锅炉金属材料知识
1、变形
金属在外力作用下，发生尺寸和形状改变的现象，称为变形。变形的基本形式有弹性变形、永久变形（塑性变形）和断裂三种。金属在外力作用下发生变形，外力去除后能恢复原来形状和尺寸，材料的这一特性称为弹性。这种在外力去除后能消失的变形称为弹性变形。若外力去处后，只能部分的恢复原状，还残留一部分不能消失的变形，材料的这一特性称为塑性。外力去除后不能消失而永远残留的变形，称为塑性变形或残余变形，也称永久变形。设备在正常工作时，只能发生少量弹性变形，而不能出现永久变形。
2、强度、刚度、韧性
材料或构件承受外力时，抵抗塑性变形或破坏的能力称强度。材料或构件承受外力时抵抗变形的能力称为刚度。刚度不仅与材料种类有关，还与构件的结构形式、足寸等有关。比如管式空气预热器管箱与钢管省煤器组件相比，前者抗变形能力要比后者好，我们称前者的刚度强（好），后者的刚度弱（差），刚度好的构件，在外力作用下的稳定性也好。材料抵抗冲击戴荷的能力称为韧性或冲击韧性，即材料承受冲击载荷时迅速 产生塑性变形的性能。锅炉承压部件所使用的材料应具有较好的韧性。
3、应力
材料或构件在单位截面上所承受的垂直作用力称为应力，单位是 Pa 或 MPa。外力为拉力时，产生的应力称拉应力；外力为压缩力时，产生的应力为压应力。在外力作用下，单位长度材料的伸长量或缩短量，称为应变量，简称应变。在一定的应力范围（弹性变形）内，材料的应力与应变成正比，它们的比例常数称为弹性模量或弹性系数E，单位与应力的相同，为 Pa 或 MPa。对一定的材料，弹性模景E 是常数。E 值越大，在一定应力下，产生的弹性 变形量越小。弹性模量 E 随温度升高而降低。转动机械的轴与叶轮，要求在转 动过程中产生较小的变形，就需选用弹性模量较大的材料。
4、应力集中
由于构件截面尺寸突然变化而引起应力局部增大的现象，称为应力集中。在等截面构件中，应力是均匀分布的。若构件上有孔、沟槽、凸肩、阶梯等，使截面尺寸发生安然变化时，在截面发生变化的部位，应力不再是均匀分布，在 附近小范围内，应力将局部增大。应力集中处的局部应力值，有时可能很大，会影响部件使用寿命，是部件损 坏的重要原因之一。为防止和减小这种不利影响，应尽量避免截面尺寸发生突然 变化，构件的外形轮廓应平缓光滑，必要的孔、槽最好配置在低应力区。另外，金属材料内部或焊缝有气孔、夹渣、裂纹以及“悍不透”、“咬边”等缺陷，也会引 起应力集中。
5、强度极限（抗拉强度）与屈服极限
强度极限与屈服极限是通过试验确定的。在拉伸试验过程中，应力达到某一数值后，虽然应力不再增加甚至略有下降，试件的应变还在继续增加，并产生明显的塑性变形，好像材料暂时失去抵抗变形的能力，这种现象称为材料的屈服。发生屈服现象时的应力，称为材料的屈服极限。当试验拉力继续升高，试件达到 破坏时的应力称为材料的强度极限或抗拉强度。强度极限与屈服极限值越大，分别表明材料抵抗破坏和抵抗塑性变形的能力 高，即材料的强度好。对于一定材料来说，强度极限和屈服极限，是随着工作温 度酌升高而降低的。
6、蠕变
