鍋爐與汽輪機用及事故分析

電廠金屬材料鍋爐與汽輪機用及事故分析11/7/20191電廠金屬材料第一節(jié)鍋爐主要設備用鋼及事故分析11/7/20192一、鍋爐管道用鋼及事故分析（一）對鍋爐管道用鋼的要求

鍋爐管道包括受熱面管子（過熱器、再熱器、水冷壁管、省煤器等管子）和蒸汽管道（主蒸汽管道、再熱蒸汽管道、蒸汽導管、聯(lián)箱、連接管等）管道。電廠對管路管道用鋼有下列要求：足夠高的蠕變強度、持久強度和良好的持久塑性。高的抗氧化性能和耐腐蝕性。足夠的組織穩(wěn)定性。良好的工藝性能，特別是焊接性能要好。電廠金屬材料選擇鍋爐管道用鋼，其主要依據(jù)是其工作溫度。進行強度計算時，必須確定在工作溫下的許用應力[σ]。根據(jù)JB2194-77的規(guī)定，對鍋爐所用的低碳鋼、低錳碳鋼及低碳錳釩鋼在380℃以下，他低合金耐熱鋼在420℃以下，許用應力[σ]按下式計算：[σ]=

或

[σ]=在380℃或420℃以上除按上式計算外，還需按持久強度計算許用應力[σ]：[σ]=以上三式中：——鋼在T溫度下的屈服強度；——鋼在T溫度下的抗拉強度；——鋼在T溫度下斷裂時間為105

h的持久強度；n——安全系數(shù)11/7/20193電廠金屬材料（二）鍋爐管道用鋼介紹11/7/20194

蒸汽溫度在450℃以下的低壓鍋爐管道主要使用10號、20號優(yōu)質碳素結構鋼。

中、高壓機組除水冷壁和省煤器管用20A碳鋼外，其它受熱面管子和蒸汽管道均采用合金鋼管。常用的鍋爐管道用鋼其化學成分和應用范圍列于表7—l中.常用的鍋爐管道用鋼其熱處理和機械性能列于表7—2中。下面按鍋爐管道的壁溫(工作溫度)介紹一些用鋼情況：電廠金屬材料1．壁溫≤500℃的過熱器管子及壁溫≤450℃的蒸汽管道一般采用優(yōu)質碳素結構鋼，其含碳量在0.1％～0.2％之間，組織為鐵素體和珠光體。常用的是20號鋼，該鋼在450℃以下具有足夠的強度，530℃以下具有抗氧化性能，而且工藝性能良好，價格低廉。碳鋼鋼管在高溫長期運行過程中，會出現(xiàn)滲碳體球化和石墨化現(xiàn)象，出現(xiàn)了組織的異常情況后，鋼的蠕變極限和持久強度會降低。壁溫≤550℃的過熱器管子及壁溫≤510℃的蒸汽管道15CrMo鋼是在這個溫度范圍內(nèi)應用很廣泛的鋼種。15CrMo鋼的化學成分及熱處理工藝在表7—l及表7—2中均已分別作了介紹。經(jīng)熱處理后的組織一般是鐵素體和珠光體，有些是貝氏體。15CrMo鋼在500～550℃溫度范圍內(nèi)有較高的熱強性和抗氧化性能，其工藝性能也很好。15CrMo鋼雖無石墨化傾向，但在高溫下長期運行過程中會發(fā)生滲碳體的球化及固镕體中合金元素貧化的組織變化，從而使熱強性降低。當溫度超過550℃時，持久強度顯著下降。我國在發(fā)展普通低合金鋼時，結合我目的資源情況，提出以12MnMoV鋼替代15CrMo鋼。11/7/20195電廠金屬材料壁溫≤580℃的過熱器管子及壁溫≤540℃的蒸汽管道在這個溫度范圍內(nèi)應用最廣泛的鍋爐管道鋼是12Cr1MoV鋼及

型的耐熱鋼.(1)12CrlMoV鋼

12CrlMoV鋼是在Cr—Mo鋼的基礎上，加入0．2％釩的低合寶耐熱鋼。釩是強碳化物元素，VC細碎而穩(wěn)定，對鋼的彌散硬化效果好。因而，12Cr1MoV鋼的耐熱性能比鉻鉬鋼高，工藝性能也很好，在國內(nèi)外均得到廣泛應用。

12Cr1MoV鋼在高溫下長期運行過程中，也會發(fā)生滲碳體球化及固镕體中合金元素貧化的現(xiàn)象，而使熱強性降低。若因溫工作，這種現(xiàn)象更為嚴重。我國曾研制了

12MoVwWBSiRe（無鉻8號）鋼，代替12Cr1Mov鋼用于制造鍋爐管道，但是該鋼種的生

產(chǎn)工藝尚不夠成熟，質量也還不穩(wěn)定。（2）

鋼

提高鉻鉬鋼中合金元素的含量，當Cr＝2.25％、Mo＝1％時具有最佳的熱強性。鋼是比較成熟的鋼種，在美英聯(lián)邦德國日本等工業(yè)發(fā)達的國家中應用于鍋爐管道已有相當長的歷史，例如美國的P22，瑞典的HT8、日本的STBA24，聯(lián)邦德國的10CrMo910鋼。其蠕變極限和持久強度比12Cr1MoV鋼低，最常用的溫度是540~550℃。11/7/20196電廠金屬材料4．壁溫≤600～620℃的過熱器管子及壁溫≤550～570℃的蒸汽管道11/7/20197多年來國內(nèi)外均致力于研究進一步提高合金耐熱鋼的使用溫度，使之超過

600℃，甚至達到620℃，我國研制成功的有12Cr2MoWVB(鋼102)和12Cr3MoVSiTiB鋼（II11）鋼；俄羅斯有12X2MφCP、12X2

ΦB鋼；聯(lián)邦德國有10CrSiMoV鋼等。這些鋼種目前多用于壁溫600～620℃的過熱器和再熱器管子，很少用于蒸汽管子。微量多元合金化是這類鋼種的共同特點，鉻含量在2％左右，其他的元素含量更少由于多種元素的相互作用，使鋼具有更高的化學穩(wěn)定性和組織穩(wěn)定性，因而耐熱性能更好。例如12Cr3MoVSiTiB鋼在600～620℃時持久強度≥

