锅炉常用金属材料20110605

锅炉金属材料1材料分类常用的有金属材料和非金属材料。金属材料有碳钢、合金钢、有色金属、铸铁及其合金。其中应用最为广泛的是碳钢和合金钢。如将钢按用途来划分，有结构钢（建筑及工程用钢或结构用钢，如锅炉中的钢结构等）、工具钢（各种量具、刃具、模具钢等）和特殊性能钢（耐热钢、不锈耐酸钢及电工用钢）；按质量来划分则有普通钢、优质钢和高级优质钢三类；2锅炉金属材料性能1）常规性能锅炉常用金属材料的常规力学性能主要有以下几种：弹性极限：金属在力的作用下，形状发生变化，当力去除后，仍能恢复原状的能力称为弹性；而随外力而消失的变形称为弹性变形。在拉伸试验中，试样未发生永久变形时单位面积所承受的最大力就为弹性极限σe；强度：强度是指金属材料抵抗变形和破坏的能力，即金属材料在外力作用下抵抗变形和断裂的性能，可分为抗拉强度、抗压强度、抗剪强度和抗扭强度等。工程上金属材料的主要强度性能指标是屈服极限σs和抗拉强度σb。金属材料在超过σs的应力下工作，会使零件产生塑性变形；在超过σb的应力下工作时，会引起零件的断裂破坏。σb是试件被拉断前的最大负荷Pb与原横截面积F0之比，σb=Pb/F0，单位为MPa；冲击韧性：金属材料抵抗瞬间冲击载荷的能力，一般用摆锤弯曲冲击试验来确定；硬度：就是金属材料的软硬程度，反应金属材料抵抗压入物压陷能力的大小，是金属表面的局部区域抵抗塑性变形和破坏的能力，一般有洛氏硬度、布氏硬度、维氏硬度和肖氏硬度等几种试验方法。2）锅炉用钢的特殊性能锅炉常用金属材料在室温和高温下的特殊性质有以下几种：断裂韧性：A）平面应变断裂韧性KIC是抵抗裂纹发生扩展的能力，由GB4161规定的断裂韧性试验来确定，主要用于评定较脆的材料；B）裂纹尖端张开位移临界值δC；C）临界J积分，JIC按GB2038规定的方法来确定。B和C专用于评定塑性较好的材料的断裂韧性。断口形态脆性转变温度FATT：是指材料由韧性向脆性状态转化的温度，由系列冲击试验来确定。该温度可用来确定锅炉受压元件的水压试验的温度；无塑性转变温度NDT：是指在落锤试验时，材料刚好发生断裂的最高温度，由落锤试验来确定。该温度可用来确定锅炉受压元件的水压试验的温度；疲劳：长期承受交变载荷作用的零件，在发生断裂时的应力，远低于材料的屈服强度，这种现象叫疲劳损坏。金属材料在无数次交变载荷作用下，不致引起断裂的最大应力叫做疲劳强度，用σ-1表示。分为低周疲劳和高周疲劳，低周疲劳是指高应变或应力、低寿命的疲劳，锅炉受压元件材料承受低周疲劳居多；高周疲劳主要是弹性应变起决定作用。由相应的疲劳试验来确定；腐蚀疲劳：指在循环交变应力和腐蚀介质共同作用下产生的开裂与破坏；热疲劳：由于温度的循环变化，引起热应力的循环变化，并由此产生的疲劳破坏。若热应力长期工作中多次周期性地作用在材料上，将会引起塑性变形的积累，导致热疲劳裂纹的产生与扩展，使材料出现损伤破坏。其一般出现在金属零件的表面，成龟裂状。锅炉的减温器管、省煤器管、再热器管与水冷壁管等，都会由于温度的波动及起动、停炉等造成热疲劳损坏。主要的影响因素是部件本身的温度差。就钢来说，其高温组织稳定性越好，其抗热疲劳能力越高；钢的线膨胀系数愈大、导热系数愈小，就会造成较大的温度差和热应力而降低材料的抗热疲劳性能。珠光体钢的抗热疲劳性能高于奥氏体钢就是这个原因。此外热疲劳裂纹一般均属晶内破坏，故细晶钢具有更高的抗热疲劳性能。蠕变及蠕变强度：在一定温度和应力作用下，随时间增加发生缓慢的塑性变形的现象称为蠕变。材料的蠕变曲线（蠕变变形量和时间的关系曲线）如图3，由图可知，在加载引起瞬间变形（oa）后，蠕变过程分为三个阶段：ab段（变形逐渐减慢，称为减速阶段或不稳定阶段），bc段（变形速度基本恒定，称为稳定阶段。此一线段倾角的正切表示蠕变速度），cd段（蠕变加速，称为最后阶段）。当温度升高或应力增大，第二阶段会变短或消失。