火電廠常用金屬材料

1、電廠金屬材料 一、金屬材料的性能及組織 二、電廠常用的金屬材料電廠常用的金屬材料 三、電廠三、電廠金屬部件失效案例一、金屬材料的性能及組織 1.物理性能 2.化學(xué)性能 3.機(jī)械性能 4.高溫性能 5.高溫下長(zhǎng)期運(yùn)行后的 組織轉(zhuǎn)變 6.金屬的疲勞 7.金屬的腐蝕 8.其它性能1.物理性能 密度：某種物質(zhì)單位體積的質(zhì)量。鋼的密度7.8g/cm3熔點(diǎn)：金屬材料由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的溫度。 熱膨脹性：金屬及合金受熱時(shí)體積增大，冷卻時(shí)又收縮的一種性能。 導(dǎo)熱性：金屬材料在加熱時(shí)能傳導(dǎo)熱能的性能。 導(dǎo)電性：金屬材料傳導(dǎo)電流的性能。 磁性：金屬被磁鐵磁化或吸引的性能。 耐磨性：金屬抵抗磨損的性能2. 化學(xué)性能

2、耐腐蝕性：金屬材料抵抗空氣、水蒸氣及其它化學(xué)介質(zhì)腐蝕破壞的能力。 抗氧化性：金屬材料在室溫或高溫條件下， 抵抗氧化作用的能力。 化學(xué)穩(wěn)定性：是金屬材料的耐腐蝕性和抗氧化性的總稱。 化學(xué)性能主要取決于鋼的化學(xué)成分及其熱處理工藝3.機(jī)械性能 強(qiáng)度指標(biāo) 塑性指標(biāo) 硬度 沖擊韌性 剛性3.1.強(qiáng)度指標(biāo) 抗拉強(qiáng)度：表示材料在拉伸條件下能負(fù)擔(dān)的最大外力，是試樣拉斷前最大的應(yīng)力，即最大拉力與原來的橫截面積之比。單位：MPa。 屈服強(qiáng)度：是指材料在拉伸試驗(yàn)過程中開始發(fā)生明顯塑性變形時(shí)的應(yīng)力。單位：MPa。3.2塑性指標(biāo) 塑性：是指材料斷裂前承受塑性變形的能力。 塑性指標(biāo)：伸長(zhǎng)率A % 、斷面收縮率Z % 伸長(zhǎng)

3、率：試樣拉斷后，標(biāo)距的伸長(zhǎng)與原始標(biāo)距的百分比。 斷面收縮率：試樣拉斷后，斷面橫截面積最大的縮減量與原始截面積的百分比。3.3硬度 硬度：金屬材料抵抗更硬的物體壓入其表面的能力。 硬度試驗(yàn)方法有很多種，對(duì)于電廠金屬材料來講，實(shí)驗(yàn)室主要采用布氏硬度試驗(yàn)方法（硬度值HB ） ，現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)常用的是里氏硬度試驗(yàn)方法（硬度值HLD ）， HLD可換算成 布氏硬度HB。 硬度與強(qiáng)度之間有線性關(guān)系：b=kHB K=0.34-0.36退火狀態(tài)的碳鋼 K=0.33-0.35合金調(diào)質(zhì)鋼3.4沖擊韌性 沖擊韌性：表示材料抵抗沖擊載荷的能力。用符號(hào)ak表示，單位J/cm2 akU；表示U型缺口形狀試樣的沖擊韌性。 akv

