電站鍋爐金屬材料的選擇與使用

趙加星，劉濤，董永昌

（中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029）

電站鍋爐屬于特殊設(shè)備，其受國(guó)家安全監(jiān)管的監(jiān)督。電鍋爐金屬材料的選擇中，要嚴(yán)格的按照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，選取符合規(guī)格的材料，避免低材高用，當(dāng)選取的金屬材料不具備承壓能力時(shí)將發(fā)生嚴(yán)重的安全事故，危及人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。反之如果高材低用，不僅浪費(fèi)了材料，同時(shí)也會(huì)造成一定的安全隱患，如用在碳鋼部位使用合金材料，也容易發(fā)生危險(xiǎn)，因此科學(xué)的選取電站鍋爐金屬材料對(duì)于提升電站鍋爐的安全性和穩(wěn)定性具有重要的意義。

一、金屬材料簡(jiǎn)述

電站鍋爐的金屬材料選擇是一門復(fù)雜的學(xué)科，電站相關(guān)的檢修和改造工作人員應(yīng)當(dāng)熟練的掌握金屬材料基礎(chǔ)知識(shí)，及時(shí)的了解國(guó)內(nèi)外的金屬材料技術(shù)發(fā)展，針對(duì)不同的情況要靈活變通，選取切合實(shí)際的材料，從根本上提升電站鍋爐的穩(wěn)定性，同時(shí)為檢修和維護(hù)提供便利。

工作人員熟練的掌握金屬知識(shí)是提升電站鍋爐檢修質(zhì)量的必要條件，只有充分了解金屬特性才能夠提升鍋爐的檢修質(zhì)量。電站鍋爐常用的金屬原料主要是鋼鐵，為黑色金屬，主要由鐵元素組成，是一種晶體物質(zhì)。鋼鐵的性能主要由組成元素、組成元素含量、種類、微觀結(jié)構(gòu)決定，如果需要改良鋼鐵的屬性可以對(duì)其進(jìn)行熱處理，改變其組織結(jié)構(gòu)，使其適用于電站鍋爐的建設(shè)中。

二、電站鍋爐金屬材料應(yīng)用位置

電站鍋爐屬于高危設(shè)備，在我國(guó)的安全檢測(cè)中，要充分的考慮到鍋爐日常的維護(hù)細(xì)節(jié)，尤其在構(gòu)件的材料選擇上，如果金屬材料性能搭配錯(cuò)誤，不但會(huì)降低工作效率，同時(shí)還存在一定的安全隱患，嚴(yán)重時(shí)可發(fā)生重大事故，造成人員傷亡。

為了能讓鍋爐使用過(guò)程中發(fā)揮最大的作用，對(duì)鍋爐內(nèi)部的承重材料的選擇一定要慎重，選擇承重合適的金屬材料不僅能更好的解決爆管事故還可以避免因降限帶來(lái)的浪費(fèi)。在電站鍋爐的材料選擇中，應(yīng)當(dāng)在不同的位置選取適合的材料，如果用合金材料代替碳鋼管進(jìn)行連接將會(huì)增加鍋爐爆炸的危險(xiǎn)系數(shù)，為了避免鍋爐使用時(shí)時(shí)效時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，那么就應(yīng)該注意焊縫位置是否受到母材料的影響。

另外，在對(duì)于接頭位置的焊接是有技術(shù)難度的環(huán)節(jié)，工作人員在操作過(guò)程中要尤為注意，因?yàn)樯杂胁簧骶蜁?huì)增加鍋爐爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。技術(shù)人員不僅要在金屬焊接接頭時(shí)對(duì)材質(zhì)選擇慎重，更應(yīng)該嚴(yán)格按照技術(shù)要求標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行操作，充分發(fā)揮焊接材質(zhì)在接頭位置的性能。

