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锅炉主要受压元件 金属材料,一锅炉金属材料性能,1）常规性能 锅炉常用金属材料的常规力学性能主要有以下几种： 弹性极限：e 强度：s和b 塑性： 冲击韧性,硬度：就是金属材料的软硬程度，一般有洛氏硬度（HRC）、布氏硬度(HB)、维氏硬度(HV)和肖氏硬度(HS)等几种试验方法。各种硬度值可相互转换。 另，硬度与强度之间有一定的关系；对低碳钢b=0.36HB，高碳钢b=0.34HB，对调质合金钢b=0.325HB,2）锅炉用钢的特殊性能： 锅炉常用金属材料在室温和高温下的特殊性质有以下几种： 断裂韧性KIC 断口形态脆性转变温度FATT 脆性转变温度NDT 疲劳（腐蚀疲劳和热疲劳） 蠕变及蠕变强度 持久强度,抗氧化性 热脆性,二锅炉受压元件材料的运行环境及对材料的要求,用于制造锅炉的金属材料有如下种类：锅炉用钢板、锅炉用钢管、锅炉用锻件及圆钢；其它还有铸钢件、铸铁件、紧固零件及焊接材料等。,锅炉规程对受压元件的要求：,制造锅炉受压元件的金属材料必须是镇静钢。对于板材，其20时的伸长率5应不低于18%；对于碳钢和碳锰钢，其室温时的夏比（V形缺口试样）冲击吸收功不低于27J。,三 汽包用钢及其要求,部件的特点：,主要用于制造重要的受压部件，即压力容器筒体如汽包，一般由钢板卷成两个半圆或圆筒，两头加上封头焊接而成。汽包处于中温（350以下）、高压状态下工作，它除了受较高的内压力外，还受到冲击、疲劳载荷、热应力、水和蒸汽介质的腐蚀作用。其运行时装有大量的有压力的饱和汽水，如果因其破裂而发生爆炸，则会发生厂毁人亡的灾难性事故。所以汽包是极其重要的，它的安全运行与许多因素有关，但材料的性能却是最重要的因素之一。在制造汽包过程中，钢板要经过各种冷热加工工序，如下料、卷板、焊接和热处理等，且汽包所处的温度是饱和蒸汽的温度，因而对汽包钢板有下列要求。,对汽包板材的要求,较高的强度（包括室温和中温强度），屈服强度和抗拉强度是设计决定许用应力的依据； 高压锅炉汽包一般采用400MPa以上强度级别的钢种； 良好的塑性和冷弯性能（下料和卷板等工艺的要求，加工时不易出现裂纹）；,室温冲击韧性和时效冲击韧性（因其运行温度正好处于时效过程进行得较为强烈的温度范围）； 较低的缺口敏感性，在锅炉制造中要在钢板表面开管孔和焊接管接头，造成应力集中； 良好的焊接性能（要求低的含碳量，以防止产生焊接裂纹和应力集中），良好的冶金质量（要求S和P等杂质和气体含量尽量低、较好的低倍组织，要求钢的分层、非金属夹杂、气孔、疏松等缺陷尽可能少，不得有白点和裂纹）。,汽包用钢对照表,2. 常用的锅炉汽包板材,1）20g钢板:(Q245R ),是锅炉上最常用的碳钢板。它有适当的强度和良好的塑性，还有良好的冶炼、制板、焊接、热处理和冷热成型等工艺性能。它的用途极广泛，主要用于工作温度450的中低压锅炉做锅筒及法兰、集箱端盖等件，但在大型锅炉中用量较少，主要用在压力较低的部位。国外相近牌号有德国的H、日本的SB42。其化学成分C0.2，Si0.15-0.30，Mn0.50-0.90，S0.035，P0.035；热轧或热处理后的强度水平s185-245，b380-530 MPa；塑性22-26。,20g钢板的加工工艺,冷作工艺：公司常用40、46、60；均冷卷冷校。 焊接工艺： SMAW： E5015，AWS E7015 SAW：HO8MnA+HJ431,2）19Mn6（P355GH、19Mng）钢板：,是DIN17155标准中的钢号，其是在以前的19Mn5的基础上调整了Mn含量，并将一些强化元素控制在较低的水平，以保持力学性能与19Mn5相同，是C-Mn细晶粒低合金钢，其在EN10028中的牌号为P355GH。该钢具有良好的综合力学性能，其在500以下的高温力学性能优于碳钢；还具有良好的可焊性以及冷热加工等工艺性能。它主要用于代替22g和16Mng制造高压锅炉的锅筒和封头，相近牌号有中国的GB713中的19Mng、16Mng、美国的SA299、日本的SB49。