4、；表示V型缺口形狀試樣的沖擊韌性。3.5剛性 剛性：表示材料抵抗彈性變形的能力。 彈性模量E：表示材料抵抗彈性變形能力的一個(gè)參數(shù)， E值由試驗(yàn)測(cè)得，單位GN/m2 ，稱吉帕GPa。4.金屬材料的高溫性能 蠕變極限 持久強(qiáng)度 持久塑性 熱脆性 應(yīng)力松弛4.1 蠕變及蠕變極限 蠕變：金屬在一定溫度和應(yīng)力作用下，隨著時(shí)間的增加慢慢地發(fā)生塑性變形的現(xiàn)象。 蠕變極限：在規(guī)定的溫度和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，試樣產(chǎn)生規(guī)定的蠕變伸長(zhǎng)率的應(yīng)力值。鍋爐、汽機(jī)主要部件工作時(shí)間規(guī)定10萬小時(shí)。 蠕變極限符號(hào)：t1x10-5 蠕變影響因素：溫度、應(yīng)力、時(shí)間、金相組織（貝氏體最高，馬氏體次之，鐵素體珠光體最差）。 應(yīng)用：汽輪機(jī)葉片

5、、葉輪、隔板等部件在高溫及應(yīng)力長(zhǎng)期作用下，對(duì)蠕變要求嚴(yán)格，這些部件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，蠕變極限作為一個(gè)高溫強(qiáng)度計(jì)算指標(biāo)。對(duì)于鍋爐管子蠕變極限作為強(qiáng)度校核指標(biāo)，在導(dǎo)氣管、主蒸汽管道上安裝蠕變測(cè)點(diǎn)，定期測(cè)量其蠕變變形，對(duì)蠕變嚴(yán)重的管子及時(shí)更換。4.2持久強(qiáng)度 持久強(qiáng)度：金屬材料在高溫和應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下抵抗斷裂的能力。電站設(shè)備零件設(shè)計(jì)中以高溫下運(yùn)行10萬小時(shí)斷裂時(shí)的應(yīng)力作為持久強(qiáng)度。 持久強(qiáng)度試驗(yàn)：試驗(yàn)室是通過一組試樣，在給定的溫度、不同應(yīng)力下測(cè)量其斷裂時(shí)間，最長(zhǎng)試驗(yàn)時(shí)間約10000小時(shí)，再外推10萬小時(shí)得出持久強(qiáng)度值。 符號(hào)： t105 ，單位MPa 影響因素：冶金質(zhì)量、熱處理、金相組織、晶粒度、預(yù)變

6、性、溫度波動(dòng)、其它因素如腐蝕、結(jié)構(gòu)突變處應(yīng)力集中等影響。4.3持久塑性 持久塑性：金屬材料在高溫和應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下斷裂時(shí)發(fā)生塑性變形的能力。是在高溫下工作部件的一個(gè)重要指標(biāo)。 通過持久強(qiáng)度試驗(yàn)，用試樣斷裂后的延伸率及斷面收縮率來表示。 符號(hào)：延伸率A=(L1-L0)/LO X100% ，斷面收縮率Z=(F0-F1)/FO X100%。 對(duì)于在高溫下長(zhǎng)期運(yùn)行的鍋爐鋼，一般希望A不低于3%-5%。4.4 熱脆性 熱脆性：在高溫和應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下，鋼的沖擊韌性產(chǎn)生下降的現(xiàn)象。 影響因素：化學(xué)成分（ P Cr Mn Ni增加熱脆性，Mo W V減小熱脆性，）、組織特征、蠕變的塑形變形和新相的產(chǎn)生、運(yùn)行

7、時(shí)間4.5應(yīng)力松弛 應(yīng)力松弛：在高溫和應(yīng)力長(zhǎng)期作用下，如維持總變形量不變，隨著時(shí)間的增加，應(yīng)力逐漸降低的現(xiàn)象。 用途：是緊固件材料在高溫時(shí)的重要特征之一，緊固件材料的選用和計(jì)算主要是根據(jù)鋼材的松弛穩(wěn)定性而定的。 影響因素：合金元素（V Ti提高松弛穩(wěn)定性，碳鋼中含碳量0.17%時(shí)最好，低合金鋼中含碳量由0.2%增加至0.3%松弛穩(wěn)定性急劇下降）、熱處理（正火加回火比淬火加回火好，奧氏體化溫度高松弛穩(wěn)定性好，回火溫度高松弛穩(wěn)定性差）5.鋼的組織穩(wěn)定性 鋼的組織穩(wěn)定性：鋼在高溫下長(zhǎng)期運(yùn)行過程中組織狀態(tài)不發(fā)生顯著變化的性能。 組織變化有：珠光體的球化、碳化物析出及聚集長(zhǎng)大、石墨化（碳鋼、鉬鋼）、合金

