谈电站锅炉火力发电厂金属材料的选用doc 25页.docx
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谈电站锅炉火力发电厂金属材料的选用(doc25页)
电站锅炉火力发电厂金属材料的选用
电站锅炉火力发电厂金属材料选用导则
火力发电设备由电站锅炉、汽轮机、发电机及其辅机配套而成。
设备用钢种类繁多,耗钢量大,部件运行条件各异,有些长期在高温、高压条件下运行,有些在高速旋转条件下承受扭矩和冲击载荷的作用,有些则要在烟、汽、水等腐蚀介质条件下工作,因此,对材料性能的要求也各不相同。
此外,为节约能源,提高热效率,机组的单机容量和蒸汽参数不断提高,亚临界和超临界参数机组日益增多,从而对火力发电设备用钢提出了更高的要求。
另一方面,进口大机组和超期服役机组逐年增加,因此,进口机组材料的国产化和超期服役机组的延寿改造工作也显得十分重要。
1 范围
2 引用标准
3 选材的基本原则
4 金属材料的选用
4.1 蒸汽管道、集箱和锅炉受热面管子用金属材料
4.2 锅炉锅筒用金属材料
4.3 锅炉受热面固定件及吹灰器用金属材料
4.4 汽轮机主轴、转子体、轮盘和叶轮用金属材料
4.5 汽轮发电机转子和无磁性护环用金属材料
4.6 汽轮机叶片用金属材料
4.7 紧固件用金属材料
4.8 汽轮机与锅炉铸钢件用金属材料
4.1.2.2 具有高的抗氧化性能,所用材料应属1级完全抗氧化性材料,工作温度下的氧化速度应小于0.1mm/a。
4.1.3 水冷壁管和省煤器管对金属材料的要求
4.1.3.1 应具有一定的室温强度和高温强度,使管壁厚度不致过厚,从而传热效果良好,并有利于加工。
4.1.3.2 具有良好的抗热疲劳性能和供热性能,以防因脉动疲劳或热疲劳损伤而导致过早损坏。
4.3 锅炉受热面固定件及吹灰器用金属材料
4.3.1 锅炉受热面固定件及吹灰器对金属材料的要求
4.3.1.1 锅炉受热面固定件用金属材料,应具有较高的抗氧化性,并具有一定的热强性能和较好的耐蚀性、工艺性能。
4.3.1.2 吹灰器用金属材料,应具有高的抗氧化性能、良好的抗腐蚀性能和较高的高温强度。
4.3.2 锅炉受热面固定件和吹灰器常用钢钢号、特性及其主要应用范围
锅炉受热面固定件和吹灰器常用钢钢号、特性及其主要应用范围见附录A中表A3。
4.3.3 锅炉受热面固定件和吹灰器材质的检验
4.7 紧固件用金属材料
4.7.1 紧固件对金属材料的要求
4.7.1.1 火力发电厂用高温螺栓(碳钢工作温度超过300℃~350℃,合金钢超过350℃~400℃),应采用抗松弛性能高的材料,以使螺栓在较低的初紧力下,在一个大修期内的压紧力不低于最小密封应力(一般为150MPa),从而可降低对材料屈服强度的要求,减少螺栓发生脆性断裂的危险。
4.7.1.2 高温螺栓用钢,应具有一定的持久强度和蠕变强度,蠕变脆化倾向及蠕变缺口敏感性小,且具有良好的持久塑性。
一般要求螺栓材料8000h~10000h以上光滑试样的持久塑性应不小于5%。
4.7.1.3 材料的组织性能稳定性好,回火脆性和热脆性倾向小。
长期运行后,材料的U形缺口试样冲击韧性:
对于调速汽门螺栓和采用扭矩法装卸的螺栓,应大于58.8J/cm2;对于采用加热伸长装卸或用油压拉伸器装卸的螺栓,应大于29.4J/cm2。
长期运行后螺栓的硬度值也应控制在相应的技术标准所要求的范围内。
4.7.1.4 对于承受疲劳载荷的螺栓(如联轴器螺栓)材料,还应具有较高的抗疲劳和抗剪切的能力。
