315004610锅炉金属材料

《315004610锅炉金属材料》由会员分享，可在线阅读，更多相关《315004610锅炉金属材料（18页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、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

2、则还要考虑蠕变现象。一般钢材当温度在100150时强度极限比常温下稍有降低，在200300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，400500的碳素钢增加1215，或合金钢增加2025，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

3、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200300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33.5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

4、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(0.40.6%)，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

5、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-

6、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CSiMnCrMoVWTiB其它200.170.220.170.370.350.65壁温450导管；壁温500受热面管子12CrMo0.150.200.400.400.700.400.700.400.55壁温510导管；壁温540受热面管子15MnV0.120.180.200.601.201.600.040.12用作12CrMo的代用钢15CrMo0.120.180.170.370.400.700.801.100.400.55壁温510导管；壁温540受热面管子12MnMoV0.080.150.500.800.801.20

7、0.400.650.250.35用作15CrMo代用钢12Cr1MoV0.080.150.170.370.400.700.901.200.250.350.150.30壁温540导管；壁温570过热器、再热器等12MoVWBSiRe(无铬8号)0.080.150.600.900.400.700.450.650.300.500.150.400.060.0080.010Re0.15壁温580的过热器、再热器等12Cr2MoWVB(钢102)0.080.150.450.750.450.651.602.100.500.650.230.420.300.550.080.180.008壁温600过蒸器及导管1

8、2Cr3MoVSiTiB(11)0.090.150.600.900.500.802.503.001.001.200.250.350.220.380.0050.011壁温600620过蒸器及导管Mn17Cr7MoVNbBZr0.050.120.500.8017.019.07.09.00.801.100.250.450.0050.012Zr0.08Nb0.30.5壁温620680过热器再热器及导管14MoV630.100.180.150.350.300.600.300.600.500.650.250.35540过热器及导管等10CrMo9100.150.150.500.400.602.02.50.

9、91.1540过热器及主蒸汽管X12CrMo91(HT7)0.150.251.000.300.608.010.00.91.1560受热面管子X20CrMoW-V121(F11)0.170.230.150.500.400.7011.012.50.801.200.250.350.40.6N10.30.8650过热器管；600主蒸汽管X20CrMoV121(F12)0.170.230.150.500.400.7011.012.50.81.20.250.35N10.30.8650过热器管；600主蒸汽管Mn17Cr7MoVNbBZr0.050.120.500.8017.019.07.09.00.801

10、.100.250.450.0050.012Zr0.08Nb0.30.5壁温620680过热器再热器及导管14MoV630.100.180.150.350.300.600.300.600.500.650.250.35540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

11、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，

12、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CSiMnCrNi其它组织类别许用温度(开始强烈氧化)Cr6SiMo0.150.705.06.50.60Mo0.450.60珠光体钢7501Cr130.150.600.6012.014.0马氏体钢1000Cr25Ti0.121.00.8024.027.0Ti 0.8铁素体钢8001Cr18Ni9Ti0.120.802.017.019.08.011.0奥氏体钢9001000Cr20Ni14Si20.201.03.01.519201215奥氏体钢9

13、001000Cr25Ni12MnSi20.202.01.022271215奥氏体钢900100025Cr18Mn11SiN(D1)0.200.281.52.010.512.517.519.0N0.220.30奥氏体钢9001000Cr18Mn9Ni2Si2N(钢101)0.120.202.02.56.58.017192.03.0N321) 蠕变曲线(t4t3t2t1)金属蠕变时，其变形()与时间()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。 0a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

14、变形。 ab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。 bc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 cd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

15、，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17-9 0.5%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b2/或表示，其中表示极限应力(公斤/毫米2)；t表示试验温度()；表示试验持续时间(小时)；表示变形量(%)；VH表示恒定蠕变速度(%/小时)。例如：1700/104表示在700时，持续时间为一万小时

16、，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。 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350450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。 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

17、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50100%。 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=110-5%/小时)。钢的晶粒度分为8级，图中曲线2、38分别代表2级、3级8级晶粒度

18、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450525温度区间，最好的晶粒度是63级。 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485535的波动温度下时，其蠕变速度要比处于510恒定温度下高34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

19、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

20、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273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123运行径约105小时的最大蠕变量(%)0.3850.5210.3590.41

