第七章 耐熱鋼

第七章耐熱鋼第1頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)鍋爐主要設(shè)備用鋼及事故分析一、鍋爐管道用鋼及事故分析（一）對(duì)鍋爐管道用鋼的要求鍋爐管道包括受熱面管子（過熱器、再熱器、水冷壁管、省煤器等管子）和蒸汽管道（主蒸汽管道、再熱蒸汽管道、蒸汽導(dǎo)管、聯(lián)箱、連接管等）管道。電廠對(duì)管路管道用鋼有下列要求：（1）足夠高的蠕變強(qiáng)度、持久強(qiáng)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。第2頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三以上三式中：——鋼在T溫度下的屈服強(qiáng)度；——鋼在T溫度下的抗拉強(qiáng)度；——鋼在T溫度下斷裂時(shí)間為105h的持久強(qiáng)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(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，必須確定在工作溫度下的許用應(yīng)力[σ]。根據(jù)JB2194-77的規(guī)定，對(duì)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(yīng)力[σ]按下式計(jì)算：在380℃或420℃以上除按上式計(jì)算外，還需按持久強(qiáng)度計(jì)算許用應(yīng)力[σ]：[σ]=[σ]=或[σ]=第3頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三（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(hào)、20號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。中、高壓機(jī)組除水冷壁和省煤器管用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(xué)成分和應(yīng)用范圍列于表7—l中.常用的鍋爐管道用鋼其熱處理和機(jī)械性能列于表7—2中。下面按鍋爐管道的壁溫(工作溫度)介紹一些用鋼情況：第4頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三1．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0.1％～0.2％之間，組織為鐵素體和珠光體。常用的是20號(hào)鋼，該鋼在450℃以下具有足夠的強(qiáng)度，530℃以下具有抗氧化性能，而且工藝性能良好，價(jià)格低廉。碳鋼鋼管在高溫長期運(yùn)行過程中，會(huì)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(qiáng)度會(huì)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(gè)溫度范圍內(nèi)應(yīng)用很廣泛的鋼種。15CrMo鋼的化學(xué)成分及熱處理工藝在表7—l及表7—2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500～550℃溫度范圍內(nèi)有較高的熱強(qiáng)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(yùn)行過程中會(huì)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(qiáng)性降低。當(dāng)溫度超過550℃時(shí)，持久強(qiáng)度顯著下降。我國在發(fā)展普通低合金鋼時(shí)，結(jié)合我目的資源情況，提出以12MnMoV鋼替代15CrMo鋼。第5頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三3.壁溫≤580℃的過熱器管子及壁溫≤540℃的蒸汽管道在這個(gè)溫度范圍內(nèi)應(yīng)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Cr—Mo鋼的基礎(chǔ)上，加入0．2％釩的低合寶耐熱鋼。釩是強(qiáng)碳化物元素，VC細(xì)碎而穩(wěn)定，對(duì)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(yīng)用。12Cr1MoV鋼在高溫下長期運(yùn)行過程中，也會(huì)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(qiáng)性降低。若因溫工作，這種現(xiàn)象更為嚴(yán)重。我國曾研制了12MoVwWBSiRe（無鉻8號(hào)）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(dāng)Cr＝2.25％、Mo＝1％時(shí)具有最佳的熱強(qiáng)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(dá)的國家中應(yīng)用于鍋爐管道已有相當(dāng)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(qiáng)度比12Cr1MoV鋼低，最常用的溫度是540~550℃。第6頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三4．壁溫≤600～620℃的過熱器管子及壁溫≤550～570℃的蒸汽管道多年來國內(nèi)外均致力于研究進(jìn)一步提高合金耐熱鋼的使用溫度，使之超過600℃，甚至達(dá)到620℃，我國研制成功的有12Cr2MoWVB(鋼102)和12Cr3MoVSiTiB鋼（II11）鋼；俄羅斯有12X2MφCP、12X2ΦB鋼；聯(lián)邦德國有10CrSiMoV鋼等。這些鋼種目前多用于壁溫600～620℃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(diǎn)，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(xué)穩(wěn)定性和組織穩(wěn)定性，因而耐熱性能更好。例如12Cr3MoVSiTiB鋼在600～620℃時(shí)持久強(qiáng)度≥94～100Mpa；620℃時(shí)抗氧化速度僅為0.00873mm/a。5．壁溫≤600～650℃的過熱器管子及壁溫≤550～560℃的蒸汽管道當(dāng)鍋爐氣溫達(dá)到570℃時(shí)，高溫段過熱器管子的壁溫可達(dá)到620℃以上。這時(shí)，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。第7頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三最新進(jìn)展這幾年我國火電廠已向大型機(jī)組方向發(fā)展，新建或改進(jìn)的火電廠，均是30萬、60萬，甚至已引進(jìn)了90萬的大機(jī)組。這些機(jī)組均是亞臨界、超臨界的參數(shù)，對(duì)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(jī)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9Cr－1Mo型馬氏體型耐熱鋼。屬于這一類型的在我國30萬以上大機(jī)組上應(yīng)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(jìn)一步提高鋼的熱強(qiáng)性，又添加了2％Mo的9Cr－2Mo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(qiáng)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(shè)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(hào)為10Cr9Mo1VNb鋼；引進(jìn)的材料有：美國的T91和P91，日本的火STBA28、火STPA28，俄羅斯的10X9MфБ-III鋼，法國的TUZ10CD－VnbO9.01鋼等。第8頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三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(qiáng)化的作用來提高熱強(qiáng)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(qiáng)晶界，從而進(jìn)一步提高蠕變極限和持久強(qiáng)度，在高溫下持久運(yùn)行過程中此類鋼不會(huì)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(qiáng)化的現(xiàn)象；同時(shí)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(jī)組中采用F11或F12鋼做再熱器管子及出口聯(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(qiáng)度和耐腐蝕性能，最高使用溫度可達(dá)到700℃左右。目前應(yīng)用的有0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、1Cr19Ni9、0Cr18Ni9Ti和1Cr18Ni9Ti等鋼種。第9頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三（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(shí)超溫爆管，短時(shí)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(shí)超溫爆管如果鍋爐受熱面管子在運(yùn)行過程中，因某些原因使管壁溫度超過設(shè)計(jì)溫度，在高溫長時(shí)間作用下，導(dǎo)致鋼材組織結(jié)構(gòu)的變化，蠕動(dòng)速度加快，持久強(qiáng)度下降，使用壽命達(dá)不到設(shè)計(jì)要求而提早爆破損壞，稱為長時(shí)超溫爆管，也有叫做長期過熱爆管或一段性過熱損壞，長時(shí)超溫爆管由于管壁溫度還沒達(dá)到臨界點(diǎn)溫度，爆管時(shí)雖然有介質(zhì)的激冷作用，還不會(huì)發(fā)生相變。長時(shí)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(duì)過熱器管子爆破事故的分析70％是由于長時(shí)超溫而引起的。長時(shí)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7－1所示。長時(shí)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(huì)出現(xiàn)石墨化等組織變化，如圖7－2所示。第10頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三圖7-120鋼過熱器管長時(shí)超溫爆管的宏觀形貌7－220鋼過熱器管長時(shí)超溫爆管的微觀組織

第11頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三1.

