四、锅炉与汽轮机用钢及事故分析

1、电厂高温金属材料电厂高温金属材料（四）（四） 锅炉与汽轮机用钢及事故分析1、 锅炉管道用钢及事故分析一、一、 锅炉主要设备用钢及事故分析过热器再热器水冷壁管省煤器主蒸汽管再热蒸汽管道联箱连接管受热面管子蒸汽管道锅炉管道l 锅炉管道材料要求具有良好的持久塑性，一般希望延伸率不小于35%，良好的持久塑性能防止材料产生蠕变脆性破坏 。 高的抗氧化性能和耐腐蚀性。高的抗氧化性能和耐腐蚀性。l对于锅炉管道要求在工作T下氧化深度小于0.1mm/y.良好的加工工艺性能，特别是焊接性能良好的加工工艺性能，特别是焊接性能良好的组织稳定性良好的组织稳定性 l 持久强度是锅炉管道高温强度计算的依据，因锅炉管道失效的

2、主要形式是破裂而不是变形(蠕变)。 足够的高温强度（蠕变强度、持久强度和良好的持久塑性）足够的高温强度（蠕变强度、持久强度和良好的持久塑性）l 锅炉管道在整个工作期间内,一般允许积累一定的蠕变变形量,若规定允许总应变为1%；按工作期限10万h计算，这相当于允许的蠕变速度为10-5 %/h。锅炉管道用钢要求l 蒸汽管道和集汽联箱允许最高使用温度要比过热器管子低30-50锅炉管道用钢许用应力 对于380以下的低碳类钢/锰钢/锰钒钢；420以下的低合金钢安全系数在T温度下的屈服强度nTs在T温度下的抗拉强度nTb或 对于380以上的低碳类钢/锰钢/锰钒钢；420以上的低合金钢在T下断裂时间为105的

3、持久强度持久强度nT510锅炉管道选择依据：工作温度锅炉管道用钢l 按照工作温度：壁温500 的过热器管子和壁温450 的蒸汽管道常用20钢-组织F+P 有石墨化倾向15CrMo钢；组织F+P；长期运行发生15CrMo钢虽无石墨化倾向，但在高温下长期运行过程中会发生珠光体的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。DL/T7872001 火力发电厂用火力发电厂用15CrMo钢珠钢珠光体球化评级标准光体球化评级标准壁温550 的过热器管子和壁温510 的蒸汽管道常用15CrMo钢；组织F+P；有些是B(贝氏体)热处理工艺为正火+高温回火壁温580

4、的过热器管子和壁温540 的蒸汽管道12Cr1MoV钢钢即 Cr=2.25%, Mo=1%美国P22；瑞典HT8；日本STBA24；德国10CrMo910由于加入0.2%V,所形成的VC细碎而稳定,对钢的弥散强化效果好广泛应用MoCr1412壁温620 的过热器管子和壁温570 的蒸汽管道我国：12Cr2MoWVB(钢102)和12Cr3MoVSiTiB(11)微量多元合金化是这类钢种的共同特点微量多元合金化是这类钢种的共同特点特点:微量多元合金化壁温600650 的过热器管子和壁温550600 的蒸汽管道常用9Cr-1Mo型马氏体耐热钢马氏体耐热钢l对于属高参数大机组的锅炉，均采用高合金耐热

5、钢9Cr-2Mo型马氏体耐热钢我国10Cr9Mo1VNb钢新进展（新进展（M耐热钢、耐热钢、A耐热钢）耐热钢）过热器管子壁温超过650，蒸汽管道壁温超过600奥氏体耐热钢l 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。l 美国TP304H、 TP347H新进展（新进展（M耐热钢、耐热钢、A耐热钢）耐热钢）2、 锅炉管道用钢及事故分析 事故分析 失效分析长时超温爆管在高温长时间作用下,钢材使用寿命达不到设计要求而提早破坏l 壁温一般未达到相变T以上;

6、无相变 l一般发生在高温过热器出口段的外圈向火侧长时超温爆管短时超温爆管材质不良爆管b) 爆口周围存在纵向开裂的氧化皮 。c) 管子上整个爆破口张开的程度不大破口边缘的组织：F+碳化物球化，以及碳化物析出及聚集长大a)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，边缘为平整的钝边 。宏观特征微观特征短时超温爆管l壁温一般达到相变T以上；爆破口往往有相变组织 l一般发生在水冷壁管，燃烧带附近 a)管径有明显的胀粗/管壁减薄量大；管子的爆破口呈喇叭形，边缘锋利 ；破口表面光滑b)爆口附近没有裂纹,硬度显著提高 c)爆破口具有韧性断裂特征 宏观特征破口的组织：