21、51最大蠕变速度毫米(毫米时)0.18610-70.2510-70.12910-70.4510-7110-73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

22、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

23、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，当下降至一最小值后持久塑性又逐渐上升。其最小值出现的时间与试验温度有关，试验温度愈高，钢的持久塑性愈高，最小持久塑性值出现的时间愈早。图17-11是15CrMo钢在试验温度下持久塑性与断裂时间的关系，由图可知，在恒定温度下，开始时持久塑性随断裂时间的增加而减小，减至最小值后，又随断裂时间增加而上升。持久塑性还与多的成分有关，钢中加入铬、硅后能提高殊光体耐热钢的持久塑性，而钡钼则使持久塑性降低。持久塑性低的材料，抗疲劳和抗裂纹发展的能力也将降低，因此，一般要求持久塑性()不小于35%。电厂中一些承受压力的部件，

24、如主蒸汽管、过热器管等，应选用持久塑性高的材料来制造，这样可在它们破裂之前产生一定的塑性变形，避免了钢材突然的脆性破坏。因此，热力设备主要零部件所用的材料必须具有较高的持外强度和持久塑性。5应力松驰金属在高温和应力状态下，其总变形保持不变，应力随时间逐渐降低的现象称为应力松驰。应力松驰可以用时间-应力为座标绘成如图17-12曲线。称为应力松驰曲线。若以紧固件为例，则图中0相当于紧固件拧紧后加上的初应力，1为经过1时间后的剩余应力，2为经过2时间后的剩余应力。显然，在相同试验温度和初应力下，剩余应力愈高，表明材料的抗松驰性能愈好。金属材料的应力松驰现象，在常温下进行得很缓慢，因而可以忽略不计，但

25、在高温下，应力松驰现象变得很显著。一般认为，当螺栓的工作温度超过400时，就会产生较明显的应力松驰现象。汽缸和阀门上的法兰螺栓是应力松驰的典型例子。在探紧螺母时，依靠螺栓弹性变形产生的应力达到紧固。在使用过程中螺栓的弹性变形转变为塑性变形，因而应力下降，这时螺栓的总变形并未改变，从而产生应力松驰现象。螺栓的这种应力松驰现象，使螺栓的紧力降低，导致法兰接合面漏汽，因此要采取一定措施(选择抗松驰性能好的材料来制作螺栓、提高初紧力等)来保证法兰接合面的严密。二、钢在高温下组织的变化 钢在常温时组织和性能一般是相当稳定的，但是在高温和应力的长期作用下，组织将逐渐发生变化。这种组织的不稳定，最终将导致钢

26、性能的劣化，影响它们的安全运行。1 珠光体的球化和碳化物的聚集图17-13 珠光体球化过程示意图(a) 原始组织；(b) 珠光体分散；(c) 成球；(d) 球化组织1铁素体；2片状珠光体；3球化碳化物钢中珠光体球化和碳化物的聚集，是电厂锅炉用钢(如20号钢、16Mo、15CrMo、12Cr1MoV等)在使用过程中常出现的一种组织变化形式。珠光体球化是指珠光体中的碳化物由片状渗碳体逐渐转变成球状渗碳体的现象。球化后的碳化物继续增大自己的尺寸，使小直径的球变成大直径的球，这就是碳化物的聚集。球光体球化过程如示意图17-13所示，图中(a)是钢的原始组织，由铁素体和珠光体组成。经过珠光体的碳化物分散

27、、成球、最后便成为图中(d)所示的球状组织。图17-14是高温过热器管(12Cr1MoV)珠光体球化的显微组织。图中(a)所示为540下运行18285小时后，组织为铁素体加珠光体，强度(b)为53.956.3公斤/毫米2，10=2022%，图(b)为540下运行27777小时后，组织为铁素体加珠光体，珠光体开始球化。强度(b)仅46.8公斤/毫米2。 (a) (b)图17-14 高温过热器珠光体球化珠光体的球化和碳化物的聚集使钢常温下的强度(b)和硬度降低，球化还会加速钢材的蠕变过程，试验指出12Cr1MoV完全球化后，持久强度将降低1/3。火力发电厂的爆管事故有不少是由于球化而引起的。 图1