8、元素在固溶體和碳化物相之間的重新分配5.1珠光體的球化 在高溫長(zhǎng)期應(yīng)力 作用下，珠光體組織中片狀滲碳體逐漸自發(fā)的轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙顫B碳體，并慢慢聚集長(zhǎng)大的現(xiàn)象。 原因：片狀滲碳體表面積大，球狀滲碳體表面積大最小，球化過程是一種表面能量由高向低轉(zhuǎn)變的過程。 影響因素：溫度、時(shí)間、應(yīng)力、剛的化學(xué)成分、冷變形及晶粒度5.2石墨化（碳鋼、鉬鋼） 定義：在高溫長(zhǎng)期應(yīng)力作用下，剛中珠光體內(nèi)滲碳體分解成鐵和游離石墨。 Fe3C3Fe+C 危害：石墨沒有強(qiáng)度及韌性，石墨化3-3.5級(jí)強(qiáng)度下降17-18%。 影響因素：溫度、時(shí)間、合金元素、晶粒度及冷變形5.4合金元素向碳化物中轉(zhuǎn)移 在高溫下長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，原來固熔于鐵

9、素體中的合金元素會(huì)析出轉(zhuǎn)移到碳化物中。使鋼的固熔強(qiáng)度降低。6.金屬部件的疲勞 疲勞斷裂：指金屬材料在強(qiáng)度極限以下，長(zhǎng)期承受重復(fù)交變載荷的作用，在未發(fā)生明顯塑性變形的情況下突然斷裂的現(xiàn)象。 疲勞強(qiáng)度：指金屬材料在重復(fù)交變載荷的作用，能承受無限次循環(huán)而不破壞的最大應(yīng)力。鋼鐵材料的試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)為107 。在對(duì)稱循環(huán)下的疲勞強(qiáng)度用符號(hào)-1表示，單位MPa。 熱疲勞:由溫度應(yīng)力周期變化而引起的疲勞破壞。 腐蝕疲勞：在交變應(yīng)力作用下，鋼在腐蝕介質(zhì)中的破壞。 接觸疲勞：兩接觸面作滾動(dòng)或滾動(dòng)加滑動(dòng)摩擦?xí)r，由于交變接觸壓應(yīng)力的反復(fù)作用，使材料表面疲勞而產(chǎn)生物質(zhì)損失的現(xiàn)象。7.金屬部件的腐蝕 應(yīng)力腐蝕: 煙氣腐蝕

10、 蒸汽腐蝕 垢下腐蝕7.1.應(yīng)力腐蝕 應(yīng)力腐蝕：金屬在應(yīng)力（拉應(yīng)力或內(nèi)應(yīng)力）和腐蝕介質(zhì)聯(lián)合作用下引起的一種破壞。 產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕條件：一定的拉應(yīng)力或內(nèi)部殘余應(yīng)力；金屬本身對(duì)應(yīng)力腐蝕的敏感性；能引起該金屬發(fā)生應(yīng)力腐蝕的特定介質(zhì)。 危害：應(yīng)力腐蝕過程沒有明顯的塑性變形，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備突然損壞，造成重大事故。 不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂：最容易引起不銹鋼應(yīng)力腐蝕的介質(zhì)是氯離子、硫化氫、氫氧化鈉溶液。7.2.煙氣腐蝕 煙氣腐蝕：由于煙氣中含硫而引起鍋爐受熱面管子腐蝕稱煙氣腐蝕或硫腐蝕。 部件：鍋爐尾部受熱面省煤器、空氣預(yù)熱器易發(fā)生硫腐蝕。含鎳高的合金鋼易發(fā)生硫腐蝕，腐蝕特征，金屬表面遭區(qū)域性破壞。7.3.蒸汽腐蝕

