锅炉金属材料汇总.docx
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锅炉金属材料汇总
电厂锅炉金属材料
第一节电厂锅炉用钢
一、锅炉用钢具有的性能
制造锅炉用的主要金属材料是钢材。
锅炉本体设备是由在常温下承受静载荷的部件（钢架，支座，平台等）和承受高压高温的部件（汽鼓、联箱、受热面的管子及承受高温的支吊、定位部件等）所组成。
前一种部件可用一般的结构钢制造，后一种部件须用具有特殊性质的钢材即所谓锅炉钢来制造。
要求锅炉钢具有以下性能：
1、在高温条件下工作时，能持久地保持必需的机械性质，制造锅炉用的主要金属材料是钢材。
锅炉本体设备是由在常温下承受静载荷的部件（钢架，支座，平台等）和承受高温、高压的部件（汽强度、塑性、韧性等，以承受锅炉内部的压力和变动以及冲击负荷的作用，如在400℃以上工作则还要考虑蠕变现象。
一般钢材当温度在100～150℃时强度极限比常温下稍有降低，在200～300℃时略有增大，再升高温度又降低。
到400℃以上特别是450℃以上长期工作时，钢材的应力即使还远远低于弹性极限，但往往会发生一种缓慢而连续的变形。
从显微结构上看，低温时晶粒之间的连结强度比晶粒本身的强度高，在外力作用下金属的变形主要是晶粒自身的变形；然而在高温和应力的作用下，晶粒之间的连结强度会受到破坏，以致在晶粒之间发生位移，这种现象称为蠕变。
蠕变对温度是很敏感的，400～500℃的碳素钢增加12～15℃，或合金钢增加20～25℃，蠕变速度会增加一倍。
在有蠕变现象存在的情况下工作时，必须使材料在所处的温度和应力条件下的蠕变速度不超过许可的限度，以保证材料的安全使用。
在锅炉设计中，要求材料的蠕变速度为每小时长度变形不超过一千万分之一，这个速度相当于工作十万小时后材料变长1%。
钢材制成品经过一定时间后会发生韧性降低、硬度提高的现象，称为时效作用。
一般在200～300℃时这个作用最为强烈。
低碳钢（含碳量0.1%左右）的时效倾向尤大，而高碳钢和含有钼、钡或钨的合金钢则不易产生时效。
对于锅炉钢板，要求冲击韧性的下降率不大于50%，或冲击韧性的绝对值不小于3～3.5公斤米/厘米2。
2、要有良好的组织稳定性。
如果金相组织发生变化，例如产生球化（碳化铁不再呈片状而化为球状）或石墨化（碳化铁中的碳析出成为游离的石墨存在于晶粒之间）等现象，对金属的工作是很危险的。
过去的实践表明，低碳钼钢（如15Mo及20Mo）在500℃左右工作时容易发生石墨化现象，使钢质变脆以致破裂造成事故，这种钢材脱氧时，加入铝的数量若超过0.25公斤/吨，尤易发生石墨化。
根据研究结果，在钼钢中加入少量铬（0.4～0.6%），对于石墨化及球化均有稳定作用，因此近年来对于在接近500℃下工作的锅炉承压部件已不采用一度通用的15Mo、20Mo等钼钢而改用铬钼钢等材料。
3、对于锅炉用钢，不仅要求低温下良好的耐腐蚀性，对于高温下工作的部件还要求在高温下有良好的抗氧化性。
尤其是过热器和再热器部件，在高温下工作时，应不易发生氧化起皮等现象，通常要求在工作温度下氧化深度的发展速度小于0.1毫米/年。
加入合金元素铬、镍、铝和硅能提高钢的抗氧化性能，钢内含铬量大于12%就称为不锈钢。
4、金属组织应均匀，内部缺陷要在容许范围之内，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。
5、机械加工性能（包括热加工和冷作加工）和可焊性好。
二、锅炉管道用钢
锅炉管道是指水冷壁管、过热器管、再热器管、省煤器管、联箱及蒸汽导管等。
温度在450℃以下的低压锅炉钢管主要使用10号、20号优质碳素钢；中高压锅炉，除了水冷壁管和省煤器用20A碳钢外，其它受热面管子大多采用低合金钢管。