7、低碳马氏体微观特征某锅炉15CrMo双面水冷壁管由于启动方式不当,壁温超过Ac3而爆管 20钢水冷壁管短时超温爆管的宏观及微观组织 材质不良引起爆管l错用钢材和钢材内有缺陷引起 l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。20钢省煤器管材料缺陷产生的爆管对流过热器的水平管段以及水气流程后部管子的向火侧常出现这类F1)蒸汽F(氢脆)蒸汽F苛性脆化烟气F垢下F应力FF疲劳氢大量积累在金属管壁与水垢之间,于是在其下面发生了氢F特征：垢下有沿管轴方向的裂纹产生,微裂纹附近脱碳明显.当F严重时,管子表面会出现全

8、脱碳层；金属变脆.严重时管壁未减薄就发生爆管 2432443HOFeOHFe破口附近显微组织可观察到沿晶裂纹20钢水冷壁管氢脆爆管破口爆口呈窗口状,没有塑性变形和胀粗措施：保持管内壁的洁净,使均匀的保护膜不受破坏；保证给水品质,定期进行锅内的化学清洗,去除管内壁的沉积物以及稳定工况,防止炉管的局部汽水循环不良和超温等。腐蚀引起的爆管(腐蚀失效)1、汽包用钢要求二、二、锅炉汽包及其它部件用钢l汽包处于中温(350以下)/高压状态下工作，它除承受较高的内压力以外，还受到冲击/疲劳载荷/热应力/水和蒸汽介质的腐蚀作用等 。l屈服强度可从250500MPa选取较高的常温和中温强度l汽包制造中要在钢板表

9、面开管孔和焊接管接头,易造成应力集中 良好的塑性/韧性和冷弯性能较低的缺口敏感性 良好的冶金质量良好的焊接性 l国内外都有在焊缝处产生裂纹的例子，有的还引起了爆炸事故，其中大多为焊接热影响区近熔合线处的再热裂纹。要求钢的分层/非金属夹杂/气孔/疏松等缺陷尽可能少；不允许有白点及裂纹。锅炉汽包的工作条件及对材料的要求l屈服强度350MPa 汽包用钢2、锅炉汽包及其它部件用钢屈服强度 ReL16Mng应用最广泛的汽包用钢取代20钢后,钢材可节约20%30%ReL400MPa15MnVg高压汽包用钢ReL500MPa14MnMoVg用于厚度60mm的钢板ReL500MPa的钢板还有18MnMoNbg

10、14CrMnMoVB （ReL 650650一一700MPa700MPa）l吹灰器的工作时间很短,但是工作T却很高。l吹灰器布置的位置不同,工作T也不同,因而所用的材料有不同。l吹灰管应能保证使用5年以上,喷头应保证能用到两年左右。三、吹灰器用钢A耐热钢高铬不锈钢低合金耐热钢碳钢和耐热铸铁使用T 450低温省煤器和低温空气预热器区的吹灰器低温省煤器和低温空气预热器区的吹灰器Cr25Ni 用于燃烧室区，使用T 1000燃烧室吹灰器燃烧室吹灰器1Cr18Ni9Ti 用于高温过热器区，使用800 锅炉固定零件用钢4、 锅炉汽包其它部件用钢Cr20Ni14Si2/ Cr25Ni12 :用于炉膛和前部烟

11、道的吊架和夹马l珠光体耐热钢；工作T750 l我国研制的吊架用耐热钢管子夹马/定位板/吊架/支座等 Cr18Mn9Ni2Si2N(钢101)l高铬镍A耐热钢；使用T 1000Cr6SiMo 用于对流加热面部分的固定件l工作T900 ；不含镍 Cr18Mn11Si2N(D1)l工作T=850 1100；少镍二、二、 汽轮机主要零部件用钢及事故分析1、叶片用钢及事故分析性能要求叶片在极为复杂的工况下长期工作，工作寿命要求大于10万h。动叶片：装在转子上；动叶片短的只有几cm，大型末级叶片长达700mm甚至1m 。静叶片装在隔板上l第一级的动叶与静叶所处的T最高；至末级则接近100 例如当末级叶片长

12、度达1m时,其圆周速度已达560m/s以上,所产生的离心力使动叶片承受巨大的扭应力l动叶片在工作中承受极为复杂的动应力(弯曲/扭/离心力)和T应力l叶片的振动的振动是引起断裂的重要原因重要原因l处在湿蒸汽区工作的末级叶片,经受电化学腐蚀 2、叶片用钢及事故分析性能要求l低/中压叶片工作T400良好的常温和高温力学性能良好的抗蚀性减振性 良好的工艺性能一定的耐磨性 l最后几级叶片,由于蒸汽中出现水滴,使叶片受水滴的冲刷而产生机械磨损 叶片成型工艺复杂,数量大； 希望材料具有良好的加工性能,利于生产 l处在湿蒸汽区工作的末级叶片,用不锈钢 l1Cr13 叶片用钢铬不锈钢用于汽轮机的前几级,工作T4