94～100Mpa；620℃時抗氧化速度僅為0.00873mm/a。壁溫≤600～650℃的過熱器管子及壁溫≤550～560℃的蒸汽管道當鍋爐氣溫達到570℃時，高溫段過熱器管子的壁溫可達到620℃以上。這時，珠光型的低合金耐熱鋼已不能滿足要求，需要采用高合金耐熱鋼。有些還采用奧氏體型熱鋼來制造。電廠金屬材料最新進展11/7/20198這幾年我國火電廠已向大型機組方向發(fā)展，新建或改進的火電廠，均是30萬、60萬，甚至已引進了90萬的大機組。這些機組均是亞臨界、超臨界的參數(shù)，對鍋爐受熱面管道用的材料性能要求更高。目前這些高參數(shù)大機組鍋爐受熱面管道均采用含鉻量較高的耐熱鋼來制造，最常用的9Cr－1Mo型馬氏體型耐熱鋼。屬于這一類型的在我國30萬以上大機組上應用的鋼種有美國的T9和P9鋼，日本的STBA26和STPA26鋼，德國的X12CrMo91鋼以及瑞典的H17鋼等。為了進一步提高鋼的熱強性，又添加了2％Mo的9Cr－2Mo鋼，即日本的

HCM9M鋼。加入了合金元素V和Nb，控制微量加入的Al和N的含量，使鋼具有了更高的熱強性和抗高溫氧化性能，還具有良好的沖擊韌性和穩(wěn)定的持久塑性。這類鋼目前主要用于制造亞臨界、超臨界鍋爐壁溫≤625℃的高溫過熱器、壁溫≤650℃的高溫再熱器管道以及壁溫≤600℃的高溫集箱和蒸汽管道，也可用于核電設備的熱交換器。這類馬氏體型的耐熱鋼，我國也已研制成功，牌號為10Cr9Mo1VNb鋼；引進的材料有：美國的T91和P91，日本的火STBA28、火STPA28，俄羅斯的10X9MфБ-III鋼，法國的

TUZ10CD－VnbO9.01鋼等。電廠金屬材料Cr12％馬氏體型耐熱型鋼主要是依靠鉻，鉬，鎢等元素在鋼中起固溶強化的作用來提高熱強性；有些加入釩鈮等元素來起彌散硬化，加入硼，稀土等元素來加強晶界，從而進一步提高蠕變極限和持久強度，在高溫下持久運行過程中此類鋼不會斷析出Fe3Mo、Fe2

W等金屬化合物，可以抵消因固溶體中合金元素貧化（貧鉬或鎢）而削弱固容強化的現(xiàn)象；同時有由于固容體中保持高濃度的鉻，使其具有高的抗腐蝕能力和抗氧化性。我國在300機組中采用F11或F12鋼做再熱器管子及出口聯(lián)箱。Cr12鋼含鉻量高，高溫加熱后在空氣中冷卻即可獲得馬氏體組織，所以焊接性能較

差。過熱器管子壁溫超過650℃，蒸汽管道壁溫超過600℃后需要使用奧氏體耐熱鋼，奧氏體耐熱鋼具有較高的高溫強度和耐腐蝕性能，最高使用溫度可達到700℃左右。目前應用的有0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、1Cr19Ni9、0Cr18Ni9Ti和1Cr18Ni9Ti等鋼種。11/7/20199電廠金屬材料（三）鍋爐受熱面管子常見受熱面事故的分析11/7/201910鍋爐受熱面管子常見事故主要有長時超溫爆管，短時超溫爆管，材質不良爆管及腐蝕性熱疲勞裂紋損壞等。長時超溫爆管如果鍋爐受熱面管子在運行過程中，因某些原因使管壁溫度超過設計溫度，在高溫時間作用下，導致鋼材組織結構的變化，蠕動速度加快，持久強度下降，使用壽命不到設計要求而提早爆破損壞，稱為長時超溫爆管，也有叫做長期過熱爆管或一段過熱損壞，長時超溫爆管由于管壁溫度還沒達到臨界點溫度，爆管時雖然有介質的冷作用，還不會發(fā)生相變。長時超溫爆管一般發(fā)生在高溫過熱器出口段的外圈向火側據(jù)近幾年來對過熱器管子破事故的分析70％是由于長時超溫而引起的。長時超溫爆管的破口呈粗糙脆性斷口，管壁減薄不多，管子脹粗也不很顯著，爆破附近往往有較厚的氧化鐵層，如圖7－1所示。長時超溫爆管的顯微組織雖無相變但卻有炭化物析出并聚集長大甚至有些還會出現(xiàn)墨化等組織變化，如圖7－2所示。電廠金屬材料圖7-1

20鋼過熱器管長時超溫爆管的宏觀形貌7－2

20鋼過熱器管長時超溫爆管的微觀組織11/7/201911電廠金屬材料短時超溫爆管

鍋爐受熱面管子在運行過程中，由于冷卻條件的惡化，使管壁溫度在短時間內(nèi)突然上升，達到臨界點以上溫度。在這樣高的溫度下鋼的抗拉強度急劇下降，在介質壓力作用下溫度最高的向火側首先發(fā)生塑性形變，管徑張粗，管壁減薄，隨后發(fā)生剪切斷裂而爆破。爆破時，由于介質對熾熱的管壁產(chǎn)生激冷作用，在爆破口往往有相變的組織結構，這種爆管就成為短時超溫爆管，也有叫做短時過熱爆管或加速蠕變爆管。

短時超溫爆管大多數(shù)發(fā)生在水冷壁管、凝渣管上，特別是水冷壁管熱負荷最高的地方，如燃燒帶附近及明噴燃器附近的向火側。

短時超溫爆破口一般脹粗較為明顯，管壁減薄很多，爆破口呈尖銳的喇叭形其邊緣很鋒利，具有韌性斷裂的特征。爆破口附近有時有氧化鐵層，有時沒有。爆破口的這些特征是與超溫爆管時產(chǎn)生了較大的塑性變形，使管縫減薄，因而承受不了介質的壓力而引起剪切斷裂有密切關系。

短時超溫爆管的過程類似作高溫短時拉伸試驗，在應力的作用下，先引起塑性變形，后在局部地區(qū)出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，最后形成剪切裂紋而產(chǎn)生韌性斷裂。11/7/201912電廠金屬材料爆破口附近的氧化鐵層厚度，可從運行情況來分析。如果管子一直是在設計濕度下運行的．至化鐵層就范，甚至沒有；如果曾經(jīng)在超溫情況下運行過一段時間后再發(fā)生短時超溫爆管．則氧化鐵層就較厚，而且爆破口的背部(即背火側)還會出現(xiàn)碳化物球化等組織變化。組織變化后，機械性能也會發(fā)生改變。如對爆破口斷面進行硬度測定，可發(fā)現(xiàn)爆破口周向斷面上各點的硬度差異很大，爆破口的硬度明顯增高。圖5-520鋼水冷壁管短時超溫爆管的宏觀及微觀組織11/7/201913電廠金屬材料材質不良引起的爆管材質不良爆管是指錯用鋼材或使用有缺陷的鋼材造成鍋爐管道提早損壞。