28、7-15 过热器(20号钢)管石墨化显微组织 500X 图12-16 25Cr2Mo1V 螺栓原材料心部开裂影响钢材球化的因素很多，最主要是：1) 温度与时间的影响温度对球化起着极重要的作用，到达同一级球化程度时，温度愈高，所需球化的时间愈短。火力发电厂中，锅炉、汽轮机等热力设备对超温运行有严格的规定，因为超温运行会加速钢的球化过程，从而缩短设备的使用寿命。2) 应力的影响运行时材料所受应力愈大，球化过程愈快。3) 化学成分的影响材料的化学成分对碳化物球化影响较大，因为化学成分决定了组织结构。碳钢的组织稳定性较差，所以容易产生球化现象，同样条件下钼钢球化速度就比碳钢小。钢中加入Cr、Mo、W、

29、V、Nb等合金元素，可以提高组织稳定性，阻止球化过程。2石墨化在高温应力长期作用下，钢中珠光体内渗碳体分解为游离石墨的现象称为石墨化。钢在石墨化要在长期运行(一般几万小时以上)和高温(一般碳钢要大于450，钼钢要大于485)的条件下才能发生。图17-15是某电厂的过热器管(20号钢)在450运行十万小时后出现石墨化现象后钢的显微组织。石墨化是碳钢和钼钢组织不稳定的一种最危险的形式。低碳钢和0.5%钼钢常用在低、中压锅炉的高温段和高压锅炉中的低温段，长期运行后容易发生钢的石墨化现象，使管子钢材变脆，强度和塑性显著下降，严重时造成管子爆破。如某电厂一台高温高压锅炉，低温段过热器管用20号碳钢，由于

30、实际工作温度长期处于475，短期超温竟达505，累计运行75894小时后发生爆管事故。经分析，是钢已经发生严重石墨化和完全球化所致。石墨化过程与温度、时间、应力、化学成分以及焊接等因素有关。钢经退火、正火、或焊接之后回火等热处理，都能推迟墨化出现的时间，但如果热处理时冷却不均匀则会加速石墨化的过程。高压蒸汽管道的焊缝热影响区(焊接时受热的材料区域称为焊缝热影响区)易出现石墨化现象。钢中加入Cr、Ti、Nb、V等合金元素可以有效地阻止多的石墨化倾向。所以火力发电厂常用Cr-Mo钢和Cr-Mo-V钢。产生轻度石墨化的管子可以用热处理的方法使组织得以恢复。第三节 钢的缺陷和事故一、钢的缺陷、焊缝缺陷

31、和焊缝组织对运行的影响火力发电厂热力设备用钢多数是在高温高压和腐蚀介质作用下长期运行的，因而对钢的质量与焊接质量要求很高。在运行中的钢的质量、焊缝质量和焊缝组织不合要求常常是发生事故的根源。1钢的缺陷对运行的影响钢的缺陷有宏观缺陷和微观缺陷两类。宏观缺陷有裂纹、气孔、砂眼和夹砂等，其中影响较大的是裂纹。图12-16所示为25Cr2MolV螺栓材质不良，存在心部裂纹的组织形貌。钢中的裂纹会造成应力集中，在高温运行中这种缺陷极易扩展而导致钢的破坏，因此在高温下运行的钢管要特别注意其表面质量，因为表面的裂纹等缺陷，在温度波动影响下会很快扩展，有时表面微小的划痕也会导致爆破。微观缺陷如金属夹杂物(包括

32、硫化物、氧化物、氮化物和硅酸盐)等，可看作为金属内部的锐角，使金属内部应力集中，过早导致疲劳损坏。一般夹杂物的熔点比母材低，从而造成金属的热脆性。2焊缝缺陷对运行的影响火力发电厂热力设备中，需要焊接的部位是很多的。焊缝同母材一样是在高温高压条件下工作的，因而对焊接质量要求很高。但是由于材质、结构和工艺等原因，在焊接中会产生各种缺陷，如裂纹、气孔、夹渣、根部未焊透等，这些缺陷在运行中变化和发展，给运行带来不利影响。图17-17为12CrMo钢大口径管电焊接头，由于根部严重未焊透造成裂缝和夹渣，其裂纹在运行中由根部未焊透层向焊缝发展，使焊缝有效截面削弱、强度减弱，造成了应力集中，给运行带来不利影响