11、蒸汽腐蝕：指高溫過熱器管內(nèi)壁金屬與介質(zhì)作用生成氧化鐵膜的現(xiàn)象。 部件：低合金鋼、馬氏體鋼、奧氏體鋼中都存在蒸汽腐蝕，奧氏體鋼最突出，工程上有待解決的問題。7.4.垢下腐蝕 垢下腐蝕：由于鍋爐給水水質(zhì)不好，水中雜質(zhì)在水冷壁內(nèi)壁堆積結(jié)垢，垢下管壁金屬與雜質(zhì)中的氧化物（氧化鐵和氧化銅）發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，管壁金屬為陰極，不斷被腐蝕下去。 部件：鍋爐水冷壁向火側(cè)內(nèi)壁易發(fā)生垢下腐蝕。 預(yù)防：控制好鍋爐給水水質(zhì)，控制好給水PH值。8.金屬材料的其它性能 加工硬化：金屬材料發(fā)生塑性變形以后，隨著變形量的增加，材料抵抗塑性變形的能力不斷增加，要使材料繼續(xù)變形就得不斷增加外力的現(xiàn)象。 時(shí)效：合金鋼經(jīng)淬火后獲得的過飽

12、和固熔體是不穩(wěn)定的組織，在一定溫度下，第二相從過飽和固溶體中慢慢析出，使合金強(qiáng)度和硬度明顯提高，這種現(xiàn)象稱時(shí)效。 工藝性能：機(jī)械加工性能。碳鋼、低合金鋼較好，高合金鋼較差。 焊接性能：是否容易焊接。碳鋼、低合金鋼、奧氏體鋼焊接性能較好，高合金鋼較差，鑄鋼焊接性能最差。二、電廠常用的金屬材料二、電廠常用的金屬材料 1、碳鋼 2、鍛鋼 3、鑄鋼 4、合金鋼 5、耐熱鋼 6、電廠動(dòng)力設(shè)備主要零部件用鋼1.碳鋼碳鋼 碳鋼：含碳量在0.02-2.11%的鐵碳合金稱為碳鋼，實(shí)際使用的碳鋼含碳量一般不超過1.4%。 特點(diǎn)：冶煉及加工簡(jiǎn)便，有一定的機(jī)械性能和良好的工藝性能，價(jià)格低廉。 分類：有5種，按含碳量；

13、按鋼中硫、磷含量；按用途；按冶煉方法；按脫氧方法。1.1 碳鋼分類 1、按鋼中含碳量分類 1.1低碳鋼：含碳量0.25% 1.2中碳鋼：含碳量0.25%-0.60% 1.3高碳鋼：含碳量0.60% 2.按鋼中硫、磷含量分類 2.1普通碳素鋼：硫含量0.055%、磷含量0.045% 2.2優(yōu)質(zhì)碳素鋼：硫含量0.040%、磷含量0.040% 2.3高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼：硫含量0.030%、磷含量0.035%1.2碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)用途 牌號(hào)：Q195、 Q215、 Q235、 Q255 、Q275 舉例： Q235-A.F 用途：用于450以下的受力不大的零部件。如 ：汽輪機(jī)后氣缸、凝氣器外殼、汽輪發(fā)電機(jī)隔板