三、合理的對(duì)金屬材料選擇

（一）金屬材料的分類研究

金屬材料在電站鍋爐中的使用屬于實(shí)驗(yàn)應(yīng)用科學(xué)范疇，因此日常工作人員需要扎實(shí)掌握基礎(chǔ)的理論知識(shí)，充分的運(yùn)用應(yīng)用化學(xué)知識(shí)提升工作效率，確保正確的選取金屬材料。通常情況下，鋼鐵是電站鍋爐中常見的金屬材料，是由鐵構(gòu)成的金屬混合物，并在制作的過(guò)程中加入其它金屬，根據(jù)種類和比例的不同產(chǎn)生的鋼鐵屬性也是不同的。同時(shí)鋼鐵的性質(zhì)還受到了溫度的影響，熱處理后的鋼鐵屬性會(huì)發(fā)生變化，這些變化能夠改變?cè)械慕饘俳M織，讓金屬材料的功能發(fā)生變化。

（二）金屬材料的選擇影響因素

鋼鐵是一種混合物，具有較強(qiáng)的金屬性。鐵元素是構(gòu)成鋼鐵的主要元素，在鍛造的過(guò)程中還可以加入其他元素，這些元素大部分組成是碳，其次可以加入硫、磷、硅、錳等元素，由于碳和其他元素的加入往往能夠增加金屬混合物的硬度，在抗腐蝕性能上也有了較大的提升，碳元素與其它元素的結(jié)合是碳鋼的由來(lái)，如果其他組成元素較多的話稱為合金鋼，工作人員要根據(jù)電站鍋爐不同位置選取不同屬性的金屬材料[1]。

在鋼鐵組成中，硫和磷元素并不能夠改變鋼鐵的性質(zhì)，在鋼鐵的鍛造過(guò)程中，這兩種元素是經(jīng)常出現(xiàn)的雜質(zhì)，理論上，低雜質(zhì)的鋼鐵質(zhì)量要好與高雜質(zhì)鋼鐵，但是在實(shí)際的鍛造中，雜質(zhì)的含量應(yīng)當(dāng)控制在一定范圍內(nèi)，雜質(zhì)過(guò)多或者過(guò)少都會(huì)對(duì)鋼鐵質(zhì)量與硬度產(chǎn)生很大的影響。

（三）鋼是晶體物質(zhì)

鋼在我們?nèi)粘Ｉ钪杏兄匾淖饔?，這種晶體物質(zhì)中含有碳元素，而碳元素按同種異構(gòu)體形式分為石墨、金剛石以及無(wú)定形碳三種。碳元素的化學(xué)性質(zhì)直接受碳原子的排列方式影響，不同的碳元素排列方式也會(huì)對(duì)形成的晶體物質(zhì)在晶體性能上產(chǎn)生影響，會(huì)直接導(dǎo)致元素異構(gòu)體的物理性能以及力學(xué)性能產(chǎn)生非常驚人的差別。例如石墨與金剛石，這兩種物質(zhì)因?yàn)榫w結(jié)構(gòu)的排列方式不同，所以在空間形態(tài)上的表現(xiàn)也不同，作用也是不同的。石墨具有柔軟的性質(zhì)，不僅具有導(dǎo)電性還能用來(lái)制作鉛筆；而金剛石則恰恰相反，作為世界上最堅(jiān)硬的物質(zhì)往往用來(lái)當(dāng)做切割的材料。

（四）鋼中的組成元素

鋼水化成液體后，在凝固過(guò)程中其組成元素會(huì)生成特有的晶體，這種重新組成的鋼會(huì)帶有明顯的物理性能與化學(xué)性能，這與上文提到的鋼中碳元素的異構(gòu)現(xiàn)象類似。鍋爐壓力容器中使用的鋼材料通過(guò)不同的熱處理可以分解出鐵素體、奧氏體、珠光體、馬氏體和貝氏體等。

促使改變晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化、重新分布化學(xué)成分等，而且可以調(diào)整、改善組織結(jié)構(gòu)狀態(tài)，保證和提高材料的使用性能。

