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1、第七章 锅炉与汽轮机用钢及事故分析锅炉与汽轮机用及事故分析锅炉与汽轮机用及事故分析目目录录1 1第一节第一节 锅炉主要设备用钢及事故分析锅炉主要设备用钢及事故分析2 2第二节第二节 汽轮机零部件用钢及事故分析汽轮机零部件用钢及事故分析3 3第三节第三节 螺栓用钢及断裂事故分析螺栓用钢及断裂事故分析4 4第四节第四节 耐磨件及磨损失效分析耐磨件及磨损失效分析金属技术监督金属技术监督5 5锅炉管道用钢要求锅炉管道用钢及事故分析7.1 锅炉主要设备用钢及事故分析过热器再热器水冷壁管省煤器主蒸汽管再热蒸汽管道联箱连接管受热面管子蒸汽管道l锅炉管道材料要求具有良好的持久塑性，一般希望延伸率不小于35%，
2、良好的持久塑性能防止材料产生蠕变脆性破坏。 高的抗氧化性能和耐腐蚀性。高的抗氧化性能和耐腐蚀性。l对于锅炉管道要求在工作T下氧化深度小于良好的加工工艺性能，特别是焊接性能良好的加工工艺性能，特别是焊接性能良好的组织稳定性良好的组织稳定性l锅炉管道在高温下长期使用过程中,钢中的碳和合金出现的再分配,引起碳化物的析出和聚集/球化/石墨化等,从而导致钢的性能降低l持久强度是锅炉管道高温强度计算的依据，因锅炉管道失效的主要形式是破裂而不是变形(蠕变)。 足够的高温强度蠕变强度、持久强度和良好的持久塑性足够的高温强度蠕变强度、持久强度和良好的持久塑性l锅炉管道在整个工作期间内,一般允许积累一定的蠕变变形
3、量,假设规定允许总应变为1%；按工作期限10万h计算，这相当于允许的蠕变速度为10-5%/h。锅炉管道用钢要求锅炉管道用钢许用应力对于380以下的低碳类钢/锰钢/锰钒钢；420以下的低合金钢平安系数在T温度下的屈服强度在T温度下的抗拉强度对于380以上的低碳类钢/锰钢/锰钒钢；420以上的低合金钢在T下断裂时间为105的持久强度持久强度锅炉管道用钢l按照工作温度：壁温500的过热器管子和壁温450的蒸汽管道常用20钢-组织F+P有石墨化倾向锅炉管道用钢15CrMo钢；组织F+P；长期运行发生球化球化球化球化15CrMo钢虽无石墨化倾向，但在高温下长期运行过程中会发生珠光体的球化球化球化球化及固
4、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。DL/T7872001火力发电厂用火力发电厂用15CrMo钢珠钢珠光体球化评级标准光体球化评级标准壁温550的过热器管子和壁温510的蒸汽管道常用15CrMo钢；组织F+P；有些是B(贝氏体)热处理工艺为正火+高温回火壁温580的过热器管子和壁温540的蒸汽管道12Cr1MoV钢钢即Cr=2.25%,Mo=1%美国P22；瑞典HT8；日本STBA24；德国10CrMo910由于参加0.2%V,所形成的VC细碎而稳定,对钢的弥散强化效果好广泛应用壁温620的过热器管子和壁温570的蒸汽管道我国：12Cr2MoW
5、VB(钢102)和12Cr3MoVSiTiB(11)俄罗斯：122,122；德国10CrSiMoV锅炉管道用钢微量多元合金化是这类钢种的共同特点微量多元合金化是这类钢种的共同特点特点:微量多元合金化壁温600650的过热器管子和壁温550600的蒸汽管道常用9Cr-1Mo型马氏体耐热钢马氏体耐热钢l对于属高参数大机组的锅炉，均采用高合金耐热钢美国T9/P9;瑞典HT7;日本STBA26;德国X12CrMo919Cr-2Mo型马氏体耐热钢 日本HCM9M钢美国T91/P91;日本火STBA28我国10Cr9Mo1VNb钢锅炉管道用钢新进展新进展M耐热钢、耐热钢、A耐热钢耐热钢过热器管子壁温超过6