錯用鋼材往往是指把性能比較低的鋼材用到高參數(shù)的工況下，實際上是一種超溫運行。一旦發(fā)生爆管事故，是屬于長時超溫爆管，其爆破口的宏觀特征和微觀組織的變化基本上與長時超溫爆管相同。在制造、安裝和檢修時，未經(jīng)計算就選用了低一級的鋼管，即認為是錯用鋼材。例如蒸汽參數(shù)為535℃、l0MPa的主蒸汽管道，正常使用的鋼材應為22Cr1MoV鋼，若誤用了20鋼，由于該鋼用于主蒸汽管道的允許溫度是450℃，因此只要運行幾干小時就會發(fā)生爆破。

使用了大于壁厚負偏差的拆疊、結疤、離層、發(fā)紋和大于壁厚5％的橫向發(fā)裂以及嚴重夾雜、脫碳的管子稱為使用有缺陷的鋼材。這些缺陷的存在嚴重地削弱了管壁強度，在高溫和應力的長時間作用下，缺陷部位容易形成應力集中現(xiàn)象，產(chǎn)生裂紋使缺陷加深，腐蝕介質也可能侵入缺陷區(qū)域使腐蝕速度加快，使受熱面管子承受不了介質的壓力而爆破。

有缺陷管子爆破時，爆破口往往是沿缺陷豁開，裂紋較直。爆破口邊緣一般有兩部分，有缺陷的部分邊緣粗糙呈脆性斷面；沒有缺陷的部分則呈韌性斷面。11/7/201914電廠金屬材料二、鍋爐汽包及其它部件用鋼(一)鍋爐汽包的工作條什及對材料的要求鍋爐汽包鋼材處于中溫(350℃以下)高壓狀態(tài)下工作，它除承受較高的內(nèi)壓以外，還會受到?jīng)_擊、疲勞載荷及水和蒸汽介質的腐蝕作用。對鍋爐汽包提出的要求：(1)較高的強度，包括常溫和中溫強度。在設計時，屈服極限和抗拉強度都作為鋼材許用應力的計算依據(jù)。(2)良好的塑性、韌性和冷彎性能。(3)較低的缺口敏感性。在制造鍋爐時，要在鍋爐鋼板上開孔和焊接管子接頭，往會造成應力集中，因此要求鋼材有較低的缺口敏感性。(4)要求分層、非金屬夾雜物、氣孔、疏松等缺陷盡可能少。不允許有白點及裂紋。(5)如果工作溫度超過400℃，則必須有更高的耐熱性能。(161)/7良/20好19

的焊接性能等加工工藝性能。15電廠金屬材料(二)汽包用鋼介紹常用的鍋爐汽包用鋼的化學成分、強度級別及應用范圍見表7—3所示。過去生產(chǎn)的中、低壓鍋爐汽包均用20g或228鋼板來制造。由于大量地發(fā)展了低合金高強度鋼，現(xiàn)在已逐步地采用12Mng、16Mng、l5Mnv8等普通低合金鋼板，這些鋼板的綜合機械性能均比碳鋼高，可以減輕鍋爐汽包的重量，節(jié)省大量鋼材。16Mng鋼是結合我國資源生產(chǎn)的屈服極限為350MPa級的普通低合金鋼，是我

國應用得最早、最廣泛的普通低合金鋼種之一。推薦應用的范圍為—40～

450℃，采用16Mng鋼代替20鋼后，鋼材可節(jié)省20％～30％。16Mng鋼具有良好的綜合機械性能、焊接性能以及低溫沖擊韌性；但是缺口敏感性比碳鋼大。15MnVg鋼強度比16Mng鋼高，也具有良好的綜合機械性能及焊接性能。用于制造中、高壓鍋爐汽包。15MnVg鋼板也有較大的缺口敏感性，板材中硫化物夾雜的存在會增加材料的缺口敏感性。11/7/201916電廠金屬材料14MnMoVg鋼是屈服極限為500MPa級的普通低合金鋼。鋼中由于加入了

0．5％Mo，提高了鋼的屈服強度及中溫機械性能，特別適合生產(chǎn)厚度為60mm以上的厚鋼板，以滿足制造高壓鍋爐汽包的需要。14MnMoVBReg鋼是500MPa級的多元低碳貝氏體鋼，屈服極限比碳鋼高一倍，有良好的綜合機械性能。由于加入了適量的硼、稀土，所以鋼的強度更高了，符合我國資源情況。18MnMoNbg鋼也是500MPa級的低合金鋼，不僅有較高的屈服極限，而且耐熱性能也較高。14CrMn

MoVBg鋼的屈服極限很高，σs＝650一700MPa。該鋼又加入強化元素鉻，也是微量多元低合金鋼，不僅強度高，塑性、韌性也較好，焊接性能也好，并且能耐濕度較大地區(qū)的大氣腐蝕。11/7/201917電廠金屬材料(三)吹灰器工作特點及用鋼11/7/201918工作特點：

鍋爐設備中的燃燒室、水冷壁管、過熱器、省煤器、空氣預熱器等部件中均有吹灰裝置，又稱吹灰器，定期吹落敷浮在這些設備上的煙灰渣子。

吹灰器工作的時間很短，但是工作溫度卻很高。吹灰管應能保證用到五年以上，噴頭應保證能用到二年左右。所以要用具有高的抗氧化性能和較高的高溫強度的材料來制造。

燃燒室的吹灰器，其工作溫度約為900～1000℃，工作3～5min，又放回

到原來的250～400℃的爐墻處。高溫過熱器區(qū)的吹灰器工作溫度約800～900℃；高溫省煤器和高溫空氣預熱器區(qū)的吹灰器工作溫度約500～550℃；低溫省煤器和低溫空氣預熱器區(qū)的吹灰器工作溫度小于450℃。

由于布置在不同部位的吹灰器工作溫度不同，因而所用的材料有奧氏體耐熱鋼、高鉻不銹鋼、低合金耐熱鋼、碳鋼、耐熱鑄鐵等。電廠金屬材料用鋼：燃燒室、高溫過熱器區(qū)所用的吹灰器材料是：Cr25Ti、1Cr18Ni9Ti、1Cr13等鋼種

Cr25Ti鋼具有很高的抗氧化性能及抗晶間腐蝕的能力，在1000℃左右耐熱不起皮，但是強度較低，焊接性能也不好，承受的力不能過大。lCr18Ni9Ti鋼及1Cr13鋼則相反，具有較好的熱強性和其它機械性能，但抗氧化性能比Cr25Ti鋼差。當溫度小于450℃時應盡量采用低合金鋼、碳鋼和耐熱鑄鐵。如20鋼表面滲鋁或滲鉻后可具有較好的抗氧化性能，能滿足在這個溫度范圍內(nèi)使用。11/7/201919電廠金屬材料(四)鍋爐固定零件用鋼鍋爐設備中的固定零件主要是指管子夾馬、定位板、吊架、支座等。這些零件也是處在較高的煙氣溫度下工作的，而且不象受熱面管子那樣有介質冷卻，此也要求具備較高的抗氧化腐蝕能力和高溫強度。由于固定件工作的部位不同，應用的材料也不同。爐膛和前部煙道的吊架和夾馬，工作溫度約為1000℃．因此需要選用Cr20Ni14Si2和Cr25Nil2高鉻鎳奧氏體鋼。對流加熱面部分的固定件，工作溫度低于750℃，最合適而經(jīng)濟的材料是