短時(shí)超溫爆管鍋爐受熱面管子在運(yùn)行過程中，由于冷卻條件的惡化，使管壁溫度在短時(shí)間內(nèi)突然上升，達(dá)到臨界點(diǎn)以上溫度。在這樣高的溫度下鋼的抗拉強(qiáng)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(shí)，由于介質(zhì)對(duì)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(shí)超溫爆管，也有叫做短時(shí)過熱爆管或加速蠕變爆管。短時(shí)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(fù)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(shí)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(shí)有氧化鐵層，有時(shí)沒有。爆破口的這些特征是與超溫爆管時(shí)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(shí)超溫爆管的過程類似作高溫短時(shí)拉伸試驗(yàn)，在應(yīng)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。第12頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三爆破口附近的氧化鐵層厚度，可從運(yùn)行情況來分析。如果管子一直是在設(shè)計(jì)濕度下運(yùn)行的．至化鐵層就范，甚至沒有；如果曾經(jīng)在超溫情況下運(yùn)行過一段時(shí)間后再發(fā)生短時(shí)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(huì)出現(xiàn)碳化物球化等組織變化。組織變化后，機(jī)械性能也會(huì)發(fā)生改變。如對(duì)爆破口斷面進(jìn)行硬度測定，可發(fā)現(xiàn)爆破口周向斷面上各點(diǎn)的硬度差異很大，爆破口的硬度明顯增高。

圖5-520鋼水冷壁管短時(shí)超溫爆管的宏觀及微觀組織第13頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三3．材質(zhì)不良引起的爆管材質(zhì)不良爆管是指錯(cuò)用鋼材或使用有缺陷的鋼材造成鍋爐管道提早損壞。錯(cuò)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(shí)際上是一種超溫運(yùn)行。一旦發(fā)生爆管事故，是屬于長時(shí)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(shí)超溫爆管相同。在制造、安裝和檢修時(shí)，未經(jīng)計(jì)算就選用了低一級(jí)的鋼管，即認(rèn)為是錯(cuò)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(yīng)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450℃，因此只要運(yùn)行幾干小時(shí)就會(huì)發(fā)生爆破。使用了大于壁厚負(fù)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(yán)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(yán)重地削弱了管壁強(qiáng)度，在高溫和應(yīng)力的長時(shí)間作用下，缺陷部位容易形成應(yīng)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(shí)，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。第14頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三二、鍋爐汽包及其它部件用鋼(一)鍋爐汽包的工作條什及對(duì)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，它除承受較高的內(nèi)壓以外，還會(huì)受到?jīng)_擊、疲勞載荷及水和蒸汽介質(zhì)的腐蝕作用。對(duì)鍋爐汽包提出的要求：(1)較高的強(qiáng)度，包括常溫和中溫強(qiáng)度。在設(shè)計(jì)時(shí)，屈服極限和抗拉強(qiáng)度都作為鋼材許用應(yīng)力的計(jì)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(shí)，要在鍋爐鋼板上開孔和焊接管子接頭，往會(huì)造成應(yīng)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(diǎn)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。第15頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三(二)汽包用鋼介紹