13、80强化型不锈钢如Cr11MoV, Cr12WMoV, Cr12WNbVB等13%铬不锈钢12%铬强化型不锈钢l2Cr13 用于汽轮机的后几级,工作T450用于大型机组,工作T500 事故分析长期疲劳破坏防止措施：消除共振/提高制造质量/改善运行条件腐蚀疲劳损坏应力腐蚀损坏长期疲劳破坏短期疲劳破坏接触疲劳破坏l在低于疲劳强度的应力状态下,经过较长时间(107次)发生的疲劳损坏又称高周疲劳发生高周疲劳时,其同时断裂的叶片较多,断裂位置相似l宏观断口平整，断面呈细瓷状，具有典型贝壳状花样； 微观断口形貌为疲劳条纹，条纹间距小。 例如，因叶片或叶片组存在着某种高例如，因叶片或叶片组存在着某种高频振动

14、而引起共振损坏；叶片表面有频振动而引起共振损坏；叶片表面有缺陷缺陷(如夹杂、腐蚀点坑、划痕等如夹杂、腐蚀点坑、划痕等)，使，使叶片局部区域产生应力集中而提早发叶片局部区域产生应力集中而提早发生疲劳损坏；由于运行不正常生疲劳损坏；由于运行不正常(如低周如低周波运行、超负荷运行、低负荷运行等波运行、超负荷运行、低负荷运行等)，使某些级的叶片应力升高，导致提早使某些级的叶片应力升高，导致提早破坏。长期疲劳损坏在电厂叶片事故破坏。长期疲劳损坏在电厂叶片事故中最为常见。中最为常见。短期疲劳破坏防止措施:消除共振/防止水击l在受到外界较大的应力作用下,经过较短时间(107次)发生的疲劳损坏由于水进入汽轮机

15、内长产生这类破坏,又称水击断裂l断口粗糙，疲劳贝壳纹不明显，断面新鲜且具有金属光泽； 有人字型纹路。断口周围常产生宏观变形； 叶片出汽边呈波浪形；其微观特征为韧窝和条纹 。例如，由于运行不正常。疏水系统发生故障，使水进入气轮机内，叶片遭到水的冲击而承受例如，由于运行不正常。疏水系统发生故障，使水进入气轮机内，叶片遭到水的冲击而承受较大的应力，随即很快损坏；或是由于设计不良，安装不好，存在较大的低频激振力（如转较大的应力，随即很快损坏；或是由于设计不良，安装不好，存在较大的低频激振力（如转子不平衡而产生的振动；隔板结构不佳或安装不良，存在较大的交变应力；或是喷嘴损坏，子不平衡而产生的振动；隔板结

16、构不佳或安装不良，存在较大的交变应力；或是喷嘴损坏，使叶片受到不均等），当低频激振力与叶片的自振频率相同时就引起共振，会很快导致叶片使叶片受到不均等），当低频激振力与叶片的自振频率相同时就引起共振，会很快导致叶片的断裂。的断裂。接触疲劳破坏lY在根部因振动而出现往复循环的摩擦,导致产生微动疲劳裂纹特征是在叶根的接触部位产生黑斑 黑斑处的表面是坚硬的氧化物,里层是形变硬化组织；在黑斑边缘有微动疲劳裂纹.其方向与微动滑移的方向垂直l疲劳断口往往具有多个裂源.断裂发生于投产的初期几百至几千h内防止措施:消除共振/提高叶根的刚度和安装质量/防止振动传递至叶根/增大叶根的有效接触面/减少局部应力集中等

17、应力腐蚀损坏防止措施:防止对Y焊接时超温/消除材质内应力/改善蒸汽品质等l主要发生在末几级叶片上,18-8型A不锈钢和2Cr13钢制叶片均有发生 其裂纹走向为沿晶型,常出现分叉；其内可见腐蚀坑和沉积物(富Cl)l叶片断口的微观特征是冰糖块状花样2、 汽轮机转子用钢及事故分析1)性能要求l中压以下汽轮机叶轮通常是用红套方式装在主轴上,圆周线速度很高,承受着巨大的切向/径向应力,以及由内外缘T梯度造成的热应力对材料要求转子由主轴和叶轮组成.l主轴为高速旋转部件,运行中承受很大的离心力和由自重引起的弯曲应力.当电力系统突然短路时,还要承受很大的扭矩和冲击负荷 l过热蒸汽通过各级叶片时汽温逐级降低,主

18、轴承受着由T梯度造成的热应力 应具有规定的化学成分和高的淬透性材料在最终热处理后,应具有稳定的组织和低的残余应力具有良好的抗氧化性能和抗高温蒸汽腐蚀的能力 良好的焊接性 不得有白点/裂缝或其它超标缺陷存在2) 转子用钢34CrMo :用于工作T480的汽轮机主轴 17CrMo1V:工作T480的焊接转子. l一般为中碳钢和中碳合金钢功率较大的转子选用合金钢 低的碳量以确保焊接性27Cr2Mo1V:工作T540的整锻转子和叶轮34CrNi3Mo:工作T35%时,能防止发生脆性断裂一定的抗氧化性能,以防止螺栓与螺帽之间咬死螺纹应光洁/平滑；不应有凹痕/裂口/毛刺等会引起应力集中的缺陷工作T 570 ；200MW和300MW