Cr6SiMo鋼。Cr20Ni14Si2鋼雖有很高的抗氧化性能，但是含鉻量20％左右，含鎳量14％左右，不符合我國資源情況。我國研制Cr18Mn11Si2N(D1)鋼和Cr20Mn9Ni2Si2N(鋼101)鋼來代替昂貴的高鉻鎳奧氏體鋼作高溫馬夾和吊架。Dl鋼是Cr—Mn—N型奧氏體耐熱不銹鋼。該鋼不含鎳，符合我國的資源情況，用作工作溫度在900℃以下的鍋爐過熱器吊架及其它鍋爐設備中耐熱構件。鋼10l是Cr—Mn—Ni—N型奧氏體耐熱不銹鋼，鋼中含鎳量較少，工藝性能和高溫性能良好，可用作工作溫度在850～1100℃的鍋爐過熱器吊架及其它鍋爐設備中的耐熱構件。11/7/201920電廠金屬材料第二節(jié)汽輪機主要零部件用鋼及事故分析一、汽輪機葉片用鋼及事故分析（一）汽輪機葉片的工作條件及對材料的要求葉片的工作條件：葉片是汽輪機中將汽流的動能轉換為有用功的極其重要的部件。按照工作條件葉片為與轉子相連接并一起轉動的動葉及與靜子相連接處于不動狀態(tài)的靜葉(又稱導葉)不同功率的汽輪機中，處于不同級的葉片因工作條件不同，動葉與靜葉具有各種不的結構、尺寸及固定的方法。不同級中蒸汽對葉片的腐蝕與沖蝕作用也不同。第一級的動葉與靜葉所處的溫度最高，接近于進口的蒸汽溫度；隨后逐級降低，至末級則接近

100℃或更低一些。葉片是在運動著的蒸汽介質中工作的，而各級的蒸汽狀態(tài)是不一樣的。在大多數(shù)級中，葉片是在過熱蒸汽中工作，而末級葉片是在濕蒸汽中工作。通流部分的不同區(qū)段，蒸汽中所含的鹽類、氧和凝結水滴的量是不同的。11/7/201921電廠金屬材料汽輪機在工作過程中，動葉承受著最大的靜應力、動應力及交變應力。葉片愈長,轉子的直徑與轉速愈大，在葉片上由離心力所產(chǎn)生的拉應力便愈大。當有圍帶或拉筋時,還要考慮由它們產(chǎn)生的離心力對葉片的影響。汽輪機在工作過程中，葉片和拉筋的振動具有重要的意義。葉片的振動是引起葉片斷型事故的重要原因。導致葉片振動的總的原因，是汽輪機轉子轉動時，作用于葉片上的周期性激振力，又稱為擾動力。產(chǎn)生周期性激振力的原因很多。因出汽道汽流壓力沿節(jié)距的不均勻分布所引起的周期性激振力，其頻率是轉子的轉速與靜葉片片數(shù)的乘積，稱為高頻激振力。由于隔板通流面積不均勻所引起汽流力的不均勻而產(chǎn)生的周期性激振力，其頻率等于轉速或轉速的簡單倍數(shù)，稱為低頻激振力。如果激振力的頻率落入與葉片自振頻率相同的共振頻率之中時，則振幅就要突然增大至不能允許的程度，從而使葉片產(chǎn)生過大的應力。視應力超過允許值的程度不同，在經(jīng)過一定的時間之后，即會發(fā)生葉片的斷裂。汽輪機動葉的設計和計算是以汽輪機在運行過程中沒有這種危險的共振為條件的。11/7/201922電廠金屬材料良好的常溫和高溫機械性能良好的抗蝕性良好的減振性一定的耐磨性良好的工藝性11/7/201923對于用來制造葉片的金屬材料，在性能上應滿足以下的要求：電廠金屬材料（二）氣輪機葉片材料介紹11/7/201924制造氣輪機葉片的材料，主要是含鉻13%的鉻不銹鋼幾含鉻約12%并加入少量鎢、鉬、釩、鈮等合金元素以提高材料熱強性的強化性鉻不銹鋼。蒸汽溫度超過600oC時，一般采用奧氏體耐熱鋼來作葉片，燃氣輪機葉片是用鐵基或鎳基的耐熱合金來制造。國外對于負荷很大的末級葉片，以開始使用比重小的鋁合金或鈦合金。常用的葉片用鋼化學成分及應用范圍見表7-5所示，常用的葉片用鋼熱處理及機械性能見表7-6所示。電廠金屬材料鉻不銹鋼

對于工作溫度在450-500oC以下的氣輪機葉片，國內(nèi)外均廣泛采用1Cr13或2Cr13的鉻不銹鋼制造。這類鋼還具有較高的熱強性又屬于馬氏體型耐熱鋼。加入鉻的主要目的是提高鋼的抗蝕性。1Cr13鋼用于氣輪機中幾級葉片。2Cr13鋼由于強度高一些，故用于氣輪機的最后幾級葉片。1Cr13鋼的最高工作溫度為480oC左右，1Cr13鋼最高工作溫度為450oC，當溫度超過500oC時，這類葉片鋼的熱強性將明顯下降。鉻不銹鋼抗水沖蝕的能力比較差。防止水沖蝕的方法有兩方面，一是改造汽輪機通流部分的結構及消除濕蒸汽；二是增強葉片材料抗水沖蝕的能力。增強葉片材料抗水沖蝕的能力常用的方法是在葉片表面易被水沖蝕的部位焊上高硬度耐磨合金或對葉片進行表面處理。常用的表面處理有氯化、電火花處理或局部淬火等。11/7/201925電廠金屬材料2．強化型鉻不銹鋼提高鉻13％型葉片用鋼的熱強性，在這類鋼的基礎上加入了少量的鋁、釩、鎢、鎳鈮、硼等元素。釩或鈮與碳的親和力比鉻大，加入后能避免鉻進入碳化物，讓鉻充分溶入固镕體發(fā)揮防腐蝕和強化作用。因此，強化型鉻不銹鋼中的含鉻量為11％或

12％左右。常用的強化型鉻不銹鋼有Cr11MoV、Cr12WMoV、Crl2WNbVB、2Cr12WMoNbVB及1Cr11Ni2W2MoV等鋼種。

Cr11MoV鋼中加入了鉬和釩，鉬溶入鐵素體，提高了鐵素體的強度和再結晶溫度；釩與碳形成了穩(wěn)定性較高、硬度也高的碳化物。我國125MW機組、300MW機組及

