1、第七章 鍋爐與汽輪機用鋼及事故分析第七章 鍋爐與汽輪機用鋼及事故分析鍋爐與汽輪機用及事故分析目錄1第一節 鍋爐主要設備用鋼及事故分析2第二節 汽輪機零部件用鋼及事故分析3第三節 螺栓用鋼及斷裂事故分析4第四節 耐磨件及磨損失效分析金屬技術監督5鍋爐與汽輪機用及事故分析目錄1第一節 鍋爐主要設備用鋼及事故 鍋爐管道用鋼要求7.1.1 鍋爐管道用鋼及事故分析7.1 鍋爐主要設備用鋼及事故分析過熱器再熱器水冷壁管省煤器主蒸汽管再熱蒸汽管道聯箱連接管受熱面管子蒸汽管道 鍋爐管道用鋼要求7.1.1 鍋爐管道用鋼及事故分析7.1 鍋爐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%，良好的持久塑

2、性能防止材料產生蠕變脆性破壞 。 高的抗氧化性能和耐腐蝕性。對于鍋爐管道要求在工作T下氧化深度小于0.1mm/y.良好的加工工藝性能，特別是焊接性能良好的組織穩定性 鍋爐管道在高溫下長期使用過程中,鋼中的碳和合金出現的再分配,引起碳化物的析出和聚集/球化/石墨化等,從而導致鋼的性能降低 持久強度是鍋爐管道高溫強度計算的依據，因鍋爐管道失效的主要形式是破裂而不是變形(蠕變)。 足夠的高溫強度（蠕變強度、持久強度和良好的持久塑性） 鍋爐管道在整個工作期間內,一般允許積累一定的蠕變變形量,若規定允許總應變為1%；按工作期限10萬h計算，這相當于允許的蠕變速度為10-5 %/h。 鍋爐管道用鋼要求 鍋

3、爐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3鍋爐管道用鋼許用應力 對于380以下的低碳類鋼/錳鋼/錳釩鋼；420以下的低合金鋼安全系數在T溫度下的屈服強度在T溫度下的抗拉強度 對于380以上的低碳類鋼/錳鋼/錳釩鋼；420以上的低合金鋼在T下斷裂時間為105的持久強度鍋爐管道用鋼許用應力 對于380以下的低碳類鋼/錳鋼/鍋爐管道用鋼 按照工作溫度：壁溫500 的過熱器管子和壁溫450 的蒸汽管道常用20鋼-組織F+P 有石墨化傾向鍋爐管道用鋼 按照工作溫度：壁溫500 的過熱器管子鍋爐管道用鋼15CrMo鋼；組織F+P；長期運行發生球化15CrMo鋼雖無石墨化傾向，但在高溫下長期運

4、行過程中會發生珠光體的球化及固镕體中合金元素貧化的組織變化，從而使熱強性降低。當溫度超過550時，持久強度顯著下降。DL/T7872001火力發電廠用15CrMo鋼珠光體球化評級標準壁溫550 的過熱器管子和壁溫510 的蒸汽管道常用15CrMo鋼；組織F+P；有些是B(貝氏體)熱處理工藝為正火+高溫回火鍋爐管道用鋼15CrMo鋼；組織F+P；長期運行發生球化1壁溫580 的過熱器管子和壁溫540 的蒸汽管道12Cr1MoV鋼即 Cr=2.25%, Mo=1%美國P22；瑞典HT8；日本STBA24；德國10CrMo910由于加入0.2%V,所形成的VC細碎而穩定,對鋼的彌散強化效果好廣泛應用

5、壁溫620 的過熱器管子和壁溫570 的蒸汽管道我國：12Cr2MoWVB(鋼102)和12Cr3MoVSiTiB(11)俄羅斯：122, 122；德國10CrSiMoV鍋爐管道用鋼微量多元合金化是這類鋼種的共同特點壁溫580 的過熱器管子和壁溫540 的蒸汽管道1特點:微量多元合金化壁溫600650 的過熱器管子和壁溫550600 的蒸汽管道常用9Cr-1Mo型馬氏體耐熱鋼對于屬高參數大機組的鍋爐，均采用高合金耐熱鋼美國T9/P9;瑞典HT7;日本STBA26;德國X12CrMo919Cr-2Mo型馬氏體耐熱鋼日本HCM9M鋼美國T91/P91; 日本火STBA28我國10Cr9Mo1VNb