锅炉管道用钢选择的主要依据是金属的温度。
锅炉管子用钢的化学成分和用途见表17-1。
表17-1锅炉受热面管子用钢的化学成分和用途
钢号
化学成分（%）
用途
C
Si
Mn
Cr
Mo
V
W
Ti
B
其它
20
0.17
～0.22
0.17
～0.37
0.35
～0.65
壁温<450℃导管；壁温≤500℃受热面管子
12CrMo
≤0.15
0.20
～0.40
0.40
～0.70
0.40
～0.70
0.40
～0.55
壁温≤510℃导管；壁温≤540℃受热面管子
15MnV
0.12
～0.18
0.20
～0.60
1.20
～1.60
0.04
～0.12
用作12CrMo的代用钢
15CrMo
0.12
～0.18
0.17
～0.37
0.40
～0.70
0.80
～1.10
0.40
～0.55
壁温≤510℃导管；壁温≤540℃受热面管子
12MnMoV
0.08
～0.15
0.50
～0.80
0.80
～1.20
0.40
～0.65
0.25
～0.35
用作15CrMo代用钢
12Cr1MoV
0.08
～0.15
0.17
～0.37
0.40
～0.70
0.90
～1.20
0.25
～0.35
0.15
～0.30
壁温≤540℃导管；壁温≤570℃过热器、再热器等
12MoVWBSiRe
（无铬8号）
0.08
～0.15
0.60
～0.90
0.40
～0.70
0.45
～0.65
0.30
～0.50
0.15
～0.40
0.06
0.008
～0.010
Re0.15
壁温≤580℃的过热器、再热器等
12Cr2MoWVB
（钢102）
0.08
～0.15
0.45
～0.75
0.45
～0.65
1.60
～2.10
0.50
～0.65
0.23
～0.42
0.30
～0.55
0.08
≤0.18
0.008
壁温≤600℃过蒸器及导管
12Cr3MoVSiTiB（П11）
0.09
～0.15
0.60
～0.90
0.50
～0.80
2.50
～3.00
1.00
～1.20
0.25
～0.35
0.22
～0.38
0.005
～0.011
壁温600～620℃过蒸器及导管
Mn17Cr7MoVNbBZr
0.05
～0.12
0.50
～0.80
17.0
～19.0
7.0
～9.0
0.80
～1.10
0.25
～0.45
0.005
～0.012
Zr0.08
Nb0.3～0.5
壁温620～680℃过热器再热器及导管
14MoV63
0.10
～0.18
0.15
～0.35
0.30
～0.60
0.30
～0.60
0.50
～0.65
0.25
～0.35
≤540℃过热器及导管等
10CrMo910
≤0.15
0.15
～0.50
0.40
～0.60
2.0
～2.5
0.9
～1.1
≤540℃过热器及主蒸汽管
X12CrMo91
（HT7）
≤0.15
0.25
～1.00
0.30
～0.60
8.0
～10.0
0.9
～1.1
≤560℃受热面管子
X20CrMoW-V121
（F11）
0.17
～0.23
0.15
～0.50
0.40
～0.70
11.0
～12.5
0.80
～1.20
0.25
～0.35
0.4～0.6
N10.3
～0.8
650℃过热器管；600℃主蒸汽管
X20CrMoV121
（F12）
0.17
～0.23
0.15
～0.50
0.40
～0.70
11.0
～12.5
0.8
～1.2
0.25
～0.35
N10.3
～0.8
≤650℃过热器管；600℃主蒸汽管
Mn17Cr7MoVNbBZr
0.05
～0.12
0.50
～0.80