金属在一定温度和一定应力作用下，随着时间的推移缓慢地发生塑性变形的现象称蠕变。材料发生蠕变的温度与其性质有关，碳钢在 300~350℃时，合金钢 在350~ 450℃时，在应力作用下，就会出现蠕变。温度越高，应力越大，蠕变速度就越快。材料抗蠕变的性能用蠕变极限来衡量，它表示在一定温度下，于规定时间内，钢材发生一定量总变形的最大应力值，单位是 MPa。持久强度是在高温条件下，经过规定时间发生蠕变破裂时的最大应力，单位是 MPa。持久强度反映钢材在高温下长期'工作的断裂抗力。持久塑性是指处于蠕变状态的材料，在发生破裂时的相对塑性变形量(‰)。高温材料特别是发电厂使用的管材，应具有良好的持久塑性，希望不低于3~5%。过低的持久塑性，会使材料发生脆性破坏，降低其使用寿命。材料的蠕变极限、持久强度、持久塑性都是通过试验方法求得的。
7、疲劳与疲劳极限
构件在长期交变应力作用下，虽然它承受的应力远小于材料的屈服极限，在没有明显塑性变形的情况下，发生断裂的现象称为金属的疲劳。因金属疲劳发生 的破坏称为疲劳破坏。出现疲劳破坏的原因，是经过应力多次交替变化后，在应力最大或有缺陷的部位会产生微细的裂纹，裂纹尖端出现严重的应力集中，随着交变应力循环次数 的增加，裂纹逐渐扩大，最后导致破裂。学习锅炉知识，请关注微信公众号锅炉圈材料经受无限次交变载荷而不发生断裂时的最大应力，称为材料的疲劳极限。工程上常根据机件的使用寿命要求，规定交变应力循环 N 次时的应力为有限疲 势极限或条件疲劳极限。如汽轮机叶片取交变应力循环次数 N=25×10 的 10 次方。锅炉的每一次启动和停止，工质运行参数的每一次波动，承压部件都要经受 一次交变应力及应变的循环，这都将会影响承压部件的寿命。为了提高钢材抵抗疲劳破坏的能力，应在保持材料一定强度的基础上，尽可能提高钢材的塑性及韧性。
8、许用应力
构件实际工作时，所允许产生的最大应力称许用应力。对锅炉承压元件来说，许用应力是指在工作条件下所允许的最小壁厚及最大压力时的应力。构件工作时，其内部产生的应力既不能达到屈服极限；更不能达到强度极限，必须远小于它们才能保证安全。通常把屈服极限和强度极限称为危险应力。
9、热应力
构件因温度变化不能自由伸缩而产生的应力，或部件本身温度不均匀使伸缩 受制约而产生的应力，称为热应力：由于热应力是温度变化而产生的，所以也称温度应力或温差应力。部件工作时，它的尺寸将因温度变化而伸缩，若部件的伸缩不受任何限制，温度变化只能使其变形，而不致产生应力。若部件不能自由伸缩，将会在其内部产生应力。部件在受热或冷却时，若各部分温度不一致，变形将受制约。温度高的部分要膨胀伸长，温度低的部分则限制它的膨胀，结果在高温部位产生压应力，低温部位产生拉应力。锅炉在启、停过程中，出现的汽包内外壁温差、上下壁温差，将会在汽包壁内产生热应力。
10、应力松弛
钢材在高温和应力作用下，在应变量维持不变，应力随着时间的延长逐渐降低的现象，称为应力松弛。金属材料在高温下发生应力松弛，是有一部分在初应力作用下产生的弹性变 形逐渐地转化为塑性变形的结果。松弛现象与蠕变现象有着内在的联系，都是在高温和应力作用下的不断塑性变形过程，两者的区别仅在于蠕变时应力基本恒定不变，松弛时应力则不断在降低。应力松弛发生在高温下工作的紧固件上，如锅炉、汽轮机上的螺栓、螺母、 压紧弹簧等。这些零件在长期高温和应力作用下，塑性变形增加，应力下降，当松弛到一定程度后，就会引起汽缸和阀门漏汽，安全门提前起座，影响机组正常运行，甚至发生危险。