33、。 图17-17 焊缝根部未焊透而发展的裂纹区； 图17-18 焊接热影响区各部分组织 1过热区；2正火区；3不完全重结晶区 4未发生组织变化区；5淬火；6不完全淬火区；7回火区；3焊缝组织对运行的影响焊接过程中，焊缝金属被加热熔化，冷却时又经凝固结晶和固态相变的过程，焊接接头各部位受到不同的热循环，造成焊接接头各处组织的差异及不均匀性。焊接时受热的这部分原材料称为热影响区。热影响区组织如图17-18所示。由图可知，热影响区域温度从Ac1到熔化连续变化，焊后空冷，使该区域的组织很复杂，而且焊后热处理又难以使热影响区的组织性能均匀化，使热影响区的组织和性能不同于母材。合金元素含量较少的低合金钢，

34、因淬硬倾向小，其焊缝组织分布与低碳钢相似；但合金元素含量较多的合金钢，淬硬倾向大，即使空冷也会出现马氏体组织，焊缝组织显然与碳钢和低合金钢不同。对焊接进行运行温度下的持久强度试验证明：断裂一般总是发生在焊缝的热影响区，说明焊缝热影响区是一个薄弱地区。因此，合金钢要进行焊前预热与焊后回火(或焊后缓冷)处理，焊前预热可减小焊接过程中的热应力，从而预防裂纹的产生。焊后回火或缓冷用于改善焊缝组织，消除焊接应力(高温回火可使焊接产生的马氏体转变为索氏体，焊后缓冷是防止产生马氏体组织)。二、电厂高温金属常见事故火力发电厂热力设备高温部件在运行中会发生管子的爆破，螺栓的断裂以及其它损坏事故，影响机组的安全运

35、行，因此对金属事故的分析和预防是非常重要的。热力设备零部件的损坏与结构设计、材料质量、加工、装配及运行工况等五个方面紧密相关。对零部件损坏原因的分析，目的在于找出损坏的主要原因，进而采取相应的措施，防止类似事故的发生。常见零部件的损坏事故有：1过热器管的长时过热爆破如图17-19所示为某锅炉过热器管(15CrMo)因长时超温运行而爆破的破口形貌。图17-19 15CrMo过热器管长时过热爆破的破口形貌 2水冷壁管的短时过热爆破如图12-20所示为某锅炉水冷壁管(20号钢)因短时壁温超过Ac3而爆破的破口形貌。图17-20 20号钢水冷壁管短时过热爆破的破口形貌3减温器因错用钢材而发生蠕变爆破图

36、17-21是某高压锅炉级减温器，因错用20号碳钢，运行6174小时后由于长时过热而发生蠕变损坏的破口形貌。经金相分析证明，珠光体完全球化，晶界有蠕变裂纹，其破口边缘组织如图17-22所示。4螺栓脆断图17-23是一台2.5万千瓦机组汽缸大螺栓运行七年后，因材质脆化而断裂的断口形貌。经分析证明，脆化后的材料强度增加，而冲击韧性下降。图17-21 20号钢减温器长时过热爆破的破口形貌 图17-22 爆破口边缘组织 300 图17-23 螺栓脆断的断口形貌第四节 钢的质量鉴别与监督一、钢的质量鉴别钢的化学成分、组织结构和缺陷，都可以通过一定的方法进行鉴别。电厂常用的鉴别方法有化学成分鉴别法、金相分析

37、法和无损探伤等。1化学成分鉴别法1) 化学分析法化学分析法可发为定性分析和定量分析两种。定性分析法只能测定钢材中含有哪些元素，大致确定钢号，而这些元素的含量不作为分析的主要要求：定量分析法不仅测定钢材中所含的各种元素，而且还测定钢材中各种元素和杂质的质量。在选取钢材化学分析试样时，必须注意取样部位的代表性。取样前应先将被加工试样表面的氧化物或脱碳层除掉。取样时切削速度不宜过快，以防试样表面氧化；进刀量也不宜过大，以免金属屑过厚，给以后的化学分析工作带来困难；还要求金属屑无油、无锈、不得混入其它杂质，以保证化学分析的正确性。应用化学分析法测定钢材中各种元素的方法很多，主要有重量法，比色法，容量法

