《锅炉金属材料》PPT课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,锅炉与汽轮机用及事故分析,锅炉金属材料,第一节 锅炉受压元件用金属材料,锅炉的受压元件都是在承压状态下工作的，有些还要同时承受高温或腐蚀的作用，因而工作条件十分恶劣。若锅炉在使用过程中发生破坏性事故，则将造成严重后果。,一、钢材的分类：,按化学成分分类,按品质分类,按冶炼方法分类,按金相组织分类,按用途分类,低碳钢：锅炉受压元件用得最多的钢材，如,20g,、,20,、,15,均为低碳钢。中低压锅炉的受压元件，除个别元件（如过热器出口集箱）外，几乎均用低碳钢。（可满足锅炉元件的要求，有好的塑韧性，同时又有较好的可焊性，价格低廉）,高碳钢：锅炉上不用高碳钢，这种钢主要用于制造刀具、量具。,按硫、磷含量：普通碳钢,优质碳钢（一定的力学性能和化学成分，好的塑韧性）,锅炉受压元件须用,优质碳素钢,制造。,在,中、低压锅炉,的制造中，广泛采用,优质低碳钢,和,低合金钢，,这两种钢具有一定的强度和良好的冷加工、焊接等工艺性能。,1、碳素钢,碳素钢是以铁为基体，含碳量低于2.11%的铁碳合金。,钢材中的含碳量越高，其强度越高，但塑性和韧性降低较多，不能满足锅炉承压的要求。因此制造锅炉受压元件的钢材，其含碳量需在规定的范围内。,钢材中含有过量的,硫,时：,400,高温下工作或,热加工过程中易发生脆化（,热脆性,）；,钢材中含有过量的,磷,时：较低,温度下工作或,冷加工过程中易发生脆化（,冷脆性,）。,优质碳素钢的表示方法：两位数字（钢中平均含碳量的万分之几）。,如20,20g(平均含碳量为0.20%的优质碳素钢（锅炉专用钢）,2、合金钢,合金钢是为了获得钢材的必要性能而在冶炼过程中加入一种或多种合金元素的钢材。,低合金钢,：,锅炉制造中越来越多选用,低合金钢,取代,优质碳素钢，,减少金属耗量。,高合金钢：,在锅炉机组中，只有与高温火焰直接接触的吹灰器、固定件等才采用耐热的高合金钢制造。,合金钢的表示方法：数字（钢中平均含碳量的万分之几）,+,合金元素（用化学符号表示）,+,数字（数字前所含合金元素的平均百分数，含量小于等于,1.5%,可不标）。,如：,16Mng,表示,钢中平均含碳量为,0.16%,、平均含锰量为,1%,的锅炉用普通低锰合金钢。,二、对锅炉钢材的要求,1、规定的强度,（1）短期强度特性 应力小于屈服点，钢材仅产生弹性变形；达到屈服点还产生塑性变形。只要应力不变，变形值也不变，这种现象称短期强度特性。指标：常温及工作下的屈服点、抗拉强度,（2）长期,强度特性,表示长期,强度特性采用以下两个指标,：,1）蠕变强度：,在某一较高温度下，在规定的工作时间内，引起允许的总蠕变变形的应力称为蠕变强度。,2）持久强度：,在某一较高温度下，在规定的工作期限内，引起蠕变破坏时的应力称为持久强度。,区别：前者是引起变形的因素，而后者是引起破坏的因素。,在高温条件下，不但要考虑钢材的,短期强度特性，还要考虑钢材的长期强度特性,。,2、规定的塑性和韧性,（1）钢材的塑性 制造锅炉受压元件的钢材应具有变形而不破坏的特性，即钢材的塑性要比较好。,（2）规定的韧性,反映钢材发生脆性破坏的指标。用 表示,试样缺口底部单位横截面积上的应变时效冲击吸收功，单位为J/CM2。,锅炉用钢材，不但要求保证常温冲击韧性，还要保证一定的时效冲击韧性。,3、良好的可焊性,钢材的可焊性是表示在焊接过程中及焊接后发生裂纹的倾向性。它与钢材的化学成分、力学性能有关，也与焊接材料及工艺方法有关，评定钢材可焊性一般包含两个方面：,（1）工艺可焊性。抗裂性,（2）使用可焊性。（焊接接头在使用中的可靠性，也包括接头的力学性能及其他特殊性能。,第二节 锅炉主要设备用钢,一、锅炉管道用钢及事故分析,（一）对锅炉管道用钢的要求,锅炉管道包括,受热面管子,（过热器、水冷壁（蒸发器）管、省煤器等管子）和,蒸汽管道,（主蒸汽管道、蒸汽导管、联箱、连接管等）管道。