11、热疲劳与热脆性
当金属材料在工作过程中存在温差时，因各部分的胀、缩相互制约而产生附加热应力。如果温差是周期性变化的，热应力也将随之变化，同时伴随着弹、塑性变形的循环，塑性变形逐渐积累引起损伤，最后导致破裂。这种因经受多次周期性热应力作用而遭到的破坏称热疲劳破坏。热疲劳裂纹一般发生在金属零件的表面，为龟裂状。锅炉的过热器，再热器、汽包，汽轮机的汽缸、隔板，都有出现热疲劳的可能性。钢材在某一高温区域（如 400~550℃）和应力作用下长期工作，会使冲击韧性明显下降的现象称为热脆性。影响热脆件的主要因素是金属的化学成分。含有铬、锰、镍等元素的钢材，热脆性倾向较大，加入钼、钨、钒等元素，可降低钢材的热脆性倾向。
12、高温氧化
锅炉某些高温元件（如过热器、再热器管及其支吊架等）与高温烟气中的氧气发生的氧化反应，称高温氧化。氧化生成的氧化膜如果不能紧紧地包覆在钢材表面而发生脱落，则氧化过程会不断发展，层层剥落，最后导致破坏。高温氧化可生成三种氧化物：FeO，Fe2O3，Fe3O4，当壁温在 570℃以下时，氧化膜由 Fe2O3，Fe3O4 组成；当温度高于 570℃时，氧化膜由 FeO，Fe2O3，Fe3O4 组成。Fe2O3，Fe3O4 具有致密的结构，能保护金属表面，有较好的抗氧化性。而 FeO 的抗氧化能力很差，因北，在温度高于 570℃时．高温氧化过程就 有加快的趋势。钢材工作温度高于 570℃，就需考虑抗氧化性问题。在钢中加入铬元素，生 成的氧化膜具有良好的保护作用，是提高钢材抗高温氧化性能的主要手段。
在高温下金属组织发生的变化：
常温下钢材的金相组织是稳定的，不随时间而改变；但若在高温下长期上作，其金相组织则会不断发生变化，使其性能变差，严重时导致破裂损坏。
1)珠光体球化：
钢材中片状渗碳体逐渐转化为球状，并积聚长大的现象称珠光体球化。珠光体球化使钢材高温性能下降，加速蠕变过程，严重球化时，常引起爆管事故。影响球化过程的因素是温度、时问和化学成分，在钢中加入铬、钼、钒等合金元素，能降低球化过程的速度。
2)石墨化：
石墨化是钢中渗碳体在长期高温下工作自行分解的一种现象，即：Fe3C→3 Fe 十 C （石墨）石墨化主要发生在低碳钢和低碳钼钢，能使钢材常温和高温机械性能（强度、塑性）均下降，特别使冲击韧性显著降低，导致钢材的脆性破坏。
3)合金元索的重新分配：
钢材在高温和应力长期作用下，会发生合金元素在 同溶体和碳化物之间的重新分配，使强度极限和持久强度均下降，不利于高温部 件的安全运行。合金元素重新分配过程，随温度的升高和时间的推移而加剧，特 别是运行温度接近或超过钢材许用温度的上限时，合金元素的迁移速度将更快。
13、高温腐蚀
锅炉受热面管予，在高温情况下，烟气侧和蒸汽侧均有发生腐蚀的可能性。当温度超过 400℃时，就有可能发生蒸汽侧的腐蚀，其化学反应式如下：
3Fe+4H2O→Fe3O4+4H2↑
反应产生的氢气如果不能较快地被汽流带走，它与金属发生作用，导致金属 强度下降而产生脆性破坏。烟气对管壁的高温腐蚀，主要是灰中的碱金属在高温下升华，与烟气中的 SO3 生成复合硫酸盐，在550～710℃范围内呈液态凝结在管壁上，破坏管壁表面的氧化膜，即发生高温腐蚀。另外，燃油时灰中的钒在高温下升华，并生成 V2O5，在 500～660℃时凝结在管壁上起催化作用，使烟气中的 SO2 及 O2 生成 Na2SO4 及原子氧[O]，对管壁也有强烈的腐蚀作用。高温腐蚀是反复进行的，它将氧化膜破坏、生成、再破坏，管壁逐渐减薄，最后导致爆管。控制壁温过高， 是减轻高温腐蚀的重要措施。