常用的鍋爐汽包用鋼的化學(xué)成分、強(qiáng)度級(jí)別及應(yīng)用范圍見表7—3所示。過去生產(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(qiáng)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(jī)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(jí)的普通低合金鋼，是我國應(yīng)用得最早、最廣泛的普通低合金鋼種之一。推薦應(yīng)用的范圍為—40～450℃，采用16Mng鋼代替20鋼后，鋼材可節(jié)省20％～30％。16Mng鋼具有良好的綜合機(jī)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(qiáng)度比16Mng鋼高，也具有良好的綜合機(jī)械性能及焊接性能。用于制造中、高壓鍋爐汽包。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(huì)增加材料的缺口敏感性。第16頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三14MnMoVg鋼是屈服極限為500MPa級(jí)的普通低合金鋼。鋼中由于加入了0．5％Mo，提高了鋼的屈服強(qiáng)度及中溫機(jī)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(jí)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(jī)械性能。由于加入了適量的硼、稀土，所以鋼的強(qiáng)度更高了，符合我國資源情況。18MnMoNbg鋼也是500MPa級(jí)的低合金鋼，不僅有較高的屈服極限，而且耐熱性能也較高。14CrMnMoVBg鋼的屈服極限很高，σs＝650一700MPa。該鋼又加入強(qiáng)化元素鉻，也是微量多元低合金鋼，不僅強(qiáng)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。第17頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三(三)吹灰器工作特點(diǎn)及用鋼工作特點(diǎn)：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(shè)備上的煙灰渣子。吹灰器工作的時(shí)間很短，但是工作溫度卻很高。吹灰管應(yīng)能保證用到五年以上，噴頭應(yīng)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(qiáng)度的材料來制造。燃燒室的吹灰器，其工作溫度約為900～1000℃，工作3～5min，又放回到原來的250～400℃的爐墻處。高溫過熱器區(qū)的吹灰器工作溫度約800～900℃；高溫省煤器和高溫空氣預(yù)熱器區(qū)的吹灰器工作溫度約500～550℃；低溫省煤器和低溫空氣預(yù)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。第18頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三用鋼：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(qiáng)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，具有較好的熱強(qiáng)性和其它機(jī)械性能，但抗氧化性能比Cr25Ti鋼差。當(dāng)溫度小于450℃時(shí)應(yīng)盡量采用低合金鋼、碳鋼和耐熱鑄鐵。如20鋼表面滲鋁或滲鉻后可具有較好的抗氧化性能，能滿足在這個(gè)溫度范圍內(nèi)使用。第19頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三(四)鍋爐固定零件用鋼鍋爐設(shè)備中的固定零件主要是指管子夾馬、定位板、吊架、支座等。爐膛和前部煙道的吊架和夾馬，工作溫度約為1000℃．因此需要選用Cr20Ni14Si2和Cr25Nil2高鉻鎳奧氏體鋼。對(duì)流加熱面部分的固定件，工作溫度低于750℃，最合適而經(jīng)濟(jì)的材料是Cr6SiMo鋼。這些零件也是處在較高的煙氣溫度下工作的，而且不象受熱面管子那樣有介質(zhì)冷卻，因此也要求具備較高的抗氧化腐蝕能力和高溫強(qiáng)度。由于固定件工作的部位不同，應(yīng)用的材料也不同。Cr20Ni14Si2鋼雖有很高的抗氧化性能，但是含鉻量20％左右，含鎳量14％左右，不符合我國資源情況。我國研制Cr18Mn11Si2N(D1)鋼和Cr20Mn9Ni2Si2N(鋼101)鋼來代替昂貴的高鉻鎳奧氏體鋼作高溫馬夾和吊架。Dl鋼是Cr—Mn—N型奧氏體耐熱不銹鋼。該鋼不含鎳，符合我國的資源情況，用作工作溫度在900℃以下的鍋爐過熱器吊架及其它鍋爐設(shè)備中耐熱構(gòu)件。鋼10l是Cr—Mn—Ni—N型奧氏體耐熱不銹鋼，鋼中含鎳量較少，工藝性能和高溫性能良好，可用作工作溫度在850～1100℃的鍋爐過熱器吊架及其它鍋爐設(shè)備中的耐熱構(gòu)件。第20頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)汽輪機(jī)主要零部件用鋼及事故分析一、汽輪機(jī)葉片用鋼及事故分析（一）汽輪機(jī)葉片的工作條件及對(duì)材料的要求葉片的工作條件：葉片是汽輪機(jī)中將汽流的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為有用功的極其重要的部件。按照工作條件葉片分為與轉(zhuǎn)子相連接并一起轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)葉及與靜子相連接處于不動(dòng)狀態(tài)的靜葉(又稱導(dǎo)葉)。不同功率的汽輪機(jī)中，處于不同級(jí)的葉片因工作條件不同，動(dòng)葉與靜葉具有各種不同的結(jié)構(gòu)、尺寸及固定的方法。不同級(jí)中蒸汽對(duì)葉片的腐蝕與沖蝕作用也不同。第一級(jí)的動(dòng)葉與靜葉所處的溫度最高，接近于進(jìn)口的蒸汽溫度；隨后逐級(jí)降低，至末級(jí)則接近100℃或更低一些。葉片是在運(yùn)動(dòng)著的蒸汽介質(zhì)中工作的，而各級(jí)的蒸汽狀態(tài)是不一樣的。在大多數(shù)級(jí)中，葉片是在過熱蒸汽中工作，而末級(jí)葉片是在濕蒸汽中工作。通流部分的不同區(qū)段，蒸汽中所含的鹽類、氧和凝結(jié)水滴的量是不同的。第21頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三汽輪機(jī)在工作過程中，動(dòng)葉承受著最大的靜應(yīng)力、動(dòng)應(yīng)力及交變應(yīng)力。葉片愈長,轉(zhuǎn)子的直徑與轉(zhuǎn)速愈大，在葉片上由離心力所產(chǎn)生的拉應(yīng)力便愈大。當(dāng)有圍帶或拉筋時(shí),還要考慮由它們產(chǎn)生的離心力對(duì)葉片的影響。汽輪機(jī)在工作過程中，葉片和拉筋的振動(dòng)具有重要的意義。葉片的振動(dòng)是引起葉片斷型事故的重要原因。導(dǎo)致葉片振動(dòng)的總的原因，是汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，作用于葉片上的周期性激振力，又稱為擾動(dòng)力。產(chǎn)生周期性激振力的原因很多。因出汽道汽流壓力沿節(jié)距的不均勻分布所引起的周期性激振力，其頻率是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與靜葉片片數(shù)的乘積，稱為高頻激振力。由于隔板通流面積不均勻所引起汽流力的不均勻而產(chǎn)生的周期性激振力，其頻率等于轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)速的簡單倍數(shù)，稱為低頻激振力。如果激振力的頻率落入與葉片自振頻率相同的共振頻率之中時(shí)，則振幅就要突然增大至不能允許的程度，從而使葉片產(chǎn)生過大的應(yīng)力。視應(yīng)力超過允許值的程度不同，在經(jīng)過一定的時(shí)間之后，即會(huì)發(fā)生葉片的斷裂。汽輪機(jī)動(dòng)葉的設(shè)計(jì)和計(jì)算是以汽輪機(jī)在運(yùn)行過程中沒有這種危險(xiǎn)的共振為條件的。第22頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三1．良好的常溫和高溫機(jī)械性能2．良好的抗蝕性3.良好的減振性4．一定的耐磨性5．良好的工藝性

對(duì)于用來制造葉片的金屬材料，在性能上應(yīng)滿足以下的要求：第23頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三（二）氣輪機(jī)葉片材料介紹制造氣輪機(jī)葉片的材料，主要是含鉻13%的鉻不銹鋼幾含鉻約12%并加入少量鎢、鉬、釩、鈮等合金元素以提高材料熱強(qiáng)性的強(qiáng)化性鉻不銹鋼。蒸汽溫度超過600oC時(shí)，一般采用奧氏體耐熱鋼來作葉片，燃?xì)廨啓C(jī)葉片是用鐵基或鎳基的耐熱合金來制造。國外對(duì)于負(fù)荷很大的末級(jí)葉片，以開始使用比重小的鋁合金或鈦合金。常用的葉片用鋼化學(xué)成分及應(yīng)用范圍見表7-5所示，常用的葉片用鋼熱處理及機(jī)械性能見表7-6所示。第24頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三1．鉻不銹鋼對(duì)于工作溫度在450-500oC以下的氣輪機(jī)葉片，國內(nèi)外均廣泛采用1Cr13或2Cr13的鉻不銹鋼制造。這類鋼還具有較高的熱強(qiáng)性又屬于馬氏體型耐熱鋼。加入鉻的主要目的是提高鋼的抗蝕性。1Cr13鋼用于氣輪機(jī)中幾級(jí)葉片。2Cr13鋼由于強(qiáng)度高一些，故用于氣輪機(jī)的最后幾級(jí)葉片。1Cr13鋼的最高工作溫度為480oC左右，1Cr13鋼最高工作溫度為450oC，當(dāng)溫度超過500oC時(shí)，這類葉片鋼的熱強(qiáng)性將明顯下降。鉻不銹鋼抗水沖蝕的能力比較差。防止水沖蝕的方法有兩方面，一是改造汽輪機(jī)通流部分的結(jié)構(gòu)及消除濕蒸汽；二是增強(qiáng)葉片材料抗水沖蝕的能力。增強(qiáng)葉片材料抗水沖蝕的能力常用的方法是在葉片表面易被水沖蝕的部位焊上高硬度耐磨合金或?qū)θ~片進(jìn)行表面處理。常用的表面處理有氯化、電火花處理或局部淬火等。第25頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三2．強(qiáng)化型鉻不銹鋼提高鉻13％型葉片用鋼的熱強(qiáng)性，在這類鋼的基礎(chǔ)上加入了少量的鋁、釩、鎢、鎳、鈮、硼等元素。釩或鈮與碳的親和力比鉻大，加入后能避免鉻進(jìn)入碳化物，讓鉻充分溶入固镕體發(fā)揮防腐蝕和強(qiáng)化作用。因此，強(qiáng)化型鉻不銹鋼中的含鉻量為11％或12％左右。常用的強(qiáng)化型鉻不銹鋼有Cr11MoV、Cr12WMoV、Crl2WNbVB、2Cr12WMoNbVB及1Cr11Ni2W2MoV等鋼種。Cr11MoV鋼中加入了鉬和釩，鉬溶入鐵素體，提高了鐵素體的強(qiáng)度和再結(jié)晶溫度；釩與碳形成了穩(wěn)定性較高、硬度也高的碳化物。我國125MW機(jī)組、300MW機(jī)組及600MW機(jī)組的汽輪機(jī)前級(jí)動(dòng)葉片，都是用Cr11MoV鋼制造的。Crl2WMoV鋼中又多了鎢和鎳元素，熱強(qiáng)性又有提高，可用在580℃以下大功率汽輪機(jī)的葉片材料。由于鎢、鉬、鈮都是縮小奧氏體擴(kuò)大鐵轟體區(qū)域的元素，當(dāng)含量較多時(shí)會(huì)出現(xiàn)過多的δ鐵素體，從而降低鋼的韌性。為了降低δ鐵素體的含量，需要加一些鎳元素。第26頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三(三)汽輪機(jī)葉片事故分析按照葉片斷裂的性質(zhì)，葉片斷裂可分為長期疲勞損壞、短期疲勞損壞、接觸疲勞損壞、應(yīng)力腐蝕和腐蝕廢勞損壞等。1．長期疲勞損壞