600MW機組的汽輪機前級動葉片，都是用Cr11MoV鋼制造的。

Crl2WMoV鋼中又多了鎢和鎳元素，熱強性又有提高，可用在580℃以下大功率汽輪機的葉片材料。由于鎢、鉬、鈮都是縮小奧氏體擴大鐵轟體區(qū)域的元素，當含量較多時會出現(xiàn)過多的δ鐵素體，從而降低鋼的韌性。為了降低δ鐵素體的含量，需要加一些鎳元素。11/7/201926電廠金屬材料(三)汽輪機葉片事故分析

按照葉片斷裂的性質，葉片斷裂可分為長期疲勞損壞、短期疲勞損壞、接觸疲勞損壞、應力腐蝕和腐蝕廢勞損壞等。長期疲勞損壞

長期疲勞是指葉片運行過程中，承受低于葉片原始疲勞極限的應力，經(jīng)過較長的時間

(遠大于107

次)才發(fā)生的一種機械疲勞損壞。例如，因葉片或葉片組存在著某種高頻振動而引起共振損壞；葉片表面有缺陷(如夾雜、腐蝕

點坑、劃痕等)，使葉片局部區(qū)域產(chǎn)生應力集中而提早發(fā)生疲勞損壞；由于運行不正常(如低周波運行、超負荷運行、低負荷運行等)，使某些級的葉片應力升高，導致提早破壞。長期疲勞損壞在電廠葉片事故中最為常見。長期疲勞損壞的宏觀特征是斷口乎整、斷面呈細瓷狀結構，貝殼紋清晰，疲勞斷裂面積一般大于靜撕裂區(qū)面積。當應力水平稍高時，疲勞斷裂區(qū)面積會減??；反之，葉應力水平較低，破壞時間較長的斷口，疲勞斷裂區(qū)域面積就大一些。因而可從分析斷的疲勞斷裂區(qū)面積的大小來推斷葉片受載皮力的大小。防止長期疲勞損壞的主要措施是：消除共振、提高葉片制造質量和安裝質量、行條件11/7/201927電廠金屬材料2．短期疲勞損壞

短期疲勞損壞是指葉片在運行過程中，受到外界較大的應力或是較大的激振力，導致葉片只受了較少的振動次數(shù)（小于107

~108

次）就發(fā)生斷裂的一種機械疲勞損壞。例如，由于運行不正常。疏水系統(tǒng)發(fā)生故障，使水進入氣輪機內(nèi)，葉片遭到水的沖擊而承受較大的應力，隨即很快損壞；或是由于設計不良，安裝不好，存在較大的低頻激振力（如轉子不平衡而產(chǎn)生的振動；隔板結構不佳或安裝不良，存在較大的交變應力；或是噴嘴損壞，使葉片受到不均等），當?shù)皖l激振力與葉片的自振頻率相同時就引起共振，會很快導致葉片的斷裂。短期疲勞損壞的宏觀特征是：斷口表面粗糙，疲勞貝殼紋（又稱疲勞前沿線）不明顯在斷面上疲勞區(qū)面積往往小于最后斷裂的靜撕裂區(qū)面積，在斷口的四周伴有宏觀的塑性變形，經(jīng)受水擊的葉片斷口還呈現(xiàn)“人”字型紋絡的特征。防止短期疲勞損壞的主要方法是設法消除低頻共振和防止水擊的發(fā)生。11/7/201928電廠金屬材料3．接觸疲勞損壞11/7/201929

接觸疲勞損壞是由于存在著振動，使毗鄰的葉片之間或者葉片和葉輪之間產(chǎn)生往復的微量位移，相互接觸摩擦的一種機械疲勞損壞。接觸應力往往是由葉根齒部設計不合理，或是安裝不良所產(chǎn)生的。葉根的接觸面因振動而進行往復循環(huán)的摩擦，造成根部表面層金屬晶體的滑移和硬化，接觸摩擦到一定次數(shù)后，硬化層會出現(xiàn)微顯裂紋，繼續(xù)不斷地接觸摩擦會使顯微裂紋不斷擴展，最終發(fā)生接觸疲勞斷裂。

接觸疲勞損壞的宏觀特征：斷口具有貝殼狀特征，并往往伴有因摩擦氧化而產(chǎn)生地斑痕。接觸疲勞損壞地顯微裂紋呈簇狀，大體上互相平行，并與摩擦應力垂直。

防止接觸疲勞損壞的措施是：消除共振（特別是切向振型），提高氣輪機的安裝質量，設法增大葉根的接觸面積，改善葉輪與葉根接觸面的接觸狀況使葉根齒部在工作狀態(tài)下盡量保持均勻的接觸，避免局部點或區(qū)接觸應力的集中。電廠金屬材料二、汽輪機轉子及其它部件用鋼11/7/201930（一）汽輪機轉子用鋼及其事故分析轉子的工作條件及對材料性能的要求

汽輪機轉子是主軸和葉輪的組合部件，轉子是汽輪機設備的心臟。隨著高溫高壓大容量鍋爐汽輪機機組的發(fā)展，汽輪機轉子的重量和尺寸也愈來愈大。

高壓蒸汽噴射到工作葉片后，轉動力矩由葉輪傳到主軸。主軸不但承受扭矩和由自重引起的彎矩作用，而且因為主軸較長，過熱蒸汽自第一級至最末級葉輪其溫度是逐漸在降低的，由于這種不均勻的溫度分布，主軸還要承受溫度梯度所造成的熱應力。此外，主軸還要受到因振動所產(chǎn)生的附加應力和發(fā)電機短路時產(chǎn)生的巨大扭轉應力及沖擊載荷的復雜作用。

葉輪是裝配在主軸上的，在高速旋轉時，圓周線速度很大，出于離心力的作用產(chǎn)生巨大的切向和徑向應力，其中輪轂部分受力最大。葉輪也要受到振動應力和轂孔與軸之間的壓縮應力。

高參數(shù)大功率機組的轉子因在高沮蒸汽區(qū)工作，還要考慮到材料的蠕變、腐蝕、熱疲勞、持久強度、斷裂韌性等問題。電廠金屬材料制造汽輪機轉子的材料要求：11/7/201931(1)嚴格控制鋼的化學成分。鋼中含硫量不大于0．035％(酸性平爐鋼)或0．030％(堿性電爐鋼)；銅的含量應低于0．25％；含錫的鋼材，鉬的含量不允許低于下限，鋼中的氣體(如氫等)應盡量低。(2)綜合機械性能要好。既要強度高，又要塑性、韌性好。沿軸向和徑向的機械性能應均勻一致，要求輪轂與輪緣之間的硬度偏差不超過HB40，輪轂或輪緣本身各點的硬度差不得超過HB30，而且主抽兩端面硬度值的