17.0
～19.0
7.0
～9.0
0.80
～1.10
0.25
～0.45
0.005
～0.012
Zr0.08
Nb0.3～0.5
壁温620～680℃过热器再热器及导管
14MoV63
0.10
～0.18
0.15
～0.35
0.30
～0.60
0.30
～0.60
0.50
～0.65
0.25
～0.35
≤540℃过热器及导管等
三、汽包用钢
汽包处于高温高压状态下工作，它除了受较高的内压外，还受到冲击，蒸汽介质的腐蚀和热应力的作用。
此外，在汽包的制造过程中，还要经过卷板、焊接、热处理等各种冷热加工工序，因此汽包用钢必须具有较高的强度、良好的塑性、韧性、冷弯性能、焊接性能以及低的缺口敏感性（即对由于开孔等而产生的应力集中不敏感）。
电厂中低压锅炉汽包一般为优质碳素钢（20g、22g）或普通低合金钢板（16Mng、15MnVg等）；高压超高压锅炉汽包均采用普通低合金钢板制造。
四、吹灰器及固定零件用钢
锅炉设备中的燃烧室、水冷壁管、过热器、省煤器、空气预热器部件均有吹灰装置，其作用是定期吹落积浮在这些设备上的烟灰渣子。
吹灰器的工作时间很短，但是工作温度高。
为了保证吹灰器有一定的使用寿命，吹灰器用钢应选用抗氧化性和高温强度都较高的钢，如铁素体耐热钢中的Cr25Ti，奥氏体耐热钢中的1Cr18Ni9Ti，马氏体耐热钢中的1Cr13等。
当温度小于450℃时应尽量采用低合金钢、碳钢和耐热铸铁。
锅炉设备中的固定零件主要指：
管夹、定位板、吊架、支座等，它们通常工作在较高的烟气温度下，且无冷却介质冷却，因此要求所用的钢材有较高的抗腐蚀能力和高温强度。
锅炉吹灰器及固定零件用钢应根据工作温度来选用，如表17-2所示。
表17-2锅炉吹灰器及固定零件用钢
牌号
C
Si
Mn
Cr
Ni
其它
组织类别
许用温度
（开始强烈氧化）
Cr6SiMo
≤0.15
≤0.70
5.0～6.5
<0.60
Mo0.45
～0.60
珠光体钢
750℃
1Cr13
≤0.15
≤0.60
≤0.60
12.0～
14.0
马氏体钢
1000℃
Cr25Ti
≤0.12
≤1.0
≤0.80
24.0～
27.0
Ti0.8
铁素体钢
800℃
1Cr18Ni9Ti
≤0.12
≤0.80
≤2.0
17.0～
19.0
8.0～11.0
奥氏体钢
900～1000℃
Cr20Ni14Si2
≤0.20
1.0～3.0
<1.5
19～20
12～15
奥氏体钢
900～1000℃
Cr25Ni12MnSi2
<0.20
<2.0
<1.0
22～27
12～15
奥氏体钢
900～1000℃
25Cr18Mn11SiN
（D1）
0.20～
0.28
1.5～2.0
10.5～12.5
17.5～19.0
N0.22～
0.30
奥氏体钢
900～1000℃
Cr18Mn9Ni2Si2N
（钢101）
0.12～
0.20
2.0～2.5
6.5～8.0
17～19
2.0～3.0
N<0.3
奥氏体钢
900～1000℃
五、磨煤机主要零件用钢
磨煤机是锅炉的主要辅机之一，它的任务是将煤磨成粉以供锅炉燃烧用。
在运行过程中，磨煤机的耐磨部件除了与煤发生激烈的摩擦外，还受到煤块的强大冲击力的作用，因此磨煤机的耐磨部件的表面层应极硬、耐磨，且有一定的韧性以防脆断，例如用Mn13高锰钢来制造钢球和钢甲以及中速轧辊式磨煤机的轧辊等；此外冷激铸铁（即表面有一定程度的极硬的白口铸铁层和中心具有一定韧性的灰口铸铁）也常用于中速轧辊式磨煤机的轧辊，有的电厂也用其作低速钢球磨煤机的钢球。
第二节钢在高温时性能和组织的变化
一、钢在高温时性能的变化
火力发电厂热力设备中许多零部件长期处在高温高压和腐蚀介质条件下工作。