,电厂对管路管道用钢有下列要求：,（1）足够高的蠕变强度、持久强度和良好的持久塑性。,（2）高的抗氧化性能和耐腐蚀性。,（3）足够的组织稳定性。,（4）良好的工艺性能，特别是焊接性能要好。,以上三式中：,钢在T温度下的屈服强度；,钢在T温度下的抗拉强度；,钢在T温度下断裂时间为10,5,h的持久强度；,n,安全系数,选择锅炉管道用钢，其主要依据是其工作温度。,进行强度计算时，必须确定在工作温度下的许用应力,。,根据,JB2194-77,的规定，对锅炉所用的低碳钢、低锰碳钢及低碳锰钒钢在,380,以下，其他低合金耐热钢在,420,以下，许用应力,按下式计算：,在380或420 以上除按上式计算外，还需按持久强度计算许用应力：,=,=或 =,（二）锅炉管道用钢介绍,蒸汽温度在450以下的低压锅炉管道主要使用10号、20号优质碳素结构钢。,中、高压机组除水冷壁（蒸发器）和省煤器管用20A碳钢外，其它受热面管子和蒸汽管道均采用合金钢管。,常用的锅炉管道用钢其化学成分和应用范围列于表7l中.,常用的锅炉管道用钢其热处理和机械性能列于表72中。,下面按锅炉管道的壁温(工作温度)介绍一些用钢情况：,1壁温500的过热器管子及壁温450的蒸汽管道,一般采用优质碳素结构钢，其含碳量在0.10.2之间，组织为铁素体和珠光体。常用的是20号钢，该钢在450以下具有足够的强度，530以下具有抗氧化性能，而且工艺性能良好，价格低廉。碳钢钢管在高温长期运行过程中，会出现渗碳体球化和石墨化现象，出现了组织的异常情况后，钢的蠕变极限和持久强度会降低。,2壁温550的过热器管子及壁温510的蒸汽管道,15CrMo钢是在这个温度范围内应用很广泛的钢种。,15CrMo钢的化学成分及热处理工艺在表7l及表72中均已分别作了介绍。经热处理后的组织一般是铁素体和珠光体，有些是贝氏体。15CrMo钢在500550温度范围内有较高的热强性和抗氧化性能，其工艺性能也很好。,15CrMo钢虽无石墨化倾向，但在高温下长期运行过程中会发生渗碳体的球化及固镕体中合金元素贫化的组织变化，从而使热强性降低。当温度超过550时，持久强度显著下降。,我国在发展普通低合金钢时，结合我目的资源情况，提出以,12MnMoV,钢替代,15CrMo,钢。,3.壁温,580的过热器管子及壁温,540的蒸汽管道,在这个温度范围内应用最广泛的锅炉管道钢是,12Cr1MoV钢及 型,的耐热钢.,(1)12CrlMoV钢,12CrlMoV钢是在CrMo钢的基础上，加入02钒的低合宝耐热钢。钒是强碳化物元素，VC细碎而稳定，对钢的弥散硬化效果好。因而，12Cr1MoV钢的耐热性能比铬钼钢高，工艺性能也很好，在国内外均得到广泛应用。,12Cr1MoV钢在高温下长期运行过程中，也会发生渗碳体球化及固镕体中合金元素贫化的现象，而使热强性降低。若因温工作，这种现象更为严重。,我国曾研制了12MoVwWBSiRe（无铬8号）钢，代替12Cr1Mov钢用于制造锅炉管道，但是该钢种的生产工艺尚不够成熟，质量也还不稳定。,（2）钢,提高铬钼钢中合金元素的含量，当Cr2.25、Mo1时具有最佳的热强性。钢是比较成熟的钢种，在美英联邦德国日本等工业发达的国家中应用于锅炉管道已有相当长的历史，例如美国的P22，瑞典的HT8、日本的STBA24，联邦德国的,10CrMo910,钢。其蠕变极限和持久强度比12Cr1MoV钢低，最常用的温度是540550。,10CrMo910,钢,用于低中压锅炉（工作压力一般不大于5.88Mpa，工作温度在450以下）的受热面管子；用于高压锅炉（工作压力一般在9.8Mpa以上，工作温度在450650之间）的受热面管子、省煤器、过热器、石化工业用管等。,4 壁温600620的过热器管子及壁温550570的蒸汽管道,多年来国内外均致力于,研究进一步提高合金耐热钢的使用温度，,使之超过600，甚至达到620，我国研制成功的有12Cr2MoWVB(钢102)和12Cr3MoVSiTiB钢（II11）钢；俄罗斯有12X2MCP、12X2B钢；联邦德国有10CrSiMoV钢等。