6、50，蒸汽管道壁温超过600奥氏体耐热钢l奥氏体耐热钢具有较高的高温强度和耐腐蚀性能，最高使用温度可到达700左右。目前应用的有0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、1Cr19Ni9、0Cr18Ni9Ti和1Cr18Ni9Ti等钢种。l美国TP304H、TP347H锅炉管道用钢新进展新进展M耐热钢、耐热钢、A耐热钢耐热钢7.1.1锅炉管道用钢及事故分析事故分析失效分析长时超温爆管在高温长时间作用下,钢材使用寿命达不到设计要求而提早破坏l壁温一般未到达相变T以上;无相变l一般发生在高温过热器出口段的外圈向火侧长时超温爆管短时超温爆管材质不良爆管失效分析的思路和方法b)爆口周围存在纵向开裂的氧化皮。
7、c)管子上整个爆破口张开的程度不大破口边缘的组织：F+K(P球化)F内K明显聚集长大，并有大量的棒状K平行排列，有些K碳化物在三叉晶界处长大，有蠕变裂纹。a)破口呈粗糙脆性断口，管壁减薄不多，管子胀粗也不很显著，爆破口附近往往有较厚的氧化铁层，边缘为平整的钝边。宏观特征微观特征短时超温爆管l壁温一般到达相变T以上；爆破口往往有相变组织l一般发生在水冷壁管，燃烧带附近a)管径有明显的胀粗/管壁减薄量大；管子的爆破口呈喇叭形，边缘锋利；破口外表光滑b)爆口附近没有裂纹,硬度显著提高c)爆破口具有韧性断裂特征宏观特征破口的组织：低碳马氏体微观特征某锅炉15CrMo双面水冷壁管由于启动方式不当,壁温超
8、过Ac3而爆管20钢水冷壁管短时超温爆管的宏观及微观组织材质不良引起爆管l错用钢材和钢材内有缺陷引起l有缺陷管子爆破时，爆破口往往是沿缺陷豁开，裂纹较直。爆破口边缘一般有两局部，有缺陷的局部边缘粗糙呈脆性断面；没有缺陷的局部那么呈韧性断面。20钢省煤器管材料缺陷产生的爆管对流过热器的水平管段以及水气流程后部管子的向火侧常出现这类F1)蒸汽F(氢脆)蒸汽F苛性脆化烟气F垢下F应力FF疲劳氢大量积累在金属管壁与水垢之间,于是在其下面发生了氢F特征：垢下有沿管轴方向的裂纹产生,微裂纹附近脱碳明显.当F严重时,管子外表会出现全脱碳层；金属变脆.严重时管壁未减薄就发生爆管破口附近显微组织可观察到沿晶裂纹
9、20钢水冷壁管氢脆爆管破口爆口呈窗口状,没有塑性变形和胀粗措施：保持管内壁的洁净,使均匀的保护膜不受破坏；保证给水品质,定期进行锅内的化学清洗,去除管内壁的沉积物以及稳定工况,防止炉管的局部汽水循环不良和超温等。腐蚀引起的爆管(腐蚀失效)汽包用钢要求7.1.2 锅炉汽包及其它部件用钢l汽包处于中温(350以下)/高压状态下工作，它除承受较高的内压力以外，还受到冲击/疲劳载荷/热应力/水和蒸汽介质的腐蚀作用等。如果汽包因破裂引起爆炸，那么是一场厂毁人亡的灾难性事故.根据热力学计算，一吨重的110kgf/cm2(10.8MPa)压力下的饱和水爆炸时释放能量的相当于吨TNT炸药。l屈服强度可从250