6、鋼鍋爐管道用鋼新進展（M耐熱鋼、A耐熱鋼）特點:微量多元合金化壁溫600650 的過熱器管子和壁過熱器管子壁溫超過650，蒸汽管道壁溫超過600奧氏體耐熱鋼 奧氏體耐熱鋼具有較高的高溫強度和耐腐蝕性能，最高使用溫度可達到700左右。目前應用的有0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、1Cr19Ni9、0Cr18Ni9Ti和1Cr18Ni9Ti等鋼種。 美國TP304H、 TP347H鍋爐管道用鋼新進展（M耐熱鋼、A耐熱鋼）過熱器管子壁溫超過650，蒸汽管道壁溫超過600奧氏體7.1.1 鍋爐管道用鋼及事故分析 事故分析 失效分析長時超溫爆管在高溫長時間作用下,鋼材使用壽命達不到設計要求而提早破壞

7、壁溫一般未達到相變T以上; 無相變 一般發生在高溫過熱器出口段的外圈向火側長時超溫爆管短時超溫爆管材質不良爆管失效分析的思路和方法7.1.1 鍋爐管道用鋼及事故分析 事故分析長時超溫爆管b) 爆口周圍存在縱向開裂的氧化皮 。c) 管子上整個爆破口張開的程度不大破口邊緣的組織：F+K (P球化)F內K明顯聚集長大，并有大量的棒狀K平行排列，有些K（碳化物）在三叉晶界處長大，有蠕變裂紋。a)破口呈粗糙脆性斷口，管壁減薄不多，管子脹粗也不很顯著，爆破口附近往往有較厚的氧化鐵層，邊緣為平整的鈍邊 。宏觀特征微觀特征b) 爆口周圍存在縱向開裂的氧化皮 。c) 管子上整個爆破口短時超溫爆管壁溫一般達到相變

8、T以上；爆破口往往有相變組織 一般發生在水冷壁管，燃燒帶附近 a)管徑有明顯的脹粗/管壁減薄量大；管子的爆破口呈喇叭形，邊緣鋒利 ；破口表面光滑b)爆口附近沒有裂紋,硬度顯著提高 c)爆破口具有韌性斷裂特征 宏觀特征破口的組織：低碳馬氏體微觀特征某鍋爐15CrMo雙面水冷壁管由于啟動方式不當,壁溫超過Ac3而爆管 短時超溫爆管壁溫一般達到相變T以上；爆破口往往有相變組織 20鋼水冷壁管短時超溫爆管的宏觀及微觀組織 20鋼水冷壁管短時超溫爆管的宏觀及微觀組織 材質不良引起爆管錯用鋼材和鋼材內有缺陷引起 有缺陷管子爆破時，爆破口往往是沿缺陷豁開，裂紋較直。爆破口邊緣一般有兩部分，有缺陷的部分邊緣粗

9、糙呈脆性斷面；沒有缺陷的部分則呈韌性斷面。20鋼省煤器管材料缺陷產生的爆管材質不良引起爆管錯用鋼材和鋼材內有缺陷引起 有缺陷管子爆破對流過熱器的水平管段以及水氣流程后部管子的向火側常出現這類F1)蒸汽F(氫脆)蒸汽F苛性脆化煙氣F垢下F應力FF疲勞氫大量積累在金屬管壁與水垢之間,于是在其下面發生了氫F特征：垢下有沿管軸方向的裂紋產生,微裂紋附近脫碳明顯.當F嚴重時,管子表面會出現全脫碳層；金屬變脆.嚴重時管壁未減薄就發生爆管 破口附近顯微組織可觀察到沿晶裂紋20鋼水冷壁管氫脆爆管破口爆口呈窗口狀,沒有塑性變形和脹粗措施：保持管內壁的潔凈,使均勻的保護膜不受破壞；保證給水品質,定期進行鍋內的化學

