第五章 锅炉、汽轮机主要零部件用钢 及事故分析 content 1、锅炉、汽轮机主要部件用材的选择 2、锅炉、汽轮机主要部件事故分析 request 1、熟练掌握锅炉、汽轮机主要部件用钢类型 特点、常用钢号 2、了解锅炉、汽轮机主要部件损坏形式 发电厂的生产过程 性能要求：（1）足够持久强度、蠕变极限和持久塑性 （2）高的抗氧化性和耐腐蚀性 （3）良好的组织稳定性 （4）良好的加工工艺性，特别是可焊性 第一节：锅炉受热面管子和蒸汽管道用钢 及事故分析 小口径钢管：heating surface tube 大口径钢管：steam tube、header 钢管 一、锅炉钢管的工作条件及对材料的要求 工作条件： （1）高温、应力长期作用下 （2）烟气、蒸汽腐蚀介质中 选材的依据： 1）从成分上保证使用性能 2）正火 + 高温回火，来改善钢的机械性能 选材的总原则经济、适用。在满足性能要求前 提下，尽量选用较低牌号的钢。 二、锅炉钢管用钢 -蒸汽温度450C低压锅炉钢管，选用 10，20;蒸汽温度450C的中、高压锅炉，除水 冷壁和省煤器管用20钢外，其它受热面管子采用 低合金P耐热钢、Cr12型M耐热钢和A耐热钢 壁温500C的受热面管子及壁温450C的蒸汽 管道20 450C以下具有足够的强度，530C以下抗氧 化，工艺性好，会发生珠光体的球化和石墨化 同一牌号的钢的使用温度，大口径管 （蒸汽管道类）应比小口径管（受热 面管道类）低30-50 C 按管道壁温选材 壁温550C的受热面管子及壁温510C的蒸汽 管道15CrMo、12MnMoV 12MnMoV：良好综合机械性能、抗氧化性 壁温580C的受热面管子及壁温540C的蒸汽管道 12Cr1MoV、10CrMo910、12MoVWBSiRE 在铬钼钢中，当Mo=1%、Cr=2.25%时具有最佳的热 强性。10CrMo910的蠕变极限和持久强度比12Cr1MoV 钢稍低。在同参数下使用时，壁厚比12Cr1MoV钢的壁 厚要厚 壁温600-620C的受热面管子及壁温 550-570C的 蒸汽管道12Cr2MoWVB（钢102） 12Cr3MoVSiTiB（11） 多用于壁温600620C的过热器和再热器管子，很少 用于蒸汽管道。 壁温600650C受热面管子及壁温550600C的蒸汽 管道F11、F12、铬镍奥氏体耐热钢 我国东方、上海和哈尔滨锅炉厂生产的300MW、 600MW锅炉都采用了TP304H（ 1Cr19Ni9 ）和 TP347H（ 1Cr19Ni11Nb ）奥氏体钢。具有很高的热 强性与抗氧化性。但奥氏体钢价格昂贵，导热性低、 膨胀系数大，并存在晶间腐蚀及异种焊接等问题 材料是影响蒸汽参数提高的关键问题之一 提高蒸汽温度，可使机组效率提高，但由于珠光体 耐热钢满足不了要求而要采用奥氏体钢，价格上高 出1520倍，且存在应力腐蚀及异种钢焊接等问题， 所以蒸汽参数仍稳定在540C左右。 三、锅炉钢管常见事故blasting 外因：超温、腐蚀、磨损、热疲劳 内因：材质不良、结构 爆管原因 （一）超温爆管 过热与超温意义相同，超温指运行而言，过热 则指爆管而言。过热是超温结果，超温是过热 原因。 超温：金属超过其额定温度运行 额定温度：钢材在设计寿命下运行的允许最高 温度，也可指工作时的额定温度 锅炉钢管超温的原因： 过负荷、汽水循环不良、管内汽水流量分配 不均匀、燃烧中心偏差、内部严重结垢、异 物堵塞管子等。 -管子长期处于比额定温度高的温度 （低于Ac1) 下运行而引起的损坏。 发生于：过热器、再热器、水冷壁的向火侧 宏观特征：脆性爆口（管径无明显胀粗，管壁 几乎不减薄），爆口较小，呈长菱形 破口粗糙，爆口周围外壁有纵向裂纹 有较厚氧化皮。 