1、中國特種設備檢測研究院鍋爐材料及損傷失效基礎鍋爐材料及損傷失效基礎中國特種設備檢測研究院錢 公010-一.鍋爐材料常見基本組織1.鋼和鑄鐵2.鋼及鑄鐵中的幾種基本組織 （1）鐵素體：碳原子溶于體心立方Fe中形成的間隙 固溶體。以或F表示。 （2）滲碳體：晶體結構屬正交系，化學式為Fe3C的金屬 化合物，是鋼和鐵中常見的固相，在合金 鋼中為合金滲碳體。 （3）奧氏體：碳原子溶于面心立方晶格Fe中所形成 的間隙固溶體，以A表示。中國特種設備檢測研究院 （4）珠光體：由鐵素體和滲碳體所組成的機械混合物， 通常呈片層狀相間分布，以P表示。 （5）索氏體：過冷奧氏體在600650左右分解所形 成的珠光體

2、，其片層較薄，以S表示。 （6）屈氏體：過冷奧氏體在650550左右分解所形 成的珠光體，其片層極薄，以T表示。 （7）貝氏體：鋼奧氏體化后，過冷到珠光體轉變溫度區 與Ms之間的中溫區等溫，或連續冷卻通過 這個中溫區時形成的組織。按照組織形式 和形成溫度不同，分為上貝氏體和下貝氏 體。上貝氏體中鐵素體呈羽毛狀，羽毛之 間分布有片裝和棒狀的滲碳體。下貝氏體 為針狀的鐵素體上分布有大量的滲碳體。 貝氏體中的鐵素體含有較多的（或過飽和 的）碳，以B表示。中國特種設備檢測研究院 （8）馬氏體：鋼中通過無擴散共格切變型轉變所形成的 產物，以M表示。 （9）萊氏體：鋼鐵或高碳高合金鋼中由奧氏體（或其轉 變

3、產物）與碳化物（包括滲碳體）組成的 共晶組織，以L表示。 （10） 石墨：碳的一種同素異構體，晶體結構屬于六方 晶系，是鑄鐵中常出現的固相，其空間形 態有片狀、球狀、團絮狀、蠕蟲狀等。中 以片狀對金屬的危害最大。中國特種設備檢測研究院二.金屬在高溫長期運行過程中的變化（一）基本概念1.金屬的蠕變 在規定溫度和恒應力作用下，材料塑性變形隨時間而增加的現象，稱為蠕變。 2.金屬的蠕變曲線 以蠕變變形量作為時間函數所繪制的曲線，稱為蠕變曲線。盡管不同的金屬和合金在不同條件下所得到的蠕變曲線不盡相同，但它們都有一定的共同特征，把這些共同特征表示出來的蠕變曲線就叫做典型蠕變曲線。典型蠕變曲線見附圖，它描

4、述在恒定溫度、恒定拉應力下金屬的變形隨時間的變化規律。中國特種設備檢測研究院中國特種設備檢測研究院變形量常數常數3210123時間典型蠕變曲線典型蠕變曲線分為以下四個部分： （1） 瞬時伸長0O：它是加上應力的瞬間發生的。假如外加應力超過金屬在試驗溫度下的彈性極限，則這部分瞬時伸長中既包括彈性變形，也包括塑性變形。 （2）蠕變第一階段（曲線OA，即 I ）：蠕變速率隨時間逐漸降低期間稱為蠕變第一階段。這一階段的蠕變是非穩定的蠕變階段，它的特點是開始蠕變速度較大，但隨著時間的推移，蠕變速度逐步減小，到A點，金屬的蠕變速度達到該應力和溫度下的最小值并開始過渡到蠕變的第二階段。由于這一階段蠕變有著減

5、速的特點，因此也把蠕變第一階段稱為蠕變的減速階段。中國特種設備檢測研究院（3）蠕變的第二階段（曲線AB ，即 II ）：蠕變速率恒定的期間稱為變的第二階段。這一階段的蠕變是穩定階段的蠕變，它的特點是蠕變以固定的但是對于該應力和溫度下是最小的蠕變速度進行，在蠕變曲線上表現為一具有 一定傾斜角度的直線段。蠕變第二階段又稱為蠕變的等速階段或恒速階段。中國特種設備檢測研究院 （4）蠕變的第三階段（曲線BC ，即 III ）：蠕變速率隨時間逐漸增加的期間稱為蠕變的第三階段。當蠕變進行到B點，隨著時間的進行，蠕變以迅速增大的速度進行，這是一種失穩 狀態。直到C點發生斷裂。至此，整個蠕變過程結束。由于蠕變第

6、三階段有蠕變不斷加速的特點，所以也被稱為蠕變的加速階段。中國特種設備檢測研究院3.金屬的蠕變極限 金屬的蠕變極限是指在規定溫度下使試樣在規定時間內產生的蠕變總伸長率或穩態蠕變速率不超過規定值的最大應力，它表征金屬材料抵抗蠕變變形的能力。 對于火力發電廠的高溫金屬部件，蠕變極限作以下具體規定： 在 一 定 溫 度 下，能 使鋼 材 產 生 1107毫米/毫米（或1105/時）的第二階段蠕變速度的應力，就 稱為 該溫度下1107 （或1105）的蠕變極限。所用符號為 t1107 （或 t1105 ）。 在 一 定 溫 度 下，能 使鋼 材 在105小時工作時間內發生1的總蠕變變形量的應力，就稱為該

