第一节 锅炉受压元件用金属材料

第一节 锅炉受压元件用金属材料
锅炉的受压元件都是在承压状态下工作的，有些还要同时承受高温或腐蚀的作用，因而工作条件十分恶劣。

若锅炉在使用过程中发生破坏性事故，则将造成严重后果。

一、钢材的分类：
按化学成分分类
⎪⎩⎪⎨⎧≤≤≤⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧）高合金钢（含合金元素）中合金钢（含合金元素）低合金钢（含合金元素合金钢）含碳（含碳）（含碳（含碳高碳钢中碳钢低碳钢工业纯铁碳素钢10%10%~55%0.6%(0.60%)~25.025%.002%).0
按品质分类 ）含硫高级优质钢（含磷含硫优质钢（含磷）
含硫普通钢（含磷0.03%0.035%,0.04%
0.04%,0.055%0.045%,≤≤≤≤≤≤
按冶炼方法分类
⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧）半镇静钢（，一般不标）镇静钢（沸腾钢（按脱氧程度分电炉钢转炉钢平炉钢按炉别分b Z )F
按金相组织分类
按正火组织处理奥氏体钢马氏体钢贝氏体钢珠光体钢⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧
按用途分类
特殊性能钢工具钢
结构钢
在中、低压锅炉的制造中，广泛采用优质低碳钢和低合金钢，这两种钢具有一定的强度和良好的冷加工、焊接等工艺性能。

碳素钢
碳素钢
是以铁为基体，含碳量低于2.11%的铁碳合金。

钢材中的含碳量越高，其强度越高，但塑性和韧性降低较多，不能满足锅炉承压的要求。

因此制造锅炉受压元件的钢材，其含碳量需在规定的范围内。

低碳钢：
锅炉受压元件用得最多的钢材，如20g、20、15均为低碳钢。

中低压锅炉的受压元件，除个别元件（如过热器出口集箱）外，几乎均用低碳钢。

（可满足锅炉元件的要求，有好的塑韧性，同时又有较好的可焊性，价格低廉）
高碳钢：
锅炉上不用高碳钢，这种钢主要用于制造刀具、量具。

按硫、磷含量：普通碳钢
优质碳钢（一定的力学性能和化学成分，好的塑韧性）
锅炉受压元件须用优质碳素钢制造。

钢材中含有过量的硫时：400℃高温下工作或热加工过程中易发生脆化（热脆性）；
钢材中含有过量的磷时：较低温度下工作或冷加工过程中易发生脆化（冷脆性）。

优质碳素钢的表示方法：两位数字（钢中平均含碳量的万分之几）。

如20, 20g(平均含碳量为0.20%的优质碳素钢（锅炉专用钢））
合金钢
合金钢是为了获得钢材的必要性能而在冶炼过程中加入一种或多种合金元素的钢材。

低合金钢：
锅炉制造中越来越多选用低合金钢取代优质碳素钢，减少金属耗量。

高合金钢：
在锅炉机组中，只有与高温火焰直接接触的吹灰器、固定件等才采用耐热的高合金钢制造。

合金钢的表示方法：数字（钢中平均含碳量的万分之几）+合金元素（用化学符号表示）+数字（数字前所含合金元素的平均百分数，含量小于等于1.5%可不标）。

如：16Mng表示钢中平均含碳量为0.16%、平均含锰量为1%的锅炉用普通低锰合金钢。

二、对锅炉钢材的要求
1、规定的强度
（1）短期强度特性应力小于屈服点，钢材仅产生弹性变形；达到屈服点还产生塑性变形。

只要应力不变，变形值也不变，这种现象称短期强度特性。

指标：常温及工作下的屈服点、抗拉强度
（2）长期强度特性
表示长期强度特性采用以下两个指标：
1）蠕变强度：在某一较高温度下，在规定的工作时间内，引起允许的总蠕变变形的应力称为蠕变强度。

2）持久强度：在某一较高温度下，在规定的工作期限内，引起蠕变破坏时的应力称为持久强度。

区别：前者是引起变形的因素，而后者是引起破坏的因素。

在高温条件下，不但要考虑钢材的短期强度特性，还要考虑钢材的长期强度特性。

规定的塑性和韧性
（1）钢材的塑性制造锅炉受压元件的钢材应具有变形而不破坏的特性，即钢材的塑性要比较好。

（2）规定的韧性
反映钢材发生脆性破坏的指标。

用表示
试样缺口底部单位横截面积上的应变时效冲击吸收功，单位为J/`CM^2`。

锅炉用钢材，不但要求保证常温冲击韧性，还要保证一定的时效冲击韧性。

、良好的可焊性
钢材的可焊性是表示在焊接过程中及焊接后发生裂纹的倾向性。

它与钢材的化学成分、力学性能有关，也与焊接材料及工艺方法有关，评定钢材可焊性一般包含两个方面：
（1）工艺可焊性。

——抗裂性
（2）使用可焊性。

（焊接接头在使用中的可靠性，也包括接头的力学性能及其他特殊性能。

第二节锅炉主要设备用钢
一、锅炉管道用钢及事故分析
（一）对锅炉管道用钢的要求
锅炉管道包括受热面管子（过热器、水冷壁（蒸发器）管、省煤器等管子）和蒸汽管道（主蒸汽管道、蒸汽导管、联箱、连接管等）管道。

