受热面相关金属材料知识

受热面相关金属材料知识2015年4月22日目录金属材料基础知识受热面蒸汽流程受热面的失效受热面氧化皮专题一、金属材料基础知识1、钢铁材料的分类按化学成分分类：

（1）碳素钢（低碳钢、中碳钢、高碳钢）

（2）合金钢（低合金钢、中合金钢、高合金钢）按用途分类：

（1）结构钢（碳素结构钢、合金结构钢）

（2）耐热钢（低合金耐热钢、中合金耐热钢、高合金耐

热钢）

（3）弹簧钢

（4）轴承钢

（5）耐酸不锈钢按金相组织分类：（1）铁素体钢:0Cr13、1Cr17（2）珠光体钢：12Cr1MoV、15CrMo（3）马氏体钢：1Cr13、2Cr13、T91、T92（4）贝氏体钢：钢研102（5）奥氏体钢：TP347H、1Cr18Ni9Ti按品质分类：（1）普通钢（2）优质钢（3）高级优质钢按冶炼方法分类：（1）平炉钢（2）转炉钢（3）电炉钢2、金属的缺陷：（1）表面缺陷（在金属加工、储存或使用期间产生的缺陷，如凹坑、划痕、麻点、折叠、裂纹等）（2）夹层（钢板轧制时，钢锭中气泡、非金属夹杂物、残余缩孔引起的钢板分层）（3）发纹（沿钢坯或钢材的轴向裂开的细长的裂纹）（4）白点（钢材组织内部存在的细小裂纹）（5）疏松(金属凝固收缩，在铸件最后凝固区域形成）（6）偏析（钢中化学成分或杂质分布不均匀而聚集）（7）夹杂物（硫化物、氧化物、硅酸盐）（8）脱碳（钢材含碳量降低）（9）过热（加热温度过高，力学性能显著下降）（10）过烧（晶界氧化或部分熔化）（11）内氧化（工件加热时，介质中的氧沿工件表面向内扩散，发生晶界合金元素氧化）3、钢的力学性能：（1）应力和应变

应力：物体受外力作用后所导致物体内部之间相互作用力成为内力，单位面积上的内力称为内应力。

应变：由外力引起的物体的原始尺寸或形状的相对变化，通常以百分数表示。（2）拉伸性能：屈服强度、抗拉强度、断裂伸长率、断面收缩率（3）常用的几种硬度值：布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRC）、维氏硬度、肖氏硬度、里氏硬度（4）冲击试验：冲击韧性（5）疲劳：材料在循环应力和应变作用下，在一处或几处产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹直至断裂的过程。

高周疲劳：材料在低于其屈服强度的循环应力作用下，经105以上循环次数而产生的疲劳。其加载频率一般超过50Hz。

低周疲劳：材料在接近或超过其屈服强度的循环应力作用下，经102～105以上循环次数而产生的疲劳。其加载频率一般超过3Hz。（6）金属材料的高温长期性能：

蠕变：一定温度下，金属受持续应力的作用而产生缓慢的塑性变形现象。

蠕变强度：在规定的蠕变条件下（一定的温度、一定的时间内，达到一定的蠕变变形或蠕变速度）材料保持不失效的最大承载能力。

持久强度：在规定的蠕变条件下（一定的温度、一定的时间内）材料保持不失效的最大承载能力。4、钢的热处理：热处理是将固态金属及合金按预定的要求进行加热、保温、冷却，以改变其内部组织，从而获得所要求性能的一种工艺过程。钢在热处理过程中的组织变化，由两部分组成，一是加热时，钢的常温组织转变为奥氏体；二是冷却时奥氏体分解，随着冷却速度的不同，得到不同形态和组分的珠光体、铁素体、或马氏体等转变产物。（1）加热、保温、冷却三个阶段。（2）不是任何焊接都需要热处理。（3）热处理的类型：

退火、正火、淬火、回火、固溶处理、时效、表面热处理、喷丸4号炉主汽堵阀裂纹4号机中调门螺栓断口形貌5、锅炉参数的发展：高温：450℃→510℃→540℃→566℃→580℃→620℃→700℃高压：10MPa→(14～16）MPa→(17～21）MPa→(24～27）Mpa