38、等数种，本书不再细述。化学分析法不仅能对钢铁进行化学成分分析，而且还能对铜与铜合金、铝与铝合金、轴承合金以及珠光体耐热钢中的碳化物进行分析。因此，化学分析法在电力部门中的应用较广泛。2) 光谱分析法光谱分析法主要用来鉴定钢材的化学成分，对钢材进行定性或半定量分析。由于光谱分析法具有操作简便、分析速度快等优点，所以在电厂中得到了广泛的应用。光谱分析法的基本原理是：在电火花或电弧的激发下，钢材中的各种元素都能发射出自己特有的光谱，光谱通过看谱镜便能清晰地看到。因此，根据谱线的条纹、位置和波长，即可确定钢材中的各种元素；并且根据谱线的强度、位置，可以确定各种元素的含量。进行光谱分析时，首先必须正确地

39、识别谱线。在观察时应耐心细致，以免造成识别和判断上的错误。应用看谱镜对钢材进行分析时速度较快，通常分析一种多材中的56个元素只需要23分钟。但是，光谱分析的精确度不高，分析误差达20%左右。然而，在熟练工作人员的操作下，精确度可大大提高，特别是当某些元素的含量较低时，其分析误差可降到10%以下。2金相分析法金相分析法是一种用来分析金属材料内部组织、形态及外部缺陷的一种直观分析法。它分为宏观和微观两种分析方法。1) 宏观分析法又称为低倍分析法：它是用肉眼或低倍放大镜来观察钢的宏观组织和缺陷的一种分析方法。钢的宏观分析方法主要有断口分析法和酸蚀分析法等不同方法。 断口分析法：断口分析就是通过观察断

40、口的形状来了解钢材内部的组织、判断钢材质量、发现钢材本身的缺陷以及生产过程中所存在的一些问题(如气孔、砂眼、裂纹等)。断口分析还可以对某些零部件的损坏进行原因分析。常见的断口有以下三种。a.纤维状断口：断口呈暗灰色，这是钢材韧性破断后断口的特征。b.晶粒状断口：断口呈白亮色，并具有金属光泽，这是钢材脆性破断后断口的特征。c.陶瓷状断口：断口呈灰白色，无金属光泽，形似细瓷碎片，在正常温度下淬火的钢材断裂时具有这种断口。 酸蚀分析法：酸蚀分析法就是将钢置于某种腐蚀介质进行腐蚀，而使钢中所存在的缺陷得以显现的一种试验方法。对于钢材，一般在1:1的盐酸水溶液中于6580的温度下，恒温浸蚀1545分钟，

41、然后取出试样用7080的热水冲洗干净，再用热风吹干，使用低于20倍的放大镜即可观察钢的低倍组织和缺陷。2) 显微分析法: 是利用金相显微镜，在1002000倍的放大倍率下(近年来已有更高放大倍数电子显微镜)，来研究金属的微观组织和缺陷的一种方法。进行显微分析法时，其试样需经过特殊的制备，使被分析的表面光亮如镜。并根据不同的金属材料和需要来选择相应的浸蚀剂，对试样表面进行腐蚀，然后便可在金相显微镜下观察，也可摄成相进行分析。显微分析法可以显示金属材料的组织特征，测定晶粒的大小，鉴定各种夹杂物和缺陷(如微小裂纹、组织不匀等)以及分析零件报废的原因等。3无损探伤无损探伤是在不损坏工件(或金属原材料)

42、的前提下测定材质内部有无缺陷的一种检验方法，简称探伤。无损探伤方法在工业生产各个部门中已获得广泛的应用。如射线探伤法，超声波探伤法，磁粉探伤法、着色探伤法等。电厂常用射线探伤和超声波探伤。1) X射线与g射线探伤法X射线与g射线均为不可见光，是一种具有较短波长的电磁波，它们具有穿透金属材料的能力。当射线照射在金属零件上时，只要金属零件内部有缺陷，射线就会发生不同的衰减现象，因而能用照相法使缺陷显示。射线探伤法主要用于检验焊缝和铸钢件的内部缺陷，如焊缝中较宽的裂缝、未焊透、夹杂、气孔及铸多件中的缩孔等。目前X射线能穿透80毫米厚的钢件，g射线可穿透300毫米厚度左右的钢件。2) 超声波探伤法超声

