溫580的過熱器管子及壁溫540的蒸汽管道在這個溫度范圍內(nèi)應用最廣泛的鍋爐管道鋼是12Cr1MoV鋼及 型的耐熱鋼.(1)12CrlMoV鋼 12CrlMoV鋼是在CrMo鋼的基礎(chǔ)上，加入02釩的低合寶耐熱鋼。釩是強碳化物元素，VC細碎而穩(wěn)定，對鋼的彌散硬化效果好。因而，12Cr1MoV鋼的耐熱性能比鉻鉬鋼高，工藝性能也很好，在國內(nèi)外均得到廣泛應用。12Cr1MoV鋼在高溫下長期運行過程中，也會發(fā)生滲碳體球化及固镕體中合金元素貧化的現(xiàn)象，而使熱強性降低。若因溫工作，這種現(xiàn)象更為嚴重。我國曾研制了12MoVwWBSiRe（無鉻8號）

10、鋼，代替12Cr1Mov鋼用于制造鍋爐管道，但是該鋼種的生產(chǎn)工藝尚不夠成熟，質(zhì)量也還不穩(wěn)定。（2） 鋼提高鉻鉬鋼中合金元素的含量，當Cr2.25、Mo1時具有最佳的熱強性。 鋼是比較成熟的鋼種，在美英聯(lián)邦德國日本等工業(yè)發(fā)達的國家中應用于鍋爐管道已有相當長的歷史，例如美國的P22，瑞典的HT8、日本的STBA24，聯(lián)邦德國的10CrMo910鋼。其蠕變極限和持久強度比12Cr1MoV鋼低，最常用的溫度是540550。10CrMo910鋼用于低中壓鍋爐（工作壓力一般不大于5.88Mpa，工作溫度在450以下）的受熱面管子；用于高壓鍋爐（工作壓力一般在9.8Mpa以上，工作溫度在450650之間）的

11、受熱面管子、省煤器、過熱器、石化工業(yè)用管等。 4 壁溫600620的過熱器管子及壁溫550570的蒸汽管道多年來國內(nèi)外均致力于研究進一步提高合金耐熱鋼的使用溫度，使之超過600，甚至達到620，我國研制成功的有12Cr2MoWVB(鋼102)和12Cr3MoVSiTiB鋼（II11）鋼；俄羅斯有12X2MCP、12X2B鋼；聯(lián)邦德國有10CrSiMoV鋼等。這些鋼種目前多用于壁溫600620的過熱器和再熱器管子，很少用于蒸汽管子。微量多元合金化是這類鋼種的共同特點，鉻含量在2左右，其他的元素含量更少 由于多種元素的相互作用，使鋼具有更高的化學穩(wěn)定性和組織穩(wěn)定性，因而耐熱性能更好。例如12Cr3

12、MoVSiTiB鋼在600620時持久強度94100Mpa；620時抗氧化速度僅為0.00873mm/a。 5 壁溫600650的過熱器管子及壁溫550560的蒸汽管道當鍋爐氣溫達到570時，高溫段過熱器管子的壁溫可達到620以上。這時，珠光體型的低合金耐熱鋼已不能滿足要求，需要采用高合金耐熱鋼。有些還采用奧氏體型耐熱鋼來制造。最新進展這幾年我國火電廠已向大型機組方向發(fā)展，新建或改進的火電廠，均是30萬、60萬，甚至已引進了90萬的大機組。這些機組均是亞臨界、超臨界的參數(shù)，對鍋爐受熱面管道用的材料性能要求更高。目前這些高參數(shù)大機組鍋爐受熱面管道均采用含鉻量較高的耐熱鋼來制造，最常用的9Cr1M