其化学成分C0.15-0.22，Si0.30-0.60，Mn1.00-1.60，S0.030，P0.035，Al0.020，其余有少量限制了上限的合金元素；正回火态下强度水平s300-310，b510-610 MPa；塑性20。,19Mn6钢板的加工工艺,冷作工艺：公司常用100 、90 ，均冷卷冷校。 焊接工艺： 冷卷冷校时 SMAW： E5015，AWS E7015-A1 SAW：HO8MnMoA+HJ330 热卷热校时 SMAW： E5015，AWS E7015-D2 SAW：H08Mn2MoA+HJ330,3）SA299（22Mng）钢板：,是ASME规范中的成熟钢号，为一种成分简单的碳-锰-硅钢，其化学成分和强度级别类似于我国的16Mng和德国的19Mn6，但含碳量更高。常温屈服强度不低于275MPa。该钢的力学性能稳定并有良好的塑性、断裂韧性和抗疲劳裂纹扩展的性能，缺口效应不敏感，钢板厚度方向力学性能也较为均匀。它有良好的冶炼、制板、焊接和成型工艺性能。它主要用于制造工作温度不高于400的高压以上锅炉的汽包、下降管、弯头和下环形集箱。相近牌号有中国的GB713中的22Mng。目前公司要求按ASME规范制造的锅炉，大量选用此钢制造汽包部件。其化学成分C0.28-0.30，Si0.13-0.45，Mn0.90-1.40，S0.040，P0.035，其余有少量限制了上限的合金元素；正火态（或轧态）下强度水平s275-290，b515-655 MPa；塑性20。,SA299钢板的加工工艺,冷作工艺：板厚小于100，均冷卷冷校。 板厚大于100，均热卷热校 焊接工艺： 冷卷冷校时 SMAW： E5015，AWS E7015-A1 SAW：HO8MnMoA+SJ101 热卷热校时 SMAW： E7015-D2 SAW：H10Mn2NiMoA+SJ101,4）BHW35钢板：,BHW35为德国梯森钢厂的钢号，是德国六十年代研制成功的可焊贝氏体型耐热结构钢；其在EN10028中的牌号为13MnNiMo54；我国将其移植到GB713，牌号为13MnNiCrMoNb。它是一种添加有镍、铬、钼和微量铌（铌起细化晶粒并强化的作用）的细晶粒低合金钢。该钢有较好的综合力学性能，有较高的高温屈服点和对裂纹不敏感的特性，良好的焊接性能和工艺性能。适用于工作温度不超过400的各种焊接件，如锅筒、压力容器等构件。我厂主要用其制造200MW、150MW超高压的锅炉汽包。其化学成分C0.15，Si0.10-0.50，Mn1.00-1.60，S0.025，P0.025，Cr0.20-0.40，Ni0.60-1.00，Mo0.20-0.40，Nb0.005-0.022；正回火态下强度水平s380-390，b570-740 MPa；塑性18。在七十年代初我国锅炉制造行业就引入了该钢，由于有优良的力学性能、良好的焊接及工艺性能，得到了各大锅炉厂的重视和应用，并对BHW35和SA299钢板的性能进行了对比，对300 MW采用BHW35可使锅炉汽包壁厚减小1/4（从203mm降为145mm），经制造和运输带来极大好处。,DIWA353 BHW35钢板的加工工艺,卷板工艺：因目前公司卷板机能力的限制， 板厚90100，均热卷热校 焊接工艺： 冷卷冷校时 SMAW： E5015，AWS E7015-A1 SAW：H10Mn2MoA+SJ101 热卷热校时 SMAW： E7015-D2（正火后用J607） SAW：H10Mn2NiMoA+SJ101,DIWA373 WB36,WB36又称为15NiCuNb5又称为DIWA373。 化学成分： 0.12% C, 0.37% Si, 0.97% Mn, 0.007% P, 0.013% S, 0.27% Cr, 0.33% Mo, 1.12% Ni, 0.53% Cu, 0.030% Nb. WB36这个钢号为德国牌号， WB36钢是在C-Mn钢基础上添加Ni、Cu、Mo及Nb微合金化的钢.焊前预热150200,焊后进行200250的紧急后热,并采用530590的焊后热处理制度. 