10、清洗,去除管內壁的沉積物以及穩定工況,防止爐管的局部汽水循環不良和超溫等。腐蝕引起的爆管(腐蝕失效)對流過熱器的水平管段以及水氣流程后部管子的向火側常出現這類F 汽包用鋼要求7.1.2 鍋爐汽包及其它部件用鋼汽包處于中溫(350以下)/高壓狀態下工作，它除承受較高的內壓力以外，還受到沖擊/疲勞載荷/熱應力/水和蒸汽介質的腐蝕作用等 。如果汽包因破裂引起爆炸，則是一場廠毀人亡的災難性事故.根據熱力學計算，一噸重的110 kgf/cm2 (10.8MPa) 壓力下的飽和水爆炸時釋放能量的相當于0.33噸TNT炸藥。 汽包用鋼要求7.1.2 鍋爐汽包及其它部件用鋼汽包處于中屈服強度可從250500M

11、Pa選取較高的常溫和中溫強度汽包制造中要在鋼板表面開管孔和焊接管接頭,易造成應力集中 良好的塑性/韌性和冷彎性能較低的缺口敏感性 良好的冶金質量良好的焊接性 國內外都有在焊縫處產生裂紋的例子，有的還引起了爆炸事故，其中大多為焊接熱影響區近熔合線處的再熱裂紋。要求鋼的分層/非金屬夾雜/氣孔/疏松等缺陷盡可能少；不允許有白點及裂紋。鍋爐汽包的工作條件及對材料的要求屈服強度可從250500MPa選取較高的常溫和中溫強度汽屈服強度350MPa 汽包用鋼7.1.2 鍋爐汽包及其它部件用鋼屈服強度 ReL16Mng應用最廣泛的汽包用鋼取代20鋼后,鋼材可節約20%30%ReL400MPa15MnVg高壓汽

12、包用鋼ReL500MPa14MnMoVg用于厚度60mm的鋼板ReL500MPa的鋼板還有18MnMoNbg14CrMnMoVB （ReL 650一700MPa）屈服強度350MPa 汽包用鋼7.1.2 鍋爐汽包及其它部吹灰器的工作時間很短,但是工作T卻很高。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。吹灰管應能保證使用5年以上,噴頭應保證能用到兩年左右。 吹灰器用鋼A耐熱鋼高鉻不銹鋼低合金耐熱鋼碳鋼和耐熱鑄鐵使用T 450低溫省煤器和低溫空氣預熱器區的吹灰器Cr25Ni 用于燃燒室區，使用T 1000燃燒室吹灰器1Cr18Ni9Ti 用于高溫過熱器區，使用800吹灰器的工作時間

13、很短,但是工作T卻很高。吹灰管應能保證使用5 鍋爐固定零件用鋼7.1.2 鍋爐汽包及其它部件用鋼Cr20Ni14Si2/ Cr25Ni12 :用于爐膛和前部煙道的吊架和夾馬珠光體耐熱鋼；工作T750 我國研制的吊架用耐熱鋼管子夾馬/定位板/吊架/支座等 Cr18Mn9Ni2Si2N(鋼101)高鉻鎳A耐熱鋼；使用T 1000Cr6SiMo用于對流加熱面部分的固定件工作T900 ；不含鎳 Cr18Mn11Si2N(D1)工作T=850 1100；少鎳 鍋爐固定零件用鋼7.1.2 鍋爐汽包及其它部件用鋼Cr27. 2 汽輪機主要零部件用鋼及事故分析7.2.1葉片用鋼及事故分析性能要求葉片在極為復雜

14、的工況下長期工作，工作壽命要求大于10萬h。動葉片：裝在轉子上；動葉片短的只有幾cm，大型末級葉片長達700mm甚至1m 。靜葉片裝在隔板上7. 2 汽輪機主要零部件用鋼及事故分析7.2.1葉片用鋼及第一級的動葉與靜葉所處的T最高；至末級則接近100 例如當末級葉片長度達1m時,其圓周速度已達560m/s以上,所產生的離心力使動葉片承受巨大的扭應力動葉片在工作中承受極為復雜的動應力(彎曲/扭/離心力)和T應力葉片的振動是引起斷裂的重要原因處在濕蒸汽區工作的末級葉片,經受電化學腐蝕 第一級的動葉與靜葉所處的T最高；至末級則接近100 例如當7.2.1葉片用鋼及事故分析性能要求低/中壓葉片工作T4

