第七章_耐热钢

合金的结构与相图第七章锅炉与汽轮机用及事故分析合金的结构与相图第一节锅炉主要设备用钢及事故分析一、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、再热器、水冷壁管、省煤器等管子）和蒸汽管道（主蒸汽管道、再热蒸汽管道、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。合金的结构与相图以上三式中：——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105h的持久强度；n——安全系数nTs／nTb／nT105／TsTbT105•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[σ]。•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[σ]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[σ]：[σ]=[σ]=或[σ]=合金的结构与相图（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7—l中.•常用的锅炉管道用钢其热处理和机械性能列于表7—2中。•下面按锅炉管道的壁温(工作温度)介绍一些用钢情况：合金的结构与相图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0.1％～0.2％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7—l及表7—2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500～550℃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。合金的结构与相图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Cr—Mo钢的基础上，加入0．2％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Cr＝2.25％、Mo＝1％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540~550℃。1Mo-Cr4121Mo-Cr4121Mo-Cr412合金的结构与相图4．壁温≤600～620℃的过热器管子及壁温≤550～570℃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12X2MφCP、12X2ΦB钢；联邦德国有10CrSiMoV钢等。这些钢种目前多用于壁温600～620℃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600～620℃时持久强度≥94～100Mpa；620℃时抗氧化速度仅为0.00873mm/a。5．壁温≤600～650℃的过热器管子及壁温≤550～560℃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。合金的结构与相图最新进展•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9Cr－1Mo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2％Mo的9Cr－2Mo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10X9MфБ-III钢，法国的TUZ10CD－VnbO9.01钢等。合金的结构与相图•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、Fe2W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。合金的结构与相图（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7－1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还会出现石墨化等组织变化，如图7－2所示。合金的结构与相图图7-120钢过热器管长时超温爆管的宏观形貌7－220钢过热器管长时超温爆管的微观组织合金的结构与相图1.短时超温爆管•锅炉受热面管子在运行过程中，由于冷却条件的恶化，使管壁温度在短时间内突然上升，达到临界点以上温度。在这样高的温度下钢的抗拉强度急剧下降，在介质压力作用下温度最高的向火侧首先发生塑性形变，管径张粗，管壁减薄，随后发生剪切断裂而爆破。爆破时，由于介质对炽热的管壁产生激冷作用，在爆破口往往有相变的组织结构，这种爆管就成为短时超温爆管，也有叫做短时过热爆管或加速蠕变爆管。•短时超温爆管大多数发生在水冷壁管、凝渣管上，特别是水冷壁管热负荷最高的地方，如燃烧带附近及明喷燃器附近的向火侧。•短时超温爆破口一般胀粗较为明显，管壁减薄很多，爆破口呈尖锐的喇叭形，其边缘很锋利，具有韧性断裂的特征。爆破口附近有时有氧化铁层，有时没有。爆破口的这些特征是与超温爆管时产生了较大的塑性变形，使管缝减薄，因而承受不了介质的压力而引起剪切断裂有密切关系。•短时超温爆管的过程类似作高温短时拉伸试验，在应力的作用下，先引起塑性变形，后在局部地区出现收缩现象，最后形成剪切裂纹而产生韧性断裂。合金的结构与相图•爆破口附近的氧化铁层厚度，可从运行情况来分析。如果管子一直是在设计湿度下运行的．至化铁层就范，甚至没有；如果曾经在超温情况下运行过一段时间后再发生短时超温爆管．则氧化铁层就较厚，而且爆破口的背部(即背火侧)还会出现碳化物球化等组织变化。•组织变化后，机械性能也会发生改变。如对爆破口断面进行硬度测定，可发现爆破口周向断面上各点的硬度差异很大，爆破口的硬度明显增高。图5-520钢水冷壁管短时超温爆管的宏观及微观组织合金的结构与相图3．材质不良引起的爆管•材质不良爆管是指错用钢材或使用有缺陷的钢材造成锅炉管道提早损坏。•错用钢材往往是指把性能比较低的钢材用到高参数的工况下，实际上是一种超温运行。一旦发生爆管事故，是属于长时超温爆管，其爆破口的宏观特征和微观组织的变化基本上与长时超温爆管相同。在制造、安装和检修时，未经计算就选用了低一级的钢管，即认为是错用钢材。例如蒸汽参数为535℃、l0MPa的主蒸汽管道，正常使用的钢材应为22Cr1MoV钢，若误用了20钢，由于该钢用于主蒸汽管道的允许温度是450℃，因此只要运行几干小时就会发生爆破。•使用了大于壁厚负偏差的拆叠、结疤、离层、发纹和大于壁厚5％的横向发裂以及严重夹杂、脱碳的管子称为使用有缺陷的钢材。这些缺陷的存在严重地削弱了管壁强度，在高温和应力的长时间作用下，缺陷部位容易形成应力集中现象，产生裂纹使缺陷加深，腐蚀介质也可能侵入缺陷区域使腐蚀速度加快，使受热面管子承受不了介质的压力而爆破。•有缺陷管子爆破时，爆破口往往是沿缺陷豁开，裂纹较直。爆破口边缘一般有两部分，有缺陷的部分边缘粗糙呈脆性断面；没有缺陷的部分则呈韧性断面。合金的结构与相图二、锅炉汽包及其它部件用钢(一)锅炉汽包的工作条什及对材料的要求•锅炉汽包钢材处于中温(350℃以下)高压状态下工作，它除承受较高的内压以外，还会受到冲击、疲劳载荷及水和蒸汽介质的腐蚀作用。对锅炉汽包提出的要求：•(1)较高的强度，包括常温和中温强度。在设计时，屈服极限和抗拉强度都作为钢材许用应力的计算依据。•(2)良好的塑性、韧性和冷弯性能。•(3)较低的缺口敏感性。在制造锅炉时，要在锅炉钢板上开孔和焊接管子接头，往会造成应力集中，因此要求钢材有较低的缺口敏感性。•(4)要求分层、非金属夹杂物、气孔、疏