受熱面相關(guān)金屬材料知識

1、2015年4月22日目 錄金屬材料基礎(chǔ)知識受熱面蒸汽流程受熱面的失效受熱面氧化皮專題一、金屬材料基礎(chǔ)知識1 1、鋼鐵材料的分類鋼鐵材料的分類按化學(xué)成分分類： （1）碳素鋼（低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼） （2）合金鋼（低合金鋼、中合金鋼、高合金鋼）按用途分類： （1）結(jié)構(gòu)鋼（碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼） （2）耐熱鋼（低合金耐熱鋼、中合金耐熱鋼、高合金耐 熱鋼） （3）彈簧鋼 （4）軸承鋼 （5）耐酸不銹鋼按金相組織分類：（1）鐵素體鋼: 0Cr13、1Cr17（2）珠光體鋼：12Cr1MoV、15CrMo（3）馬氏體鋼：1Cr13、2Cr13、T91、T92（4）貝氏體鋼：鋼研102（5）奧氏體鋼：T

2、P347H、1Cr18Ni9Ti按品質(zhì)分類：（1）普通鋼 （2）優(yōu)質(zhì)鋼 （3）高級優(yōu)質(zhì)鋼按冶煉方法分類：（1）平爐鋼 （2）轉(zhuǎn)爐鋼 （3）電爐鋼2 2、金屬、金屬的缺陷：的缺陷：（1）表面缺陷（在金屬加工、儲存或使用期間產(chǎn)生的缺陷，如凹坑、劃痕、麻點(diǎn)、折疊、裂紋等）（2）夾層（鋼板軋制時，鋼錠中氣泡、非金屬夾雜物、殘余縮孔引起的鋼板分層）（3）發(fā)紋（沿鋼坯或鋼材的軸向裂開的細(xì)長的裂紋）（4）白點(diǎn)（鋼材組織內(nèi)部存在的細(xì)小裂紋）（5）疏松(金屬凝固收縮，在鑄件最后凝固區(qū)域形成）（6）偏析（鋼中化學(xué)成分或雜質(zhì)分布不均勻而聚集）（7）夾雜物（硫化物、氧化物、硅酸鹽）（8）脫碳（鋼材含碳量降低）（9）過

3、熱（加熱溫度過高，力學(xué)性能顯著下降）（10）過燒（晶界氧化或部分熔化）（11）內(nèi)氧化（工件加熱時，介質(zhì)中的氧沿工件表面向內(nèi)擴(kuò)散，發(fā)生晶界合金元素氧化）3 3、鋼的力學(xué)性能、鋼的力學(xué)性能：（1）應(yīng)力和應(yīng)變 應(yīng)力：物體受外力作用后所導(dǎo)致物體內(nèi)部之間相互作用力成為內(nèi)力，單位面積上的內(nèi)力稱為內(nèi)應(yīng)力。 應(yīng)變：由外力引起的物體的原始尺寸或形狀的相對變化，通常以百分?jǐn)?shù)表示。（2）拉伸性能： 屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長率、斷面收縮率（3）常用的幾種硬度值： 布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRC）、維氏硬度、肖氏硬度、里氏硬度（4）沖擊試驗(yàn)： 沖擊韌性（5）疲勞：材料在循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變作用下，在一處或幾處產(chǎn)生局部

4、永久性累積損傷，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋直至斷裂的過程。 高周疲勞：材料在低于其屈服強(qiáng)度的循環(huán)應(yīng)力作用下，經(jīng)105以上循環(huán)次數(shù)而產(chǎn)生的疲勞。其加載頻率一般超過50Hz。 低周疲勞：材料在接近或超過其屈服強(qiáng)度的循環(huán)應(yīng)力作用下，經(jīng)102105以上循環(huán)次數(shù)而產(chǎn)生的疲勞。其加載頻率一般超過3Hz。（6）金屬材料的高溫長期性能： 蠕變：一定溫度下，金屬受持續(xù)應(yīng)力的作用而產(chǎn)生緩慢的塑性變形現(xiàn)象。 蠕變強(qiáng)度：在規(guī)定的蠕變條件下（一定的溫度、一定的時間內(nèi)，達(dá)到一定的蠕變變形或蠕變速度）材料保持不失效的最大承載能力。 持久強(qiáng)度：在規(guī)定的蠕變條件下（一定的溫度、一定的時間內(nèi)）材料保持不失效的最大承載能力。4 4、