实践证明，钢材在运行过程中由于多种原因使组织和性能发生变化，甚至有时会导致某些零部件的失效而造成事故，直接影响发电。
因此，现代火力发电厂对热力设备中的承压部件、钢材质量、焊接质量、管道蠕变以及钢的球化和石墨化等实行金属监督，掌握热力设备零部件在运行中组织和性能变化的规律，对于保证设备的正常运行，具有重要的意义。
实践证明，钢长期在高温下运行，其组织、结构和性能将发生显著的变化，钢在高温时所表现出来的性能和常温时的性能有很大的差别，因此钢材的室温机械性能不能代替其高温性能。
为保证发电厂的安全经济生产，必须了解和掌握钢在高温条件下长期运行时所发生的组织和性能的变化。
1．机械性能的变化
1）温度对强度和塑性的影响
（a）（b）
图17-1高温下钢的机械性能
钢在各种温度下的强度特性如图17-1（a）所示。
由图知，温度对材料的强度有很大的影响，当超过某一温度时，钢的强度极限就要降低，温度愈高，强度愈低。
此外，钢在高温下使用的时间愈长，强度也愈低，表17-3是40号碳钢在不同温度及速度的强度
值。
由表可知，20℃或200℃时，钢的强度与加载时间无关，高于此温度后，钢的强度不仅与温度有关，还与使用时间有关。
例如温度500℃时40号钢的瞬时强度（指拉伸试验中加载时间很短时的强度，这里是加载时间1分钟时的强度）为40公斤/毫米2，但在该温度下连续运行（或试验）20分钟后，负的强度便降为30公斤/毫米2。
因此，如果钢在高温下长期工作，则钢的瞬时强度不能作为它的性能指标的，也不能以室温性能来代替高温性能。
表17-340号钢在不同温度及速度的强度
值（公斤/毫米2）
温度
（℃）
拉断试样的时间（分）
1
5
10
20
30
60
20
70
70
70
70
70
70
200
75
75
75
75
75
75
500
40
35
32
30
29
28.5
600
30
25
21
18
17
16
由图17-1（b）知，塑性也随温度的变化而变化，当温度超过一定值后（如300℃）塑性值（ψ）随温度的升高而增加。
但温度在200～300℃区域，塑性出现一最低值，这种碳素钢在200～300℃的温度范围内，塑性和韧性降低的现象称之为钢的兰脆现象。
图17-2能更好地说明钢的这种兰脆性，图中纵座标为拉伸试样断裂处的布氏硬度值，横座标为试样断裂处断裂之后的应变数值（即相对变形，这里用断面收缩率ψ表征）。
由图看出，不同温度下试样断裂处的硬度是不一样的，例如试样在400～700℃之间断裂时，断裂处的硬度低于常温（20℃）下断裂的硬度。
但在100～300℃的温度区域内，试样断裂处的硬度比常温断裂时的硬度要高。
此外，由图17-2还可看出，应变数值愈大，断裂试样的硬度愈高。
图17-2温度对钢试样断裂硬度的影响图17-3温度对碳钢屈服极限的影响
2）温度对屈服极限的影响
温度对钢材屈服极限的影响很大，图17-3为不同温度对碳钢屈服极限（
）的影响。
由图可知，随温度的升高，碳钢的屈服极限降低，且温度愈高，屈服极限愈低。
3）温度对比例极限的影响
比例极限是保证钢材弹性变形按线性变化的最大抗力指标，因此比例极限即弹性极限。
温度对比例极限的影响很大，如图17-4所示，随着温度的升高，钢的比例极限下降。
由图看出，300℃时各种钢（图中1、2、3、4、5、6曲线分别代表不同成分的钢）的比例极限值相差很大，但至500℃时这种差别就几乎完全消失。
2．蠕变
1）蠕变现象
金属在一定温度和应力作用下，随时间的延续发生缓慢的塑性变形的现象称为蠕变。
各种不同的金属，开始发生蠕变的温度各不相同，并且温度愈高，蠕变现象愈显著。
例如碳钢约在300℃开始蠕变，合金钢则在400℃以上出现蠕变现象。
图17-4温度对某些钢的比例极限影响图17-5典型蠕变曲线
2）蠕变曲线