長期疲勞是指葉片運(yùn)行過程中，承受低于葉片原始疲勞極限的應(yīng)力，經(jīng)過較長的時(shí)間(遠(yuǎn)大于107次)才發(fā)生的一種機(jī)械疲勞損壞。例如，因葉片或葉片組存在著某種高頻振動(dòng)而引起共振損壞；葉片表面有缺陷(如夾雜、腐蝕點(diǎn)坑、劃痕等)，使葉片局部區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中而提早發(fā)生疲勞損壞；由于運(yùn)行不正常(如低周波運(yùn)行、超負(fù)荷運(yùn)行、低負(fù)荷運(yùn)行等)，使某些級(jí)的葉片應(yīng)力升高，導(dǎo)致提早破壞。長期疲勞損壞在電廠葉片事故中最為常見。長期疲勞損壞的宏觀特征是斷口乎整、斷面呈細(xì)瓷狀結(jié)構(gòu)，貝殼紋清晰，疲勞斷裂區(qū)面積一般大于靜撕裂區(qū)面積。當(dāng)應(yīng)力水平稍高時(shí)，疲勞斷裂區(qū)面積會(huì)減??；反之，葉片應(yīng)力水平較低，破壞時(shí)間較長的斷口，疲勞斷裂區(qū)域面積就大一些。因而可從分析斷口的疲勞斷裂區(qū)面積的大小來推斷葉片受載皮力的大小。防止長期疲勞損壞的主要措施是：消除共振、提高葉片制造質(zhì)量和安裝質(zhì)量、行條件。第27頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三2．短期疲勞損壞短期疲勞損壞是指葉片在運(yùn)行過程中，受到外界較大的應(yīng)力或是較大的激振力，導(dǎo)致葉片只受了較少的振動(dòng)次數(shù)（小于107~108次）就發(fā)生斷裂的一種機(jī)械疲勞損壞。例如，由于運(yùn)行不正常。疏水系統(tǒng)發(fā)生故障，使水進(jìn)入氣輪機(jī)內(nèi)，葉片遭到水的沖擊而承受較大的應(yīng)力，隨即很快損壞；或是由于設(shè)計(jì)不良，安裝不好，存在較大的低頻激振力（如轉(zhuǎn)子不平衡而產(chǎn)生的振動(dòng)；隔板結(jié)構(gòu)不佳或安裝不良，存在較大的交變應(yīng)力；或是噴嘴損壞，使葉片受到不均等），當(dāng)?shù)皖l激振力與葉片的自振頻率相同時(shí)就引起共振，會(huì)很快導(dǎo)致葉片的斷裂。短期疲勞損壞的宏觀特征是：斷口表面粗糙，疲勞貝殼紋（又稱疲勞前沿線）不明顯，在斷面上疲勞區(qū)面積往往小于最后斷裂的靜撕裂區(qū)面積，在斷口的四周伴有宏觀的塑性變形，經(jīng)受水擊的葉片斷口還呈現(xiàn)“人”字型紋絡(luò)的特征。防止短期疲勞損壞的主要方法是設(shè)法消除低頻共振和防止水擊的發(fā)生。第28頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三3．接觸疲勞損壞接觸疲勞損壞是由于存在著振動(dòng)，使毗鄰的葉片之間或者葉片和葉輪之間產(chǎn)生往復(fù)的微量位移，相互接觸摩擦的一種機(jī)械疲勞損壞。接觸應(yīng)力往往是由葉根齒部設(shè)計(jì)不合理，或是安裝不良所產(chǎn)生的。葉根的接觸面因振動(dòng)而進(jìn)行往復(fù)循環(huán)的摩擦，造成根部表面層金屬晶體的滑移和硬化，接觸摩擦到一定次數(shù)后，硬化層會(huì)出現(xiàn)微顯裂紋，繼續(xù)不斷地接觸摩擦?xí)癸@微裂紋不斷擴(kuò)展，最終發(fā)生接觸疲勞斷裂。接觸疲勞損壞的宏觀特征：斷口具有貝殼狀特征，并往往伴有因摩擦氧化而產(chǎn)生地斑痕。接觸疲勞損壞地顯微裂紋呈簇狀，大體上互相平行，并與摩擦應(yīng)力垂直。防止接觸疲勞損壞的措施是：消除共振（特別是切向振型），提高氣輪機(jī)的安裝質(zhì)量，設(shè)法增大葉根的接觸面積，改善葉輪與葉根接觸面的接觸狀況使葉根齒部在工作狀態(tài)下盡量保持均勻的接觸，避免局部點(diǎn)或區(qū)接觸應(yīng)力的集中。第29頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三二、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子及其它部件用鋼（一）汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子用鋼及其事故分析1．轉(zhuǎn)子的工作條件及對(duì)材料性能的要求汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子是主軸和葉輪的組合部件，轉(zhuǎn)子是汽輪機(jī)設(shè)備的心臟。隨著高溫高壓大容量鍋爐汽輪機(jī)機(jī)組的發(fā)展，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的重量和尺寸也愈來愈大。高壓蒸汽噴射到工作葉片后，轉(zhuǎn)動(dòng)力矩由葉輪傳到主軸。主軸不但承受扭矩和由自重引起的彎矩作用，而且因?yàn)橹鬏S較長，過熱蒸汽自第一級(jí)至最末級(jí)葉輪其溫度是逐漸在降低的，由于這種不均勻的溫度分布，主軸還要承受溫度梯度所造成的熱應(yīng)力。此外，主軸還要受到因振動(dòng)所產(chǎn)生的附加應(yīng)力和發(fā)電機(jī)短路時(shí)產(chǎn)生的巨大扭轉(zhuǎn)應(yīng)力及沖擊載荷的復(fù)雜作用。葉輪是裝配在主軸上的，在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，圓周線速度很大，出于離心力的作用產(chǎn)生巨大的切向和徑向應(yīng)力，其中輪轂部分受力最大。葉輪也要受到振動(dòng)應(yīng)力和轂孔與軸之間的壓縮應(yīng)力。高參數(shù)大功率機(jī)組的轉(zhuǎn)子因在高沮蒸汽區(qū)工作，還要考慮到材料的蠕變、腐蝕、熱疲勞、持久強(qiáng)度、斷裂韌性等問題。第30頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三制造汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的材料要求：(1)嚴(yán)格控制鋼的化學(xué)成分。鋼中含硫量不大于0．035％(酸性平爐鋼)或0．030％(堿性電爐鋼)；銅的含量應(yīng)低于0．25％；含錫的鋼材，鉬的含量不允許低于下限，鋼中的氣體(如氫等)應(yīng)盡量低。(2)綜合機(jī)械性能要好。既要強(qiáng)度高，又要塑性、韌性好。沿軸向和徑向的機(jī)械性能應(yīng)均勻一致，要求輪轂與輪緣之間的硬度偏差不超過HB40，輪轂或輪緣本身各點(diǎn)的硬度差不得超過HB30，而且主抽兩端面硬度值的偏差不超過HB40。此外，還要求材料的缺口敏感性小。