14、应力腐蚀
金属材料在拉伸应力和腐蚀介质的共同作用下，发生的腐蚀现象。金属表面都有一层钝化膜（氧化保护膜）．在钝化膜未被破坏时不发生腐蚀。在应力作用下，金属表面局部区域的钝化膜被撕破，露出活性金属表面，在介质作用下出现腐蚀，且其发展是逐渐加剧的。应力腐蚀与单纯的应力破坏不一样，在极低的应力作用下也会发生破坏；与单纯由于腐蚀引起的破坏也不同，腐蚀件很弱的介质，也能引起应力腐蚀破坏。应力与腐蚀二者相互促进，它往往在没有变形预兆的情况下而迅速断裂，很容易造成严重的事故。在发电厂中，锅炉管道、汽轮机叶片、凝汽器铜管，均有发生应力腐蚀的可能性。
15、锅炉用钢
(1)碳素钢：
锅炉承压元件用钢为优质碳素钢，且大多属于低碳钢（含碳量低于 0. 25%），如 15 号钢，20 号钢，20 g、22 g 锅炉钢。钢号数字代表钢中平均含碳量的万分数，钢号后面字母“ g”表示锅炉钢，它是按照锅炉用钢的要求，根据一定标准（如 G B 173-72）专门冶炼轧制的。优质碳素钢的强度稍低，但具有较高的塑性及韧性，井有良好的冷、热加工性能及焊接性能，一般用于工作温度低于450℃的部件。
(2)合金钢：
在碳素钢的基础上，为了达到某些特定性能要求，有目的地加入一些元素的钢，称合金钢。被加入的元素称为合金元素。合金钢比碳素钢具有良好的综合机械性能和特殊的物理化学性能，如有较高 的强度极限和持久强度、耐磨性、耐蚀性和抗氧化性等。但也有缺点，如：冶炼 工艺复杂，某些加工性能较差．价格也较昂贵等。因此，一般合金钢用在工作温 度高于 450℃的零部件上。学习锅炉知识，请关注微信公众号锅炉圈我国合金钢的编号采用化学符号与数字相结合的方法。前面数字表示钢的平均含碳量，符号是加入元素的化学符号，符号后数字表示加入元素的平均含量， 平均含量小于 1.5%时，一般不标注。如 14MnMoV 钢，表示 C=0.1%～1.8%；Mo=0.4%～0.65%；M n=1.2～1.6 %；V=0.05 ~0.15%。当两种化学成分中除了 其中一个主要合金元素外，其余都基本相同，而这个主要合金元素在两种钢中的 平均含最都小于1. 5%时，含量较高者加1 以示区别。如12C r1MoV 和 12CrMoV 钢中，铬的含量分别为 0.9%～1.2%和 0.4 ～0.6%；。
合金钢中的主要合金元素的作用
1)碳(c)：
碳是钢中的丰要元素，随着钢中含碳量的增加，钢的常温强度、硬 度提高，但塑性、韧性及焊接性能降低；所以．锅炉承压元件用钢的含碳量一般 为 0.1%～0. 25 %。
2)锰(Mn)：
锰可以提高钢的常温强度、硬度及耐磨性，含锰高时，焊接应力 增加。锰可使钢的高温短时强度提高，但对持久强度和蠕变极限没有明显的影响。
3)钳 (Mo)和铬(Cr)：
钼和铬都能提高钢的强度。铬对提高钢的高温组织稳定性一抵制珠光体球化、石墨化、抗高温氧化有明显效果，并能提高抗腐蚀性。但含铬高的钢，焊接裂纹敏感性强，温差应力也大。钳对提高钢的持久强度有明显作用。钼有石墨化倾向可加铬防止，铬的脆化可用钳防止，二者共存可以提高 钢的综合性能。