在汽缸内部工作的螺栓,由于受蒸汽和水的冲蚀,还应具有一定的抗蚀性。
为防止螺纹咬死和减少磨损,选材时,螺栓和螺母应采用不同钢号。
螺母的工作条件较螺栓好,螺母材料强度等级应比螺栓低一级(硬度低20HB~50HB);并且,原则上同一法兰的紧固件,应采用牌号和强度等级相同的材料,否则应计算由不同线膨胀系数和不同抗松弛性能带来的影响。
4.7.2 紧固件常用钢钢号、特性及其最高使用温度
紧固件常用钢钢号、特性及其最高使用温度见附录A中表A6。
4.7.3 紧固件的材质检验
4.7.3.1 紧固件用钢应符合相应的国家或行业技术标准或订货合同要求。
4.7.3.2 火力发电厂高温紧固件的技术要求及使用前的质量检验应符合DL/T439的规定。
4.7.3.3 DL/T439对高温紧固件的检验要求见表6。
表6 高温紧固件使用前的材质的检验(DL/T439)
检 验 项 目
检 验 方 法
检 验 数 量
成品硬度测量
GB/T231
螺纹直径≥M32的为100%
成品光谱检验
逐 根
超声波探伤
螺纹直径≥M32的为100%
微观组织检验
GB/T1979 YB/T5148
螺纹直径>M32的,酌情抽检
尺寸公差与表面质量
逐 根
电站常用钢钢号、特性及主要应用范围
表A1 蒸汽管道、集箱和锅炉受热面钢管常用钢钢号、特性及其主要应用范围
钢号与技术条件
特性
主要应用范围
类 似 钢 号
20(20G)
GB/T699—88
GB5310—95
该钢具有良好的工艺性能,在530℃以下具有满意的抗氧化性能,但在470℃~480℃高温下长期运行过程中,会发生珠光体球化和石墨化。
当HB=137~174时,相对加工性为65%。
该钢无回火脆性
壁温≤425℃的蒸汽管道、集箱; 壁温≤450℃的受热面管子及省煤器管等
CT20(ГOCT)、S20C(JIS) 1020(SAE,AISI)
C22、CK22(DIN)
XC18(NF)、N2024(ČSN)
St45.8/Ⅲ(DIN)
15MoG
(15Mo3、16Mo)
GB5310—95
是成分最简单的低合金热强钢,其热强性和腐蚀稳定性优于碳素钢,而工艺性能仍与碳素钢大致相同。
存在的主要问题是,在500℃~550℃长期运行时有产生珠光体球化和石墨化倾向,随其发展会导致钢的蠕变强度和持久强度降低,甚至会导致钢管的脆性断裂。
焊接性能良好,焊前需预热,焊后需热处理
壁温≤500℃的蒸汽管道; 壁温≤530℃的过热器管
16M(ЧМТУ) STBA12、STPA12(JIS)
A209T1(ASTM)
A335P1(ASTM)
15Mo3 (DIN)
15020 (ČSN)
12CrMoG
GB5310—95
属低合金耐热钢,在480℃~540℃下具有足够的热强性和组织稳定性,综合性能良好,无热脆性现象
壁温≤510℃的蒸汽管道; 壁温≤540℃的受热面管子
12MX(ГОСТ) T2、P2(ASME、ASTM)
12CrMo195(德国)
15CD2(法国)
15CrMoG
GB5310—95
该钢正火后的组织为铁素体、贝氏体和部分马氏体,正火、回火后的组织为铁素体、贝氏体和回火马氏体,其冷加工性能和焊接性能良好,无石墨化倾向。
在520℃以下,具有较高的持久强度和良好的抗氧化性能,但超过550℃以后,蠕变极限将显著降低。
长期在500℃~550℃运行,会发生珠光体球化,使强度下降
壁温≤510℃的蒸汽管道、集箱; 壁温≤540℃的受热面管子
15XM(ЧМТУ) 13CrMo44(DIN)
T12、P12(ASME、ASTM)
STBA22、STPA22(JIS)