13、o型馬氏體型耐熱鋼。屬于這一類型的在我國30萬以上大機組上應用的鋼種有美國的T9和P9鋼，日本的STBA26和STPA26鋼，德國的X12CrMo91鋼以及瑞典的H17鋼等。為了進一步提高鋼的熱強性，又添加了2Mo的9Cr2Mo鋼，即日本的HCM9M鋼。加入了合金元素V和Nb，控制微量加入的Al和N的含量，使鋼具有了更高的熱強性和抗高溫氧化性能，還具有良好的沖擊韌性和穩(wěn)定的持久塑性。這類鋼目前主要用于制造亞臨界、超臨界鍋爐壁溫625的高溫過熱器、壁溫650的高溫再熱器管道以及壁溫600的高溫集箱和蒸汽管道，也可用于核電設備的熱交換器。這類馬氏體型的耐熱鋼，我國也已研制成功，牌號為10Cr9Mo

14、1VNb鋼；引進的材料有：美國的T91和P91，日本的火STBA28、火STPA28，俄羅斯的10X9M-III鋼，法國的TUZ10CDVnbO9.01鋼等。Cr12馬氏體型耐熱型鋼主要是依靠鉻，鉬，鎢等元素在鋼中起固溶強化的作用來提高熱強性；有些加入釩鈮等元素來起彌散硬化，加入硼，稀土等元素來加強晶界，從而進一步提高蠕變極限和持久強度，在高溫下持久運行過程中此類鋼不會斷析出Fe3Mo、Fe2W等金屬化合物，可以抵消因固溶體中合金元素貧化（貧鉬或鎢）而削弱固容強化的現(xiàn)象；同時有由于固容體中保持高濃度的鉻，使其具有高的抗腐蝕能力和抗氧化性。我國在300機組中采用F11或F12鋼做再熱器管子及出口

15、聯(lián)箱。Cr12鋼含鉻量高，高溫加熱后在空氣中冷卻即可獲得馬氏體組織，所以焊接性能較差。過熱器管子壁溫超過650，蒸汽管道壁溫超過600后需要使用奧氏體耐熱鋼，奧氏體耐熱鋼具有較高的高溫強度和耐腐蝕性能，最高使用溫度可達到700左右。目前應用的有0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、1Cr19Ni9、0Cr18Ni9Ti和1Cr18Ni9Ti等鋼種。（三）鍋爐受熱面管子常見受熱面事故的分析鍋爐受熱面管子常見事故主要有長時超溫爆管，短時超溫爆管，材質(zhì)不良爆管及腐蝕性熱疲勞裂紋損壞等。1.長時超溫爆管如果鍋爐受熱面管子在運行過程中，因某些原因使管壁溫度超過設計溫度，在高溫長時間作用下，導致鋼材組織結(jié)構(gòu)

16、的變化，蠕動速度加快，持久強度下降，使用壽命達不到設計要求而提早爆破損壞，稱為長時超溫爆管，也有叫做長期過熱爆管或一段性過熱損壞，長時超溫爆管由于管壁溫度還沒達到臨界點溫度，爆管時雖然有介質(zhì)的激冷作用，還不會發(fā)生相變。長時超溫爆管一般發(fā)生在高溫過熱器出口段的外圈向火側(cè)據(jù)近幾年來對過熱器管子爆破事故的分析70是由于長時超溫而引起的。長時超溫爆管的破口呈粗糙脆性斷口，管壁減薄不多，管子脹粗也不很顯著，爆破口附近往往有較厚的氧化鐵層，如圖71所示。長時超溫爆管的顯微組織雖無相變但卻有炭化物析出并聚集長大甚至有些還會出現(xiàn)石墨化等組織變化，如圖72所示。 圖7-1 20鋼過熱器管長時超溫爆管的宏觀形貌

17、72 20鋼過熱器管長時超溫爆管的微觀組織 1. 短時超溫爆管鍋爐受熱面管子在運行過程中，由于冷卻條件的惡化，使管壁溫度在短時間內(nèi)突然上升，達到臨界點以上溫度。在這樣高的溫度下鋼的抗拉強度急劇下降，在介質(zhì)壓力作用下溫度最高的向火側(cè)首先發(fā)生塑性形變，管徑張粗，管壁減薄，隨后發(fā)生剪切斷裂而爆破。爆破時，由于介質(zhì)對熾熱的管壁產(chǎn)生激冷作用，在爆破口往往有相變的組織結(jié)構(gòu)，這種爆管就成為短時超溫爆管，也有叫做短時過熱爆管或加速蠕變爆管。短時超溫爆管大多數(shù)發(fā)生在水冷壁管、凝渣管上，特別是水冷壁管熱負荷最高的地方，如燃燒帶附近及明噴燃器附近的向火側(cè)。短時超溫爆破口一般脹粗較為明顯，管壁減薄很多，爆破口呈尖銳的