5、鋼的熱處理、鋼的熱處理： 熱處理是將固態(tài)金屬及合金按預(yù)定的要求進(jìn)行加熱、保溫、冷卻，以改變其內(nèi)部組織，從而獲得所要求性能的一種工藝過程。 鋼在熱處理過程中的組織變化，由兩部分組成，一是加熱時，鋼的常溫組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體；二是冷卻時奧氏體分解，隨著冷卻速度的不同，得到不同形態(tài)和組分的珠光體、鐵素體、或馬氏體等轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。（1）加熱、保溫、冷卻三個階段。（2）不是任何焊接都需要熱處理。（3）熱處理的類型： 退火、正火、淬火、回火、固溶處理、時效、表面熱處理、噴丸4號爐主汽堵閥裂紋4號機(jī)中調(diào)門螺栓斷口形貌5 5、鍋爐參數(shù)的發(fā)展：、鍋爐參數(shù)的發(fā)展：高溫：450510540566580620700高壓：10

6、MPa(1416）MPa(1721）MPa(2427）Mpa 30MPa6 6、常用受熱面材料的使用溫度：、常用受熱面材料的使用溫度：材料材料用于受熱面時用于受熱面時的的最高最高使用使用溫度（溫度（）20G45015 CrMoG54012Cr1MoVG570T91650TP304H650TP347H650TP347HFG650Super304H700HR3C700說明：1、最新標(biāo)準(zhǔn)對使用溫度上限的規(guī)定。2、合金元素含量的說明。3、T91、P91、F91和20G、20g、20之區(qū)別。（tube、pipe、forging）7 7、異種鋼接頭的危害及監(jiān)督：、異種鋼接頭的危害及監(jiān)督：碳的遷移碳的遷移

7、由于奧氏體不銹鋼與低合金耐熱鋼的碳含量差異較大，在高溫條件下，碳從低合金鋼一側(cè)通過熔合線向焊縫一側(cè)擴(kuò)散，低合金鋼一側(cè)產(chǎn)生脫碳帶，奧氏體焊縫一側(cè)產(chǎn)生增碳帶，使脫碳的低合金一側(cè)蠕變強(qiáng)度降低，容易產(chǎn)生開裂。使增碳的一側(cè)強(qiáng)度提高，增大了兩側(cè)的強(qiáng)度不匹配狀況，并造成接頭的失效。合金元素的稀釋作用合金元素的稀釋作用 由于低合金鋼的合金含量較低，對焊縫金屬的成分有充淡作用，使焊縫中的奧氏體形成元素含量不足，有可能在焊縫中形成馬氏體組織，從而惡化接頭的性能，甚至引起裂紋。膨脹系數(shù)的差異造成的應(yīng)力膨脹系數(shù)的差異造成的應(yīng)力 奧氏體鋼和低合金鋼的線膨脹系數(shù)相差很大，奧氏體鋼的線膨脹系數(shù)比珠光體鋼高約30%，會在焊縫

8、與低合金鋼側(cè)母材之間的結(jié)合面附近產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。 因此，異種鋼焊接接頭附近是一個成分、組織、性能和應(yīng)力場的不均勻體。在機(jī)組長時間服役運(yùn)行過程中，異種鋼焊接接頭更容易產(chǎn)生蠕變-疲勞裂紋導(dǎo)致早期失效，從而嚴(yán)重威脅到機(jī)組的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。異種鋼的監(jiān)督：異種鋼的監(jiān)督：1 1、取樣做金相和力學(xué)性能分析。、取樣做金相和力學(xué)性能分析。2 2、機(jī)組啟停嚴(yán)格控制升溫升壓、降溫降壓措施。、機(jī)組啟停嚴(yán)格控制升溫升壓、降溫降壓措施。二、受熱面蒸汽流程1 1、受熱面主要結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)：、受熱面主要結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)：2 2、鍋爐縱剖面圖：、鍋爐縱剖面圖：3 3、過熱蒸汽流程：、過熱蒸汽流程：4 4、再熱蒸汽流程：、再熱蒸汽流