(3)有一定的抗氧化、抗蒸汽腐蝕的能力；對(duì)于在高溫下運(yùn)行的主鈾和葉輪，還要求高的蠕變極限和持久強(qiáng)度，以及足夠的組織穩(wěn)定性。(4)不允許存在白點(diǎn)、內(nèi)裂、縮孔、大塊非金屬夾雜物或密集性細(xì)小夾雜物等缺陷。(5)有良好的淬透性，良好的焊接性能等工藝性能。第31頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三2．汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子用鋼介紹汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的材料是按不同的強(qiáng)度級(jí)別選用的。轉(zhuǎn)于用鋼一般都屬于中碳鋼和中碳合金鋼，只有制作焊接轉(zhuǎn)子時(shí)，為了保證焊接性能才適當(dāng)降低含碳量(例如選用17CrMo1V鋼)。功率較大的汽輪機(jī)其轉(zhuǎn)子用鋼都含有一定量的鉻、鎳、鉬、錳等合金元素，加入這些元素可以提高鋼的淬透性，增加鋼的強(qiáng)度，其中鉬可以減小鋼的回火脆性，鉻、鉬、鎢、釩則可提高鋼的熱強(qiáng)性。汽輪機(jī)組功率不同，轉(zhuǎn)子的制造方法也不同，小功率機(jī)組主軸與葉輪分開制造，而后用熱套法整裝成轉(zhuǎn)子；中等功率機(jī)組，轉(zhuǎn)子采用一部分葉輪與主軸鍛成一個(gè)整體（一般是高壓段），另一部分葉輪采用熱套法整裝；大功率機(jī)組，高壓轉(zhuǎn)子為整體鍛造，而低壓轉(zhuǎn)子是焊接而成的。34CrMo鋼用作480℃以下的汽輪機(jī)的主軸有較好的工藝性能和較高的熱強(qiáng)性，長時(shí)期使用組織也比較穩(wěn)定。若工作溫度超過480℃時(shí)熱強(qiáng)性就有明顯降低。17CrMo1V鋼用于工作溫度520℃以下的汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和壓氣機(jī)的焊接轉(zhuǎn)子。對(duì)17CrMo1V鋼焊接時(shí)，必須嚴(yán)格控制預(yù)熱溫度，焊后應(yīng)立即進(jìn)行高溫回火。27Cr2Mo1V鋼中鉻和鉑鉬的含量均較多，有較好的制造工藝性能和熱強(qiáng)性，可用來制造工作溫度540℃以下的汽輪機(jī)整鍛轉(zhuǎn)子和葉輪。若用來制造轉(zhuǎn)子和葉輪，均需要經(jīng)過兩次正火加回火處理。第一次正火970～990℃空冷，第二次正火930～950℃空冷，回火680～700℃爐冷。第32頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三34CrNi3Mo鋼是大截面高強(qiáng)度鋼，具有良好的綜合機(jī)械性能和工藝性能，國內(nèi)外曾用來制造發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和汽輪機(jī)整鍛轉(zhuǎn)子及葉輪，工作溫度限制在400℃以下。一般是在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下使用，840～870℃油淬，560～650℃回火。這類鋼因?yàn)楹嚵扛撸詿o回火脆性傾向。33CrMoWV鋼是我國自行研制的無鎳大鍛件用鋼，已在50MW以下汽輪機(jī)中大量應(yīng)用，可替代34CrNiMo鋼。調(diào)質(zhì)工藝為950℃油淬，580～660℃空冷或爐冷。油淬時(shí)應(yīng)有足夠的深冷度，以獲得較好的心部性能。18CrMnMoB鋼也是我國研制的無鎳少鉻大鍛件用鋼，加入硼可以增加淬透性，也是34CrNi3Mo鋼的代用鋼20Cr3MoWV鋼是一種熱強(qiáng)性較高的低合金耐熱鋼，因?yàn)榇虽撝泻C量比33Cr3MoWV鋼高，因此彌散硬化的效果就好。用于制造工作溫度低于550℃的汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)整鍛轉(zhuǎn)于和葉輪等大鍛件。550～600℃溫度范圍的大鍛件，國外過去一直采用奧氏體鋼，但價(jià)格昂貴12％型轉(zhuǎn)于用鋼，如英國的H46．蘇聯(lián)的ЗИ802、ЗИ756、美國的C422鋼等。第33頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三3．汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子事故分析汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的金屬事故主要是葉輪與主軸(轉(zhuǎn)子)的變形與開裂。(1)主軸(轉(zhuǎn)子)的變形汽輪機(jī)主軸由于出廠時(shí)殘余應(yīng)力較大，運(yùn)輸或安裝不當(dāng)(熱套時(shí)由于加熱和冷卻不均勻而產(chǎn)生的局部熱應(yīng)力)以及運(yùn)行不良(動(dòng)、靜部件單側(cè)摩擦所造成的局部膨脹)等，均可能引起主軸的變形。當(dāng)主軸(轉(zhuǎn)子)發(fā)生彎曲變形時(shí)，需要進(jìn)行校正，通常稱為“直軸”。對(duì)于小功率汽輪機(jī)碳鋼轉(zhuǎn)子，可采用局部加熱法予以校直。對(duì)于大功率汽輪機(jī)主抽(轉(zhuǎn)子)，則必須采用“松弛法”進(jìn)行校正。第34頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三(2)主袖(轉(zhuǎn)子)的斷裂汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子是高速轉(zhuǎn)動(dòng)的部件，主軸的斷裂會(huì)造成嚴(yán)重的事故，國內(nèi)外都曾發(fā)生過這類事故，必須引起高度的重視。主軸(轉(zhuǎn)子)產(chǎn)生裂紋的原因大致有以下幾種：1)結(jié)構(gòu)不良。如兩截面交界處過渡圓角太小、機(jī)械加工租糙，有尖銳刀浪痕等，導(dǎo)致嚴(yán)重傷應(yīng)力集中，從而在交變裁荷作用下斷裂。2)腐蝕介質(zhì)的影響。主軸運(yùn)行或停機(jī)時(shí)接觸蒸汽、油和水等腐蝕介質(zhì)，表面形成腐蝕坑或腐蝕裂紋。3)材質(zhì)不良。4)運(yùn)行不當(dāng)。運(yùn)行時(shí)有超溫或超速現(xiàn)象，啟動(dòng)停機(jī)過快引起過大的內(nèi)電應(yīng)力等。(3)葉輪的變形與開裂葉輪的變形破壞了轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡，運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生很大的振動(dòng)，因此，變形后也必須進(jìn)行校正。葉輪，特別是末級(jí)葉輪，在長期遠(yuǎn)行過程中鍵槽處容易出現(xiàn)裂紋，當(dāng)裂紋達(dá)到一定深度時(shí)，整個(gè)葉輪會(huì)飛裂。第35頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三引起葉輪開裂的主要原因是：1)鍵槽處加工質(zhì)量差，應(yīng)力高度集中產(chǎn)生裂紋源。2)材料的綜合機(jī)械性能差，強(qiáng)度偏高，塑性和韌性偏低，脆性大，加速裂紋的擴(kuò)展。3)機(jī)組停機(jī)保養(yǎng)不善,或介質(zhì)腐蝕性較大,造成應(yīng)力腐蝕。防止葉輪開裂的措施是:注意停機(jī)時(shí)的保養(yǎng)工作,防止產(chǎn)生腐蝕;提高冶金質(zhì)量和鍵槽的加工光潔度;大修時(shí)加強(qiáng)對(duì)后幾級(jí)葉輪的探傷檢查,及時(shí)對(duì)已經(jīng)產(chǎn)生裂紋的葉輪采取補(bǔ)焊修復(fù)或者換上新的葉輪。第36頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三(二)汽輪機(jī)靜子用鋼及事故分析1.