这些钢种目前多用于壁温600620的过热器和再热器管子，很少用于蒸汽管子。,微量多元合金化是这类钢种的共同特点，,铬含量在2左右，其他的元素含量更少 由于多种元素的相互作用，使钢具有更高的化学稳定性和组织稳定性，因而耐热性能更好。例如12Cr3MoVSiTiB钢在600620时持久强度94100Mpa；620时抗氧化速度仅为0.00873mm/a。,5 壁温600650的过热器管子及壁温550560的蒸汽管道,当锅炉气温达到570时，高温段过热器管子的壁温可达到620以上。这时，珠光体型的低合金耐热钢已不能满足要求，需要采用高合金耐热钢。有些还采用奥氏体型耐热钢来制造。,最新进展,这几年我国火电厂已向大型机组方向发展，新建或改进的火电厂，均是30万、60万，甚至已引进了90万的大机组。这些机组均是亚临界、超临界的参数，对锅炉受热面管道用的材料性能要求更高。,目前这些高参数大机组锅炉受热面管道均采用含铬量较高的耐热钢来制造，最常用的9Cr1Mo型马氏体型耐热钢。,属于这一类型的在我国30万以上大机组上应用的钢种有美国的T9和P9钢，日本的STBA26和STPA26钢，德国的X12CrMo91钢以及瑞典的H17钢等。,为了进一步提高钢的热强性，又,添加了2Mo的9Cr2Mo钢,，即日本的HCM9M钢。加入了合金元素V和Nb，控制微量加入的Al和N的含量，使钢具有了更高的热强性和抗高温氧化性能，还具有良好的冲击韧性和稳定的持久塑性。,这类钢目前主要用于制造亚临界、超临界锅炉壁温625的高温过热器、壁温650的高温再热器管道以及壁温600的高温集箱和蒸汽管道，也可用于核电设备的热交换器。,这类马氏体型的耐热钢，我国也已研制成功，牌号为10Cr9Mo1VNb钢；引进的材料有：美国的T91和P91，日本的火STBA28、火STPA28，俄罗斯的10X9M-III钢，法国的TUZ10CDVnbO9.01钢等。,Cr12马氏体型耐热型钢,主要是依靠铬，钼，钨等元素在钢中起固溶强化的作用来提高热强性；有些加入钒铌等元素来起弥散硬化，加入硼，稀土等元素来加强晶界，从而进一步提高蠕变极限和持久强度，在高温下持久运行过程中此类钢不会断析出Fe3Mo、Fe,2,W等金属化合物，可以抵消因固溶体中合金元素贫化（贫钼或钨）而削弱固容强化的现象；同时有由于固容体中保持高浓度的铬，使其具有高的抗腐蚀能力和抗氧化性。,我国在300机组中采用F11或F12钢做再热器管子及出口联箱。,Cr12钢含铬量高，高温加热后在空气中冷却即可获得马氏体组织，所以焊接性能较差。,过热器管子壁温超过650，蒸汽管道壁温超过600后需要使用奥氏体耐热钢，,奥氏体耐热钢具有较高的高温强度和耐腐蚀性能，最高使用温度可达到700左右。目前应用的有0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、1Cr19Ni9、0Cr18Ni9Ti和1Cr18Ni9Ti等钢种。,（三）锅炉受热面管子常见受热面事故的分析,锅炉受热面管子常见事故,主要有长时超温爆管，短时超温爆管，材质不良爆管及腐蚀性热疲劳裂纹损坏,等。,1.,长时超温爆管,如果锅炉受热面管子在运行过程中，因某些原因使管壁温度超过设计温度，在高温长时间作用下，导致钢材组织结构的变化，蠕动速度加快，持久强度下降，使用寿命达不到设计要求而提早爆破损坏，称为,长时超温爆管,，也有叫做长期过热爆管或一段性过热损坏，,长时超温爆管由于管壁温度还没达到临界点温度，爆管时虽然有介质的激冷作用，还不会发生相变。,长时超温爆管一般发生在高温过热器出口段的外圈向火侧据近几年来对过热器管子爆破事故的分析70是由于长时超温而引起的。,长时超温爆管的破口呈粗糙脆性断口，管壁减薄不多，管子胀粗也不很显著，爆破口附近往往有较厚的氧化铁层，,如图71所示。,长时超温爆管的显微组织虽无相变但却有炭化物析出并聚集长大甚至有些