15、00良好的常溫和高溫力學性能實驗指出,13%鉻鋼具有最高的減振性良好的抗蝕性減振性 良好的工藝性能一定的耐磨性 最后幾級葉片,由于蒸汽中出現水滴,使葉片受水滴的沖刷而產生機械磨損 葉片成型工藝復雜,數量大； 希望材料具有良好的加工性能,利于生產 處在濕蒸汽區工作的末級葉片,用不銹鋼 7.2.1葉片用鋼及事故分析性能要求低/中壓葉片工作T5001Cr13 葉片用鋼鉻不銹鋼用于汽輪機的前幾級,工作T7.2.1葉片用鋼及事故分析事故分析長期疲勞破壞防止措施：消除共振/提高制造質量/改善運行條件腐蝕疲勞損壞應力腐蝕損壞長期疲勞破壞短期疲勞破壞接觸疲勞破壞在低于疲勞強度的應力狀態下,經過較長時間(107

16、次)發生的疲勞損壞又稱高周疲勞發生高周疲勞時,其同時斷裂的葉片較多,斷裂位置相似宏觀斷口平整，斷面呈細瓷狀，具有典型貝殼狀花樣； 微觀斷口形貌為疲勞條紋，條紋間距小。 例如，因葉片或葉片組存在著某種高頻振動而引起共振損壞；葉片表面有缺陷(如夾雜、腐蝕點坑、劃痕等)，使葉片局部區域產生應力集中而提早發生疲勞損壞；由于運行不正常(如低周波運行、超負荷運行、低負荷運行等)，使某些級的葉片應力升高，導致提早破壞。長期疲勞損壞在電廠葉片事故中最為常見。7.2.1葉片用鋼及事故分析事故分析長期疲勞破壞防止措短期疲勞破壞防止措施:消除共振/防止水擊在受到外界較大的應力作用下,經過較短時間(107次)發生的疲

17、勞損壞由于水進入汽輪機內長產生這類破壞,又稱水擊斷裂斷口粗糙，疲勞貝殼紋不明顯，斷面新鮮且具有金屬光澤； 有人字型紋路。斷口周圍常產生宏觀變形； 葉片出汽邊呈波浪形；其微觀特征為韌窩和條紋 。例如，由于運行不正常。疏水系統發生故障，使水進入氣輪機內，葉片遭到水的沖擊而承受較大的應力，隨即很快損壞；或是由于設計不良，安裝不好，存在較大的低頻激振力（如轉子不平衡而產生的振動；隔板結構不佳或安裝不良，存在較大的交變應力；或是噴嘴損壞，使葉片受到不均等），當低頻激振力與葉片的自振頻率相同時就引起共振，會很快導致葉片的斷裂。短期疲勞破壞防止措施:消除共振/防止水擊在受到外界較大的7.2.1葉片用鋼及事故

18、分析接觸疲勞破壞Y在根部因振動而出現往復循環的摩擦,導致產生微動疲勞裂紋特征是在葉根的接觸部位產生黑斑 黑斑處的表面是堅硬的氧化物,里層是形變硬化組織；在黑斑邊緣有微動疲勞裂紋.其方向與微動滑移的方向垂直疲勞斷口往往具有多個裂源.斷裂發生于投產的初期幾百至幾千h內防止措施:消除共振/提高葉根的剛度和安裝質量/防止振動傳遞至葉根/增大葉根的有效接觸面/減少局部應力集中等 7.2.1葉片用鋼及事故分析接觸疲勞破壞Y在根部因振動而出應力腐蝕損壞防止措施:防止對Y焊接時超溫/消除材質內應力/改善蒸汽品質等主要發生在末幾級葉片上,18-8型A不銹鋼和2Cr13鋼制葉片均有發生 其裂紋走向為沿晶型,常出現