靜子的工作條件汽輪機(jī)靜子(汽缸、隔板、蒸汽室等)部件是在高溫高壓或一定的溫差、壓力差作用下長期工作的。汽缸是汽輪機(jī)的重要部件，通常分為上、下兩部分。汽缸工作時(shí)受到氣流的壓力，這種壓力在汽缸的前部最大，沿軸線向后逐漸降低，因此在汽缸壁上所受的力是變化的。汽缸內(nèi)溫度場分布也比較復(fù)雜，例如汽缸前后存在著溫度梯度，在大功率高參數(shù)凝汽式汽輪機(jī)的中壓缸中，從蒸汽入口到出口的溫度差超過500℃，低壓缸則在真空條件下工作，承受著外部空氣的壓力。汽缸形狀復(fù)雜，尺寸和重量大，從而造成鑄件生產(chǎn)上的困難。在結(jié)構(gòu)上，缸壁較厚，且又厚薄不均勻，拐角多，從法蘭到汽缸的過渡區(qū)域，截面變化很大，容易產(chǎn)生鑄造缺陷和很大的局部應(yīng)力。第37頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三靜子材料的要求：（1）足夠高的室溫機(jī)械性能和較好的熱強(qiáng)性。（2）有一定的抗氧化性能，良好的組織穩(wěn)定性和抗熱疲勞能力。（3）具有盡可能好的鑄造性能及良好的焊接性能。第38頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三1.

靜子零部件用鋼工作溫度不同，靜子的材料也就不同。中、小功率氣輪機(jī)的低壓缸還可用灰口鑄鐵或耐熱合金鑄鐵來制造。對(duì)于工作溫度在425℃以下的氣輪機(jī)的汽缸、隔板、主蒸汽閥等零部件，可以用ZG25鋼鑄造。然后在900℃退火或900℃正火再在650℃回火6~8h。鑄件在機(jī)械加工或補(bǔ)焊后應(yīng)再650～680℃退火6~8h。ZG20CrMo鋼用于工作溫度在500℃以下的汽缸、隔板、主蒸汽閥等，鑄件在900℃正火，650～680℃回火；經(jīng)機(jī)械加工或補(bǔ)焊后應(yīng)在650～680℃退火4～8h。ZG20CrMoV鋼用于工作溫度在540℃以下的汽輪機(jī)靜子，該鋼含有釩元素，因而熱強(qiáng)性有了提高。但是鑄造性能和焊接性能要比ZG20CrMo鋼差一些，應(yīng)嚴(yán)格控制焊前預(yù)熱（300~350℃）和焊后消除應(yīng)力的退火處理。ZG15Cr1Mo1V鋼含鉻鉬比ZG20CrMoV鋼高，因而就有更高的熱強(qiáng)性，可用于制造570℃溫度以下的氣輪機(jī)靜子。其鑄造性能和焊接性能比ZG20CrMoV鋼稍差一些。對(duì)蒸汽參數(shù)為560～580℃、23.5Mpa（240大氣壓）的大功率氣輪機(jī)汽缸則要求用更高的熱強(qiáng)性材料來制造，國外是采用ZGCr11MoVB鋼一類的強(qiáng)化型馬氏體耐熱鋼來制造。第39頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三3、汽缸的變形和開裂（1）汽缸的變形，汽缸發(fā)生變形會(huì)影響氣輪機(jī)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，其表現(xiàn)形式為汽缸水平結(jié)合面因變形而漏汽，以及汽缸圓周發(fā)生變形而導(dǎo)致氣輪機(jī)中心變化。為此在檢修時(shí)不得不進(jìn)行水平結(jié)合面的修刮和局部補(bǔ)焊（也可用熱噴涂進(jìn)行修復(fù)）以及重新調(diào)整氣輪機(jī)中心。