→30MPa6、常用受热面材料的使用温度：材料用于受热面时的最高使用温度（℃）20G45015CrMoG54012Cr1MoVG570T91650TP304H650TP347H650TP347HFG650Super304H700HR3C700说明：1、最新标准对使用温度上限的规定。2、合金元素含量的说明。3、T91、P91、F91和20G、20g、20之区别。（tube、pipe、forging）7、异种钢接头的危害及监督：碳的迁移

由于奥氏体不锈钢与低合金耐热钢的碳含量差异较大，在高温条件下，碳从低合金钢一侧通过熔合线向焊缝一侧扩散，低合金钢一侧产生脱碳带，奥氏体焊缝一侧产生增碳带，使脱碳的低合金一侧蠕变强度降低，容易产生开裂。使增碳的一侧强度提高，增大了两侧的强度不匹配状况，并造成接头的失效。合金元素的稀释作用由于低合金钢的合金含量较低，对焊缝金属的成分有充淡作用，使焊缝中的奥氏体形成元素含量不足，有可能在焊缝中形成马氏体组织，从而恶化接头的性能，甚至引起裂纹。膨胀系数的差异造成的应力奥氏体钢和低合金钢的线膨胀系数相差很大，奥氏体钢的线膨胀系数比珠光体钢高约30%，会在焊缝与低合金钢侧母材之间的结合面附近产生较大的热应力。因此，异种钢焊接接头附近是一个成分、组织、性能和应力场的不均匀体。在机组长时间服役运行过程中，异种钢焊接接头更容易产生蠕变-疲劳裂纹导致早期失效，从而严重威胁到机组的安全、稳定、经济地运行。异种钢的监督：1、取样做金相和力学性能分析。2、机组启停严格控制升温升压、降温降压措施。二、受热面蒸汽流程1、受热面主要结构数据：2、锅炉纵剖面图：

3、过热蒸汽流程：

4、再热蒸汽流程：

5、管排布置：6、几大结构件介绍：（1）汽包：（2）减温器二、受热面的失效锅炉四管爆漏是造成电厂非停的最普遍、最常见的型式。一般占机组非停的50％以上，最高可达80％。由于其严重影响了机组的安全性和经济性，因而备受电厂重视。要防止锅炉四管爆漏，首先要了解四管爆漏的种类和型式，这样才能有针对性地提出预防措施。1、过热爆管（1）短期过热（2）长期过热2、原始缺陷（1）管材缺陷

（2）焊口爆漏3、氢脆腐蚀4、高温腐蚀

5、点蚀6、磨损7、异种钢焊接接头拉裂8、疲劳开裂9、应力拉裂管子连接件的安装不当，造成开裂。10、错用钢材

管理和检验上的失误，易造成错用钢材。对于超（超）临界机组，新材料的大量使用，也常会出现错用材料的现象。如使用看谱镜容易造成CrMoV钢与T91钢的区分。再如，对于不锈钢，光谱分析已经不能区分普通不锈钢和细晶不锈钢了。11、TP347H与12Cr1MoV焊接接头早期失效12、TP304H与T22焊接接头早期失效

13、TP304H和T91接头的失效14、吹灰枪卡涩引起15、氧化皮脱落引起四、受热面氧化皮专题1、氧化皮产生的原因氧化皮的成分主要是氧化铁,其中磁性氧化铁Fe3O4占70%左右,其余是Fe2O3,产生的主要原因：高温氧化（形成过程的化学方程式很多资料有显示，这里就省去）影响氧化皮生成的因素主要有6个:温度的高低;时间的长短;管材的含铬量的高低;材料的组织均匀性、晶粒粗细;水质控制;冷作硬化处理状况.温度是最重要的影响因素.材料的抗蒸汽氧化性能:高铬钢优于低铬钢;奥氏体钢优于铁素体钢;细晶粒钢优于粗晶粒钢;冷作硬化(如喷丸)钢优于非冷作硬化钢.另外:制造厂提供的材料与标准不符或标准过低（如微量元素配比不合理、加工工艺不当）高参数机组考验的就是金属材料：锅炉设计时过多考虑金属材料的热强性，而高温抗氧化性相对不足，再加上燃烧火焰高度偏高、燃烧偏差、节流圈设计不合理和局部堵塞等导致管材高温氧化，且温度越高，高温氧化越快，运行时间越长，氧化皮生成越厚。亚临界参数以下锅炉高温受热面管材TP304H/TP347H可称为不锈钢管，但不是不氧化，只是缓慢，超（超）临界参数锅炉主汽温度达到571、585、605、615、620℃