19、分叉；其內可見腐蝕坑和沉積物(富Cl)葉片斷口的微觀特征是冰糖塊狀花樣應力腐蝕損壞防止措施:防止對Y焊接時超溫/消除材質內應力7.2.2 汽輪機轉子用鋼及事故分析1)性能要求中壓以下汽輪機葉輪通常是用紅套方式裝在主軸上,圓周線速度很高,承受著巨大的切向/徑向應力,以及由內外緣T梯度造成的熱應力對材料要求轉子由主軸和葉輪組成.主軸為高速旋轉部件,運行中承受很大的離心力和由自重引起的彎曲應力.當電力系統突然短路時,還要承受很大的扭矩和沖擊負荷 過熱蒸汽通過各級葉片時汽溫逐級降低,主軸承受著由T梯度造成的熱應力 以保證有足夠高的強度/沖擊韌性和塑性儲備.縱向和沿整個截面的力學性能應保持最大可能的均勻

20、性 應具有規定的化學成分和高的淬透性材料在最終熱處理后,應具有穩定的組織和低的殘余應力具有良好的抗氧化性能和抗高溫蒸汽腐蝕的能力 良好的焊接性 不得有白點/裂縫或其它超標缺陷存在以免因局部應力增大或產生熱變形而引起機組的振動7.2.2 汽輪機轉子用鋼及事故分析1)性能要求中壓以下汽7.2.2 汽輪機轉子用鋼及事故分析2) 轉子用鋼34CrMo :用于工作T480的汽輪機主軸 17CrMo1V:工作T480的焊接轉子. 一般為中碳鋼和中碳合金鋼功率較大的轉子選用合金鋼 低的碳量以確保焊接性27Cr2Mo1V:工作T540的整鍛轉子和葉輪34CrNi3Mo:工作T400,用于大截面的整鍛轉子和葉輪

21、3)事故分析變形熱套時由于加熱和冷卻不均勻而產生的局部熱應力主軸由于出廠時應力較大,運輸或安裝不當以及運行不良引起斷裂轉子失效時往往造成飛裂/嚴重振動等大型事故 對彎曲變形的可以進行校正7.2.2 汽輪機轉子用鋼及事故分析2) 轉子用鋼34C 特征是軸表面產生裂紋.當以交變彎曲應力為主時,裂紋走向垂直于軸向；而以交變扭轉應力為主時,裂紋走向與軸向呈45交角 Z中的白點或中心孔附近的密集夾雜物是脆性疲勞斷裂的源點.發生脆性P時,裂紋擴展速度快,可導致Z突然飛裂 7.2.2 汽輪機轉子用鋼及事故分析3)事故分析變形斷裂a)高周疲勞裂紋源一般在軸表面的應力集中處,如環形溝槽等部位.軸與葉輪配合面邊緣

22、是疲勞斷裂的起裂部位；是由于軸的微動疲勞所引發的是在較快的起停過程中,氣流對這些部位的急劇加熱或冷卻/運行工況大幅度變化產生的熱應力以及局部區域存在的應力集中所引起b)低周疲勞 例如,軸上的環形深槽處,應力集中系數可達36；是疲勞源敏感區 c)應力腐蝕斷裂 部位一般在套裝葉輪的軸向鍵槽的圓角處；該處富集著NaCl和NaOH等腐蝕性介質.蒸汽過渡區(50120)也是產生應力腐蝕裂紋的區域 d)脆性疲勞 特征是軸表面產生裂紋L的最大應力=初緊應力+最大T附加應力 在機組啟動時,法蘭與L的溫差最大,法蘭T高于L ；由于法蘭的膨脹,會產生T附加應力7. 3 螺栓用鋼及斷裂事故分析7.3.1工作條件及性

23、能要求以下螺栓簡稱L螺栓/螺帽等緊固件廣泛用于汽缸/管道法蘭/閥門等需要緊固連接的部件上,以保證機組在運行中不漏氣處于較高T下的L,在應力松弛的條件下工作,承受著拉伸應力,有時也承受彎曲應力.由于L的失效將造成漏汽/停電等重大事故 材料要求抗松弛性高的材料在同樣的初緊應力下,運行時應力降低較少 高的抗松弛性 L設計壽命為20000h,最小密封應力為150MPa,初應力一般取250300MPa.要求L在大修期內,其剩余應力不低于最小密封應力 初緊應力的降低,不但可以降低對材料屈服強度的要求,也可以減少L發生脆性斷裂的危險 高的屈服強度 在不正常啟動時,以600溫差來計算最大T附加應力,可達100