四、金屬材料的使用

隨著我國(guó)能源建設(shè)的不斷發(fā)展，電站建設(shè)的要求逐漸提升，許多電廠鍋爐提高了對(duì)原料的要求和標(biāo)準(zhǔn)，有些電站鍋爐采用了不銹鋼材料，通常是18Cr8Ni 系，這些材料加工較為困難，只能委托給專業(yè)的工廠進(jìn)行制造，但是很多不銹鋼材料在熱處理方面達(dá)不到應(yīng)有的性能，對(duì)材料進(jìn)行整體或局部的固溶熱處理不達(dá)標(biāo)，在這種情況下，設(shè)備的使用壽命被嚴(yán)重降低。例如，奧氏體不銹鋼抗腐蝕不強(qiáng)，在應(yīng)用的過(guò)程中容易受到腐蝕，主要是因?yàn)閮?nèi)部的碳原子在同晶界交換的過(guò)程中產(chǎn)生了鉻元素，導(dǎo)致不銹鋼材料晶間缺少了鉻元素，尤其在高溫的環(huán)境下，在400 度以上的高溫，此反應(yīng)更為迅速，因此在實(shí)際的操作中，應(yīng)當(dāng)對(duì)溫度進(jìn)行嚴(yán)格的控制，盡可能雖短高溫停留時(shí)間，避免產(chǎn)生缺鉻反應(yīng)。此外，在焊接的時(shí)候，需盡量選擇小線能量，讓溫度上的控制可以更為精確。

（一）控制晶間腐蝕趨勢(shì)

晶間腐蝕嚴(yán)重?fù)p壞了金屬材料，因此若想保證電廠鍋爐的安全運(yùn)行就要對(duì)晶間腐蝕進(jìn)行有效的控制。為了有效地控制晶間腐蝕，工作人員可以根據(jù)奧氏不銹鋼提出不同的使用條件，采取固溶處理，通過(guò)改變處理工藝來(lái)提升材料的穩(wěn)定性。其次還可以運(yùn)用鈍化處理，降低金屬材料表面的活性，用氧化性酸進(jìn)行氧化，形成氧化保護(hù)層，提升抗腐蝕性。電站鍋爐的工作溫度為600 度以上，剛好達(dá)到了金屬材料的敏感溫度，固溶處理的材料再次溫度區(qū)間依舊能夠產(chǎn)生晶間腐蝕，導(dǎo)致材料損壞，降低了安全性。此時(shí)應(yīng)當(dāng)穩(wěn)定化處理材料，固定碳元素，避免發(fā)生轉(zhuǎn)移，這樣能夠顯著的提升材料的使用壽命[2]。電廠鍋爐在運(yùn)行的過(guò)程中，奧氏體不銹鋼產(chǎn)品采用局部固溶處理工藝，從理論上講，這樣的處理方式不夠科學(xué)，其次金屬材料采用的是固溶處理時(shí)取局部熱處理方式，不論固溶處理還是穩(wěn)定化處理，局部熱處理方式可能會(huì)導(dǎo)致材料長(zhǎng)期處于敏感溫度區(qū)間，因此提升了整體材料的不穩(wěn)定性。一旦發(fā)生晶間貧鉻，性能下降，形成質(zhì)量隱患，運(yùn)行中這個(gè)部位會(huì)最先失效[3]。

（二）鍋爐高溫段金屬材料選擇

在對(duì)發(fā)電鍋爐高溫段的材質(zhì)選擇時(shí)，應(yīng)該使用具有穩(wěn)定性與整體性的熱處理工藝，采用18Cr—8Ni 系列不銹鋼的制成品。為了增加耐氧化腐蝕性，在熱處理之前推薦先使用整體內(nèi)外壁鈍化處理隨后采用具有穩(wěn)定性的整體熱處理，但是增加工序也增加了成本。

五、結(jié)語(yǔ)

電廠鍋爐金屬材料的選擇對(duì)于提升電廠鍋爐運(yùn)行的穩(wěn)定性具有重要的意義，在維護(hù)的過(guò)程中要嚴(yán)格的按照我國(guó)相關(guān)技術(shù)監(jiān)督標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，對(duì)于不同的焊接頭要選取科學(xué)的材料，并對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的檢查。在實(shí)際工作中一旦用錯(cuò)材料將導(dǎo)致焊接頭發(fā)生腐蝕，降低工作效率，嚴(yán)重可導(dǎo)致安全事故，危機(jī)人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全。因此電站鍋爐改造人員要充分的了解各種金屬材料知識(shí)，靈活的選取不同的金屬材料，針對(duì)實(shí)際工作中出現(xiàn)的問(wèn)題要及時(shí)處理，降低事故發(fā)生的概率，提升鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定性，促進(jìn)我國(guó)電力建設(shè)的發(fā)展。