18、喇叭形，其邊緣很鋒利，具有韌性斷裂的特征。爆破口附近有時有氧化鐵層，有時沒有。爆破口的這些特征是與超溫爆管時產(chǎn)生了較大的塑性變形，使管縫減薄，因而承受不了介質(zhì)的壓力而引起剪切斷裂有密切關(guān)系。短時超溫爆管的過程類似作高溫短時拉伸試驗，在應力的作用下，先引起塑性變形，后在局部地區(qū)出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，最后形成剪切裂紋而產(chǎn)生韌性斷裂。爆破口附近的氧化鐵層厚度，可從運行情況來分析。如果管子一直是在設計濕度下運行的至化鐵層就范，甚至沒有；如果曾經(jīng)在超溫情況下運行過一段時間后再發(fā)生短時超溫爆管則氧化鐵層就較厚，而且爆破口的背部(即背火側(cè))還會出現(xiàn)碳化物球化等組織變化。組織變化后，機械性能也會發(fā)生改變。如對爆破口斷

19、面進行硬度測定，可發(fā)現(xiàn)爆破口周向斷面上各點的硬度差異很大，爆破口的硬度明顯增高。 圖5-5 20鋼水冷壁管短時超溫爆管的宏觀及微觀組織 3材質(zhì)不良引起的爆管材質(zhì)不良爆管是指錯用鋼材或使用有缺陷的鋼材造成鍋爐管道提早損壞。錯用鋼材往往是指把性能比較低的鋼材用到高參數(shù)的工況下，實際上是一種超溫運行。一旦發(fā)生爆管事故，是屬于長時超溫爆管，其爆破口的宏觀特征和微觀組織的變化基本上與長時超溫爆管相同。在制造、安裝和檢修時，未經(jīng)計算就選用了低一級的鋼管，即認為是錯用鋼材。例如蒸汽參數(shù)為535、l0MPa的主蒸汽管道，正常使用的鋼材應為22Cr1MoV鋼，若誤用了20鋼，由于該鋼用于主蒸汽管道的允許溫度是4

20、50，因此只要運行幾干小時就會發(fā)生爆破。使用了大于壁厚負偏差的拆疊、結(jié)疤、離層、發(fā)紋和大于壁厚5的橫向發(fā)裂以及嚴重夾雜、脫碳的管子稱為使用有缺陷的鋼材。這些缺陷的存在嚴重地削弱了管壁強度，在高溫和應力的長時間作用下，缺陷部位容易形成應力集中現(xiàn)象，產(chǎn)生裂紋使缺陷加深，腐蝕介質(zhì)也可能侵入缺陷區(qū)域使腐蝕速度加快，使受熱面管子承受不了介質(zhì)的壓力而爆破。有缺陷管子爆破時，爆破口往往是沿缺陷豁開，裂紋較直。爆破口邊緣一般有兩部分，有缺陷的部分邊緣粗糙呈脆性斷面；沒有缺陷的部分則呈韌性斷面。二、鍋爐汽包及其它部件用鋼(一)鍋爐汽包的工作條件及對材料的要求鍋爐汽包鋼材處于中溫(350以下)高壓狀態(tài)下工作，它除

21、承受較高的內(nèi)壓以外，還會受到?jīng)_擊、疲勞載荷及水和蒸汽介質(zhì)的腐蝕作用。對鍋爐汽包提出的要求：(1)較高的強度，包括常溫和中溫強度。在設計時，屈服極限和抗拉強度都作為鋼材許用應力的計算依據(jù)。 (2)良好的塑性、韌性和冷彎性能。(3)較低的缺口敏感性。在制造鍋爐時，要在鍋爐鋼板上開孔和焊接管子接頭，往會造成應力集中，因此要求鋼材有較低的缺口敏感性。(4)要求分層、非金屬夾雜物、氣孔、疏松等缺陷盡可能少。不 允許有白點及裂紋。(5)如果工作溫度超過400，則必須有更高的耐熱性能。(6)良好的焊接性能等加工工藝性能。(二)汽包用鋼介紹 常用的鍋爐汽包用鋼的化學成分、強度級別及應用范圍見表73所示。過去生