24、Mpa以上為了保證L的安全運行, L的最大應力35%時,能防止L鋼發生脆性D,一定的抗氧化性能,以防止L與螺帽之間咬死螺紋應光潔/平滑；不應有凹痕/裂口/毛刺等會引起應力集中的缺陷缺口敏感性是指鋼中存在應力集中的缺口時,材料抵抗裂紋擴展的能工作T 570 ；200MW和300MW機組7. 3 螺栓用鋼及斷裂事故分析7.3.2 螺栓用鋼一般屬于中碳鋼和中/低碳合金鋼 25Cr2Mo1V35號優質碳素鋼 工作T 400 ；用于小功率低參數汽輪機和管道35SiMn工作T 430；價格經濟25Cr2MoV工作T 510;目前國內廣泛使用的緊固件材料工作T 540;用于高參數機組35CrMo工作T 48

25、0;長期使用組織比較穩定 20Cr1MoVNbTiB(1號螺栓鋼) 20Cr1Mo1VTiB (2號螺栓鋼)在高溫高壓機組中,國外還采用12%Cr鋼/A鋼甚至鎳基合金如前蘇聯993鋼/美國的C-422鋼/Refractaloy 26合金Inconel X-750等工作T 570 ；7. 3 螺栓用鋼及斷裂事故分析7.7.3.3 斷裂事故分析2)疲勞斷裂 1)脆性斷裂 3)其它斷裂 7.3.3 斷裂事故分析2)疲勞斷裂 1)脆性斷裂 3)其它疲勞裂紋產生于螺栓最大載荷齒根的螺栓的橫截面上. P斷裂區有明顯的放射狀紋路. 疲勞斷面大,最終斷裂區很小;斷面上貝殼紋不明顯 本質是回火脆性.由在長期高溫

26、運行過程中,F中磷等雜質逐漸向原A晶界偏聚.同時,富鉬的M6C碳化物在原A晶界形成引起 微觀特征:原A晶界呈現黑色的網狀,黑色晶界越嚴重則脆性越明顯;熱脆性的裂紋走向往往為沿晶方式.2.5萬機組運行7年后脆斷的L裂紋宏觀特征:斷口粗糙,呈結晶狀,斷裂處無明顯的塑性變形1) 脆性斷裂 主要發生在低合金CrMoV鋼.2)疲勞斷裂 由于機組頻繁啟停會受到低周熱疲勞損傷裝卸時,用氧-乙炔火焰加熱中心孔會使局部孔壁材料產生熱損傷 3)中心孔燒傷 恢復熱處理 對脆性進行重新熱處理,恢復韌性 疲勞裂紋產生于螺栓最大載荷齒根的螺栓的橫截面上. P斷裂區有附錄4 螺栓熱脆斷口顯微組織圖:脆斷的L的顯微組織組織為

27、索氏體+回火貝氏體脆斷裂紋處的顯微組織裂紋沿晶發展晶界有碳化物沉淀附錄4 螺栓熱脆斷口顯微組織圖:脆斷的L的顯微組織組織為索附錄1 水擊斷裂圖:某汽輪機汽缸進水后Y斷口形貌該疲勞斷口粗糙,裂紋發展后期呈貝殼花樣;最終斷裂區在進汽邊,呈塑性剪切斷口 其透射電鏡照片;可觀察到疲勞紋 附錄1 水擊斷裂圖:某汽輪機汽缸進水后Y斷口形貌該疲勞斷附錄2 葉片應力腐蝕斷口示意圖圖:某300MW 機組2Cr11Mo1V鋼制Y運行9872h后斷裂斷口的示意圖 運行期間共起停74次 “圓點”直徑約3.5mm,周圍呈現放射狀花樣,為斷裂的裂源 斷裂過程:由于Y進汽側內弧表面近焊處的F坑和F裂紋及缺陷的應力集中;同時,凝結水侵入,不斷產生沉積F產物并形成暗斑;在外界強應力頻繁作用下,導致應力F; 最終由FP引起脆性斷裂以下腐蝕簡記為”F”腐蝕疲勞疲勞斷裂區靜載斷裂區斯太立合金片附錄2 葉片應力腐蝕斷口示意圖圖:某300MW 機組2Cr附錄3 白點和電蝕白點:在冶煉和澆鑄過程中,氫會進入液態金屬;鑄錠凝固后,氫聚合成氫分子,