常用锅炉钢的化学成分、机械性能和适用范围.doc

第十五章 锅炉受压元件材料及强度计算15-1 锅炉受压元件用钢一. 锅炉受压元件的工作条件及对钢材的要求与普通压力容器相比，锅炉受压元件上常开设大量的管孔并与复杂的管路系统相连，除承受压力外还要受到高温烟气的辐射和冲刷，壁温高，应力状态复杂，工作条件恶劣，因此一般称锅炉为一种受火的压力容器。锅炉受压元件在工作中一旦失效就会造成极其严重的后果，因此用于制造锅炉受压元件的材料必须具有足够高的强度、塑性、韧性以及抗疲劳和抗腐蚀能力，对于高温元件必须具有良好的高温机械性能。另外，受压元件在制造过程中，原材料要经受复杂的加工变形和焊接，因而用于制造锅炉的钢材还必须具有良好工艺性能。所有用于制造受压元件的材料必须符合有关锅炉钢材的国家标准。钢材中的分层、非金属夹杂物、气孔、疏松等缺陷应尽可能少，不允许存在白点和裂纹。二. 受压元件钢材的机械性能锅炉受压元件钢材的机械性能包括强度特性、塑性、韧性特性及疲劳特性等。温度对钢材的机械性能有很大的影响。1. 强度特性我国受压元件强度计算标准主要依据材料在室温（20）时的抗拉强度b和在计算壁温下的屈服强度st来确定材料的基本许用应力，对于高温元件许用应力则取决于钢材的持久强度Dt。持久强度是指在一定的温度下经历指定的工作期限（通常为105小时）后，不引起蠕变破坏的最大应力。“高温”是指材料在此温度条件下承受载荷时会不断发生缓慢塑性变形，这种现象称为蠕变。锅炉低碳钢、低碳锰钢及低碳猛釩钢在350以上就会发生较明显的蠕变现象，而其他热强钢发生蠕变的温度在400以上。图15-1是典型的蠕变曲线。从图中可以看出，蠕变过程包括三个阶段，初始阶段，稳定蠕变阶段和加速蠕变阶段，其中加速阶段所占的时间很短但变形量却很大，在此阶段材料会很快发生断裂。因此对于高温元件应定期进行蠕变变形检测，以判断他们是否接近断裂而必须及时更换。与蠕变相似的另一个现象是应力松弛，它是指元件在高温和保持总变形量不变的情况下（如螺栓紧固件），应力随着时间的延长而自行降低。应力减低的原因是一部分弹性变形不断转化成了塑性变形。图15-1 锅炉钢的蠕变曲线2.塑性特性钢材的塑性大小一般用延伸率5和截面收缩率来表示。材料塑性大小不仅影响其工艺性能而且也关系到元件的强度。塑性好的材料不但容易加工，在制造过程中不易产生微裂纹，而且对于应力集中和热应力的敏感性也较低，在锅炉运行过程中不易发生脆性破坏。此外塑性大小也可表明材料的质量，例如当材料有缺陷（非金属夹杂物、偏析、气孔等）时，5和值就会有所下降。锅炉钢材标准对最低塑性值都做了明确的要求，制造受压元件的板材延伸率5不得低于18%。这些标准必须严格遵守，它是保证锅炉受压元件强度的一个重要基础。3.韧性特性韧性是指材料在断裂破坏前吸收塑性变形能量的能力。冲击韧性是应用较多的一个韧性指标。韧性好的材料不易发生脆性破坏，事实上许多事故都是由脆性破坏引起的，因此对材料的韧性性能应予以高度重视。锅炉低碳钢和低碳锰钢室温时的夏比冲击功不低于27J，并要求时效后的冲击值下降率不大于50%。钢材的常见脆化形式主要有以下几种（1） 冷脆性 钢材在低温下呈现的脆性称为冷脆性。锅炉受压元件的正常工作温度虽然都较高，但在水压实验和启动时还是有可能发生此种脆性破坏的。脆性破坏总与材料内的缺陷和应力集中密切相关，通常通过冲击实验和落锤实验来确定韧脆转变温度。在韧脆转变温度附近，试件的冲击值随着温度的降低迅速下降。由于冲击实验数据的分散性较大，在确定韧脆转变温度时通常还要参考其断口特征。相对而言由落锤实验确定的无塑性温度（NDT）直观反映了材料发生脆性破坏的最高温度，且数据的波动性较小，一般小于5。（2） 热脆性 钢材长时间保持在400500后再冷却至室温，其冲击值有明显下降，这种现象称为热脆性。冲击值的下降幅度一般达50%60%，甚至80%90%。许多材料都有发生热脆性的趋势，具体原因还不十分清楚。因此锅炉在重新启动时要特别小心。（3） 氢脆 由钢材中的氢引起材料的塑性、韧性降低或开裂的现象称为氢脆。氢脆主要是由于氢在钢材内部扩散、聚集以及与应力联合作用产生的。发生氢脆的温度范围一般为-100150。钢材中的氢主要来自于冶炼、焊接及工作环境介质。