火力发电厂的热力设备中，一些在高温下长期运行的部件如过热器管、主蒸汽管道等都会发生蠕变现象。
蠕变严重时会造成管壁减薄，最后引起爆管破坏。
图17-6应力改变（温时恒定）时的图17-7温度改变（应力恒定）时的
蠕变曲线（σ4>σ3>σ2>σ1）蠕变曲线（t4>t3>t2>t1）
金属蠕变时，其变形（ε）与时间（τ）的关系曲线称为金属的蠕变曲线，典型的蠕变曲线如图17-5所示。
蠕变曲线可分为以下四个部分。
①0a为开始加载后所引起的瞬时变形。
如果所加应力超过金属在该温度下的弹性极限，则这个变形包括了弹性变形和塑性变形。
②ab为蠕变的第一阶段，在这个阶段中，蠕变的特点是开始速度较大，以后随时间的增加蠕变速度逐渐减小。
③bc为蠕变的第二阶段，是蠕变的稳定阶段。
在这个阶段中，蠕变速度很小且基本不变，在曲线上表现为具有一定倾斜角度a的直线段，该倾角a的正切值即为材料的蠕变速度。
蠕变速度快，则材料断裂就早。
图17-8冶炼方法对碳钢的蠕变特性影响
④cd为蠕变的第三阶段，也是蠕变的加速阶段，当蠕变进行到d点时材料即断裂。
不同材料在不同条件下得到的蠕变曲线是不同的，同一种材料的蠕变曲线也随着应力和温度的不同而不同。
尽管蠕变曲线各不相同，但它们都具有上述共同特点，只不过是各阶段的时间不同而已。
图17-6表示温度不变时，应力对蠕变曲线的影响，应力愈大，蠕变速度就愈大。
对于一定的温度，如果应力很小，则蠕变第二阶段持续的时间可以很长，甚至有可能不出现蠕变的第三阶段：
图17-7表示应力不变时，温度对蠕变曲线的影响，温度愈高，蠕变速度也愈大。
图17-90.5%钼钢的抗蠕变能力与温度和晶粒度的关系
3）蠕变极限
蠕变极限是指试样在一定温度下于规定时间内，产生等于某规定值的蠕变变形量或蠕变速度时的最大应力。
蠕变极限用符号
σb2/τ或
表示，其中
表示极限应力（公斤/毫米2）；t表示试验温度（℃）；τ表示试验持续时间（小时）；δ表示变形量（%）；VH表示恒定蠕变速度（%/小时）。
例如：
σ1700/104表示在700℃时，持续时间为一万小时，产生蠕变总变形量为1%时的蠕变极限。
4）影响蠕变的因素
材料的蠕变主要取决于合金的化学成分，同时也与冶炼质量、工作温度等有关。
①钢材化学成分的影响：
实验证明，碳钢的抗蠕变性能差，在300℃时就开始发生蠕变现象。
因此，热力设备中的高温零部件要采用含有Cr、Mo、V及W等元素的合金钢以提高钢材的抗蠕变性能，其中Mo是最有效的增加抗蠕变性能的元素。
合金钢在350～450℃才出现蠕变现象，特别是含有大量铬的高合金的铬镍钼钢有很好的抗蠕变性。
②冶炼工艺的影响：
随着钢材冶炼工艺的不同，钢的质量有很大的区别，例如电炉钢的抗蠕变性能比平炉钢好，而电炉钢中，高频炉钢的抗蠕变性能又比电弧炉炼出来的钢好。
图17-8为用各种冶炼方法得到的A5钢的蠕变特性，由图知，不同的冶炼方法（曲线1、2、3、4即代表各冶炼方法），抗蠕变性能也不同，即使是同一钢号其抗蠕变性能也可能相差50～100%。
③晶粒大小的影响：
金属组织中晶粒的大小对钢材的抗蠕变性能有很大的影响。
实践证明在高温下粗晶粒的钢具有较高的抗蠕变性能。
因而从抗蠕变性角度出发，在高温下采用粗晶粒组织的钢有利，但是晶粒变粗后会降低材料的塑性与韧性。
因此每一种钢材在不同的温度下有不同的最佳晶粒度。
图17-9表示在不同温度下，不同晶粒度的钼钢（含Mo0.5%）的抗蠕变特性（蠕变速度V=1×10-5%/小时）。
钢的晶粒度分为8级，图中曲线2、3……8分别代表2级、3级……8级晶粒度的钢，数字愈大，晶粒愈细。
当工作温度低于或等于400℃时，8级晶粒度的钢抗蠕变性能最好；当温度升至550℃时，2级晶粒度的钢抗蠕变性能最好。