造成汽缸變形的主要原因有：①汽缸殘余應(yīng)力過大。汽缸由于形狀復(fù)雜、厚薄不均勻鑄造時(shí)各部分的凝固和冷卻速度不一而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。在汽缸運(yùn)行過程中會(huì)因殘余應(yīng)力的作用而導(dǎo)致汽缸變形。為了消除鑄造殘余應(yīng)力需要進(jìn)行消除應(yīng)力退火處理。②

蠕變的影響。高壓氣輪機(jī)的工作溫度往往會(huì)在產(chǎn)生蠕變的溫度以上，因此，在長期運(yùn)行過程中就會(huì)有蠕變現(xiàn)象發(fā)生。由于汽缸形狀復(fù)雜、厚薄不均勻，各部分的溫度和壓力不同，使各部分的蠕變速度不同，因而各部分蠕變（塑性變形）量不同，導(dǎo)致汽缸變形。③

氣輪機(jī)基礎(chǔ)不良，造成各部分受力的大小不同而產(chǎn)生汽缸變形。第40頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三（1）汽缸的開裂，汽缸裂紋大都產(chǎn)生在溫度梯度大、圓角半徑小或汽缸厚度不對(duì)稱的地方，法蘭與汽缸壁的過渡區(qū)以及各調(diào)節(jié)氣門汽道之間最容易產(chǎn)生裂紋。產(chǎn)生汽缸裂紋的原因是很復(fù)雜的，內(nèi)因包括汽缸的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、工藝等方面的原因。外因包括溫度條件及應(yīng)力狀態(tài)等方面的原因。汽缸在結(jié)構(gòu)上如果拐角的半徑小及壁的厚薄差別大而又過于陡峭，則容易導(dǎo)致應(yīng)力集中及應(yīng)力的增大，在一定的條件下就會(huì)導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。 出現(xiàn)了裂紋的汽缸可以采取挖除補(bǔ)焊等方法以消除裂紋和防止裂紋的繼續(xù)擴(kuò)展。第41頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)螺栓用鋼及斷裂事故分析一、螺栓的工作條件及對(duì)材料性能的要求

螺栓是鍋爐`汽輪機(jī)和蒸汽管道上廣泛使用的緊固零件。螺栓在工作時(shí)由于螺母擰緊而使其受到拉應(yīng)力，從而使螺栓產(chǎn)生一作用于法蘭結(jié)合面的壓力，使所連接的兩結(jié)合面密和而不致產(chǎn)生漏汽現(xiàn)象。螺栓和螺母是在高溫高壓下工作的，在長期運(yùn)行的過程會(huì)發(fā)生應(yīng)力松弛，導(dǎo)致螺栓壓緊力降低，造成法蘭結(jié)合面漏汽。在汽輪機(jī)運(yùn)行過程中，如果其他意外停機(jī)事故發(fā)生，法蘭結(jié)合的連續(xù)工作時(shí)間，取決于螺栓的可靠性。一般要求螺栓的可靠工作時(shí)間不應(yīng)該小于汽輪機(jī)按計(jì)劃進(jìn)行大修的兩次停機(jī)之間的時(shí)間。我國電廠使用在高溫下工作的緊固件，設(shè)計(jì)壽命通常規(guī)定為2×104h.影響螺栓工作期限的因素很多，例如螺栓本身的結(jié)構(gòu)，制造的質(zhì)量，擰緊螺栓的方法和擰緊的程度，汽輪機(jī)啟動(dòng)時(shí)螺栓與法蘭之間的溫度等。第42頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三對(duì)螺栓用鋼有以下一些要求：（1）具有較高的抗松弛性能。我國規(guī)定大電廠所用的高溫螺栓最小密封力為147Mpa,因此，要求螺栓用鋼有較高的抗松弛性能，以保證在較小的初緊應(yīng)力下，大修期內(nèi)的壓緊力不低于最小密封應(yīng)力。（2）足夠高的強(qiáng)度和韌性。（3）小的缺口敏感性。由于螺栓上存在著螺紋，有應(yīng)力集中的條件，因此要求材料具有小的缺口敏感性。（4）良好的耐腐蝕性能，小的熱脆性傾向。（5）不發(fā)生螺母“咬死”現(xiàn)象。為此，要求螺母材料的硬度應(yīng)比螺栓低HB20~40。所以螺母材料可以比螺栓材料低一級(jí)；若材料相同，螺母的回火溫度應(yīng)高一些。此外，選用螺栓用鋼時(shí)還要考慮螺栓材料的線膨脹系數(shù)及導(dǎo)熱系數(shù)與被固定金屬的線膨脹系數(shù)及導(dǎo)熱系數(shù)相接近。第43頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三二、螺栓用鋼介紹螺栓用鋼多屬于中碳鋼和中、低碳合金鋼。取中碳是希望有強(qiáng)度和韌性的較好的配合。合金鋼中因?yàn)榧尤肓似饛?qiáng)化作用的合金元素，所以含碳量可以低一些。制造高溫螺栓的合金鋼中主要含鉻、鉬、釩元素，這些元素加入后都能提高其熱強(qiáng)行和耐腐蝕性能，還使其具有較高的抗松弛能力。工作溫度更高的螺栓用鋼中還要加入鈮、鈦、硼等元素，這些元素都能增加淬透性，細(xì)化晶粒，硼還能起到強(qiáng)化晶界的作用，鈮、鈦都是強(qiáng)碳化物元素，因而彌撒硬化效果好，使鋼具有更高的熱強(qiáng)性和抗松弛的能力。第44頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三對(duì)于工作溫度在400℃以下的螺栓，一般采用35或45號(hào)鋼制造，這類鋼調(diào)質(zhì)后有較好的綜合機(jī)械性能，廣泛用作小功率低參數(shù)汽輪機(jī)和管道的螺栓材料。對(duì)于工作溫度在430℃以下的螺栓，常用35SiMn制造，該鋼價(jià)格低廉，所含元素符合我國資源情況，在可能的條件應(yīng)盡量采用。其缺點(diǎn)是有一定程度的過熱敏感傾向及回火脆性傾向，熱處理時(shí)必須注意。35CrMo鋼具有較高的熱強(qiáng)性和抗松弛能力，長期工作組織穩(wěn)定性也較好，可用作480℃以下的螺栓和510℃以下的螺母。經(jīng)850℃油淬，560℃回火，調(diào)質(zhì)處理后的組織為索氏體。該鋼在火電廠應(yīng)用得比較廣泛。25Cr2MoV鋼和25Cr2MoV鋼是目前火電廠熱力設(shè)備中最廣泛使用的螺栓材料。25Cr2MoV鋼具有較好的綜合機(jī)械性能，熱強(qiáng)性和抗松弛能力也較高，用于制造工作溫度在510℃以下的螺栓。第45頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三第46頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三通常當(dāng)螺拴選用25Cr2MoV鋼時(shí)，螺母則選用35CrMo鋼制造；如果螺拴和螺母均用25Cr2MoV鋼制造時(shí)，螺母的回火溫度應(yīng)較螺拴高15～30℃。25Cr2Mo1V鋼中鉻、鉬、釩的含量均比25Cr2MoV鋼為高，因此具有更高的熱強(qiáng)性和抗松弛能力，廣泛用作工作溫度在540℃的螺栓材料。20Cr1Mo1VNbTiB鋼和20CrlMo1VTiB鋼是我國自行研制的可在560～580℃溫度下工作的螺栓用鋼，達(dá)兩個(gè)鋼種熱強(qiáng)性更高，抗松弛能力也更好，而且組織穩(wěn)定性也高。用20Cr1Mo1VNbTiB和20Cr1Mo1VTiB鋼制造的螺栓，已在200MW和300MW的汽輪機(jī)上應(yīng)用。工作溫度在560～590℃螺栓應(yīng)選用2Crl2WMoNbVB馬氏體耐熱鋼制造，工作溫度在650℃以下的螺栓應(yīng)選用Crl5Ni36W3Ti、Cr15Ni36W3CoTi、Cr15Ni36Mo3Ti等奧氏體類耐熱鋼制造；工作溫度在650~750℃的螺栓則應(yīng)用鎳基合金如Cr15Ni70W5Mo4Al2Ti和Cr16Ni80NbTiAl等來制造。第47頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三三、螺栓的斷裂分析螺栓的斷裂，特別是高溫螺栓在運(yùn)行過程中的斷裂，是火電廠中常見的金屬事故。按照螺栓斷裂的特性可分為三種類型。（一）