（4） 苛性脆化 金属材料的局部高应力区与具有一定浓度的NaOH溶液相接触而发生的电化学晶间腐蚀脆化现象。高应力（高于250MPa）、NaOH浓度和一定的温度是发生苛性脆化的主要条件。4.温度对材料机械性能的影响图15-3屈服极限随温度的变化曲线图15-2 抗拉强度tb随温度的变化曲线随着温度的升高各种钢材的屈服极限ts（或0.2）都会单调地降低，但抗拉强度tb会在某一温度时上升到一个高峰值，然后再降低。此高峰温度称为材料的蓝脆温度。在蓝脆温度附近，材料的强度增加，塑性降低。低碳钢的蓝脆温度在200250左右。低合金钢的蓝脆现象没有低碳钢明显，且蓝脆温度更高。钢材的延伸率t和截面收缩率t随温度升高而变化的总趋势是上升的，但在蓝脆温度附存在一个低峰。图15-215-5分别是钢材的机械性能随温度的变化曲线。图15-4 延伸率随温度的变化曲线图15-5 截面收缩率随温度的变化曲线5低周疲劳强度图15-6 ASME低周疲劳设计曲线锅炉主要受压元件在启停和运行过程中不可避免地要发生压力和温度波动，从而使材料产生低周疲劳。低周疲劳的应力循环频率低（低于0.25 Hz），但幅值很大（接近或超过屈服极限），循环次数一般在105以下。工程上通常采用低周疲劳曲线进行低周疲劳分析计算。图15-6是美国ASME提出的钢材低周疲劳曲线，现已被许多国家采用。图中纵坐标为虚拟应力幅，是由应变幅根据虎克定律计算而来的；横坐标为应力循环次数。该疲劳设计曲线是以光滑试件和少数焊接试件的对称弯曲疲劳实验数据为基础进行适当修正而形成的。应力幅的安全裕度为2；循环寿命的安全裕度为20，其中数据分散性因素取2.0；尺寸效应取2.5；表面状和环境因素取4.0。三. 锅炉受压元件常用钢材用于制造锅炉受压元件的常用钢材主要包括低碳钢、低合金结构钢、低合金热强钢、奥氏体不锈耐热钢和马氏体热强钢等。根据型材这些钢又可分为板材和管材。表15-1a列出了常用锅炉钢材的化学成分、机械性能及适用范围。- 15-11 -表15-1a 常用锅炉钢的化学成分、机械性能和适用范围钢的种类钢号标准编号化 学 成 分，%抗拉强度bMPa屈服强度s MPa伸长率5 %冲击功Akv J应变时效冲击功 J适用范围备 注CSiMnVNb(W)MoCrNi(Ti)PS不小于工作压力MPa壁温（）不大于低 碳 钢 板Q235-AGB7000.140.220.300.300.650.0450.0503754601852352126271.0用于压力超过0.1MPa的蒸汽炉时不得与火焰接触随板厚增加机械性能数据下降Q235-BGB7000.120.200.300.300.700.0450.045Q235-CGB7000.180.300.350.800.0400.040Q235-DGB7000.170.300.350.800.0350.03520gGB7130.200.150.300.500.900.0350.035380530185245222627295.9450不受烟气辐射时工作压力不限20RGB66540.220.150.300.350.800.0350.035400530195245222627450应补做时效冲击试验低碳钢管20GB30870.170.240.170.370.350.650.250.250.0350.035410245255.9受热面管子480集箱管道430GB8163流体管工作压力1.0MPa20GGB53100.170.240.170.370.350.650.0300.03041055024535-不限受热面管子480集箱管道430低合金钢板16MngGB7130.200.200.551.201.600.0350.030440655245345182127295.940016MnRGB7130.200.200.601.201.600.0350.035450655265345182127-5.9400应补做时效冲击试验低合金耐热钢管15CrMoGGB51300.120.180.170.370.400.700.400.550.801.100.0300.0304406402352135不限550受热面管子壁温56012Cr1MoVGGB51300.080.150.170.370