10、500MPa选取较高的常温和中温强度l汽包制造中要在钢板外表开管孔和焊接管接头,易造成应力集中良好的塑性/韧性和冷弯性能较低的缺口敏感性良好的冶金质量良好的焊接性l国内外都有在焊缝处产生裂纹的例子，有的还引起了爆炸事故，其中大多为焊接热影响区近熔合线处的再热裂纹。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。锅炉汽包的工作条件及对材料的要求l屈服强度350MPa汽包用钢7.1.2 锅炉汽包及其它部件用钢屈服强度ReL16Mng应用最广泛的汽包用钢取代20钢后,钢材可节约20%30%ReL400MPa15MnVg高压汽包用钢ReL500MPa14MnMoVg用于厚度60
11、mm的钢板ReL500MPa的钢板还有18MnMoNbg14CrMnMoVBReL650一700MPal吹灰器的工作时间很短,但是工作T却很高。l吹灰器布置的位置不同,工作T也不同,因而所用的材料有不同。l吹灰管应能保证使用5年以上,喷头应保证能用到两年左右。吹灰器用钢A耐热钢高铬不锈钢低合金耐热钢碳钢和耐热铸铁使用T450低温省煤器和低温空气预热器区的吹灰器低温省煤器和低温空气预热器区的吹灰器Cr25Ni用于燃烧室区，使用T1000燃烧室吹灰器燃烧室吹灰器1Cr18Ni9Ti用于高温过热器区，使用800锅炉固定零件用钢7.1.2 锅炉汽包及其它部件用钢Cr20Ni14Si2/Cr25Ni12
12、:用于炉膛和前部烟道的吊架和夹马l珠光体耐热钢；工作T750l我国研制的吊架用耐热钢管子夹马/定位板/吊架/支座等Cr18Mn9Ni2Si2N(钢101)l高铬镍A耐热钢；使用T1000Cr6SiMo 用于对流加热面局部的固定件l工作T900；不含镍Cr18Mn11Si2N(D1)l工作T=8501100；少镍7. 2 汽轮机主要零部件用钢及事故分析叶片用钢及事故分析性能要求叶片在极为复杂的工况下长期工作，工作寿命要求大于10万h。动叶片：装在转子上；动叶片短的只有几cm，大型末级叶片长达700mm甚至1m。静叶片装在隔板上l第一级的动叶与静叶所处的T最高；至末级那么接近100例如当末级叶片长
13、度达1m时,其圆周速度已达560m/s以上,所产生的离心力使动叶片承受巨大的扭应力l动叶片在工作中承受极为复杂的动应力(弯曲/扭/离心力)和T应力l叶片的振动的振动是引起断裂的重要原因重要原因l处在湿蒸汽区工作的末级叶片,经受电化学腐蚀叶片用钢及事故分析性能要求l低/中压叶片工作T400良好的常温和高温力学性能l实验指出,13%铬钢具有最高的减振性良好的抗蚀性减振性良好的工艺性能一定的耐磨性l最后几级叶片,由于蒸汽中出现水滴,使叶片受水滴的冲刷而产生机械磨损叶片成型工艺复杂,数量大；希望材料具有良好的加工性能,利于生产l处在湿蒸汽区工作的末级叶片,用不锈钢l1Cr13叶片用钢铬不锈钢用于汽轮机
14、的前几级,工作T480强化型不锈钢如Cr11MoV,Cr12WMoV,Cr12WNbVB等13%铬不锈钢12%铬强化型不锈钢l2Cr13 用于汽轮机的后几级,工作T450用于大型机组,工作T500叶片用钢及事故分析事故分析长期疲劳破坏防止措施：消除共振/提高制造质量/改善运行条件腐蚀疲劳损坏应力腐蚀损坏长期疲劳破坏短期疲劳破坏接触疲劳破坏l在低于疲劳强度的应力状态下,经过较长时间(107次)发生的疲劳损坏又称高周疲劳发生高周疲劳时,其同时断裂的叶片较多,断裂位置相似l宏观断口平整，断面呈细瓷状，具有典型贝壳状把戏；微观断口形貌为疲劳条纹，条纹间距小。例例如如，因因叶叶片片或或叶叶片片组组存存在