，应用的管材TP347H/TP347HFG/Super304H、HR3C其高温抗氧化性能弱势就显露出来，应称为耐热钢，2、氧化皮脱落的轻重原因分析：

影响氧化皮剥落的主要因素有7个:合金热膨胀系数;氧化皮厚度;蒸汽湿度;锅炉启、停方式和频率;蒸汽温度或金属壁温;蒸汽氧含量.介质的压力。一般规律是:氧化皮的厚度超过某一临界值后,剥落的可能性大大增加;合金与金属氧化物热膨胀系数差异越大,氧化皮剥落的可能性就越大;湿蒸汽可能引起氧化皮剥落,且蒸汽湿度越大,氧化皮剥落的可能性越大;锅炉启、停速度过快,可能引起氧化皮剥落;锅炉启、停频率越高,氧化皮剥落的可能性越大;蒸汽温度(或金属壁温)超过某一临界之后,氧化皮剥落的可能性增大,且温度越高,氧化皮剥落的可能性越大.锅炉水压试验后氧化皮剥落的可能性越大.氧化皮脱落原因主要是其热膨胀系数的差异，在温度发生变化时，氧化皮就从金属本体剥离，所以温度变化速率对其脱落影响最大，故在停炉时脱落最多，但有的锅炉运行时间不长（不足1万小时），氧化皮厚度（小于5丝），焖炉时间不短，还发生了严重的氧化皮脱落，主要是焖炉后引风机开得过早、过大，特别是昼夜温差大的西部、北部地区，当室外的冷空气进入炉内致使温降的应力作用，促使很薄的氧化皮脱落严重。所以停炉保养、开风机、及做空气动力场试验还要注意环境温度状况。喷丸处理的管壁抗高温蒸汽氧化性能明显增强，TP347HFG/Super304H细晶粒不锈钢抗蒸汽氧化性能较好，HR3C高温抗氧化性能更好于其他管材，但是在超（超）临界参数锅炉中高温氧化还是不可避免，且温度越高，高温氧化越快，只要是长周期（200天左右）高负荷运行的超（超）临界参数锅炉都会产生大量氧化皮的脱落堵塞。

目前关注的是不锈钢管材氧化皮问题，其实铬钼钢也同样高温氧化，只是其膨胀系数差异比不锈钢管材小，其脱落的临界厚度比不锈钢管材厚，垢层临界厚度：不锈钢0.10mm，铁素体钢0.3mm～0.5mm，（运行5万小时可以达到）；所以铬钼钢达到脱落的临界厚度要长些。3、氧化皮脱落的隐患：一般情况下停炉时氧化皮脱落堵塞爆管风险最大，正常运行工况时，虽然超（超）临界机组（主汽温度571/605℃）炉内钢管就会一直产生高温氧化，但是脱落的氧化皮会随着蒸汽带走，一般不会发生氧化物堵塞爆管。但是会冲刷损坏汽轮机叶片、喷嘴、隔板、堵塞疏水管、卡塞主汽阀等部件4、氧化皮产生的防控措施：氧化皮的防控措施：主动控制和被动控制主动控制：从基建、运行、停运、启动锅炉及增加壁温测点监视：1、基建锅炉：高参数机组考验的就是金属材料：设计采用耐氧化合金，超临界锅炉：TP347HFG/Super304H材料来代替TP347H或内部喷丸处理，超超临界锅炉使用超细晶粒TP347HFG钢或经内部喷丸处理的Super304H钢、HR3C。2、运行锅炉：2.1、控制锅炉运行温度，加强受热面的热偏差监视和调整（同时对偏到高温管屏进行管材升级）2.2、抑制受热面温度周期性波动和温度变化速率2.3、做好化水处理，保证汽水品质，加氧处理的要关注氧量的控制及化学仪表的校验。3、停运锅炉：停运不能进行强制冷却，做好锅炉保养(昼夜温差大的地区注意引风机的开度和时间)，保持管内干燥，如管内积水，一方面加剧管内腐蚀，另一方面清理氧化皮困难。4、启动锅炉：启停时是氧化皮堵塞爆管的最大风险期：开启旁路抽吸,启动后采取蓄压降负荷扰