电厂对管路管道用钢有下列要求：
（1）足够高的蠕变强度、持久强度和良好的持久塑性。

（2）高的抗氧化性能和耐腐蚀性。

（3）足够的组织稳定性。

（4）良好的工艺性能，特别是焊接性能要好。

选择锅炉管道用钢，其主要依据是其工作温度。

进行强度计算时，必须确定在工作温度下的许用应力[σ]。

根据JB2194-77的规定，对锅炉所用的低碳钢、低锰碳钢及低碳锰钒钢在380℃以下，其他低合金耐热钢在420℃以下，许用应力[σ]按下式计算：
在380℃或420 ℃以上除按上式计算外，还需按持久强度计算许用应力[σ]：
二）锅炉管道用钢介绍
蒸汽温度在450℃以下的低压锅炉管道主要使用10号、20号优质碳素结构钢。

中、高压机组除水冷壁（蒸发器）和省煤器管用20A碳钢外，其它受热面管子和蒸汽管道均采用合金钢管。

常用的锅炉管道用钢其化学成分和应用范围列于表7—l中.
常用的锅炉管道用钢其热处理和机械性能列于表7—2中。

下面按锅炉管道的壁温(工作温度)介绍一些用钢情况：
壁温≤500℃的过热器管子及壁温≤450℃的蒸汽管道
一般采用优质碳素结构钢，其含碳量在0.1％～0.2％之间，组织为铁素体和珠光体。

常用的是20号钢，该钢在450℃以下具有足够的强度，530℃以下具有抗氧化性能，而且工艺性能良好，价格低廉。

碳钢钢管在高温长期运行过程中，会出现渗碳体球化和石墨化现象，出现了组织的异常情况后，钢的蠕变极限和持久强度会降低。

2．壁温≤550℃的过热器管子及壁温≤510℃的蒸汽管道
15CrMo钢是在这个温度范围内应用很广泛的钢种。

15CrMo钢的化学成分及热处理工艺在表7—l及表7—2中均已分别作了介绍。

经热处理后的组织一般是铁素体和珠光体，有些是贝氏体。

15CrMo钢在500～550℃温度范围内有较高的热强性和抗氧化性能，其工艺性能也很好。

15CrMo钢虽无石墨化倾向，但在高温下长期运行过程中会发生渗碳体的球化及固镕体中合金元素贫化的组织变化，从而使热强性降低。

当温度超过550℃时，持久强度显著下降。

.壁温≤580℃的过热器管子及壁温≤540℃的蒸汽管道
在这个温度范围内应用最广泛的锅炉管道钢是12Cr1MoV钢及型的耐热钢.
(1)12CrlMoV钢12CrlMoV钢是在Cr—Mo钢的基础上，加入0．2％钒的低合宝耐热钢。

钒是强碳化物元素，VC细碎而稳定，对钢的弥散硬化效果好。

因而，12Cr1MoV钢的耐热性能比铬钼钢高，工艺性能也很好，在国内外均得到广泛应用。

12Cr1MoV钢在高温下长期运行过程中，也会发生渗碳体球化及固镕体中合金元素贫化的现象，而使热强性降低。

若因温工作，这种现象更为严重。

我国曾研制了12MoVwWBSiRe（无铬8号）钢，代替12Cr1Mov钢用于制造锅炉管道，但是该钢种的生产工艺尚不够成熟，质量也还不稳定。

（2）钢
提高铬钼钢中合金元素的含量，当Cr＝2.25％、Mo＝1％时具有最佳的热强性。

钢是比较成熟的钢种，在美英联邦德国日本等工业发达的国家中应用于锅炉管道已有相当长的历史，例如美国的P22，瑞典的HT8、日本的STBA24，联邦德国的10CrMo910钢。

其蠕变极限和持久强度比12Cr1MoV钢低，最常用的温度是540~550℃。

10CrMo910钢用于低中压锅炉（工作压力一般不大于5.88Mpa，工作温度在450℃以下）的受热面管子；用于高压锅炉（工作压力一般在9.8Mpa以上，工作温度在450℃～650℃之间）的受热面管子、省煤器、过热器、石化工业用管等。

壁温≤600～620℃的过热器管子及壁温≤550～570℃的蒸汽管道
多年来国内外均致力于研究进一步提高合金耐热钢的使用温度，使之超过600℃，甚至达到620℃，我国研制成功的有12Cr2MoWVB(钢102)和12Cr3MoVSiTiB钢（II11）钢；俄罗斯有12X2MφCP、12X2ΦB钢；联邦德国有10CrSiMoV钢等。

这些钢种目前多用于壁温600～620℃的过热器和再热器管子，很少用于蒸汽管子。

微量多元合金化是这类钢种的共同特点，铬含量在2％左右，其他的元素含量更少由于多种元素的相互作用，使钢具有更高的化学稳定性和组织稳定性，因而耐热性能更好。

例如12Cr3MoVSiTiB钢在600～620℃时持久强度≥94～100Mpa；620℃时抗氧化速度仅为0.00873mm/a。

壁温≤600～650℃的过热器管子及壁温≤550～560℃的蒸汽管道
当锅炉气温达到570℃时，高温段过热器管子的壁温可达到620℃以上。

这时，珠光体型的低合金耐热钢已不能满足要求，需要采用高合金耐热钢。

有些还采用奥氏体型耐热钢来制造。