15121(ČSN)
12CrMoV
GB/T3077—88
在铬钼钢中加入少量的钒,从而可阻止钢在高温下长期使用过程中合金元素钼向碳化物中的转移,提高钢的组织稳定性和热强性。
与12Cr1MoV钢相比,钢中的含铬量较低,但在550℃以下,对力学性能和热强性能影响不大,而在高于550℃时,其性能低于12Cr1MoV钢
壁温≤540℃的蒸汽管道; 壁温≤570℃的过热器管等
12ХMФ(ГОСТ4543) 15123.9(ČSN)
15128(ČSN)
14MoV63(DIN17175)
表A1(续)
钢号与技术条件
特性
主要应用范围
类 似 钢 号
12Cr1MoVG
GB5310—95
该钢属珠光体热强钢。
由于钢中加入了少量的钒,可以降低合金元素(如钼、铬)由铁素体向碳化物中转移的速度,弥散分布的钒的碳化物可以强化铁素体基体。
该钢在580℃时仍具有高的热强性和抗氧化性能,并具有高的持久塑性。
工艺性能和焊接性能较好,但对热处理规范的敏感性较大,常出现冲击韧性不均匀现象。
在500℃~700℃回火时,具有回火脆性现象;长期在高温下运行,会出现珠光体球化以及合金元素向碳化物转移,使热强性能下降
壁温≤570℃的受热面管子; 壁温≤555℃的集箱和蒸汽管道等
12XIM(ГОСТ) 13CrMoV42(DIN)
15225(ČSN)
12Cr1MoV(曼内斯曼钢厂)
15Cr1Mo1V
(15X1M1Φ)
前苏联钢号。
与12Cr1MoV钢相比,含钼量有所提高,故热强性能稍高,在450℃~550℃,其持久强度比12Cr1MoV钢高19.6MPa,570℃时高9.8MPa,但持久塑性稍低于12Cr1MoV钢。
该钢在570℃以下长期使用时,组织稳定,且具有良好的抗氧化性能。
焊接性能与12Cr1MoV钢相当。
存在的问题是有些炉号的冲击值低于标准要求,且钢中含有0.013%~0.08%的残铝对钢的热强性能会有不利影响
壁温≤580℃的蒸汽管道和集箱
A405-61T(ASTM)
12Cr2MoG
GB5310—95
该钢正火后的组织为贝氏体加少量的马氏体,有时有少量铁素体。
长期在高温下运行,将会出现碳化物从铁素体基体中析出并聚集长大现象。
500℃的蠕变试验结果表明,在蠕变第一阶段结束时,总伸长率约为0.2%;550℃及其以上温度,总伸长率约为1%~2%;钢的持久塑性比较好
壁温≤580℃的过热器管、再热器管; 壁温≤570℃的蒸汽管道、集箱
10CrMo910(BQB、DIN) STBA24、STPA24(JIS)
T22、P22(ASME、ASTM)
HT8(SANDVIK)
12Cr2MoWVTiB
(钢102)
GB5310—95
属贝氏体低合金热强钢。
经正火加回火处理后的组织为贝氏体,具有良好的综合力学性能、工艺性能和相当高的持久强度,抗氧化性能较好;组织稳定性好,于620℃经5000h时效后,力学性能无明显变化。
用于代替高合金奥氏体铬镍钢
壁温≤600℃的过热器管和再热器管
12X2MΦCP(TY14-460-75)
12Cr3MoVSiTiB
(П-11)
GB5310—95
属贝氏体热强钢。
在600℃有足够高的持久强度和抗氧化性能,无热脆倾向,组织稳定性好。
回火后冷却速度对钢的性能无明显影响,但回火温度超过710℃以后,持久强度将明显下降。
为保证该钢有较好的高温性能,回火温度不宜过高。
该钢工艺性能稍差
壁温≤600℃的过热器管和再热器管
表A1(续)
钢号与技术条件
特性
主要应用范围
类 似 钢 号
15NiCuMoNb5