9、程：5 5、管排布置：、管排布置：6 6、幾大結(jié)構(gòu)件介紹：、幾大結(jié)構(gòu)件介紹：（1）汽包：（2）減溫器二、受熱面的失效 鍋爐四管爆漏是造成電廠非停的最普遍、最常見的型式。一般占機(jī)組非停的50以上，最高可達(dá)80。由于其嚴(yán)重影響了機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性，因而備受電廠重視。要防止鍋爐四管爆漏，首先要了解四管爆漏的種類和型式，這樣才能有針對性地提出預(yù)防措施。 1、過熱爆管（1）短期過熱（2）長期過熱 2、原始缺陷（1）管材缺陷 （2）焊口爆漏3、氫脆腐蝕4、高溫腐蝕 5、點(diǎn)蝕6、磨損 7、異種鋼焊接接頭拉裂8、疲勞開裂9、應(yīng)力拉裂 管子連接件的安裝不當(dāng)，造成開裂。10、錯用鋼材 管理和檢驗(yàn)上的失誤，易造成

10、錯用鋼材。 對于超（超）臨界機(jī)組，新材料的大量使用，也常會出現(xiàn)錯用材料的現(xiàn)象。如使用看譜鏡容易造成CrMoV鋼與T91鋼的區(qū)分。再如，對于不銹鋼，光譜分析已經(jīng)不能區(qū)分普通不銹鋼和細(xì)晶不銹鋼了。13、TP304H和T91接頭的失效14、吹灰槍卡澀引起15、氧化皮脫落引起四、受熱面氧化皮專題1、氧化皮產(chǎn)生的原因 氧化皮的成分主要是氧化鐵,其中磁性氧化鐵Fe3O4占70%左右,其余是Fe2O3,產(chǎn)生的主要原因： 高溫氧化高溫氧化（形成過程的化學(xué)方程式很多資料有顯示，這里就省去）（形成過程的化學(xué)方程式很多資料有顯示，這里就省去） 影響氧化皮生成的因素主要有6個: 溫度的高低;時間的長短;管材的含鉻量的

11、高低;材料的組織均勻性、晶粒粗細(xì); 水質(zhì)控制; 冷作硬化處理狀況. 溫度是最重要的影響因素.材料的抗蒸汽氧化性能:高鉻鋼優(yōu)于低鉻鋼;奧氏體鋼優(yōu)于鐵素體鋼;細(xì)晶粒鋼優(yōu)于粗晶粒鋼;冷作硬化(如噴丸)鋼優(yōu)于非冷作硬化鋼. 另外:制造廠提供的材料與標(biāo)準(zhǔn)不符或標(biāo)準(zhǔn)過低（如微量元素配比不合理、加工工藝不當(dāng)）高參數(shù)機(jī)組考驗(yàn)的就是金屬材料：鍋爐設(shè)計時過多考慮金屬材料的熱強(qiáng)性，而高溫抗氧化性相對不足，再加上燃燒火焰高度偏高、燃燒偏差、節(jié)流圈設(shè)計不合理和局部堵塞等導(dǎo)致管材高溫氧化，且溫度越高，高溫氧化越快，運(yùn)行時間越長，氧化皮生成越厚。 亞臨界參數(shù)以下鍋爐高溫受熱面管材TP304H/ TP347H可稱為不銹鋼管，

12、但不是不氧化，只是緩慢， 超（超）臨界參數(shù)鍋爐主汽溫度達(dá)到 571、585、605、615615、620620 ，應(yīng)用的管材TP347H/ TP347HFG/Super304H、HR3C其高溫抗氧化性能弱勢就顯露出來，應(yīng)稱為耐熱鋼，2、氧化皮脫落的輕重原因分析： 影響氧化皮剝落的主要因素有影響氧化皮剝落的主要因素有7 7個個: :合金熱膨脹系合金熱膨脹系數(shù)數(shù); ; 氧化皮厚度氧化皮厚度; ; 蒸汽濕度蒸汽濕度; ; 鍋爐啟、停方式和頻鍋爐啟、停方式和頻率率; ; 蒸汽溫度或金屬壁溫蒸汽溫度或金屬壁溫; ; 蒸汽氧含量蒸汽氧含量. .介質(zhì)的壓力。介質(zhì)的壓力。 一般規(guī)律是:氧化皮的厚度超過某一臨界

13、值后,剝落的可能性大大增加;合金與金屬氧化物熱膨脹系數(shù)差異越大,氧化皮剝落的可能性就越大;濕蒸汽可能引起氧化皮剝落,且蒸汽濕度越大,氧化皮剝落的可能性越大;鍋爐啟、停速度過快,可能引起氧化皮剝落;鍋爐啟、停頻率越高,氧化皮剝落的可能性越大;蒸汽溫度(或金屬壁溫)超過某一臨界之后,氧化皮剝落的可能性增大,且溫度越高,氧化皮剝落的可能性越大.鍋爐水壓試驗(yàn)后氧化皮剝落的可能性越大. 氧化皮脫落原因主要是其熱膨脹系數(shù)的差異，在溫度發(fā)生變化時，氧化皮就從金屬本體剝離，所以溫度變化速率對其脫落影響最大，故在停爐時脫落最多，但有的鍋爐運(yùn)行時間不長（不足1萬小時），氧化皮厚度（小于5絲），燜爐時間不短，還發(fā)生