因此含Mo0.5%的钼钢一般用于450～525℃温度区间，最好的晶粒度是6～3级。
④温度的影响：
温度提高后金属的抗蠕变性能减弱，特别是温度的波动会加快钢材的蠕变速度。
试验证明，管子工作温度处于不稳定时，会使其抗蠕变性能降低，如15CrMo钢处于485～535℃的波动温度下时，其蠕变速度要比处于510℃恒定温度下高3～4倍。
因此，温度波动对金属的工作是很不利的。
5）蠕变监督
热力设备在运行中，应对其进行蠕变变形的监督，特别是对工作在高温下的蒸汽管道、联箱、汽缸等高温部件的蠕变监督更为必要。
目前，电厂中对高温蒸汽管道蠕变变形的测量是利用这种管道的蠕变变形表现在直径胀大这一现象来进行的。
如图17-10所示，用不锈钢（1Cr18Ni9Ti）制作的具有一定形状的蠕变测点（图17-10，a）装置装在所需监督的管段上，测量时用外径千分尺量其基准点间的距离D1（图17-10，b）。
运行前作第一次原始测量，运行中视具体情况定期测量，将测量结果经有关换算，即可求出管道钢材的蠕变变形和蠕变速度，绘出蠕变曲线，以监视蠕变的第三阶段是否到来，保证设备安全。
图17-10管道的蠕变测量
（a）蠕变测点形状；（b）管道的蠕变测量装置
表17-4是主蒸汽管道蠕变变形和蠕变速度的实例，即某厂四台高参数机组的主蒸汽管道在运行十万小时后测得的管径最大蠕变变形值和最大平均蠕变速度值。
表上所示的蠕变变形值远小于规定的1%（对直径φ273毫米的钢管应为2.73毫米）；最大蠕变速度仅为允许值的1/5左右。
这些数值对同类型锅炉使用的12CrMo、15CrMo和12Cr1MoV钢主蒸汽管道的蠕变有参考价值。
表17-4某厂几台高参数机组主蒸汽管道运行105小时蠕变值表
名称
参数为510℃、11公斤/厘米2的12CrMo钢主蒸汽管道
参数为540℃、100公斤/厘米2
的12Cr1MoV钢主蒸汽管道
105小时允许的最大变形值和蠕变速度
1
2
3
运行径约105小时的最大蠕变量（%）
0.385
0.521
0.359
0.415
1
最大蠕变速度毫米（毫米·时）
0.186×10-7
0.25×10-7
0.129×10-7
0.45×10-7
1×10-7
3．持久强度
持久强度是评定在高温和应力长期作用下金属强度的指标。
测量材料持久强度的试验一直要进行到试样的断裂，因此持久强度能反映钢材在高温和应力长期作用下断裂的抗力和塑性。
图17-11运行106000小时后的15CrMo钢
持久塑性与断裂时间的关系
持久强度是指试样在一定温度和规定的持续时间内，引起继裂的最大应力值，以符号
（公斤/毫米2）表示，其上角标t表示试验温度（℃），下角标τ表示试验持续时间（小时）。
例如
表示在700℃时，持续时间为100小时的持久强度极限值为30公斤/毫米2。
蠕变极限和持久强度极限都是反映材料高温性能的重要指标，其区别在于侧重点不同。
蠕变极限主要考虑材料的变形为主，如汽轮机叶片在长期运行中，只充许产生一定的变形量，在设计时就必须考虑蠕变极限。
而锅炉设备中的某些零部件如受热在管子等，对所用钢材的蠕变性能要求不严，只要求在运行中不发生爆管即可，这就需要用持久强度作为高温强度的计算指标。
一般来说，蠕变抗力高的材料往往具有良好的持久强度。
4．持久塑性
持久塑性反映了材料在高温和应力长期作用下的塑性性能，它是通过持久强度试验，用试样断裂后的延伸率和断面收缩率来表示的。
实践证明，不少材料在高温下长期工作后，只有很低的延伸率，往往会导致脆性破坏，如汽轮机中螺栓的脆断，主蒸汽管道材料的脆性破坏等。
图17-12应力松驰曲线
持久塑性随使用（或试验）时间的增加而下降，当下降至
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