偏差不超過HB40。此外，還要求材料的缺口敏感性小。

(3)有一定的抗氧化、抗蒸汽腐蝕的能力；對于在高溫下運行的主鈾和葉輪，還要求高的蠕變極限和持久強度，以及足夠的組織穩(wěn)定性。(4)不允許存在白點、內(nèi)裂、縮孔、大塊非金屬夾雜物或密集性細小夾雜物等缺陷。(5)有良好的淬透性，良好的焊接性能等工藝性能。電廠金屬材料汽輪機轉子用鋼介紹

汽輪機轉子的材料是按不同的強度級別選用的。轉于用鋼一般都屬于中碳鋼和中碳合金鋼，只有制作焊接轉子時，為了保證焊接性能才適當降低含碳量(例如選用17CrMo1V鋼)。

功率較大的汽輪機其轉子用鋼都含有一定量的鉻、鎳、鉬、錳等合金元素，加入這些元素可以提高鋼的淬透性，增加鋼的強度，其中鉬可以減小鋼的回火脆性，鉻、鉬、鎢、釩則可提高鋼的熱強性。

汽輪機組功率不同，轉子的制造方法也不同，小功率機組主軸與葉輪分開制造，而后用熱套法整裝成轉子；中等功率機組，轉子采用一部分葉輪與主軸鍛成一個整體（一般是高壓段），另一部分葉輪采用熱套法整裝；大功率機組，高壓轉子為整體鍛造，而低壓轉子是焊接而成的。34CrMo鋼用作480℃以下的汽輪機的主軸有較好的工藝性能和較高的熱強性，長時期使用組織也比較穩(wěn)定。若工作溫度超過480℃時熱強性就有明顯降低。17CrMo1V鋼用于工作溫度520℃以下的汽輪機、燃氣輪機和壓氣機的焊接轉子。對17CrMo1V鋼焊接時，必須嚴格控制預熱溫度，焊后應立即進行高溫回火。27Cr2Mo1V鋼中鉻和鉑鉬的含量均較多，有較好的制造工藝性能和熱強性，可用來制造工作溫度540℃以下的汽輪機整鍛轉子和葉輪。若用來制造轉子和葉輪，均需要經(jīng)過兩次正火加回火處理。第一次正火970～990℃空冷，第二次正火930～950℃空冷，回火680～700℃爐11/7/201932電廠金屬材料34CrNi3Mo鋼是大截面高強度鋼，具有良好的綜合機械性能和工藝性能，國內(nèi)外曾用來制造發(fā)電機轉子和汽輪機整鍛轉子及葉輪，工作溫度限制

在400℃以下。一般是在調質狀態(tài)下使用，840～870℃油淬，560～650℃回火。這類鋼因為含鎳量高，所以無回火脆性傾向。33CrMoWV鋼是我國自行研制的無鎳大鍛件用鋼，已在50MW以下汽輪機中大量應用，可替代34CrNiMo鋼。調質工藝為950℃油淬，580～660℃空冷或爐冷。油淬時應有足夠的深冷度，以獲得較好的心部性能。18CrMnMoB鋼也是我國研制的無鎳少鉻大鍛件用鋼，加入硼可以增加淬透性，也是34CrNi3Mo鋼的代用鋼20Cr3MoWV鋼是一種熱強性較高的低合金耐熱鋼，因為此鋼中含釩量比

33Cr3MoWV鋼高，因此彌散硬化的效果就好。用于制造工作溫度低于550℃的汽輪機和燃氣輪機整鍛轉于和葉輪等大鍛件。550～600℃溫度范圍的大鍛件，國外過去一直采用奧氏體鋼，但價格昂貴12％型轉于用鋼，如英國的H

46．蘇聯(lián)的ЗИ802、ЗИ756、美國的C422鋼等。11/7/201933電廠金屬材料汽輪機轉子事故分析汽輪機轉子的金屬事故主要是葉輪與主軸(轉子)的變形與開裂。(1)主軸(轉子)的變形

汽輪機主軸由于出廠時殘余應力較大，運輸或安裝不當(熱套時由于加熱和冷卻不均勻而產(chǎn)生的局部熱應力)以及運行不良(動、靜部件單側摩擦所造成的局部膨脹)等，均可能引起主軸的變形。當主軸(轉子)發(fā)生彎曲變形時，需要進行校正，通常稱為

“直軸”。對于小功率汽輪機碳鋼轉子，可采用局部加熱法予以校直。對于大功率汽輪機主抽(轉子)，則必須采用“松弛法”進行校正。11/7/201934電廠金屬材料(2)主袖(轉子)的斷裂

汽輪機轉子是高速轉動的部件，主軸的斷裂會造成嚴重的事故，國內(nèi)外都曾發(fā)生過這類事故，必須引起高度的重視。主軸(轉子)產(chǎn)生裂紋的原因大致有以下幾種：1)結構不良。如兩截面交界處過渡圓角太小、機械加工租糙，有尖銳刀浪痕等，導致嚴重傷應力集中，從而在交變裁荷作用下斷裂。2)腐蝕介質的影響。主軸運行或停機時接觸蒸汽、油和水等腐蝕介質，表面形成腐蝕坑或腐蝕裂紋。3)材質不良。4)運行不當。運行時有超溫或超速現(xiàn)象，啟動停機過快引起過大的內(nèi)電應力等。(3)葉輪的變形與開裂

葉輪的變形破壞了轉子的動平衡，運行中會產(chǎn)生很大的振動，因此，變形后也必須進行校正。葉輪，特別是末級葉輪，在長期遠行過程中鍵槽處容易出現(xiàn)裂紋，當裂紋達到一定深度時，整個葉輪會飛裂。11/7/201935電廠金屬材料引起葉輪開裂的主要原因是：1)鍵槽處加工質量差，應力高度集中產(chǎn)生裂紋源。2)材料的綜合機械性能差，強度偏高，塑性和韌性偏低，脆性大，加速裂紋的擴展。3)機組停機保養(yǎng)不善,或介質腐蝕性較大,造成應力腐蝕。防止葉輪開裂的措施是:注意停機時的保養(yǎng)工作,防止產(chǎn)生腐蝕;提高冶金質量和鍵槽的加工光潔度;大修時加強對后幾級葉輪的探傷檢查,及時對已經(jīng)產(chǎn)生裂紋的葉輪采取補焊修復或者換上新的葉輪。11/7/201936電廠金屬材料(二)汽輪機靜子用鋼及事故分析11/7/201937靜子的工作條件汽輪機靜子(汽缸、隔板、蒸汽室等)部件是在高溫高壓或一定的溫差、壓力差作用下長期工作的。汽缸是汽輪機的重要部件，通常分為上、下兩部分。汽缸工作時受到氣流的壓力，這種壓力在汽缸的前部最大，沿軸線向后逐漸降低，因此在汽缸壁上所受的力是變化的。汽缸內(nèi)溫度場分布也比較復雜，例如汽缸前后存在著溫度梯度，在大功率高參數(shù)凝汽式汽輪機的中壓缸中，從蒸汽入口到出口的溫度差超過500℃，低壓缸則在真空條件下工作，承受著外部空氣的壓力。汽缸形狀復雜，尺寸和重量大，從而造成鑄件生產(chǎn)上的困難。在結構上，缸壁較厚，且又厚薄不均勻，拐角多，從法蘭到汽缸的過渡區(qū)域，截面變化很大，容易產(chǎn)生鑄造缺陷和很大的局部應力。電廠金屬材料靜子材料的要求：11/7/201938（1）足夠高的室溫機械性能和較好的熱強性。（2）有一定的抗氧化性能，良好的組織穩(wěn)定性和抗熱疲勞能力。（3）具有盡可能好的鑄造性能及良好的焊接性能。電廠金屬材料靜子零部件用鋼工作溫度不同，靜子的材料也就不同。中、小功率氣輪機的低壓缸還可用灰口鑄鐵或耐熱合金鑄鐵來制造。