(WB36)
15NiCuMoNb5(WB36)为德国梯生钢厂、曼内斯曼钢厂和日本住友金属株式会社生产的Ni-Cu-Mo低合金钢。
由于钢中含有Cu,因此提高了钢的抗腐蚀性能。
该钢具有较高的强度,室温抗拉强度可达610MPa以上,屈服强度≥440MPa,比20号钢高40%,用于锅炉给水管道,可使管壁厚度减薄,从而有利于加工、制造、安装和运行。
通常含Cu钢具有红脆性,但由于该钢中加入了较多的Ni,从而消除了红脆性。
该钢的焊接性能良好,但不适合冷成形加工
壁温≤500℃的大口径(76~660mm)锅炉用厚壁钢管、集箱、锅筒、压力容器等
X20CrMoV121
(F12)
属12%铬型马氏体热强钢,具有良好的耐热性能,在空气和蒸汽中抗氧化能力可达700℃,但工艺性能较差,在锻造轧制和焊接时易产生裂纹。
钢的热强性能低于钢102和П-11钢
壁温540℃~560℃的集箱和蒸汽管道,以及壁温达610℃的过热器管和壁温达650℃的再热器管
HT9(SANDVIK) 1X12B2MΦ(ГОСТ)
2X12MΦBP(ГОСТ)
X20CrMoWV121(DIN)
10Cr5MoWVTiB
(G106)
属中铬贝氏体钢。
具有良好的抗氧化性能、耐腐蚀性和组织稳定性。
热强性能较高,且工艺性能良好
壁温为630℃~650℃的再热器管
STBA25(JIS) T5、T5C(ASME)
1Cr9Mo1
属马氏体型耐热钢。
由于钢中含铬量较高,因此抗氧化和抗腐蚀性能优于低合金钢,但钢的热强性能低于2.25Cr-1Mo、12Cr1MoV钢等。
焊接性能差,且有空淬现象
壁温≤650℃的再热器管
T9、P9(ASME) STBA26、STPA26(JIS)
X12CrMo91(德国)
HT7(SANDVIK)
1Cr9Mo2
(HCM9M)
HCM9M是9Cr-2Mo型铁素体钢,是日本三菱重工和住友金属株式会社联合研制的。
该钢具有高的抗氧化和抗高温蒸汽腐蚀性能,并具有更高的热强性和组织稳定性
壁温≤620℃的亚临界、超临界锅炉过热器管、再热器管、集箱和导汽管
10Cr9Mo1VNb
(T91、P91)
GB5310—95
是美国在9Cr-1Mo钢基础上添加微量V、Nb,调整Si、Ni和Al添加量后形成的超9Cr钢。
该钢的高温强度优异,在550℃以上,其设计许用应力为T9和2.25Cr-1Mo钢的两倍。
与1Cr19Ni9钢相比,其等强(持久强度)温度为625℃,抗氧化和抗蒸汽腐蚀性能与9Cr-1Mo钢相当
用于亚临界、超临界锅炉壁温达650℃的过热器管和再热器管,壁温为600℃以下的集箱和蒸汽管道
X10CrMoVNb91 (DIN17175)
TUZ10CDVNb09.01(NFA
-49213)
1Mn17Cr7Mo
VNbBZr
(17-7MoV)
属锰铬型奥氏体热强钢,由于用钼、钒、硼、铌和锆进行综合强化,具有较高的热强性和抗氧化性;时效稳定性良好,于650℃时效8500h后的冲击韧性值仍保持在127.4J/cm2以上,在奥氏体基体上的碳化物颗粒呈均匀弥散分布,未出现σ相。
该钢的焊接性能和工艺性能良好。
钢中所含锆元素为我国稀有
壁温≤680℃的过热器管、再热器管、蒸汽管道和集箱
表A1(完)
钢号与技术条件
特性
主要应用范围
类 似 钢 号
1Cr18Ni9
(304)
GB5310—95
属各国通用的18-8型铬镍奥氏体不锈热强钢。
钢的热强性能、耐腐蚀性能和焊接性能良好,冷变形能力非常高
大型锅炉的再热器管、过热器管及蒸汽管道。
用于锅炉管的允许抗氧化温度为705℃