爆管原因：组织变化持久强度，蠕变加速 微观特征：有珠光体球化 石墨化、碳化物析出 1、长时超温爆管 宏观特征：塑性爆口（管径胀粗，管壁减薄） 爆口较大，呈喇叭状，破口边缘呈 刀刃状，破口附近有时有氧化皮， 有时没有 -管子短时处于比额定温度高的温度下 （高于Ac1)运行引起的损坏 爆管原因：奥氏体化强度 塑性变形 微观特征：有相变组织 2、短时超温爆管 过热器、再热器、水冷壁的向火侧 例：主蒸汽管道额定运行温度540C,采用 12Cr1MoV，设计运行时间105小时，若超温10C, 即在550C下运行，则其寿命可按拉尔森米 列尔方程式估算 T1(c+lgt1)=T2(c+lgt2) T1=540C(813K),t1=105h； T2=550C(823K) C=20， 则t2=4.97104h 超温运行就等于缩短工作寿命 管道寿命的估算 当应力一定时，工作温度T和断裂时间t之间的 关系可用拉尔森米列尔(LarsonMiller)方 程式来描述： T(C+lgt)= 常数 C为常数，对于许多钢种可取C=20，这样产生的 误差在10以内。 （二）管子的腐蚀损坏 4高温氧化 4应力腐蚀 4蒸汽腐蚀 4烟气腐蚀 4垢下腐蚀 4腐蚀疲劳 在高温下（400 C）蒸汽与管壁接触时，将 发生下列反应： Fe+H2O Fe3O4+H2 H2+C CH4 H2+Fe3C Fe + CH4 易产生在壁温过高的过热器或出现汽水分层、 蒸汽停滞的水冷壁 破坏的特征：1）脆性破口 2）裂纹中无腐蚀产物，裂纹周围 及钢管内表面有明显的脱碳现象 1、蒸汽腐蚀（氢腐蚀或氢脆） 防止方法：加入钼、钛、铌 2、烟气腐蚀 当烟气中含有燃料燃烧生成的硫原子时，与水冷 壁管的外表面相作用发生硫腐蚀（高温腐蚀） 煤燃烧后，在烟气中有较多的SO2，其中一部分 进一步氧化为SO3，当烟气到达锅炉尾部受热面 (economizer、air preheater)时，烟气的温度降至 露点，烟气中的水凝结为水滴， SO2、 SO3形成H2 SO3、 H2 SO4溶液，使尾部受热面遭到腐蚀（低温 腐蚀） 防止方法：加入铝或表面渗铝 3、垢下腐蚀 当锅炉给水质量不良或结构上的某些部位防碍 汽水流通时，管子内壁结垢（氧化铁、氧化铜 ），水垢与管子内壁产生电化学腐蚀使阳极管 壁不断被腐蚀而减薄。此外，水垢导热性差且 易使管子堵塞，而引起局部过热，进而导致鼓 包或爆破。 易发生在过热器、水冷壁向火侧 4、应力腐蚀 当金属表面的钝化膜未被破坏时，不发生腐蚀 。在应力作用下，材料因蠕变或塑性变形等原因 ，撕裂氧化膜，露出活性金属。在介质作用下产 生电化学腐蚀，膜作为阴极，活性金属作为阳极 而被溶解，形成微观腐蚀坑，在腐蚀坑的尖端由 于应力的作用继续变形而不断露出活性金属，活 性金属不断溶解，最后形成较深的腐蚀裂缝，直 至断裂。 应力腐蚀易发生在汽轮机叶片、叶轮、冷凝器铜 管、锅炉管道、螺栓等 -腐蚀介质与应力同时作用下引起的一种腐蚀 -金属在腐蚀介质和交变应力同时作用下产生 的破坏 破坏过程：形成表面腐蚀坑 疲劳裂纹 扩展 破坏 5、腐蚀疲劳 易发生在集气联箱、叶片、汽包、管道结合处 提高钢的耐腐蚀性的方法： 1）钢中加入Cr、Si、Al 2）使钢的基体含Cr11.7%，从而提高钢的 电极电位 3）使钢获得单相固溶体组织 -指错用钢材或使用有缺陷的钢材造成锅炉管 道提前损坏。 错用钢材：把性能较低的钢材用到高参数的工 况下，实际是超温运行。爆管同长时超温爆管 例1：参数为540 C的主蒸汽管道，设计材料为 12Cr1MoV，若错用为20（用于主蒸汽管道时的 允许最高温度450C），则提前爆破。寿命可用 拉尔森米列尔方程式估算。 （三）材质不良引起的爆管 例2：伊川电厂#1机组（125MW，535 C）95年 12月15日投产，96年3月31日主蒸汽至汽加热管 道突然爆破。