對于工作溫度在425℃以下的氣輪機的汽缸、隔板、主蒸汽閥等零部件，可以用

ZG25鋼鑄造。然后在900℃退火或900℃正火再在650℃回火6~8h。鑄件在機械加工或補焊后應再650～680℃退火6~8h。ZG20CrMo鋼用于工作溫度在500℃以下的汽缸、隔板、主蒸汽閥等，鑄件在900℃正火，650～680℃回火；經(jīng)機械加工或補焊后應在650～680℃退火4～8h。ZG20CrMoV鋼用于工作溫度在540℃以下的汽輪機靜子，該鋼含有釩元素，因而熱強性有了提高。但是鑄造性能和焊接性能要比ZG20CrMo鋼差一些，應嚴格控制焊前預熱（300~350℃）和焊后消除應力的退火處理。ZG15Cr1Mo1V鋼含鉻鉬比ZG20CrMoV鋼高，因而就有更高的熱強性，可用于制造570溫度以下的氣輪機靜子。其鑄造性能和焊接性能比ZG20CrMoV鋼稍差一些。對蒸汽參數(shù)為560～580℃、23.5Mpa（240大氣壓）的大功率氣輪機汽缸則要求用更高的熱強性材料來制造，國外是采用ZGCr11MoVB鋼一類的強化型馬氏體耐熱鋼來制造。11/7/201939電廠金屬材料3、汽缸的變形和開裂（1）汽缸的變形，汽缸發(fā)生變形會影響氣輪機的安全經(jīng)濟運行，其表現(xiàn)形式為汽缸水平結合面因變形而漏汽，以及汽缸圓周發(fā)生變形而導致氣輪機中心變化。為此在檢修時不得不進行水平結合面的修刮和局部補焊（也可用熱噴涂進行修復）以及重新調整氣輪機中心。造成汽缸變形的主要原因有：①汽缸殘余應力過大。汽缸由于形狀復雜、厚薄不均勻鑄造時各部分的凝固和冷卻速度不一而產(chǎn)生內(nèi)應力。在汽缸運行過程中會因殘余應力的作用而導致汽缸變形。為了消除鑄造殘余應力需要進行消除應力退火處理。②蠕變的影響。高壓氣輪機的工作溫度往往會在產(chǎn)生蠕變的溫度以上，因此，在長期運行過程中就會有蠕變現(xiàn)象發(fā)生。由于汽缸形狀復雜、厚薄不均勻，各部分的溫度和壓力不同，使各部分的蠕變速度不同，因而各部分蠕變（塑性變形）量不同，導致汽缸變形。③氣輪機基礎不良，造成各部分受力的大小不同而產(chǎn)生汽缸變形。11/7/201940電廠金屬材料（1）汽缸的開裂，汽缸裂紋大都產(chǎn)生在溫度梯度大、圓角半徑小或汽缸厚度不對稱的地方，法蘭與汽缸壁的過渡區(qū)以及各調節(jié)氣門汽道之間最容易產(chǎn)生裂紋。11/7/201941

產(chǎn)生汽缸裂紋的原因是很復雜的，內(nèi)因包括汽缸的結構、材質、工藝等方面的原因。外因包括溫度條件及應力狀態(tài)等方面的原因。汽缸在結構上如果拐角的半徑小及壁的厚薄差別大而又過于陡峭，則容易導致應力集中及應力的增大，在一定的條件下就會導致裂紋的產(chǎn)生。

出現(xiàn)了裂紋的汽缸可以采取挖除補焊等方法以消除裂紋和防止裂紋的繼續(xù)擴展。電廠金屬材料第三節(jié)

螺栓用鋼及斷裂事故分析—、螺栓的工作條件及對材料性能的要求螺栓是鍋爐`汽輪機和蒸汽管道上廣泛使用的緊固零件。螺栓在工作時由于螺母擰緊而使其受到拉應力，從而使螺栓產(chǎn)生一作用于法蘭結合的壓力，使所連接的兩結合面密和而不致產(chǎn)生漏汽現(xiàn)象。螺栓和螺母是在高溫高壓下工作的，在長期運行的過程會發(fā)生應力松弛，導致螺栓緊力降低，造成法蘭結合面漏汽。在汽輪機運行過程中，如果其他意外停機事故發(fā)生，法蘭結合的連續(xù)工作時間，取于螺栓的可靠性。一般要求螺栓的可靠工作時間不應該小于汽輪機按計劃進行大修兩次停機之間的時間。我國電廠使用在高溫下工作的緊固件，設計壽命通常規(guī)定為2×104h.影響螺栓工作期限的因素很多，例如螺栓本身的結構，制造的質量，擰緊螺栓的方和擰緊的程度，汽輪機啟動時螺栓與法蘭之間的溫度等。11/7/201942電廠金屬材料對螺栓用鋼有以下一些要求：11/7/201943（1）具有較高的抗松弛性能。我國規(guī)定大電廠所用的高溫螺栓最小密封力為147