4)钒(v)：
钒在钢中能提高高温组织稳定性，还能抵消铬对焊接性能的不利影响。
5)钛(Ti)：
钛可提高钢的持久强度，在低合金钢中，还可改善钒的焊接性能。
6)钨(w)：
钨可提高钢的持久强度及高温硬度。
7)硅(Si)：
硅能提高钢的强度、耐磨性及抗氧化能力。与铬共存时，可提高抗高温氧化能力，也可提高在烟气中的抗腐蚀性能。
8)铌(Nb)：
铌与钛的作用相同，可提高钢的热强性。
9)硼(B)：
硼的突出作用是提高钢的淬透性。在耐热钢中可提高钢的热强性及持久塑性。
10)镍(Ni)：
镍的丰要作用是使钢获得奥氏体组织，从而提高钢的抗蠕娈能力。
16、脆性转变温度
当温度低于某一数值时，某些金属的塑性（特别是冲击韧性）会显著降低而呈现脆性，这一温度称为该种钢材的脆性转变温度，也称无韧性或无塑性温度。实际上就是韧脆转变温度。脆性转变温度越低，说明钢材的抵抗冷脆性能越高。冷脆转变温度与多种因毒有关，它随钢中磷含量的增加而提高，随钢材厚度的增加、材料中缺陷尖锐程度的提高、材料承受的加载速度的提高而提高。根据钢材这一特性，锅炉在作水压试验时，上水温度一定要高于钢材的脆性 转变温度，升压速度也要按有关规定，严加控制，以防出现冷脆破裂事故。
17、普通低合金钢
普通低合金钢是在低碳钢的基础上，加入少量合金元素，一般以锰( Mn)为 主，其次是铝(Mo)、钒(v)、钛(Ti)等，用以获得在中温（即 400℃庄右）下具有较高屈服强度和良好的塑性、韧性及焊接性能，即具有较高的机械强度和加工性能。普通低合金钢与其相近的碳素钢相比，屈服强度可提高 30%～50%。相同承载条件下，采用低合金钢，可使结构重量减轻约 20%～30%。由于低合金钢具有较高的机械强度和良好的加工性能，成本又较低？在发电厂中得到广泛应用。如用于制造工作温度不超过 450℃的锅炉受热面管、汽包、 联箱、炉顶主梁，风机叶片等。常用的钢号有 16Mn、15MnV、14MnMoV 等。
18、锅炉主要部件用钢
19、合金钢焊前预热和焊后热处理
合金钢具有良好的抗高温氧化及组织稳定性．较高的高温强度。但它的可焊性较差，淬硬倾向大，焊接过程中焊缝及热影响区可能出现如下一些问题：
1)焊后在悍缝及热影响区出现硬而脆的淬硬组织，若再有较大内应力存在，就会出现冷裂纹、韧性、塑性降低。
2)具有出现弧坑裂纹的倾向。
3)某些合金元素，具有焊接再热裂纹倾向，尤以含钒、含硼的钢种为甚。为了避免和消除上述缺陷，合金钢需要焊前预热，焊后热处理。焊前预热的主要目的是改善材料的可焊性。在加热并保持一定温度的过程中，可以降低焊接接头区域的温差，使热影响区的淬硬倾向减弱。在焊接过程中有利 于氢气的逸出，降低焊缝中的氢含量，防止冷裂皱的产生，改善焊接接头的塑性及韧性。
焊后热处理的方法一般是高温回火，其主要目的是：
(1)消除或减小在焊接过程中所产生的内应力，防止焊缝和热影响区产生裂纹。
(2)改善焊缝和热影响区的机械性能，即提高其塑性及韧性，改善硬脆倾向。
(3)改善焊缝和热影响区的金相组织。一般碳索钢的焊接性能好，焊接时可不必预热与热处理。但对于含碳量高、刚度大的焊件，由于焊后残余应力大，也需预热及热处理，如壁厚大于 30mm 的碳钢管。