脆性斷裂螺栓的脆性斷裂在斷裂事故中占的比重最大，斷裂的宏觀特性是斷口粗糙，呈結(jié)晶狀，斷裂處無明顯的塑性變形。有的斷口上明顯地分為兩部分，一部分屬于舊斷口，其表面有嚴(yán)重的銹斑，無金屬光澤，另一部分是新斷口，表面呈結(jié)晶狀，有金屬光澤。這種現(xiàn)象說明了螺栓在斷裂前，有一部分已產(chǎn)生了裂紋，最后是由裂紋擴(kuò)展引起的斷裂。脆性斷裂的螺栓，室溫沖擊韌性值很低，ak值僅為5～31J/CM2，說明螺栓的材質(zhì)已經(jīng)脆化。雙頭螺栓脆斷部位常常發(fā)生在旋入端第一扣到第三扣螺紋的根部。第48頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三（二）

疲勞斷裂螺栓的疲勞裂紋一般都產(chǎn)生在裂紋最大負(fù)荷扣的最大應(yīng)力表面上，有的螺紋第一道螺紋上的應(yīng)力達(dá)到全部應(yīng)力的50%（典型的應(yīng)力集中現(xiàn)象?。┯械牧鸭y發(fā)生在螺栓材料的某一缺陷處（疲勞源）。螺栓中一旦產(chǎn)生了裂紋，便在應(yīng)力不斷作用下，裂紋逐漸擴(kuò)展，當(dāng)剩余的有效斷面不足以承受所加負(fù)荷時(shí)，就發(fā)生了突然的斷裂。這種類型的螺栓斷裂屬于疲勞斷裂，螺栓疲勞斷裂的斷口可分為疲勞斷裂區(qū)和靜撕裂區(qū)。第49頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三（三）其他斷裂類型螺栓熱緊時(shí)由于加熱不均勻造成局部地區(qū)溫度過高，由此形成裂紋，導(dǎo)致螺栓斷裂，斷口呈粗晶型脆性斷口，有放射狀條紋。若螺栓初緊力過大，則可能造成韌性斷裂，斷口呈纖維狀。

螺栓斷裂的主要原因可歸納為：螺栓用鋼材質(zhì)不良、螺栓結(jié)構(gòu)不合理、加工和安裝工藝不當(dāng)、運(yùn)行條件差等幾個(gè)方面。從材質(zhì)角度來分析，影響螺栓脆性斷裂的主要原因是螺栓材料的持久塑性低、缺口敏感性高和組織穩(wěn)定性差。另外，鋼材的冶金質(zhì)量不好，非金屬夾雜物過多，有發(fā)紋、疏松等宏觀缺陷存在，都會(huì)促使螺栓脆斷。

螺栓的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，螺紋加工質(zhì)量不好，螺紋根部圓角半徑太小，這樣會(huì)在螺栓局部地區(qū)造成嚴(yán)重的應(yīng)力集中而促使螺栓過早的損壞。

在安裝檢修時(shí)，緊固螺栓的初緊力過大、熱緊時(shí)加熱方法不當(dāng)、螺栓偏斜等因素往往也是導(dǎo)致螺栓斷裂的原因。第50頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三防止螺栓脆斷的措施：（1）控制螺栓的硬度和金相組織。（2）改進(jìn)螺栓結(jié)構(gòu)。分析發(fā)現(xiàn)斷裂的螺栓大多為雙頭螺栓，這種螺栓光桿部分的直徑與螺紋直徑相等，無過渡圓角，存在著嚴(yán)重的應(yīng)力集中區(qū)域，因而斷裂部位常常發(fā)生在旋入端螺紋與光桿交界處。為了避免這種現(xiàn)象，可將光桿直徑減小，改成細(xì)腰螺栓以緩和應(yīng)力集中現(xiàn)象，減少斷裂的發(fā)生。（3）提高螺栓的加工精度和表面質(zhì)量。（4）改進(jìn)安裝檢修工藝，控制初緊應(yīng)力，改進(jìn)加熱方法，絲扣部分要研磨光潔，加入防止螺栓與螺母“咬死”的涂料，法蘭結(jié)合面要注意平整。為了保證螺栓的安全運(yùn)行，對(duì)螺栓要加強(qiáng)監(jiān)督，發(fā)現(xiàn)有問題時(shí)，選擇有代表性的螺栓作沖擊實(shí)驗(yàn)。有些還要作硬度的測試和金相分析。如果沖擊韌性指標(biāo)低于允許值時(shí)，應(yīng)進(jìn)行恢復(fù)性熱處理。

所謂恢復(fù)性熱處理，是將已經(jīng)網(wǎng)狀組織及硬度升高、沖擊韌性降