Mpa,因此，要求螺栓用鋼有較高的抗松弛性能，以保證在較小的初緊應力下，大修期內(nèi)的壓緊力不低于最小密封應力。（2）足夠高的強度和韌性。（3）小的缺口敏感性。由于螺栓上存在著螺紋，有應力集中的條件，因此要求材料具有小的缺口敏感性。（4）良好的耐腐蝕性能，小的熱脆性傾向。（5）不發(fā)生螺母“咬死”現(xiàn)象。為此，要求螺母材料的硬度應比螺栓低HB20~40。所以螺母材料可以比螺栓材料低一級；若材料相同，螺母的回火溫度應高一些。此外，選用螺栓用鋼時還要考慮螺栓材料的線膨脹系數(shù)及導熱系數(shù)與被固定金屬的線膨脹系數(shù)及導熱系數(shù)相接近。電廠金屬材料二、螺栓用鋼介紹11/7/201944螺栓用鋼多屬于中碳鋼和中、低碳合金鋼。取中碳是希望有強度和韌性的較好的配合。合金鋼中因為加入了起強化作用的合金元素，所以含碳量可以低一些。制造高溫螺栓的合金鋼中主要含鉻、鉬、釩元素，這些元素加入后都能提高其熱強行和耐腐蝕性能，還使其具有較高的抗松弛能力。工作溫度更高的螺栓用鋼中還要加入鈮、鈦、硼等元素，這些元素都能增加淬透性，細化晶粒，硼還能起到強化晶界的作用，鈮、鈦都是強碳化物元素，因而彌撒硬化效果好，使鋼具有更高的熱強性和抗松弛的能力。電廠金屬材料對于工作溫度在400℃以下的螺栓，一般采用35或45號鋼制造，這類鋼調質后有較好的綜合機械性能，廣泛用作小功率低參數(shù)汽輪機和管道的螺栓材料。對于工作溫度在430℃以下的螺栓，常用35SiMn制造，該鋼價格低廉，所含元素符合我國資源情況，在可能的條件應盡量采用。其缺點是有一定程度的過熱敏感傾向及回火脆性傾向，熱處理時必須注意。35CrMo鋼具有較高的熱強性和抗松弛能力，長期工作組織穩(wěn)定性也較好，可用作480℃以下的螺栓和510℃以下的螺母。經(jīng)850℃油淬，560℃回火，調質處理后的組織為索氏體。該鋼在火電廠應用得比較廣泛。25Cr2MoV鋼和25Cr2MoV鋼是目前火電廠熱力設備中最廣泛使用的螺栓材料。25Cr2MoV鋼具有較好的綜合機械性能，熱強性和抗松弛能力也較高，用于制造工作溫度在510℃以下的螺栓。11/7/201945電廠金屬材料11/7/201946電廠金屬材料通常當螺拴選用25Cr2MoV鋼時，螺母則選用35CrMo鋼制造；如果螺拴和螺母均用25Cr2MoV鋼制造時，螺母的回火溫度應較螺拴高15～30℃。25Cr2Mo1V鋼中鉻、鉬、釩的含量均比25Cr2MoV鋼為高，因此具有更高的熱強性和抗松弛能力，廣泛用作工作溫度在540℃的螺栓材料。20Cr1Mo1VNbTiB鋼和20CrlMo1VTiB鋼是我國自行研制的可在560～580℃溫度下工作的螺栓用鋼，達兩個鋼種熱強性更高，抗松弛能力也更好，而且組織穩(wěn)定性也高。用20Cr1Mo1VNbTiB和20Cr1Mo1VTiB鋼制造的螺栓，已在200MW和300MW的汽輪機上應用。工作溫度在560～590℃螺栓應選用2Crl2WMoNbVB馬氏體耐熱鋼制造，工作溫度在650℃以下的螺栓應選用Crl5Ni36W3Ti、Cr15Ni36W3CoTi、

Cr15Ni36Mo3Ti等奧氏體類耐熱鋼制造；工作溫度在650~750℃的螺栓則應用鎳基合金如Cr15Ni70W5Mo4Al2Ti和Cr16Ni80NbTiAl等來制造。11/7/201947電廠金屬材料三、螺栓的斷裂分析11/7/201948螺栓的斷裂，特別是高溫螺栓在運行過程中的斷裂，是火電廠中常見的金屬事故。按照螺栓斷裂的特性可分為三種類型。（一）

脆性斷裂螺栓的脆性斷裂在斷裂事故中占的比重最大，斷裂的宏觀特性是斷口粗糙，呈結晶狀，斷裂處無明顯的塑性變形。有的斷口上明顯地分為兩部分，一部分屬于舊斷口，其表面有嚴重的銹斑，無金屬光澤，另一部分是新斷口，表面呈結晶狀，有金屬光澤。這種現(xiàn)象說明了螺栓在斷裂前，有一部分已產(chǎn)生了裂紋，最后是由裂紋擴展引起的斷裂。脆性斷裂的螺栓，室溫沖擊韌性值很低，ak值僅為5～31J/CM2

，說明螺栓的材質已經(jīng)脆化。雙頭螺栓脆斷部位常常發(fā)生在旋入端第一扣到第三扣螺紋的根部。電廠金屬材料（二）

疲勞斷裂螺栓的疲勞裂紋一般都產(chǎn)生在裂紋最大負荷扣的最大應力表面上，有的螺紋第一道螺紋上的應力達到全部應力的50%（典型的應力集中現(xiàn)象?。┯械牧鸭y發(fā)生在螺栓材料的某一缺陷處（疲勞源）。螺栓中一旦產(chǎn)生了裂紋，便在應力不斷作用下，裂紋逐漸擴展，當剩余的有效斷面不足以承受所加負荷時，就發(fā)生了突然的斷裂。這種類型的螺栓斷裂屬于疲勞斷裂，螺栓疲勞斷裂的斷口可分為疲勞斷裂區(qū)和靜撕裂區(qū)。11/7/201949電廠金屬材料（三）其他斷裂類型11/7/201950螺栓熱緊時由于加熱不均勻造成局部地區(qū)溫度過高，由此形成裂紋，導致螺栓斷裂，斷口呈粗晶型脆性斷口，有放射狀條紋。若螺栓初緊力過大，則可能造成韌性斷裂，斷口呈纖維狀。

螺栓斷裂的主要原因可歸納為：螺栓用鋼材質不良、螺栓結構不合理、加工和安裝工藝不當、運行條件差等幾個方面。從材質角度來分析，影響螺栓脆性斷裂的主要原因是螺栓材料的持久塑性低、缺口敏感性高和組織穩(wěn)定性差。另外，鋼材的冶金質量不好，非金屬夾雜物過多，有發(fā)紋、疏松等宏觀缺陷存在，都會促使螺栓脆斷。

螺栓的結構設計不合理，螺紋加工質量不好，螺紋根部圓角半徑太小，這樣會在螺栓局部地區(qū)造成嚴重的應力集中而促使螺栓過早的損壞。

在安裝檢修時，緊固螺栓的初緊力過大、熱緊時加熱方法不當、螺栓偏斜等因素往往也是導致螺栓斷裂的原因。電廠金屬材料防止螺栓脆斷的措施：（1）控制螺栓的硬度和金相組織。（2）改進螺栓結構。分析發(fā)現(xiàn)斷裂的螺栓大多為雙頭螺栓，這種螺栓光桿部分的直徑與螺紋直徑相等，無過渡圓角，存在著嚴重的應力集中區(qū)域，因而斷裂部位常常發(fā)生在旋入端螺紋與光桿交界處。為了避免這種現(xiàn)象，可將光桿直徑減小，改成細腰螺栓以緩和應力集中現(xiàn)象，減少斷裂的發(fā)生。（3）提高螺栓的加工精度和表面質量。（4）改進安裝檢修工藝，控制初緊應力，改進加熱方法，絲扣部分要研磨光潔，加入防止螺栓與螺母“咬