15、在着着某某种种高高频频振振动动而而引引起起共共振振损损坏坏；叶叶片片外外表表有有缺缺陷陷(如如夹夹杂杂、腐腐蚀蚀点点坑坑、划划痕痕等等)，使使叶叶片片局局部部区区域域产产生生应应力力集集中中而而提提早早发发生生疲疲劳劳损损坏坏；由由于于运运行行不不正正常常(如如低低周周波波运运行行、超超负负荷荷运运行行、低低负负荷荷运运行行等等)，使使某某些些级级的的叶叶片片应应力力升升高高，导导致致提提早早破破坏坏。长长期期疲疲劳劳损损坏坏在在电电厂厂叶叶片片事事故故中中最最为为常见。常见。短期疲劳破坏防止措施:消除共振/防止水击l在受到外界较大的应力作用下,经过较短时间(107次)发生的疲劳损坏由于水进入
16、汽轮机内长产生这类破坏,又称水击断裂l断口粗糙，疲劳贝壳纹不明显，断面新鲜且具有金属光泽；有人字型纹路。断口周围常产生宏观变形；叶片出汽边呈波浪形；其微观特征为韧窝和条纹。例如，由于运行不正常。疏水系统发生故障，使水进入气轮机内，叶片遭到水的冲击而承受较例如，由于运行不正常。疏水系统发生故障，使水进入气轮机内，叶片遭到水的冲击而承受较大的应力，随即很快损坏；或是由于设计不良，安装不好，存在较大的低频激振力如转子不大的应力，随即很快损坏；或是由于设计不良，安装不好，存在较大的低频激振力如转子不平衡而产生的振动；隔板结构不佳或安装不良，存在较大的交变应力；或是喷嘴损坏，使叶片平衡而产生的振动；隔板
17、结构不佳或安装不良，存在较大的交变应力；或是喷嘴损坏，使叶片受到不均等，当低频激振力与叶片的自振频率相同时就引起共振，会很快导致叶片的断裂。受到不均等，当低频激振力与叶片的自振频率相同时就引起共振，会很快导致叶片的断裂。叶片用钢及事故分析接触疲劳破坏lY在根部因振动而出现往复循环的摩擦,导致产生微动疲劳裂纹特征是在叶根的接触部位产生黑斑黑斑处的外表是坚硬的氧化物,里层是形变硬化组织；在黑斑边缘有微动疲劳裂纹.其方向与微动滑移的方向垂直l疲劳断口往往具有多个裂源.断裂发生于投产的初期几百至几千h内防止措施:消除共振/提高叶根的刚度和安装质量/防止振动传递至叶根/增大叶根的有效接触面/减少局部应力
18、集中等应力腐蚀损坏防止措施:防止对Y焊接时超温/消除材质内应力/改善蒸汽品质等l主要发生在末几级叶片上,18-8型A不锈钢和2Cr13钢制叶片均有发生其裂纹走向为沿晶型,常出现分叉；其内可见腐蚀坑和沉积物(富Cl)l叶片断口的微观特征是冰糖块状把戏7.2.2汽轮机转子用钢及事故分析1)性能要求l中压以下汽轮机叶轮通常是用红套方式装在主轴上,圆周线速度很高,承受着巨大的切向/径向应力,以及由内外缘T梯度造成的热应力对材料要求转子由主轴和叶轮组成.l主轴为高速旋转部件,运行中承受很大的离心力和由自重引起的弯曲应力.当电力系统突然短路时,还要承受很大的扭矩和冲击负荷l过热蒸汽通过各级叶片时汽温逐级降
19、低,主轴承受着由T梯度造成的热应力以保证有足够高的强度/冲击韧性和塑性储藏.纵向和沿整个截面的力学性能应保持最大可能的均匀性应具有规定的化学成分和高的淬透性材料在最终热处理后,应具有稳定的组织和低的剩余应力具有良好的抗氧化性能和抗高温蒸汽腐蚀的能力良好的焊接性不得有白点/裂缝或其它超标缺陷存在以免因局部应力增大或产生热变形而引起机组的振动7.2.2汽轮机转子用钢及事故分析2)转子用钢34CrMo:用于工作T480的汽轮机主轴17CrMo1V:工作T480的焊接转子.l一般为中碳钢和中碳合金钢功率较大的转子选用合金钢低的碳量以确保焊接性27Cr2Mo1V:工作T540的整锻转子和叶轮34CrNi