7、溫度下的105小時變形1的蠕變極限。所用符號為 t1/105中國特種設備檢測研究院4.金屬的持久強度 金屬的持久強度是指使用在規定的溫度下達到規定的試驗時間而不致斷裂的最大應力，表征金屬材料抗高溫蠕變斷裂的能力。 火力發電廠高溫金屬部件所用材料的持久強度一般可表示為：在給定溫度下，經105小時發生破壞（或斷裂）的應力。其常用符號為 t105 中國特種設備檢測研究院5.金屬的持久塑性 金屬的持久塑性是指材料在一定溫度及恒定試驗力作用下的塑性變形。用蠕變或持久斷裂后試樣的延伸率和斷面收縮率表示。 持久斷后延伸率:持久試樣斷裂后，在室溫下標距的伸長與原始標距的百分比。 持久斷后斷面收縮率:持久試樣斷

8、裂后，在室溫下橫截面積最大縮減量與原始橫截面積的百分比。 中國特種設備檢測研究院6.金屬的松弛 在規定溫度及初始變形或位移恒定的條件下，材料中的應力隨時間而減小的現象叫應力松弛。中國特種設備檢測研究院（二）金屬在高溫長期運行過程中組織的變化 鍋爐高溫部件所用鋼材在高溫長期運行過程中發生的組織性能變化主要有： 珠光體的球化和碳化物的聚集； 石墨化（僅限于不含鉻的珠光體耐熱鋼）； 時效和新相的形成（如不銹鋼中 相的形成等）； 熱脆性； 合金元素在固溶體中和碳化物相之間的重新分配。中國特種設備檢測研究院1.珠光體的球化和碳化物的聚集 珠光體球化是指鋼中片層狀珠光體組織，在高溫長期應力作用下，珠光體中

9、的片層狀滲碳體（或碳化物），通過原子擴散方式逐漸變成球狀，并隨時間的延長不斷聚集長大的現象。 球化后的碳化物繼續增大自己的尺寸，使小直徑的球變成大直徑的球，這就是碳化物的聚集。 一般來說，珠光體球化對鋼的室溫力學性能和耐熱性均有一定程度的影響，對于不同的鋼，其影響程度不一。中國特種設備檢測研究院舉例：20號鋼球化評級球化名稱 球化級別 組織特征未球化(原始態) 1級 球光體區域中的碳化物呈片狀傾向性球化 2級 珠光體區域中的碳化物開始分散， 珠光體形態明顯輕度球化 3級 珠光體區域中的碳化物已分散， 并逐漸向晶界擴散，珠光體形態 尚明顯中度球化 4級 珠光體區域中的碳化物已明顯分散，并 向晶界

10、聚集，珠光體形態尚保留完全球化 5級 珠光體形態消失，晶界及鐵素體基體上 的球狀碳化物已逐漸長大中國特種設備檢測研究院中國特種設備檢測研究院2.石墨化 石墨化就是鋼中的滲碳體分解成為游離碳，并以石墨形式析出，在鋼中形成石墨夾雜，使鋼的脆性急劇增大的現象。 碳鋼和0.5Mo鋼等不含鉻的珠光體耐熱鋼在高溫長期運行過程中會產生石墨化的現象。 當鋼中產生石墨化現象時，由于碳從滲碳體中析出成為石墨，鋼中滲碳體數量減少；另外，石墨在鋼中割裂基體，起裂紋作用，而石墨本身強度又極低，因此，石墨化對鋼的強度有所影響。另外，石墨化對鋼的室溫沖擊性能也有一定的影響。中國特種設備檢測研究院3.時效和新相的形成 時效過

11、程是指工件經固溶處理或淬火后，在室溫或高于室溫的適當溫度下保溫，以達到沉淀硬化目的的一種熱處理操作過程。耐熱鋼或耐熱合金制的高溫部件在長期運行過程中，從過飽和固溶體內析出一些強化相質點而使金屬的性能（主要是力學性能和蠕變極限等）隨時間發生變化的現象，也稱時效，它是固溶體脫溶過程或脫溶分解的簡稱。 當耐熱鋼和耐熱合金中的固溶體由于熱處理時從高溫冷卻較快或別的原因，使固溶于其中的合金元素來不及析出時，就形成不穩定的過飽和固溶體。在以后的運行中就會發生時效。 中國特種設備檢測研究院4.熱脆性 熱脆性是指某些鋼長時間停留在400550區間，在冷卻到室溫后其沖擊值顯著下降的現象。 5.合金元素在固溶體和