原设计材料为12Cr1MoV，安装时 错用为40。经济损失600多万。 使用有严重缺陷的钢材，如焊接缺陷、严重夹杂、 折叠、离层等，在高温和应力作用下，缺陷部位会 形成应力集中而产生裂纹使缺陷加深进而导致破坏 。主要是由于在安装、制造和检修时管理不严造成 的。爆破时，爆破口往往沿缺陷豁开，裂纹较直。 首阳山电厂#2炉高温过热器表层非金属夹杂 物引起表面裂纹，最终爆管 （四）结构因素引起的爆管 例：首电3机组(300MW、过热蒸汽541C，高温 再热器出口温度541C）。高温再热器64排，每排 14根，每排在顶棚以焊接方式固定在一体。高再 规格：604mm、608.5mm（内圈下弯头） 结构设计不合理，不仅会产生附加的应力集中 ，促进了缺陷和裂纹的扩展，而且会引起管道局 部超温，最终导致爆漏事故的发生。 1995年10月22日发生爆管，爆管前锅炉共启停40多 次；随后又于1月4日、1月30日、8月26日爆管。爆 口均位于第7根内圈SA213TP347H与钢102异种钢 接头钢102侧的焊缝热影响区 检查结果：有焊接缺陷（未焊透、焊瘤、未熔合） 结构不合理。 结构不合理处在于： 1）高温再热器内圈下弯头弯曲半径太小 2）厚壁弯头变径处未采用圆滑过渡 钢102与钢SA213TP347H的蠕变强度相差较大，线 膨胀系数也相差较大（20C600C奥氏体钢的线膨胀 系数为18.2 107 /C，钢102线膨胀系数 13.7107/C），粗略估算SA213TP347H与钢102两 种管材膨胀差近20mm，而管排在顶棚处用焊接方法固 定死，上方无法吸收膨胀应力，下部弯头弯曲半径又 较小，因此，结构将对异种钢接头产生很大的膨胀应 力， 内圈下弯头为8.5mm厚的厚壁弯头，在变径处未采用 圆滑过渡方式，使此部位易产生应力集中，尤其是进 汽侧截面突然减小 ，产生较大阻力，该阻力对距台阶 只有约300mm的异种钢接头将产生很大的影响，使异 种钢接头存在较高的应力集中 通过分析可知，在SA213TP347H与钢102异质 接头中存在焊接缺陷产生的残余应力以及结构应 力、膨胀应力，这些应力促进了裂纹的产生与扩 展而导致爆管事故的发生。 第二节：锅炉汽包用钢 1、汽包的工作条件及对材料的要求 工作条件：（1）中温、高压状态下 （2）蒸汽介质中 （3）热应力 性能要求： （1）较高的常温、中温强度 （2）良好的塑性、韧性和冷弯性能 （3）较低的缺口敏感性 （4）良好冶金质量，不允许有白点和裂纹 （5）良好的焊接性能 2、汽包用钢的选择 两大类 High quality carbon steel（ 20、22钢）：用于 低、中压锅炉 Low alloy Structural steel：用于高压、超高压 锅炉 20g 22g 具有一定的强度，良好的塑性、韧性和焊接性 245 MPa 450C低、中压锅炉 16Mng 343 MPa 450C低、中压锅炉 15MnVg 392 MPa 450C低、中压锅炉 14MnMoVg 490 MPa 500C高压锅炉 18MnMoNbg 490 MPa 520C高压锅炉 世界上锅炉汽包用特厚钢板分为两大类： 1）美国和日本用碳素钢或碳锰钢 如美国钢号 ：SA299钢（ 碳锰钢）(16Mn g , C=0.3%)，与低 合金结构钢相比，焊接性好，塑性、韧性也较好 ，脆性转变温度低。 2）西德、法国、英国用低合金高强钢 如西德 钢号：BHW35（13MnNiMoNb ），具有良好的 综合机械性能与工艺性能，低周疲劳损伤小 1、叶片的工作条件及对材料性能的要求： 工作条件： （1）每级叶片的工作温度不同 （2）叶片在运动着的蒸汽介质 （过热蒸汽、潮湿 蒸汽）中工作。 （3）拉应力、扭应力、弯曲应力、周期性