20、3Mo:工作T400,用于大截面的整锻转子和叶轮3)事故分析变形热套时由于加热和冷却不均匀而产生的局部热应力主轴由于出厂时应力较大,运输或安装不当以及运行不良引起断裂l转子失效时往往造成飞裂/严重振动等大型事故l对弯曲变形的可以进行校正特征是轴外表产生裂纹.当以交变弯曲应力为主时,裂纹走向垂直于轴向；而以交变扭转应力为主时,裂纹走向与轴向呈45交角Z中的白点或中心孔附近的密集夹杂物是脆性疲劳断裂的源点.发生脆性P时,裂纹扩展速度快,可导致Z突然飞裂7.2.2汽轮机转子用钢及事故分析3)事故分析变形断裂a)高周疲劳l裂纹源一般在轴外表的应力集中处,如环形沟槽等部位.轴与叶轮配合面边缘是疲劳断裂的
21、起裂部位；是由于轴的微动疲劳所引发的是在较快的起停过程中,气流对这些部位的急剧加热或冷却/运行工况大幅度变化产生的热应力以及局部区域存在的应力集中所引起b)低周疲劳例如,轴上的环形深槽处,应力集中系数可达36；是疲劳源敏感区c)应力腐蚀断裂l部位一般在套装叶轮的轴向键槽的圆角处；该处富集着NaCl和NaOH等腐蚀性介质.蒸汽过渡区(50120)也是产生应力腐蚀裂纹的区域d)脆性疲劳L的最大应力=初紧应力+最大T附加应力在机组启动时,法兰与L的温差最大,法兰T高于L；由于法兰的膨胀,会产生T附加应力7. 3 螺栓用钢及断裂事故分析工作条件及性能要求以下螺栓简称L螺栓/螺帽等紧固件广泛用于汽缸/管
22、道法兰/阀门等需要紧固连接的部件上,以保证机组在运行中不漏气处于较高T下的L,在应力松弛的条件下工作,承受着拉伸应力,有时也承受弯曲应力.由于L的失效将造成漏汽/停电等重大事故材料要求l抗松弛性高的材料在同样的初紧应力下,运行时应力降低较少高的抗松弛性L设计寿命为20000h,最小密封应力为150MPa,初应力一般取250300MPa.要求L在大修期内,其剩余应力不低于最小密封应力初紧应力的降低,不但可以降低对材料屈服强度的要求,也可以减少L发生脆性断裂的危险高的屈服强度在不正常启动时,以600温差来计算最大T附加应力,可达100Mpa以上l为了保证L的平安运行,L的最大应力35%时,能防止L
23、钢发生脆性D,一定的抗氧化性能,以防止L与螺帽之间咬死螺纹应光洁/平滑；不应有凹痕/裂口/毛刺等会引起应力集中的缺陷工作T570；200MW和300MW机组7. 3 螺栓用钢及断裂事故分析7.3.2螺栓用钢l一般属于中碳钢和中/低碳合金钢25Cr2Mo1V35号优质碳素钢工作T400；用于小功率低参数汽轮机和管道35SiMn工作T430；价格经济25Cr2MoV工作T510;目前国内广泛使用的紧固件材料工作T540;用于高参数机组35CrMo工作T480;长期使用组织比较稳定20Cr1MoVNbTiB(1号螺栓钢)20Cr1Mo1VTiB(2号螺栓钢)在高温高压机组中,国外还采用12%Cr钢/
