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
目录
5
1 2 3
4
第一节 锅炉主要设备用钢及事故分析 第二节 汽轮机零部件用钢及事故分析 第三节 螺栓用钢及断裂事故分析 第四节 耐磨件及磨损失效分析 金属技术监督
7.1 锅炉主要设备用钢及事故分析
7.1.1 锅炉管道用钢及事故分析
受热面管子
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 。
◇防止措施:消除共振/防止水击
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。
又称高周疲劳
•例如，因叶片或叶片组存在着某种高频振动而引起 共振损坏；叶片表面有缺陷(如夹杂、腐蚀点坑、划 痕等)，使叶片局部区域产生应力集中而提早发生疲 劳损坏；由于运行不正常(如低周波运行、超负荷运 行、低负荷运行等)，使某些级的叶片应力升高，导 致提早破坏。长期疲劳损坏在电厂叶片事故中最为 常见。
☆ 锅炉管道用钢要求
蒸汽管道
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
☆ 锅炉管道用钢要求 ① 足够的高温强度（蠕变强度、持久强度和良好的持久塑性）
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量,若规定允许总应变为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。
20钢省煤器管材料缺陷产生的爆管
④腐蚀引起的爆管(腐蚀失效)
1)蒸汽F(氢脆)
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F
3Fe 4H 2O Fe3O4 4H 2
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蒸生汽,微F 裂纹附近脱碳明显.当F严重时,管子表面会出现全脱碳 层；金属变脆.严重时管壁未减薄就烟发气生F 爆管
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
◇发生高周疲劳时,其同时断裂的叶片较多,断裂位置相似
宏观断口平整，断面呈细瓷状，具有典型贝壳状花样； 微观断口形貌为疲劳条纹，条纹间 距小。
◇防止措施：消除共振/提高制造质量/改善运行条件
②短期疲劳破坏
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 ◇由于水进入汽轮机内长产生这类破坏,又称水击断裂
常用9Cr-1Mo型马氏体耐热钢 美国T9/P9;瑞典HT7;日本STBA26;德国X12CrMo91
☆9Cr-2Mo型马氏体耐热钢 美国T91/P91; 日本火STBA28
日本HCM9M钢
我国10Cr9Mo1VNb钢 特点:微量多元合金化
☆锅炉管道用钢
新进展（M耐热钢、A耐热钢）
⑤过热器管子壁温超过650℃，蒸汽管道壁温超过600℃奥氏体耐热钢
奥氏体耐热钢具有较高的高温强度和耐腐蚀性能，最高使用温度可达到700℃左 右。目前应用的有0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、1Cr19Ni9、0Cr18Ni9Ti和 1Cr18Ni9Ti等钢种。 美国TP304H、 TP347H
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 短时超温爆管 材质不良爆管
7. 2 汽轮机主要零部件用钢及事故分析
7.2.1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
第一级的动叶与静叶所处的T最高；至末级则接近100℃
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
④良好的加工工艺性能，特别是焊接性能
☆锅炉管道用钢许用应力
[ ]
① 对于380℃以下的低碳类钢/锰钢/锰钒钢；420℃以下的低合金钢
[
]
T s
n
在T温度下的屈服强 度
安全系数
或[
]
T b
n
在T温度下的抗 拉强度
② 对于380℃以上的低碳类钢/锰钢/锰钒钢；420℃以上的低合金钢
[
]
T 105
n
在T下断裂时间为105的 持久强度
ReL500MPa的钢板还有18MnMoNbg 14CrMnMoVB （ReL 650一700MPa）
取代20钢后,钢材可节约20%~30%
☆ 吹灰器用钢
吹灰器的工作时间很短,但是工作T却很高。 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。 吹灰管应能保证使用5年以上,喷头应保证能用到两年左右。
☆ 汽包用钢要求
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，则是一场厂毁人亡的灾难性事故.根据热 力学计算，一吨重的110 kgf/cm2 (10.8MPa) 压力下的饱和水爆炸 时释放能量的相当于0.33吨TNT炸药。
Cr20Ni14Si2/ Cr25Ni12 :用于炉膛和前部烟道的吊架和夹马 高铬镍A耐热钢；使用T 1000℃
Cr6SiMo 用于对流加热面部分的固定件
珠光体耐热钢；工作T<750 ℃
我国研制的吊架用耐热钢
◇ Cr18Mn11Si2N(D1) ◇ Cr18Mn9Ni2Si2N(钢101)
工作T<900 ℃；不含镍 工作T=850 ~1100℃；少镍
c) 管子上整个爆破口张开的程度不大
微观特征
◇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。
②短时超温爆管
壁温一般达到相变T以上；爆破口往往有相变组织 一般发生在水冷壁管，燃烧带附近 宏观特征 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 ；破口表面光滑 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
⑤良好的冶金质量
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。
7.1.2 锅炉汽包及其它部件用钢
☆ 汽包用钢
屈服强度 ReL
①16Mng ②15MnVg
屈服强度350MPa ReL400MPa
应用最广泛的汽包用钢 高压汽包用钢
③14MnMoVg
ReL500MPa
用于厚度>60mm的钢板
黑斑处的表面是坚硬的氧化物,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
④应力腐蚀损坏
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－)
☆锅炉管道用钢
按照工作温度： ①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
②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 15CrMo钢；组织F+P；长期运行发生球化 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及固镕体中合 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。
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)。 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3～5%，良好的持久塑 性能防止材料产生蠕变脆性破坏 。
② 高的抗氧化性能和耐腐蚀性。 对于锅炉管道要求在工作T下氧化深度小于0.1mm/y.
③良好的组织稳定性 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
微观特征 ◇破口的组织：低碳马氏体
某锅炉15CrMo双面水冷壁管由于启动方式不 当,壁温超过Ac3而爆管
20钢水冷壁管短时超温爆管的宏观及微观组织
③材质不良引起爆管 错用钢材和钢材内有缺陷引起
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部分 ，有缺陷的部分边缘粗糙呈脆性断面；没有 缺陷的部分则呈韧性断面。
◇爆口呈窗口状,没有塑性变形和垢胀下粗F ◇破口附近显微组织可观察到沿苛应晶性力裂脆F纹化
F疲劳 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 。
20钢水冷壁管氢脆爆管破口
7.1.2 锅炉汽包及其它部件用钢
①铬不锈钢
1Cr13 用于汽轮机的前几级,工作T~480℃ 2Cr13 用于汽轮机的后几级,工作T~450℃
②强化型不锈钢
如Cr11MoV, Cr12WMoV, Cr12WNbVB等
用于大型机组,工作T>500℃
7.2.1叶片用钢及事故分析
☆事故分析
①长期疲劳破坏
长期疲劳破坏 短期疲劳破坏 接触疲劳破坏 应力腐蚀损坏 腐蚀疲劳损坏
②良好的抗蚀性
处在湿蒸汽区工作的末级叶片,用不锈钢
③减振性
实验指出,13%铬钢具有最高的减振性
④一定的耐磨性
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