熱力發(fā)電廠鍋爐常用材料分析

【摘 要】隨著節(jié)能、環(huán)保要求的日益提高，熱力發(fā)電廠鍋爐的材料向著高性能方向發(fā)展。本文對熱力發(fā)電廠鍋爐目前常用材料進行探討分析，為選用合適的材料和研發(fā)新材料提供參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】熱力發(fā)電廠 鍋爐 材料

【Abstract】As require of energy sources economy is advanced progressively， material for thermal power plant boiler is approached to high capability. This article analyses normal material for thermal power plant boiler at present， as a reference for selecting appropriate material and new material investigating.

【Key Word】Thermal power plant Boiler Material

一、概述

由于節(jié)能、環(huán)保的需求，熱力發(fā)電廠鍋爐日益向高參數(shù)、高容量方向發(fā)展，鍋爐常用材料也需要向高性能方向發(fā)展。

因此，我們有必要對熱力發(fā)電廠鍋爐目前常用材料進行分析，以便選用合適的材料，以及研發(fā)新材料以適應(yīng)其發(fā)展需要。

二、 鍋爐主要部件常用材料牌號及其標準

1. 管道材料標準

1.1 國家標準（GB5310）

（1）碳素鋼：20G，20MnG，25MnG。

（2）合金鋼：15CrMoG，12Cr1MoVG，12Cr2MoG，07Cr2MoW2VNbB，10Cr9Mo1VNbN，10Cr9MoW2VNbBN。

（3）不銹鋼：07Cr19Ni10，10Cr18Ni9NbCu3BN，07Cr25Ni21NbN，07Cr18Ni11Nb，08Cr18Ni11NbFG。

1.2 美國標準（AMSE）

（1） 碳鋼：SA106B，SA106C，SA210C。

（2）合金鋼：SA213系列-T2，T11，T12，T22，T23，T91，T92；SA335系列-P11，P12，P22，P23，P91，P92。

（3）不銹鋼：SA213系列-TP304H，TP347H，TP347HFG，TP310HCbN（HR3C）；S30432（SUPER304H）。

1.3 歐洲標準（EN10216）

（1）碳鋼：P235GH。

（2）合金鋼：10CrMo9-10，X10CrMoVNb9-1。

（3）不銹鋼：X7CrNiNb18-10。

2. 鋼板材料標準

2.1 國家標準（GB713）

（1） 碳素鋼：Q345R。

（2） 合金鋼：13MnNiMoR，15CrMoR，12Cr1MoVR。

2.2 美國標準（AMSE）

（1）壓力容器用碳錳硅鋼板：SA299。

（2）壓力容器用錳鉬和錳鉬鎳合金鋼板：SA302。

（3）壓力容器用鉻-鉬合金鋼板：SA387。

（4）中高溫壓力容器用碳鋼板：SA515。

（5）中低溫壓力容器用碳鋼板：SA516。

2.3 歐洲標準（EN10028）

（1）P355GH。

（2）13MnNiMoNb（BHW35）。

三、鍋爐汽水部分管道系統(tǒng)常用材料

1. 水冷壁

水冷壁是鍋爐的水汽轉(zhuǎn)變受熱面，即循環(huán)水在水冷壁中由液態(tài)變成氣態(tài)水蒸汽。下表列出了從10萬千瓦的電廠到超（超）臨界壓力電廠所用水冷壁材料的變化情況。

2. 過熱器

過熱器是把鍋爐蒸汽加熱到額定過熱溫度的受熱面。下表列出了從10萬千瓦的電廠到超（超）臨界壓力電廠所用過熱器材料的變化情況。

3. 再熱器

再熱器是對經(jīng)汽輪機高壓缸做功后的過熱蒸汽再次加熱到額定溫度的受熱面。下表列出了從10萬千瓦的電廠到超（超）臨界壓力電廠所用再熱器材料的變化情況。

4. 省煤器

省煤器是對鍋爐給水進行預(yù)熱的受熱面。下表列出了從10萬千瓦的電廠到超（超）臨界壓力電廠所用省煤器材料的變化情況。

5. 集箱和蒸汽管道

集箱是受熱面管與蒸汽管道的過渡部件，而蒸汽管道顧名思義則是蒸汽的傳輸管，均采用大口徑或中口徑管制造。下表列出了從10萬千瓦的電廠到超（超）臨界壓力電廠所用集箱和蒸汽管道材料的變化情況。

四、鍋爐高溫工況及材料的性能要求

五、 鍋爐常見金屬事故特征分析

鍋爐受熱面管子是在高溫、應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)作用下長期工作的，當管子鋼材承受不了其工作負荷時，就會發(fā)生不同形式的損壞事故。

火電廠鍋爐受熱面管子的常見事故主要有以下幾種類型：

1. 長時超溫爆管

管子在高溫下運行時所受的應(yīng)力主要是由過熱蒸汽內(nèi)壓力造成的對管子的切向應(yīng)力，在這種應(yīng)力下，管徑發(fā)生脹粗；長時超溫的管子鋼由于原子擴散加劇，導(dǎo)致其組織變化，使蠕變速度相應(yīng)加快，持久強度降低；因而管子達不到設(shè)計壽命就提前破壞。

（1）其宏觀特征為：呈粗糙不平整的脆性斷口、無明顯塑性變形、管壁減薄不多、管徑脹粗不明顯、破口較小、邊緣粗鈍、外形呈狹長菱形；破口附近管子內(nèi)外壁有較厚的氧化皮；破口附近管子外壁有較多縱生（平等于破口）的短小蠕變裂紋或應(yīng)力腐蝕裂紋；向火側(cè)的管壁減薄程度較背火側(cè)的要多一些。