SUS304TB(JIS) SUS304TP(JIS)
TP304H(ASME)
0Cr17Ni12Mo2
(316)
TP316H
GB13296—91
属各国通用的奥氏体不锈热强钢。
由于钢中含有2%~3%的钼元素,对各种无机酸、有机酸、碱、盐类的耐腐蚀性和耐点蚀性显著提高。
在高温下具有较高的蠕变强度
大型锅炉的再热器管、过热器管及蒸汽管道。
用于锅炉管的允许抗氧化温度为705℃
SUS316TB(JIS) SUS316TP(JIS)
TP316H(ASME)
0Cr18Ni11Ti
(321)
GB5310—85
属用钛稳定的铬镍奥氏体不锈热强钢。
与1Cr18Ni9Ti钢相比,由于含有较多的镍,因此,奥氏体组织较稳定,并具有较高的热强性能和持久断裂塑性
大型锅炉的再热器管、过热器管及蒸汽管道。
用于锅炉管的允许抗氧化温度为705℃
SUS321TB、SUS321TP(JIS) TP321H(ASME)
12X18H12T(ГОСТ)
1Cr19Ni11Nb
(347)
GB5310—95
GB13296—91
属用铌稳定的铬镍奥氏体不锈热强钢。
该钢具有良好的耐腐蚀性能和焊接性能。
热强性能高于18-8型TP304H钢。
在碱、海水和很多种酸中都有很好的耐腐蚀性
大型锅炉的再热器管、过热器管及蒸汽管道。
用于锅炉管的允许抗氧化温度为705℃
SUS347TB、SUS347TP(JIS) TP347H(ASME)
08X18H12Б(ГОСТ)
X10CrNiNb189(德国)
表A2 锅炉锅筒常用钢钢号、特性及其主要应用范围
钢号与技术条件
特性
主要应用范围
类 似 钢 号
20g、22g
GB713—97
YB(T)41—87
该钢的塑性、韧性及焊接性能均较好,但对应变时效较为敏感,强度不高,属245MPa强度级别的锅炉钢板,用这种钢制造的锅筒壁厚较厚。
该钢板以热轧状态交货,必要时可进行890℃~920℃正火处理
低、中压锅炉锅筒
20K、22K(ГOCT)
SB42、SB46、SB49(JIS)
HII(DIN)
11474.1(ČSN)
12Mng
GB713—96
YB(T)41—87
该钢在热轧状态和正火状态下的各种性能均能满足低压锅炉锅筒对钢材性能的要求,而且焊接性能良好,厚度小于16mm的钢板,焊前可不预热。
该钢属屈服强度为294MPa级别的普通低合金钢。
用于代替20g钢可节约金属约17%,一般情况下,钢板以热轧状态交货,必要时可进行900℃~920℃正火处理
工作压力≤5.9MPa的低、中压锅炉锅筒
10Г(ГОСТ) 13Mn6(DIN)
SM21(日本)
12MF4(NF)
16Mng
GB713—97
YB(T)41—87
该钢具有良好的综合力学性能、工艺性能和焊接性能,属屈服强度为343MPa级别的普通低合金钢。
该钢的缺口敏感性比碳钢大,疲劳强度较低。
一般情况下,钢板以热轧状态交货,必要时可进行900℃~920℃正火处理。
经正火处理后可显著提高韧性,并降低脆性转变温度
工作压力≤5.9MPa的低、中压锅炉锅筒
19Mn5、19Mn6(DIN)
SPV36(JIS)
16ГС(ГОСТ)
17Mn4(DIN)
SA299(ASME)
表A2(续)
钢号与技术条件
特性
主要应用范围
类 似 钢 号
19Mn5、19Mn6
德国钢号,属屈服强度为300MPa级别的碳锰钢,冶炼、热加工性能及焊接性能均良好,断裂韧性和低循环疲劳性能也较好,有利于降低低应力脆断的危险性。
钢板的正火温度为890℃~950℃,消除应力退火温度为520℃~580℃