24、A钢甚至镍基合金如前苏联993钢/美国的C-422钢/Refractaloy26合金InconelX-750等7.3.3断裂事故分析2)疲劳断裂1)脆性断裂3)其它断裂l疲劳裂纹产生于螺栓最大载荷齿根的螺栓的横截面上.P断裂区有明显的放射状纹路.疲劳断面大,最终断裂区很小;断面上贝壳纹不明显本质是回火脆性.由在长期高温运行过程中,F中磷等杂质逐渐向原A晶界偏聚.同时,富钼的M6C碳化物在原A晶界形成引起微观特征:原A晶界呈现黑色的网状,黑色晶界越严重那么脆性越明显;热脆性的裂纹走向往往为沿晶方式.万机组运行7年后脆断的L裂纹l宏观特征:断口粗糙,呈结晶状,断裂处无明显的塑性变形1)脆性断裂主要
25、发生在低合金CrMoV钢.2)疲劳断裂由于机组频繁启停会受到低周热疲劳损伤装卸时,用氧-乙炔火焰加热中心孔会使局部孔壁材料产生热损伤3)中心孔烧伤恢复热处理对脆性进行重新热处理,恢复韧性附录4螺栓热脆断口显微组织图:脆断的L的显微组织组织为索氏体+回火贝氏体脆断裂纹处的显微组织裂纹沿晶开展晶界有碳化物沉淀附录1水击断裂图:某汽轮机汽缸进水后Y断口形貌该疲劳断口粗糙,裂纹开展后期呈贝壳把戏;最终断裂区在进汽边,呈塑性剪切断口其透射电镜照片;可观察到疲劳纹附录2叶片应力腐蚀断口示意图图:某300MW机组2Cr11Mo1V钢制Y运行9872h后断裂断口的示意图运行期间共起停74次“圆点直径约3.5m
26、m,周围呈现放射状把戏,为断裂的裂源l断裂过程:由于Y进汽侧内弧外表近焊处的F坑和F裂纹及缺陷的应力集中;同时,凝结水侵入,不断产生沉积F产物并形成暗斑;在外界强应力频繁作用下,导致应力F;最终由FP引起脆性断裂以下腐蚀简记为F腐蚀疲劳疲劳断裂区静载断裂区斯太立合金片附录3白点和电蚀白点:在冶炼和浇铸过程中,氢会进入液态金属;铸锭凝固后,氢聚合成氢分子,产生巨大的内压,从而形成的内裂纹l一般发生于转子轴颈和轴承的接触面,存在着电流通过的痕迹.假设发生电蚀,事故停机后,刚揭盖时转子残磁大,外表有烧伤点蚀l在冶炼和浇铸转子时通常采用真空除气;对大锻件进行去氢处理电蚀l电蚀附近没有热影响区或只有很小
27、的热影响区;在轴瓦合金中可发现钢颗粒及钒和钼的碳化物;外表通常有一层黑色的油状高温氧化产物电蚀会造成轴瓦损坏调速系统零件损坏以及轴颈磨损l在电蚀处,原来光亮的外表变得发乌,与用强酸侵蚀过的外表相似.附录4螺栓热脆断口显微组织图:脆断的L的显微组织组织为索氏体+回火贝氏体脆断裂纹处的显微组织裂纹沿晶开展晶界有碳化物沉淀金属技术监督金属技术监督 q 技术监督技术监督q 内容简介内容简介技术监督技术监督 质量技术监督是以法律法规为准绳，以标准为依据，以技术检验、计量检测为手段，对产品质量进行标准和监督管理的行政活动。质量技术监督工作是一项重要的、综合性的根底工作，其覆盖范围广泛，涉及到工农业生产、工
28、程建设、科学研究、文化教育、医药卫生、环境保护、核平安、国内外贸易、效劳行业等国民经济和社会开展的各个领域，人民生活的各个方面。质量技术监督包括标准化、计量、质量等方面内容，各有其独立性，但又相互联系。 质量技术监督与经济监督、政纪监督一样，是国家行政监督体系的重要组成局部。技术监督标准质量计量法律、法规、规程以及标准 先进的检测手段、高效的管理方法 重要技术参数和指标进行监督、检查、调整与控制 依据和尺度方法手段目的电能金属化学绝缘热工电测环保继护节能电力技术监督内容简介电力技术监督内容简介1.1. DL 438 DL 438 火力发电厂金属技术监督规程火力发电厂金属技术监督规程2.2. 金属技术监督管理系统金属技术监督管理系统金属技术监督内容简介金属技术监督内容简介金属技术监督管理系统