.400.700.150.300.250.350.901.200.0300.0304706402552135不限565受热面管子壁温58012Cr2MoWVTiBGB51300.080.150.450.750.450.650.280.420.300.55(W)0.500.651.602.100.080.18(Ti)0.0300.0305407353451835不限600元素B含量:0.0020.008%12Cr3MoVSiTiBGB51300.090.150.600.900.500.800.250.351.001.202.503.000.220.38(Ti)0.0300.0306108054401635不限600元素B含量:0.0050.011%奥氏体不锈耐热钢管1Cr18Ni9GB51300.151.002.0017.0019.008.0010.000.0350.03052020535不限650时的持久强度=63MPa700时的持久强度度=40 MPa1Cr19Ni11NbGB51300.040.101.002.00Nb+Ti0.801.0017.0020.009.0013.000.0300.030不限650时的持久强度=82 MPa700时的持久强度度=48 MPa（一） 低碳钢表15-1a所列的低碳钢，根据质量等级分为普通碳素结构钢、优质碳素结构钢和专用锅炉钢。其中Q235AD为普通碳素结构钢，其命名由屈服强度数值、质量等级符号和脱氧方法组成。“Q”为屈服强度汉语拼音的第一个字母，紧跟其后的是屈服强度的数值。质量等级分为A、B、C、D四个等级，从A到D质量等级逐渐提高；20钢为优质碳素结构钢，用平均含碳量的万分数的数字表示，20钢表示含碳量为0.20%(万分之二十)的优质碳素结构钢，优质碳素结构钢所含的有害杂质元素（S，P）及非金属夹杂物较少，塑性、韧性和加工工艺性都非常好；专用锅炉钢是在碳素结构钢的基础上派生出来的，钢号的表示方法与优质碳素结构钢相似，对于板材是在含碳量数值后加注小写汉语拼音字母“g”，20g表示20号专用锅炉钢板；对于管材则在含碳量数值后加注大写汉语拼音字母“G”，20G表示20号专用锅炉钢管。这类钢在化学成分上与同牌号的优质碳素结构钢基本相同，但机械性能要求较严，特别是对冲击韧性有较严格的要求，并要求时效敏感性小。这类钢在冶炼时应进行良好的脱氧和去处非金属夹杂物，组织结构应均匀，晶粒度希望控制在37级，尽量减少夹层、收缩、疏松及气孔等缺陷。20R是20号容器钢板，化学成分与20g很接近，机械性能也相近，当用其制造锅炉受压元件时，应补做应变时效冲击试验。（二） 低合金结构钢低碳钢虽具有优良的塑性、韧性和加工工艺性，但强度却偏低,抗腐蚀能力也不够强。通过在普通低碳钢的基础上，加入少量合金元素，总量3，就可获得高强度、高韧性和良好可焊性与耐腐蚀性的普通低合金结构钢。在这类钢中锰是主加元素，其含量在1%1.6%左右。锰除了能产生较强的固溶强化效应外，还能细化铁素体晶粒，并使珠光体片变细，消除晶界上粗大的片状碳化物，从而提高钢的强度和韧性。除主加元素外，通常还加入少量的钒、铌、钛等辅加元素。这些附加元素能在钢中形成细小碳化物或氮化物，阻碍钢在加热时奥氏体晶粒长大，有利于获得细小的铁素体晶粒，同时还起到析出沉淀强化的作用，从而进一步提高钢的强度和韧性。16Mng钢板在我国中低压锅炉中得到广泛应用，具有良好的综合机械性能、焊接性能、工艺性能及低温冲击韧性。中温及低温机械性能均比低碳钢好，耐腐蚀性也优于低碳钢，但缺口敏感性比低碳钢大，在有缺口存在时，疲劳强度会降低，且易产生裂纹。表中16MnR，是低合金容器钢板，用于制造锅炉受压元件时应补做应变时效冲击试验。表15-1b 19Mn5、19Mn6、BHW35和A299钢的化学成分牌号化 学 成 分（%）CSiMnNiCrMoNbPS19Mn50.170.220.300.601.01.300.030.300.100.0400.04019Mn60.150.220.300.601.01.600.030.250.100.0350.030BHW350.150.100.501.01.600.61.00.20.400.20.400.0050.0200.0250.025A2990.300.150.400.91.500.250.250.080.0350.040我国在大型锅炉上广泛采用19Mn5、19Mn6、BHW35和A299钢，其化学成分见表15-1b。