中、高压锅炉锅筒
19Mn6(GB) SA299(ASME)
A299(ASTM)
SA299
美国钢号。
该钢的化学成分和屈服强度级别与16Mng和19Mn5钢相似,但钢中含碳量更高,其低循环疲劳性能略低于19Mn5钢。
该钢的力学性能比较稳定。
厚度方向的力学性能较均匀,高温抗拉强度较高,冲击韧性较好,如不含有太多的MnS夹杂,层状撕裂敏感性亦不高,脆性转变温度低于-30℃,无塑性转变温度NDT约为-15℃。
焊接工艺较简单,焊前预热温度低(150℃),焊接接头性能好
高压、超高压亚临界锅炉锅筒。
由美国引进的300MW、600MW机组锅炉锅筒均使用该种钢
A299(ASTM)
15MnVg
GB713—96
YB(T)41—87
属屈服强度为392MPa级别的普通低合金钢。
该钢在热轧状态下具有良好的综合力学性能及焊接性能,但缺口敏感性和时效敏感性较大。
与16Mng钢相比,冷脆倾向稍大。
为改善钢的韧性,降低脆性转变温度,应进行940℃~980℃正火,600℃~650℃消除应力退火
低、中压锅炉锅筒
A255(ASTM)
14MnMoVg
GB713—96
YB(T)41—87
属屈服强度为490MPa级别的普通低合金钢。
由于钢中加入了0.5%的钼和少量的钒,使屈服强度提高,特别适合生产厚度在60mm以上的厚钢板。
该钢具有良好的综合力学性能,但对热处理工艺较为敏感,尤其对冲击韧性和延伸率影响较大。
大于60mm厚钢板在热轧状态下的塑性和韧性较差,特别是低温及时效后的冲击值不稳定,故不宜在热轧状态下使用。
一般在正火加高温回火状态下使用,正火温度为970±10℃,回火温度为630℃~660℃。
使用中也可以采用调质处理,这时,钢的强韧性都会有很大程度的改善。
生产中应防止产生白点和夹层缺陷
高压锅炉锅筒
A302(ASTM) BHW38(德国)
18MnMoNbg
GB713—96
YB(T)41—87
属屈服强度为490MPa级别的低合金钢。
该钢的热强性能较好,屈强比较高,可焊性好。
但正火加回火状态下的力学性能不够稳定,与14MnMoVg钢相比,常出现强度、塑性、韧性不能同时满足技术条件要求的情况。
钢板经调质处理后屈服强度将显著提高,更能发挥材料潜力。
大锻件及特厚钢板有白点倾向,故钢坯应缓冷。
大锻件塑性和韧性由表面向中心逐渐降低。
有一定的淬硬倾向,焊前须经200℃~250℃预热,焊后应采取后热去氢措施
高压锅炉锅筒
表A2(完)
钢号与技术条件
特性
主要应用范围
类 似 钢 号
13MnNiMo54
(BHW35)
13MnNiMoNb
为德国钢号。
属屈服强度为392MPa级别的含锰、镍、钼强韧性配合良好的低合金钢。
由于合金元素设计合理,钢的组织稳定,并具有良好的综合力学性能和工艺性能。
一般该钢在正火加高温回火状态下使用,正火温度为890℃~950℃,回火温度为580℃~690℃。
正火组织为贝氏体加铁素体,回火组织为回火贝氏体加铁素体,故该钢又可称为低合金贝氏体钢。
与BHW35相应的国产钢号为13MnNiMoNb,是在调整BHW35钢中镍、铌含量的基础上研制成功的,其各项性能指标均已达到BHW35钢水平
高压、超高压及亚临界锅炉锅筒
表A3 锅炉受热面固定件和吹灰器常用钢钢号、特性及其主要应用范围
钢号与技术条件
特性
主要应用范围
类 似 钢 号
1Cr5Mo
GB/T1221—92
属马氏体型耐热钢,
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