14、、汽輪機(jī)及鍋爐上的密封板、平臺(tái)及欄桿等等。 1.3.優(yōu)質(zhì)碳素鋼牌號(hào)及用途 與普通碳素結(jié)構(gòu)鋼區(qū)別：優(yōu)質(zhì)碳素鋼必須同時(shí)保證化學(xué)成分及力學(xué)性能，S.P含量較少，C的波動(dòng)范圍小，力學(xué)性能較好。 牌號(hào)：以鋼的含碳量的萬分之幾表示，如：20表示平均含碳量為0.2%的碳鋼。 用途：用于制造各種機(jī)器零件。如 ： 450以下的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、螺栓、齒輪、容器、中壓鍋爐管、高壓鍋爐水冷壁管等等。2.鍛鋼 鍛鋼： 是指將鋼錠用鍛造方法獲得具有一定形狀、尺寸和機(jī)械性能的鋼。 特點(diǎn)：金相組織細(xì)密，機(jī)械性能提高。鍛件形成纖維組織，各向異性，在纖維伸展方向抗拉強(qiáng)度較高。 部件：汽輪機(jī)大軸等3.鑄鋼 鑄鋼：直接由鋼液澆鑄而成的制

15、品，常稱鋼錠或鑄鋼件。 特點(diǎn)：可制成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部件；由于C、Si、Mn元素含量較高，可焊性較差；鑄態(tài)組織一般晶粒粗大，并有魏氏組織，塑性和韌性較低；鑄件易變性和產(chǎn)生裂紋；鑄鋼一般通過熱處理改善組織，消除應(yīng)力，提高性能。 部件：400 以下的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、汽缸、隔板、閥門、齒輪、軸承、汽缸前后軸封等。 牌號(hào)：如：ZG200-400,ZG-鑄鋼，前一組數(shù)字200 表示屈服強(qiáng)度，單位MPa ，后一組數(shù)字400表示抗拉強(qiáng)度單位MPa。4.合金鋼 合金鋼：在碳鋼的基礎(chǔ)上為了改善鋼的性能，在冶煉時(shí)特意加入一種或多種合金元素而煉成的鋼。 常加入的合金元素：Si Mn Cr Mo V Ni Ti W等等。 牌號(hào)

16、：按鋼的成分用數(shù)字和化學(xué)元素符號(hào)相結(jié)合的方法表示，最前面的數(shù)字表示平均含碳量，結(jié)構(gòu)鋼是萬分之幾，工具鋼是千分之幾；化學(xué)元素符號(hào)表示其所含的合金元素，符號(hào)后面的數(shù)字表示該元素的含量，當(dāng)某一元素含量上限超過1.5%時(shí)，在元素后面標(biāo)明其近似含量，小于1.5%時(shí)，則不標(biāo)明含量,如20Cr3MoWV、9CrSi。高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼在牌號(hào)尾部加符號(hào)A，如38CrMoAlA；對(duì)于特殊的高合金鋼，編號(hào)方法基本上同工具鋼，如2Cr13，含碳量0.2%，含鉻量13%4.1合金鋼分類 按化學(xué)成分分類：如錳鋼、鉻鋼、硅鋼、鉻鉬鋼、鉻鎳鋼等等。 按剛中合金元素總量分：低合金鋼（小于5%） 、中合金鋼（5%-10%） 、高合金鋼

17、（大于10%） 按用途分：合金結(jié)構(gòu)鋼、合金工具鋼、特殊性能剛 按金相組織分：按退火組織分：亞共析鋼、共析鋼、過共析鋼、萊氏體鋼；按正火組織分：珠光體鋼、貝氏體鋼、馬氏體鋼、奧氏體鋼。5.耐熱鋼 耐熱鋼：在高溫下能夠保持化學(xué)穩(wěn)定性，叫做熱穩(wěn)定性，在高溫下具有足夠強(qiáng)度的鋼叫做熱強(qiáng)鋼。具有熱穩(wěn)定性及熱強(qiáng)性的鋼叫耐熱鋼。 特點(diǎn)：具有較高的強(qiáng)度和塑性、韌性配合；有較好的抗蠕變和持久斷裂能力、抗氧化和抗介質(zhì)腐蝕能力；冷熱加工工藝性能優(yōu)越。5.1耐熱鋼分類 珠光體耐熱鋼 馬氏體耐熱鋼 鐵素體耐熱鋼 奧氏體耐熱鋼5.2 珠光體耐熱鋼 珠光體耐熱鋼是以CrMo為基本元素的低合金鋼。 特點(diǎn)：比普通碳素鋼具有良好的