14、了嚴(yán)重的氧化皮脫落，主要是燜爐后引風(fēng)機(jī)開得過早、過大，特別是晝夜溫差大的西部、北部地區(qū)，當(dāng)室外的冷空氣進(jìn)入爐內(nèi)致使溫降的應(yīng)力作用，促使很薄的氧化皮脫落嚴(yán)重。所以停爐保養(yǎng)、開風(fēng)機(jī)、及做空氣動力場試驗(yàn)還要注意環(huán)境溫度狀況。 噴丸處理的管壁抗高溫蒸汽氧化性能明顯增強(qiáng)，TP347HFG/Super304H細(xì)晶粒不銹鋼抗蒸汽氧化性能較好， HR3C高溫抗氧化性能更好于其他管材，但是在超（超）臨界參數(shù)鍋爐中高溫氧化還是不可避免，且溫度越高，高溫氧化越快，只要是長周期（200天左右）高負(fù)荷運(yùn)行的超（超）臨界參數(shù)鍋爐都會產(chǎn)生大量氧化皮的脫落堵塞。 目前關(guān)注的是不銹鋼管材氧化皮問題，其實(shí)鉻鉬鋼也同樣高溫氧化，只

15、是其膨脹系數(shù)差異比不銹鋼管材小，其脫落的臨界厚度比不銹鋼管材厚，垢層臨界厚度：不銹鋼0.10mm，鐵素體鋼0.3 mm0.5mm，（運(yùn)行5萬小時可以達(dá)到）；所以鉻鉬鋼達(dá)到脫落的臨界厚度要長些。3、氧化皮脫落的隱患： 一般情況下停爐時氧化皮脫落堵塞爆管風(fēng)險最大，正常運(yùn)行工況時，雖然超（超）臨界機(jī)組（主汽溫度571/605）爐內(nèi)鋼管就會一直產(chǎn)生高溫氧化，但是脫落的氧化皮會隨著蒸汽帶走，一般不會發(fā)生氧化物堵塞爆管。但是會沖刷損壞汽輪機(jī)葉片、噴嘴、隔板、堵塞疏水管、卡塞主汽閥等部件4、氧化皮產(chǎn)生的防控措施：基建、運(yùn)行、停運(yùn)、啟動鍋爐及增加壁溫測點(diǎn)監(jiān)視：基建、運(yùn)行、停運(yùn)、啟動鍋爐及增加壁溫測點(diǎn)監(jiān)視： 1

16、、基建鍋爐：、基建鍋爐：高參數(shù)機(jī)組考驗(yàn)的就是金屬材料：設(shè)計采用耐氧化合金，超臨界鍋爐：TP347HFG/ Super304H材料來代替TP347H 或內(nèi)部噴丸處理，超超臨界鍋爐使用超細(xì)晶粒TP347HFG鋼或經(jīng)內(nèi)部噴丸處理的Super304H鋼、HR3C 。 2、 運(yùn)行鍋爐：運(yùn)行鍋爐：2.1、控制鍋爐運(yùn)行溫度，加強(qiáng)受熱面的熱偏差監(jiān)視和調(diào)整（同時對偏到高溫管屏進(jìn)行管材升級） 2.2、抑制受熱面溫度周期性波動和溫度變化速率 2.3、做好化水處理，保證汽水品質(zhì)，加氧處理的要關(guān)注氧量的控制及化學(xué)儀表的校驗(yàn)。 3、停運(yùn)鍋爐：、停運(yùn)鍋爐：停運(yùn)不能進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，做好鍋爐保養(yǎng)(晝夜溫差大的地區(qū)注意引風(fēng)機(jī)的開度和時間)，保持管內(nèi)干燥，如管內(nèi)積水，一方面加劇管內(nèi)腐蝕，另一方面清理氧化皮困難。 4、啟動鍋爐：啟動鍋爐：啟停時是氧化皮堵塞爆管的最大風(fēng)險期：開啟旁路抽吸,啟動后采取蓄