22、產(chǎn)的中、低壓鍋爐汽包均用20g或228鋼板來制造。由于大量地發(fā)展了低合金高強度鋼，現(xiàn)在已逐步地采用12Mng、16Mng、l5Mnv8等普通低合金鋼板，這些鋼板的綜合機械性能均比碳鋼高，可以減輕鍋爐汽包的重量，節(jié)省大量鋼材。16Mng鋼是結(jié)合我國資源生產(chǎn)的屈服極限為350MPa級的普通低合金鋼，是我國應用得最早、最廣泛的普通低合金鋼種之一。推薦應用的范圍為40450，采用16Mng鋼代替20鋼后，鋼材可節(jié)省2030。16Mng鋼具有良好的綜合機械性能、焊接性能以及低溫沖擊韌性；但是缺口敏感性比碳鋼大。15MnVg鋼強度比16Mng鋼高，也具有良好的綜合機械性能及焊接性能。用于制造中、高壓鍋爐汽

23、包。15MnVg鋼板也有較大的缺口敏感性，板材中硫化物夾雜的存在會增加材料的缺口敏感性。14MnMoVg鋼是屈服極限為500MPa級的普通低合金鋼。鋼中由于加入了05Mo，提高了鋼的屈服強度及中溫機械性能，特別適合生產(chǎn)厚度為60mm以上的厚鋼板，以滿足制造高壓鍋爐汽包的需要。14MnMoVBReg鋼是500MPa級的多元低碳貝氏體鋼，屈服極限比碳鋼高一倍，有良好的綜合機械性能。由于加入了適量的硼、稀土，所以鋼的強度更高了，符合我國資源情況。18MnMoNbg鋼也是500MPa級的低合金鋼，不僅有較高的屈服極限，而且耐熱性能也較高。14CrMn MoVBg鋼的屈服極限很高，s650一700MPa

24、。該鋼又加入強化元素鉻，也是微量多元低合金鋼，不僅強度高，塑性、韌性也較好，焊接性能也好，并且能耐濕度較大地區(qū)的大氣腐蝕。(三)吹灰器工作特點及用鋼工作特點：鍋爐設備中的燃燒室、水冷壁管、過熱器、省煤器、空氣預熱器等部件中均有吹灰裝置，又稱吹灰器，定期吹落敷浮在這些設備上的煙灰渣子。吹灰器工作的時間很短，但是工作溫度卻很高。吹灰管應能保證用到五年以上，噴頭應保證能用到二年左右。所以要用具有高的抗氧化性能和較高的高溫強度的材料來制造。燃燒室的吹灰器，其工作溫度約為9001000，工作35min，又放回到原來的250400的爐墻處。高溫過熱器區(qū)的吹灰器工作溫度約800900；高溫省煤器和高溫空氣預熱器區(qū)的吹灰器工作溫度約500550；低溫省煤器和低溫空氣預熱器區(qū)的吹灰器工作溫度小于450。由于布置在不同部位的吹灰器工作溫度不同，因而所用的材料有奧氏體耐熱鋼、高鉻不銹鋼、低合金耐熱鋼、碳鋼、耐熱鑄鐵等。用鋼：燃燒室、高溫過熱器區(qū)所用的吹灰器材料是：Cr25Ti、1Cr18Ni9Ti、1Cr13等鋼種。Cr25Ti鋼具有很高的抗氧化性能及抗晶間腐蝕的能力，在1000左右耐熱不起皮，但是強度較低，焊接性能也不好，承受的力不能過大。lCr18Ni9Ti鋼及1Cr13鋼則相反，具有較好的熱