（2）其顯微特征為：組織為鐵素體加碳化物。出現(xiàn)珠光體球化、石墨化、碳化物析出并聚集長大等組織變化，一般向火側(cè)較為嚴重；有明顯的蠕變裂紋，裂紋內(nèi)部有較厚的氧化層。

（3）其力學性能特點：爆管破口處附近材料的強度、硬度較同類新鋼管顯著降低；向火側(cè)的強度和硬度較背火側(cè)更低。

2. 短時超溫爆管

鍋爐受熱面管子在運行中冷卻條件惡化、干燒，使管壁溫度短期內(nèi)突然上升，達到鋼的臨界點AC1以上，其抗拉強度急劇下降，管子應(yīng)力超過屈服極限，產(chǎn)生塑性變形、管徑脹大、管壁減薄，產(chǎn)生剪切斷裂而爆管的現(xiàn)象。

（1）其常見宏觀特征為：產(chǎn)生較大塑性變形、管壁減薄較多、脹粗明顯、爆破口較大（呈尖銳喇叭形）、邊緣薄而鋒利；破口附近管子內(nèi)外壁的氧化皮較薄，有時沒有，無明顯腐蝕跡象。在水冷壁管的短期過熱爆管破口內(nèi)壁由于爆管時管內(nèi)汽水混合物急速沖擊，而顯得十分光潔。且短期過熱爆管的管子外壁一般呈藍黑色，破口附近沒有眾多的平等于破口的縱向裂紋。

（2）其顯微特征為：有相變發(fā)生，能觀察到不同程度的相變組織，如淬火或回火組織：低碳馬氏體、屈氏體、貝氏體以及被拉長的珠光體和鐵素體；有時有一定程度的珠光體球化現(xiàn)象。

（3）力學性能特征：視超溫溫度是否超過AC1或AC3，若是，則破口周圍的管材硬度較原始管材的更高。

3. 材質(zhì)不良引起的爆管

材質(zhì)不良的爆管是指錯用鋼材或錯用了有缺陷的鋼材造成管子提早破壞。

4. 腐蝕性熱疲勞裂紋損壞

鍋爐受熱面管子的汽水分層、省煤器管汽塞、過熱器帶水、減溫減壓閥門間隙性開啟等，都有會引起溫度波動，造成交變熱應(yīng)力，產(chǎn)生熱疲勞裂紋。在腐蝕介質(zhì)作用之下，這些管子上的疲勞裂紋特別容易產(chǎn)生在表面粗糙、劃痕、腐蝕坑等速度較大的有缺口區(qū)域，所以，稱之為腐蝕性熱疲勞裂紋。

5. 其余失效

其余失效情況主要有：A）硫腐蝕；B）氫腐蝕；C）應(yīng)力腐蝕；D）苛性脆化。

六、 鍋爐材料的發(fā)展方向

世界各國對鍋爐機組的過熱器和再熱器用鋼（特別是鎳-鉻奧氏體的代用鋼、具有良好高溫耐蝕性性能以及能防止晶間腐蝕的鋼）的研究、生產(chǎn)和制造工藝都給予特殊的重視，以期能提高強度、減少材料用量，進而減薄管子壁厚、改善鍋爐傳熱狀況。

以日本為例，由于有強大的鋼鐵工業(yè)基礎(chǔ)，日本在鍋爐用鋼管子上的開發(fā)、研制工作做得較多，新開發(fā)出的鋼管種類也比較多，其中相當一部分已經(jīng)得到ASME的批準和確認，并在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，如日本的一些鋼種在ASME中分別是：HCM2S命名為T23、NF616稱為T92、HCM12A稱為T122、細晶粒的TP347H稱為TP347HFG，SUPER304H在ASME標準中的UNS號為S30432、火SUS310JITB（即HR3C）在ASME標準中的鋼號為TP310HCbN，還有日本新日鐵開發(fā)的超超臨界機組鍋爐用鋼25Ni-20Cr-Mo-Nb-Ti（NF709）。

以上所提及的都是現(xiàn)在已經(jīng)實現(xiàn)并投入應(yīng)用的新鋼種，而未來的電站鍋爐將向更高參數(shù)方向發(fā)現(xiàn)，以期達到節(jié)能、環(huán)保的目的，材料也將采用鎳基、鎳鐵基合金等來替換現(xiàn)在的鐵基材料。

參考文獻：

[1]、宋琳生，電廠金屬材料（第3版）， 中國電力出版社

[2]、葉 濤 編著，熱力發(fā)電廠（2003版）， 中國電力出版社

[3]、王慧貞 主編，電廠金屬材料及金屬工藝學， 中國電力企業(yè)聯(lián)合會

附：作者個人資料

作者真實姓名：梁 斌

出生年月：1971年10月

性別：男

籍貫：廣東廣州

民族：漢

畢業(yè)院校：原 武漢水利電力大學（現(xiàn)并入武漢大學）

專業(yè)：熱能動力工程

工作/學習單位全稱：中國能源建設(shè)集團廣東火電工程總公司

最后學歷/學位：大學本科/工學學士

職稱：電力工程師

職務(wù)：質(zhì)量主管

研究方向：熱能動力工程

身份證號碼：440922197110035134

詳細通訊地址：廣東省廣州市黃埔區(qū)紅荔路1號動力大廈A座1008室

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