而蠕变极限则是指材料在一定温度下、在规定的持续时间之内，产生一定蠕变变形量或引起规定的蠕变速度，此时所能承受的最大应力，有两种定义方法：一种是以σT1×10-5表示（在T℃时引起的蠕变速度为1×10-5%/h的应力，即是在T温度，引起规定蠕变第二阶段的形变速度的应力值，如σ1.10-5代表蠕变速度为1.10-5%/h的蠕变强度，锅炉材料常采用此种表示定义）；或以σT1/105表示（在T℃时工作105h，其总变形量为1%的应力值；如σ1/105代表经100000小时总变形为1%的蠕变强度）。持久强度：在高温和应力长期作用下抵抗断裂的能力，是指在一定温度和规定持续时间内引起断裂的最大应力值，以σTt表示，其中T示温度（℃），t示时间（h）。火电厂的高温材料一般用σT105表示，即在T℃运行105h发生断裂应力值。由于许多钢在长期高温运行后，其塑性降低明显，此时尽管蠕变变形量未到达规定值，但材料却提前破坏，呈现出蠕变脆性现象，这是十分危险的。故锅炉钢管常以持久强度作为设计依据。持久强度和塑性按GB6395规定的持久试验来确定。持久强度曲线如图4，当应力一定时，材料运行环境的绝对温度和断裂时间t存在如下关系式（拉尔森-米勒尔方程）：T（c+lgt）=常数，c对一定材料为常数（见表1），据此公式可知，温度越高，寿命越短。因而超温运行会严重影响工件的寿命。表1不同钢材的c值钢种c值低碳钢18钼钢19Cr-Mo钢23Cr-Mo-Ti-B钢2218Cr-8Ni奥氏体不锈钢1818Cr-8Ni-Mo奥氏体不锈钢1725Cr-20Ni不锈钢15高铬不锈钢24-25持久塑性：通过持久强度试验，测量试样在断裂后的相对伸长率δ及断面收缩率ψ，持久塑性是高温下材料运行的一个重要指标，它反映材料在高温及应力长时间作用下的塑性性能；一般要求持久塑性δ不得低于3-5%。抗松驰稳定性：零件在高温和应力长期作用下，若维持总变形不变，零件的应力将随时间延长而逐渐降低的现象，它是弹性变形自动转成塑性变形的结果。对紧固件用钢来说，其抗松驰性能是一个重要的高温性能指标，一般以抗松驰稳定性（即材料抵抗松驰的能力称之）作为强度计算指标。组织稳定性：这是高温材料的特殊性能。抗氧化性：在高温工作下的钢材很容易与直接接触的介质发生化学反应，如锅炉过热器的外表面与烟气、主蒸汽管道外表面与空气等都会发生氧化反应，从而使金属表面产生化学腐蚀。高温时，当O2、CO2、H2O等汽体与金属表面接触发生氧化时，如果金属与氧形成的氧化膜能挥发或不能完整地覆盖在金属表面，则金属会继续被氧化；若氧化膜能象一层致密的保护膜一样覆盖在金属表面，则其可以防止金属被进一步氧化。铁的氧化物有三种，即FeO、Fe3O4、Fe2O3。当温度在570℃以下时，碳钢材料表面上形成的氧化膜由Fe2O3和Fe3O4所组成，这种氧化物较致密，能强烈地防止原子扩散，故其具有一定的抗氧化性。当温度高于570℃时，形成的氧化膜由Fe2O3、Fe3O4和FeO三层所组成，其厚度比例大致为1：10：100，此时的主要氧化物为FeO，这种氧化物不致密，其晶体结构简单，是铁原子缺位的固溶体，金属原子很容易通过空位进行扩散，因而破坏了整个氧化膜的强度，故其抗氧化性差。因此在温度高于570℃时，铁的氧化过程大大加速。提高钢的高温抗氧化性能的基本方法是合金化；对加入钢的中的合金元素应满足下列要求：（1）能在钢的表面形成一层稳定的合金氧化膜，以阻止铁与氧结合，为此合金元素的的离子应比铁离子小，比铁更容易氧化，（2）合金氧化膜应与铁基体结合紧密，不容易剥落。Al、Si、Cr三种元素均可满足上述要求。Al、Si的过多加入会影响钢的组织稳定性，故目前主要加入Cr来提高钢的抗氧化性能。要使钢具有足够的抗氧化性，温度越高，则所要加入的Cr量越多：在600-650℃间，约要5%的Cr；800℃时，约要12%的Cr；950℃时，约要20%的Cr；1100℃时，要28%的Cr。但大多数情况下一般不单独加Cr，应同时加入Cr和Al，Cr和Si或Cr、Al、Si，这样一方面可以降低Cr的使用量，另一方面还可提高钢的热强性能。