20、超温、过热 运行中蒸汽温度超过额定值时称超温。受热面管或蒸汽管道壁温，超过该 种钢材最高许用温度时称过热。各种钢材都有规定的使用温度范围，或者说有一个允许的最高使用温度。学习锅炉知识，请关注微信公众号锅炉圈在允许的使用温度范围内，可按其使用寿命安全工作。运行中的超温，有时会引起管壁过热，有时则不一定。如果额定运行温度比钢材的许用最高温度低很多，即便出现超温，也不一定过热。如12CrlMoV 钢 的允许最高使用温度为580℃，蒸汽额定温度为540℃，运行中达到500℃，这习惯上就属于超温，但对主蒸汽管道来说并没有过热。当实际壁温超过钢材最高使用温度时，金属的机械性能、金相组织就要发生变化，蠕变速度加快，最后导致管道破裂。为此，运行中对主蒸汽管、过热器管及再热器管和相应的导汽管，要作好超温记录，统计超温时间及超温程度，以便 分析管道的寿命，加强对管道的监督，防止出现过热及突然损坏。
21、超温对管道使用寿命影响
各种汽水管道和锅炉受热面管子，都是按照一定的工作温度和应力设计其使用寿命的。如果运行中工作温度超过设计温度，虽未过热，也会使金属组织稳定性变差，蠕变速度加快，最后使其工作寿命缩短。根据试验研究，材料达到破坏的时间与蠕变速度成反比，随温度的升高呈指数关系缩短。按照这一原理，在应力相同的条件下，不同温度的使用寿命，可用拉尔森~堆列尔近似方程来算。一般来说，超温 10℃，工作寿命缩短一半以一上。超温幅度越大，工作寿命缩短越多。所以，超温运行就等于缩短工作寿命。
22、蒸汽管道和锅炉受热面管设置监视段的目的
被指定作为长期观察、检验、定期割取试样做各种金属试验的管段，称为监视段。设至监视段的目的，主要是更好地了解破临视管道的金相组织，机械性能，特别是蠕变速度在运行过程中的变化情况，以便分析判断，并及时采取对策。按照《火力发电厂金属技术监督规程》的规定：工作温度大于450℃的主蒸 汽管道、高温再热蒸汽管道，应在蒸汽温度较高的水平管段上设置监视段，进行蠕变监督。监视段应选用该管系中实际壁厚最薄的同批钢管，其长度不小于5 m，并设三组蠕变测点。过热器和再热器应在壁温最高处设置监视管，定期割取试样，监测管子的壁厚、直径、金相组织和机械性能随温度及运行时间的变化规律，以 便及早发现问题，及时采取措施。
23、长期超温爆管
运行中由于某种原因，造成管壁温度超过设计值，只要超温幅度不太大，就不会立即损坏；但管于长期在超温下工作，钢材金相组织会发生变化，蠕变速度加快，持久强度降低，在使用寿命未达到预定值时，即提早爆破损坏。这种损坏称长期超温爆管，或叫长期过热爆管．也称一般性蠕变损坏。长期超温爆管，一般发生在高温过热器出口段外圈管子的向火侧。根据近年对过热器管爆破事故的分析，约70%的爆管是由于长期超温而引起的。水冷壁， 凝渣管以及省煤器管，偶然也会发生这类爆破损坏现象。长期超温爆管破口的特征是：破口呈粗糙脆性断面的大张口，管壁减薄不多，管子蠕胀也不甚显著，破口内壁往往有较厚的氧化铁层。破口的这些特征，与钢材在长期超温运行过程巾，组织结构不断变化、介质的不断腐蚀有关。它首先产生微细的蠕胀裂纹和应力腐蚀裂纹，然后在继续超温运行过程中，微细裂纹不断形成和发展，最后引起爆管事故的发生。
24、短时超温爆管