正火温度：880980，正火升温速度必须大于450 回火温度：580680 焊后除应力热处理温度：530590 焊接材料为H08Mn2Mo / E6015-D1 预热温度：M-GTAW 100 SMAW 150 M-GTAW I=90-140A， U=11-14V SMAW 4mm I=160-190A U=23-27V 5mm I=200-220A U=24-28V,DIWA373 WB36,由于WB36与BHW35两种钢板的中温和常温力学性能的差异，对于使用温度在350370的亚临界锅炉锅筒， WB36钢板在同等条件下明显优于BHW35。钢板厚度可由BHW35的145降到WB36的125。国外大多数著名锅炉制造企业也已采用DIWA373 WB36钢板制造锅炉锅筒筒身。,四受热面管用钢,1.使用环境,锅炉钢管主要包括锅炉受热面管子如过热器、再热器、水冷壁管和蒸汽管道如集箱等。这些管子均在高温下承受内压条件下工作。锅炉受热面钢管在运行时，外部还受到高温烟气的作用。作为受压元件的锅炉钢管，它所受到的介质压力包括运行时的稳定不变的压力、启动停机或负荷波动时的变化压力等；除承受介质压力外，其还受到附加载荷如钢管自重、介质重量以及支撑等引起的应力，此外锅炉管还受到因壁厚温差产生的热应力及负荷波动时产生的周期性热应力。上面的各种载荷与高温及腐蚀介质同时作用于锅炉管上，使钢管经受复杂的载荷及环境工况。,2.性能要求,良好的综合力学性能 足够的持久强度 高的抗氧化性，良好的组织稳定性，良好的热加工工艺性（特别是可焊性）。,常用牌号,按国家标准GB5310-1995高压锅炉用无缝钢管，共有14种：20G、20MnG、25 MnG，15MoG、20MoG、12CrMoG、15CrMoG、12Cr2MoG、12Cr1MoVG、12Cr2MoWVTiB、12Cr3MoVSiTiB，10Cr9Mo1VNb， 1Cr18Ni9和1Cr19Ni11Nb等；,3. 常用的锅炉管材,1）20G：,（国外对应牌号：德国的st45.8、日本的STB42、美国的SA106B），为最常用的锅炉钢管用钢，化学成分和力学性能与20板材基本相同。该钢有一定的常温和中高温强度，含碳量较低，有较佳的塑性和韧性，其冷热成型和焊接性能良好。其主要用于制造高压和更高参数的锅炉管件，低温段的过热器、再热器，省煤器及水冷壁等；如小口径管做壁温500的受热面管子、以及水冷壁管、省煤器管等，大口径管做壁温450的蒸汽管道、集箱（省煤器、水冷壁、低温过热器和再热器联箱），介质温度450的管路附件等。由于碳钢在450以上长期运行将产生石墨化，因此作为受热面管子的长期最高使用温度最好限制到450以下。该钢在这一温度范围，其强度能满足过热器和蒸汽管道的要求、且具有良好的抗氧化性能，塑性韧性、焊接性能等冷热加工性能均很好，应用较广。,2）SA-210C（25MnG）：,是ASME SA-210标准中的钢号，是锅炉和过热器用碳锰钢小口径管，珠光体型热强钢。我国于1995年将其移植到GB5310，定名为25MnG。其化学成分简单，除碳、锰含量较高外，其余与20G相近，故其屈服强度较20G高约20%左右，而塑、韧性则与20G相当。该钢的生产工艺简单，冷热加工性能好。用其代替20G，可以减薄壁厚，降低材料用量，还可以改善锅炉的传热状况。其使用部位和使用温度与20G基本相同，主要用于工作温度低于500的水冷壁、省煤器、低温过热器等部件。为保证焊接性能，订货时对碳含量进行限制0.30，相应地对锰含量提高。使用中工艺性能不比20G差。,3）SA-106（B）C：,是ASME SA-106标准中的钢号，是高温用大口径锅炉和过热器用碳-锰钢管。其化学成分简单、与20G碳钢类似，但碳、锰含量较高，故其屈服强度较20G高约12%左右，而塑、韧性也并不差。该钢的生产工艺简单，冷热加工性能好。用其代替20G制造集箱（省煤器、水冷壁、低温过热器和再热器联箱），可以减薄壁厚约10%，既可节约材料费用，又可减少焊接工作量，并改善联箱启动时的应力差。,4）15CrMoG：,（对应的是世界各国广泛应用的1Cr-1/2Mo和1/4Cr-1/2Mo-Si型钢），其铬含量较12CrMo钢高，因此在500-550具有较高的热强性。