19Mn5、19Mn6是德国生产的碳-锰普通低合金钢，在化学成分上对有害元素硫和磷的控制很严格，实际钢材中硫和磷的质量分数均不超过0.02%，此外在冶炼时采用了真空脱气技术，大大降低了钢中的含气量。该钢具有良好的综合机械性能、焊接性能和工艺性能，表15-1c，中温强度优于16Mng，表15-1d。BHW35（13MnNiMo54）也是德国生产的一种多元素少含量的低合金高强钢。该钢合金元素设计合理，组织稳定，通过多元素的交互作用显著提高了钢的强度，同时又具有良好的综合机械性能，表15-1c、表15-1e。该钢一般在正火加高温回火状态下使用，其组织状态为回火贝氏体加铁素体，故常称为低贝氏体钢。A299是一种碳-锰-硅系列的美国钢种，在化学成分上对有害元素硫和磷的控制也很严格，实际钢材中硫和磷的质量分数均不超过0.015%，低于表15-1b中的标准值，硅、锰的质量分数波动也很小，以保证具有较好的可焊性。该钢也具有良好的综合机械性能、各种冷热加工性能和中温强度，表15-1f。表15-1c 19Mn6、BHW35、SA-299的机械性能牌号s（MPa）b（MPa）5（%）ISO V型缺口冲击功（0）J60100（mm）100125（mm）125150（mm）19Mn6315295295490630203119Mn52892752614906302049BHW353903803755707401831A2992765156551627表15-1d 19Mn5、19Mn6的中温屈服强度温度（）200250300350400450板厚（mm）0.2（MPa）2652452252051721556025023021019016214560100235215195175155135100150表15-1e BHW35的中温屈服强度温度（）100200250300350400板厚（mm）0.2（MPa）380365360350340310100370355350340330305100125360345340330320300125150表15-1f A299的中温屈服强度温度（）290310330350370390试样位置0.2（MPa）216213201215231229219214220219213216表层纵向230228231217221224222221209230203231中层纵向（三） 热强钢用于制造锅炉受压元件的热强钢主要包括低合金热强钢、奥氏体不锈热强钢和马氏体热强钢。热强钢必须同时具有良好的高温抗氧化性和持久强度。抗氧化性主要通过合金化来实现，合金化作用的关键是在钢的表面形成一层完整的、致密的和稳定的氧化物保护膜，最有效的合金化元素是Cr、Si和Al，由于Si和Al含量较多时会使钢材变脆，所以他们只能作辅加元素，一般都以加Cr为主。热强钢的强化机制与室温时有所不同，因为高温变形不但由晶内滑移引起，而且还有扩散和晶界滑动的贡献。扩散能促进位错的运动引起变形，同时扩散本身也能导致变形。高温时晶界强度低于晶体强度，晶粒容易滑动导致变形。因此提高钢的高温强度就应从三个方面着手：固溶强化，沉淀强化（弥散强化）和晶界强化。1. 低合金热强钢12CrMoG是通用的0.5%Cr-0.5%Mo低合金热强钢,通过Cr提高钢的抗氧化性和高温强度，Mo可以提高钢的高温组织稳定性和强度。该钢在480540条件下具有足够的热强性和运行可靠性,长期运行后仍能保持组织稳定和足够高的强度。该钢没有石墨化倾向，也没有热脆性，加工工艺性和焊接性能良好，并具有较高的抗松弛性能。15CrMoG是世界各国广泛应用的珠光体铬钼耐热钢，具有良好工艺性能、焊接性能和较高的高温强度，相当于美国的T11、T12和P11、P12，日本的STBA21、STBA22、STBA23。该钢在500550条件下长期运行时无石墨化倾向，但会发生珠光体球化、合金元素从铁素体向碳化物转移以及碳化物类型转变的现象，由此导致钢的高温性能降低。12Cr1MoVG属于珠光体低合金热强钢。