高温下钢除了受到氧化外，还可能受到其它气体，如SO2、SO3、H2S、H2等的作用，产生诸如（1）硫腐蚀、（2）氢腐蚀以及（3）应力腐蚀等高温腐蚀，如锅炉受热面管子在运行过程中，管壁直接与高温汽水、水和蒸汽接触，会产生腐蚀现象，引起管子过早破坏。象空气预热器等如在露天下工作，由于烟气中有SO2，还会产生低温腐蚀损坏。提高钢材抗高温腐蚀性能的措施仍是加入Cr、Al、Si等合金元素最为有效，这些元素加入后一方面形成致密氧化膜起保护作用，另一方面可提高钢的电极电位，使Fe离子不容易被拉走，材料也不易被腐蚀。如加入11.7%Cr，钢的电极电位就由负变成正，所以一般的不锈钢的含Cr量为12-13%。热脆性：指钢在某一温度区间长期加热会导致其冲击韧性显著降低的现象。其可能的原因是在高温下沿原奥氏体晶界析出了一层碳化物或氮化物脆性网，如FeS或Cr7C3等。主要影响因素是钢的化学成分，含Cr、Mn、Ni等元素的钢的热脆倾向大，而加入Mo、W、V等会降低该脆性，在低合金钢中加入微量元素如B、Ti、Nb也可降低热脆性。3、锅炉金属材料类别1）用于制造锅炉的金属材料有如下种类：锅炉用钢板、锅炉用钢管、锅炉用锻件及圆钢；其它还有铸钢件、铸铁件、紧固零件及焊接材料等。（1）锅炉钢板：分为汽包钢板和结构钢板。A汽包钢板：是锅炉的重要受压元件的材料。B结构用钢板：主要用于制造钢结构，如炉顶板、平台扶梯、炉顶小室、地脚螺栓和腹板等，（A）碳素结构钢，按国家标准GB700-1988，共有5种（Q195，Q215A、B，Q235A、B、C、D，Q255A、B，Q275，不仅仅用于结构板，也用于锻件或紧固件）；（B）优质碳素结构钢（GB699，直接用含碳量表示，不仅仅用于结构板，也用于锻件或紧固件）；（C）低合金结构钢，按GB/T1591-94，同样为五种（Q295A、B，Q345A、B、C、D、E，Q390A、B、C、D、E，Q420A、B、C、D、E，Q460C、D、E）；（D）合金结构钢（GB3077，不仅仅用于结构板，也用于锻件或紧固件）（A）和（C）中的结构钢，大多含碳量小于0.2%、锰0.8-1.7%、钒0.02-0.2%、铌0.015-0.060%、钛0.02-0.2%；东锅也用16Mn和19Mn6等钢做炉顶板等较重要的部件。（2）受热面钢管：是锅炉重要的受压元件材料。锅炉用钢管钢的种类钢号标准编号适用范围用途工作压力（MPa）壁温（℃）碳素钢10，20GB8163受热面管子≤1.0集箱、蒸汽管道10，20GB3087受热面管子≤5.9≤480集箱、蒸汽管道≤43020GGB5310受热面管子不限≤480集箱、蒸汽管道≤430①合金钢12CrMoG15CrMoGGB5310受热面管子不限≤560集箱、蒸汽管道≤55012Cr1MoVG受热面管子≤580集箱、蒸汽管道≤56512Cr2MoWVTiBGB5310受热面管子≤600②12Cr3MoVSiTiB注：1.要求使用寿命在20年内，可提高至450℃。2.在强度计算考虑到氧化损失时，可用到620℃。超超临界锅炉常用用国产材料和ASME材料性能对比新型铁素体耐热钢的发展图（3）锻件：主要用于生产有关的锅筒吊杆、管板、盖板、管道法兰等件。见表3（及其它更好的钢如Cr13型马氏体不锈钢和1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢）。表3锅炉用锻件钢的种类钢号标准编号适用范围工作压力(MPa)壁温(℃)碳素钢Q235-A,Q235-BQ235-C,Q235-DGB700≤2.5①≤35020,25GB699≤5.9①≤450合金钢12CrMoZBJ98016不限≤54015CrMo≤55012Cr1Mov≤56530CrMo35CrMo不限≤45025Cr2MoVA不限≤510注：1.不与火焰接触锻件，工作压力不限。2.除各种形式的法兰外，符合下列要求的空心圆筒形管件可用表中相应钢号轧制成或锻件圆钢经机加工而成。a.碳素钢管件外径不大于160