12、碳化物相之間的重新分配 鋼在高溫長期作用下，不但會發生珠光體球化、石墨化、時效等，鋼中合金元素還會發生在固溶體和碳化物相之間的重新分配過程。這一過程的發生是由于在高溫下合金元素原子活動能力的增加而產生的轉移過程。中國特種設備檢測研究院三.鍋爐部件選材原則1.高溫部件鋼材選用的原則 足夠的蠕變極限、持久強度和持久塑性； 高溫長期運行過程中較好的組織穩定性； 良好的工藝性能； 抗氧化性能高； 具有高的抗熱疲勞能力。中國特種設備檢測研究院2.水冷壁管和省煤器管鋼材選用的原則 應具有一定的室溫強度和高溫強度； 具有良好的抗熱疲勞性能和供熱性能； 具有良好的抗腐蝕性能，并要求耐磨損性能、工藝性 能好，尤

13、其是焊接性能良好。中國特種設備檢測研究院3.鍋筒鋼材選用的原則 應具有較高的屈服強度、抗拉強度； 曲強比不應太高； 缺口敏感性低； 抗疲勞性能良好； 良好的沖擊韌性、高的斷裂韌性和較低的時效敏感性， 且脆性轉變溫度較低； 具有一定的抗汽水腐蝕破壞的能力； 鋼板應具備良好的塑性、冷變形性能及焊接性能； 鋼板應具有良好的冶金質量。 中國特種設備檢測研究院4.螺栓鋼材選用的原則 高溫螺栓應采用抗松弛性能高的材料； 高溫螺栓用鋼，應具有一定的持久強度和蠕變強度， 蠕變脆化傾向及蠕變缺口敏感性小，且具有良好的持 久塑性； 材料的組織性能穩定性好，回火脆性和熱脆傾向小； 對于承受疲勞載荷的螺栓材料，還應具

14、有較高的抗疲 勞和抗剪切的能力。四.鍋爐常用材料 鍋爐安全技術監察規程材料章中國特種設備檢測研究院五.高溫部件壽命評估方法簡介1.等溫線法 =k（t r）m2. LM參數法 f（，T）= P（） P（）=T（C+lgt ） T1（C+lgt1）= T2（C+lgt2） lgt =（C0+C1lg+C2 lg2+ C3lg3+ C4lg4+）/T-C中國特種設備檢測研究院3. 函數法 =1（1-e- 2t） +3（e- 4t-1） Lgi=ai+ biT+ci+diT中國特種設備檢測研究院六.斷裂力學基礎1.斷裂力學 斷裂力學是是從材料或構件中存在宏觀裂紋這一點出發，應用彈性力學和塑性力學理論，

15、研究材料或構件中裂紋產生和擴展的條件和規律的學科。簡言之，是研究含裂紋物體強度和裂紋擴展規律的一門學科。 常規設計準則：平均應力（或者強度理論計算的相應應力）不超過許用應力值，而伸長率和沖擊功不低于某些規定值。中國特種設備檢測研究院2.線彈性斷裂力學（1）裂紋的分類（2）應力強度因子KI中國特種設備檢測研究院（3）平面應變斷裂韌性KIC（4）脆性斷裂判據3.彈塑性斷裂力學（1）COD（crack opening displacement）（2）J積分中國特種設備檢測研究院七.失效分析基礎（一）基本概念 失效：一般來說，在工程中，將零部件失去其原有設 計所規定的功能的現象稱為失效。 失效的分類：

16、按功能、按損傷機理、按時間特征分類。 失效分析：通常是指對失效的零部件為尋找失效原因和預 防措施所進行的一切技術活動，也就是研究失 效現象的特征和規律，從而找出失效的模式和 原因，并提出預防再失效的對策的技術活動和 管理活動。 中國特種設備檢測研究院（二）失效分析的基本思路 根據失效零部件的設計、制造、安裝及使用全過程進 行分析 根據失效零部件的失效形式及失效模式進行分析 根據“四M”進行系統分析（三）失效分析的程序 1 .現場調查 2 .收集背景資料 3 .試驗分析研究 4 .綜合分析，推理判斷初步結論 5 .撰寫失效分析報告中國特種設備檢測研究院八.電站鍋爐部件常見損傷及失效（一）概述 三大過程：爐內過程、鍋內過程、傳熱過程（二）鍋爐各系統服役特點 水冷壁 過熱器、再熱器 省煤器 集箱 啟動（汽水）分離器 鍋爐范圍內管道 承重系統2022-4-7-1-中國特種設備檢測研究院（三）電站鍋爐常見損傷及失效1.受熱面外部結渣、結焦2.受熱面積灰 干松灰 高溫粘結灰 低溫粘結灰中國特種設備檢測研究院3.受熱面管外部腐蝕爐膛水冷壁管的高溫腐蝕 硫酸鹽型腐蝕 氯化物型腐蝕 硫化物型腐蝕過熱器管、再熱器管的高溫腐蝕低溫腐蝕中國特種設備檢測研究院4.飛灰磨損5.對流受熱面振動6.爐膛振動7.吹灰沖蝕8.鍋內結垢 鈣鎂水垢 硅酸鹽垢 氧化鐵