当温度超过550时，其热强性显著降低，当其在500-550长期运行时，不产生石墨化，但会产生碳化物球化及合金元素的再分配，这些均导致钢的热强性降低，钢在450时抗松驰性能好。其制管和焊接等工艺性能良好。主要用作为蒸汽参数550以下的高、中压蒸汽导管和联箱、管壁温度560以下的过热器管等。其化学成分C0.12-0.18，Si0.17-0.37，Mn0.40-0.70，S0.030，P0.030，Cr0.80-1.10，Mo0.40-0.55；正回火态下强度水平s235，b440-640 MPa；塑性21。,5）T22（P22）：,T22（P22）是ASME SA213（SA335）规范材料，我国GB5310-95将其列入。在Cr-Mo钢系列中，它的热强性能比较高，同一温度下的持久强度和许用应力甚至于比9Cr-1Mo钢还要高，因此其在国外火电、核电和压力容器上都得到广泛的应用。但其技术经济性不如我国的12Cr1MoV，因此在国内的火电锅炉制造中用得较少。只是在用户要求时才给予采用（特别是按ASME规范设计制造时）。该钢对热处理不敏感，有较高的持久塑性和良好的焊接性能。T22小口径管主要用作为金属壁温580以下的过热器和再热器等受热面管等，P22大口径管则主要用于金属壁温在不超过565的过热器/再热器联箱和主蒸汽管道。其化学成分C0.15，Si0.50，Mn0.30-0.60，S0.025，P0.025，Cr1.90-2.60，Mo0.87-1.13；正回火态下强度水平s280，b450-600 MPa；塑性20。,6）12Cr1MoVG：,是GB5310-95的纳标钢，是国内高压、超高压、亚临界电站锅炉过热器、集箱和主蒸汽导管广泛采用的钢种。化学成分和力学性能与12Cr1MoV板材基本相同。其化学成分简单，总合金含量在2%以下，为低碳、低合金的珠光体型热强钢。其中的钒能与碳形成稳定的碳化物VC，可使钢中的铬与钼优先固溶存在于铁素体中，并减慢了铬和钼从铁素体到碳化物的转移速度，使钢在高温下更为稳定。此钢中的合金元素总量只有国外广泛使用的2.25Cr-1Mo钢的一半，但在580、10万h的持久强度比后者却高40%；而且其生产工艺简单，焊接性能良好，只要严格热处理工艺，就能得到满意的综合性能和热强性能。电站实际运行表明：12Cr1MoV主蒸汽管道在540安全运行10万h后，仍可继续使用。其大口径管主要用作蒸汽参数565以下的集箱、主蒸汽导管等，小口径管用于金属壁温580以下的锅炉受热面管等。,7）12Cr2MoWVTiB（G102）：,是GB5310-95中的钢号，为我国60年代自行开发、研制的低碳、低合金（多元少量）的贝氏体型热强钢，其最高使用温度可达620。电站实际运行表明：长期运行后钢管的组织和性能变化不大。主要用作金属温度620的超高参数锅炉过热器管、再热器管。其化学成分C0.08-0.15，Si0.45-0.75，Mn0.45-0.65，S0.030，P0.030，Cr1.60-2.10，Mo0.50-0.65，V0.28-0.42，Ti0.08-0.18，W0.30-0.55，B0.002-0.008；正回火态下强度水平s345，b540-735 MPa；塑性18。但焊接性较差，目前已不采用。,8）SA-213T91（335P91）：,是ASME SA-213（335）标准中的钢号。是由美国橡胶岭国家试验室研制开发的、用于核电（也可用于其它方面）高温受压部件的材料，其为ASME SA-213列标钢号，我国于1995年将该钢移植到GB5310标准中，牌号定为10Cr9Mo1VNb；而国际标准ISO/DIS9329-2列为X10 CrMoVNb9-1。,因其含铬量（9%）较高，其抗氧化、抗腐蚀性能、高温强度及非石墨化倾向均优于低合金钢，元素钼（1%）主要提高高温强度，并抑制铬钢的热脆倾向；与T9相比，改善了焊接性能和热疲劳性能、其在600的持久强度是后者的三倍，且保持了T9（9Cr-1Mo）钢的优良的抗高温腐蚀性能；与奥氏体不锈钢相比，膨胀系数小、热传导性能好、并有较高的持久强度（如与TP304奥氏体钢比，等到强温度为625，等应力温度为607）。