43、波的传播能量大，在金属中能定向传播，遇到缺陷时能产生强烈的反射或衰减，因而可利用超声波对金属材料进行探伤。超声波探伤的方法有多种，其中脉冲反射法是目前应用最普遍的一种，图17-24为超声波探伤示意图。当工件内部无缺陷时，从探头中压电晶片发射出的超声波直接被底部反射，使示波屏上只呈现一个始脉冲的讯号和底脉冲的讯号(17-24a)；而当遇到缺陷时，由于超声波反射，则在示波屏上除原有的始、底脉冲外，其间还呈缺陷脉冲讯号(如图17-24b)。(a) (b)图17-24 超声波探伤示意图(a) 无缺陷；(b) 有缺陷超声波探伤的灵敏度比射线探伤高，尤其是在检测金属内部的裂缝缺陷时更为突出。此外，超声波探

44、伤还可对缺陷进行定量分析。在电厂中主要用这种方法来检查形状较简单的零件(如汽轮机叶片、螺栓等)的缺陷及焊缝中的裂纹等。二、电厂的金属监督工作金属监督是火力发电厂四大监督(即金属监督、化学监督、仪表监督和绝缘监督)之一，是电业安全经济生产的重要环节。其任务是执行部颁规程，对承压部件、焊接质量、钢材质量、管道蠕变、球化等进行试验和监督，防止错用钢材，防止设备损坏和爆破事故的发生等。金属监督的范围是：1、工质温度高于450的承压金属部件，如主蒸汽管、过热器管、汽轮机高压转子、高压缸、高压阀门等部件。2、工质温度虽然不高于450，但运行中温度波动范围可达450的承压金属部件，如中温中压电厂的主蒸汽管、

45、过热器管等。3、工质温度虽不高于450，但在60表大气压以上工作的承压部件或易于损坏影响安全的重要部件，如汽包、水冷壁管、省煤器管、给水管及汽轮机的转动部件等。4、其它属于锅炉监督范围内的重要承压部件，如中压电厂的联箱、主蒸汽管、给水管、过热器焊口等。5、蒸汽温度高于或等于450的蒸汽管道应装蠕变测量点；蒸汽压力在60表大气压以上时，应装监视段。火力发电厂的金属监督工作，是在总工程师的领导下由金属专业人员，各有关部门的配合协作下进行的。金属监督的细则是根据原电力部发供电安全生产工作条例(草案)的规定，各公司视具体情况制定的。表17-5是某省制订的金属监督工作条例(草案)中监督项目。表17-5检

46、查监督项目设备名称部件名称检查方法检查内容检查周期备注中压电厂检查项目蒸汽管道和给水管道主蒸汽管、联箱、导汽管蠕变测量测量蠕变速度、蠕变值每次大修要进行外部检查管道膨胀、支吊架等情况金 相组织变化情况不 定 期主蒸汽管监视段金相分析组织、夹杂物、脱碳层深度、珠光体组织、碳化物分布情况等三年以上割管不需要做机械性能试验极限强度、屈服强度、延伸率、断面收缩率、冲击值、硬度、蠕变极限全化学成分分析元素分析，碳化物中合金含量的分析(Cr、Mo、V)螺 栓金 相组织每次大修抽查不需要做硬度硬度无损探伤裂纹全部根据情况抽查三通、阀门、法兰外观检查表面情况每次大修抽查要 进 行蒸汽管和给水系统内的焊口无损探

47、伤新焊口检查内部缺陷，原有焊口内部缺陷复查每次大修全部要 进 行锅炉过热器管外观检查表面有无裂纹、锈蚀、变色、鼓包等每次大修抽查要 进 行外径测量塑性变形值金相分析(监 视 段)组织、晶粒有无变化，有无珠光体球化、脱碳、碳化物分布等情况12年割管机械性能试验(监 视 段)极限强度、屈服强度、延伸率、断面收缩率、压扁、硬度省煤器管水冷壁管外部检查表面情况每次大修全部要 进 行汽鼓、联箱无损探伤内部缺陷复查每次大修全部要 进 行汽轮机叶 片外部检查或无损探伤表面情况、裂纹等每次大修全部不需要做螺 栓金相组织每次大修抽查硬度硬度无损探伤裂纹全部根据情况抽查汽缸、大轴、叶轮无损探伤内部缺陷复查每次大修要 进 行喷嘴隔板外观检查表面情况、裂纹焊口、三通外观检查或无损探伤表面缺陷、内部缺陷复查