18、抗氧化能力和熱強(qiáng)性，比高合金鋼有較好的冷熱加工性能。 用途：火電廠中鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)及管道、螺栓等重要部件大多采用這類剛制造。 牌號(hào)：12CrMo 15CrMo 12Cr1MoV 15Cr1Mo1V 12Cr2MoWVTiB 10CrMo910(德國牌號(hào)) 25Cr2MoVA 20Cr1Mo1VTiB 5.3 馬氏體耐熱鋼 馬氏體耐熱鋼：在正火狀態(tài)下得到馬氏體組織的鋼，合金元素含量較高，屬于高合金鋼。 特點(diǎn)：具有較好的組織穩(wěn)定性、抗氧化性和熱強(qiáng)性，線膨脹系數(shù)小、工藝性能好。 用途：火電廠高壓鍋爐聯(lián)箱、主蒸汽管道、高溫過熱器管等重要部件大多采用這類剛制造。 牌號(hào)：1Cr13 2Cr13 X2

19、0CrMoWV 121鋼(F11德國牌號(hào)) X20CrMoV 121鋼 (F12德國牌號(hào)) P91 P92 (美國牌號(hào)，9Cr-1Mo鋼) 5.4鐵素體耐熱鋼 鐵素體耐熱鋼：常溫下組織形態(tài)為鐵素體的鋼。鋼中加入了較多的鐵素體形成元素，如Cr 、Si、 Al等。 特點(diǎn)：具有良好的耐腐蝕和耐熱性能。 用途：火電廠中高溫零部件，如過熱器支架、噴嘴、熱交換器部件等等。 牌號(hào)：1Cr13Si3 1Cr18Si2 1Cr25Si25.5奧氏體耐熱鋼 奧氏體耐熱鋼：常溫下組織形態(tài)為單一奧氏體的鋼。鋼中加入了較多的合金元素，如Cr 、Ni、 Ti等，又稱高合金奧氏體 鋼。 特點(diǎn)：具有較高的熱強(qiáng)性及優(yōu)良的耐腐蝕

20、性，良好的綜合性能，塑性、韌性及焊接性能較好，但價(jià)格較貴。 用途：火電廠中超高參數(shù)鍋爐過熱器管（ 550 以上）、過熱器吊架等等。 牌號(hào)：1Cr18Ni9 1Cr19Ni9 0Cr18Ni11Ti6.電廠動(dòng)力設(shè)備主要零部件用鋼 鍋爐設(shè)備：爐內(nèi)管（水冷壁、省煤器、過熱器、再熱器） 、汽包、聯(lián)箱、爐外管。 汽輪機(jī)設(shè)備：汽缸、轉(zhuǎn)子（大軸、葉輪、葉片）、錠子、螺栓等。 選材原則：主要考慮工作溫度、壓力、內(nèi)部介質(zhì)、外部環(huán)境等因素，電站動(dòng)力設(shè)備大多選用耐熱鋼。6.1鍋爐管子、聯(lián)箱用鋼舉例鋼號(hào)用途舉例20壁溫450的導(dǎo)管、聯(lián)箱；壁溫500的受熱面管子及省煤器等。20g壁溫450的低中壓鍋爐管12CrMo壁溫560的過熱器管；溫度550的蒸汽管道15CrMo壁溫510的蒸汽導(dǎo)管、聯(lián)箱等等。12Cr1MoV壁溫580的受熱面管子；溫度540的聯(lián)箱和導(dǎo)汽管鍋爐管子、