与15CrMoG相比，在钢中加入了少量的V，目的在于拟制钢在高温下长期使用时合金元素向碳化物中转移，从而提高钢的组织稳定性和热强性。该钢主要用于制作壁温不超过570的受热面，壁温550的集箱、蒸汽管道及大型锻件。12Cr2MoWVTiB（钢102）是低碳、低合金贝氏体型热强钢，主要采用Mo、W复合固溶强化，V、Ti复合弥散强化和微量B的强化。B的作用表现为两方面，一方面可以强化晶界，另一方面能够拟制铁素体的转变，以获得单一的贝氏体组织。该钢主要用于壁温600的高压锅炉过热器、再热器和其他高温部件。12Cr3MoVSiTiB（11）也属低碳、低合金贝氏体型热强钢。与12Cr2MoWVTiB相比，该钢具有更高的抗氧化性能，但持久强度不如前者。该钢主要用于制造壁温600的超高压和亚临界锅炉的过热器和再热器。2. 奥氏体不锈热强钢在高温条件下，奥氏体的组织稳定性和强度高于铁素体，具有优良的热化学稳定性和高温强度，最高抗氧化温度可以达到850，同时这些钢还具有优良的焊接性能和加工工艺性能。但其合金元素的质量分额均超过了26%，因而价格昂贵。1Cr19Ni9和0Cr19Ni9(相当于美国的TP304、TP304H和日本的SUS304TB、SUS304TP) 同属奥氏体不锈热强钢，具有优良的加工工艺性和焊接性能，良好的组织稳定性和热强性。该钢的最高使用温度可达650，抗氧化温度最高可达850，用于锅炉管子的允许抗氧化温度为705，可用于制造大型锅炉的过热器、再热器和蒸汽管道等。1Cr19Ni11Nb和0Cr18Ni11Nb（相当于TP347、TP347H、SUS347TB、SUS347TP）是用Nb稳定的奥氏体热强钢，具有较高的热强性和抗晶间腐蚀性能，工艺性和焊接性能良好。主要用于制造大型锅炉的过热器、再热器和蒸汽管道。最高使用温度为650，用于锅炉管子的允许抗氧化温度为7050Cr17Ni12Mo2(相当于TP316、TP316H、SUS316TB、SUS316TP) 是各国通用的奥氏体不锈热强钢。与其他奥氏体热强钢相比，钢中含有2%3%的Mo，使耐腐蚀和耐点腐蚀性显著提高，同时仍具有良好的热强性、冷变形和焊接性能。可用于制造大型锅炉的过热器、再热器和蒸汽管道，高温耐腐蚀螺栓，点腐蚀零件等。3. 马氏体热强钢10Cr9Mo1VNb（相当于T91、P91、1X20CrMoVNb91、火STBA28）是近年来在我国广泛使用的一种马贝氏体型热强钢，由美国ORNL（Oak Ridge National Laboratory）首先开发研制。表15-1g表15-1j分别列出了其化学成分和机械性能。该钢是在9Cr-1Mo（T9、P9）的基础上通过降低含碳量，添加合金元素V和Nb，控制N和Al的含量，使钢不仅具有高的抗氧化性能和抗高温蒸汽腐蚀性能，而且还具有良好的冲击韧性和高而又稳定的持久塑性及热强性。该钢主要用于制造亚临界、超临界锅炉的高温过热器、再热器、高温集箱和蒸汽管道。用于过热器时壁温625，再热器壁温650，集箱和蒸汽管道壁温600，可以替代钢102和部分替代奥氏体不锈热强钢。表15-1g 10Cr9Mo1VNb热强钢的化学成分（%）技术条件GB5310-95（中）SA-213 T91SA-355 P91（美）VallourecT91（法）VallourecP91（法）X20CrMoVNb91（德）C0.080.120.080.120.080.120.080.120.080.12Si0.200.500.200.500.200.400.200.400.200.50Mn0.300.600.300.600.300.500.300.500.300.60P0.0200.0200.0200.0200.020S0.0100.0100.0050.0050.010Ni0.400.400.200.400.40Cr8.009.508.009.508.009.508.009.508.009.50Mo0.851.050.851.050.851.050.851.050.851.05V0.180.250.180.250.180.250.180.250.180.25Nb0.060.100.060.100.060.100.060.100.060