故其具有较好的综合力学性能、且时效前后的组织和性能稳定，具有良好的焊接性能和工艺性能，较高的持久强度及抗氧化性。主要用于锅炉中金属温度650的过热器和再热器。其化学成分C0.08-0.12，Si0.20-0.50，Mn0.30-0.60，S0.010，P0.020，Cr8.00-9.50，Mo0.85-1.05，V0.18-0.25，Al0.04，Nb0.06-0.10，N0.03-0.07；正回火态下强度水平s415，b585 MPa；塑性20。,9）T23（HCM2S）：,是在T22的基础上，将碳含量从0.08-0.15%降低至0.04-0.10%、Mo量从0.50-0.65%降低至0.05-0.30%、提高W量从0.30-0.55%至1.45-1.75%，并形成以W为主的W-Mo的复合固溶强化，加入微量Nb和N形成碳氮化物（主要为VC、VN，M23C6和M7C3）弥散沉淀强化，而研制成功的低碳低合金贝氏体型耐热钢。,T23（HCM2S）钢时效前后的力学性能和金相组织差异小；焊接性能好，由于降低了含碳量，可不需要预热和焊后热处理 。 T23（HCM2S）钢管性能良好，其最高使用温度为600，最佳使用温度为550。可用于制造大型电站锅炉金属壁温不超过600的过热器和再热器、膜式水冷壁。在焊前不预热焊后不热处理的条件下（壁厚8mm），焊后焊缝和热影响区的硬度均低于360HV10。是蒸汽温度620以下锅炉水冷壁的最佳用钢。,10）T92（NF616）：,T92与T91一样，具有比奥氏体钢更为优良的热膨胀系数和导热系数，其具有极好的持久强度、高的许用应力、良好的韧性和可焊性。其持久强度许用应力较T91更高，在650的持久强度许用应力为T91的1.6倍；且具有较好的抗蒸汽氧化性能和焊接性能，与T91基本相同。,T92钢管性能优良，使用温度可达650。可部分替代TP304H和TP347H奥氏体不锈钢管，制造金属壁温不超过650的亚临界、超临界乃至超超临界的电站锅炉的高温过热器和再热器管等受压部件，避免或减少异种钢接头，改善钢管的运行性能。其同样也可用作为压力容器和核电高温受压件用钢。该钢作为将来、现有锅炉的最高温度区以及超临界压力锅炉管子用钢，将能得到广泛应用。,13）T122（HCM12A）：,是日本住友金属株式会社以德国X20CrMoV121为基研制的HCM12（HCM12中，降低了X20CrMoV121的碳含量）从而研制而成的12%Cr的低碳合金耐热钢。由ASME Code Case 2180-2批准，牌号定为T122。 与T91相比，其在高温650时的持久强度许用应力、抗氧化性能和抗腐蚀性能更优；与奥氏体不锈钢相比，奥氏体不锈钢在高温下的持久强度许用应力和抗氧化性能虽优于HCM12A，但奥氏体钢的应力腐蚀或晶间腐蚀却是一个难题。用HCM12A无此类问题。,T122（HCM12A）钢管性能优良。该钢的最高使用温度为650。完全可用于制造先进的超临界锅炉机组的材料，可用于制造大型电站锅炉金属壁温不超过650的过热器和再热器。该钢在600-650的锅炉过热器和再热器上可部分代替TP304H和TP347H，具有良好的经济价值。,14）TP304H：,是ASME SA-213标准中的成熟钢种，为含有较多的Cr和Ni奥氏体不锈钢；我国GB5310-95中的1Cr18Ni9与该钢类似。该钢具有良好的组织稳定性，较高的持久强度、抗氧化性能、同时具有良好的弯管和焊接工艺性能等加工性能。但对晶间腐蚀和应力腐蚀较为敏感；且由于合金元素较多，容易产生加工硬化，使切削加工较难进行；其热膨胀系数高，导热性差。主要用于制造亚临界、超临界压力参数的大型发电锅炉的高温过热器、高温再热器、屏式过热器的高温段以及各种耐高温高压的管件等部件；但由于具有奥氏体钢所具有的缺点，TP304H钢用于承压部件上时，有可能在某种程度上，被T92和HCM12A部分替代。,15）TP347H：,也是ASME SA-213中的钢号，为铬镍铌奥氏体不锈钢；我国GB5310-95将该钢列入其中，牌号为1Cr19Ni11Nb，此钢也为成熟钢种。由于该钢是用铌稳定的奥氏体钢，故