发电厂管道材料大全.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,08 六月 2025,发电厂管道材料大全,目 次,1概述,2 钢铁的基本知识,2.1钢的成分、组织和性能之间的关系,2.2材料的力学行为,3 耐热钢,3.1 热强钢的发展,3.2 国内外钢号对照,3.3 电厂管道用钢的要求,目 次,4,高温金属部件在运行中的组织老化与损伤,4.1 碳化物的球化和碳化物的聚集,4.2 石墨化（碳钢和低碳Mo钢）,4.3 时效和新相形成,4.4 合金元素在固溶体和碳化物之间的重新分配,4.5 金属在高温下的氧化与腐蚀,5 典型钢种介绍,5.1 碳钢与碳锰钢,5.2 钼钢与铬钼钢,5.3 马氏体耐热钢,6 电厂管道的检验和监督,1 概述,火电厂管道作为热力系统中各个设备（锅炉汽轮机和辅助设备）之间的联络管路，输送不同的介质。必须按照介质的温度和压力等使用条件、材料的特性如焊接性能、加工工艺性能以及经济性来选择材料，并在管道的设计、制造和运行中充分考虑到材料的特性。,火力发电厂金属材料选用依据DL/T 715 火力发电厂金属材料选用导则。,2 钢铁材料的基本知识,2.1,钢的成分、组织和性能之间的关系,电厂管道的使用寿命是由所采用的钢的性能和使用条件共同决定的，只有二者相匹配的时候才有合理的使用寿命。钢的最终使用性能是由成分和组织决定的。,2.1.1 铁碳平衡相图,反映了在平衡条件下，不同铁碳合金的成分、温度、组织之间的相互关系，并表示了合金中相的组成、相的相对含量和相的变化过程。C含量小于2.11的Fe-C合金称为钢，C0.25%称为低碳钢，电厂个管道用钢一般都是低碳钢。,铁素体是C在体心立方,-Fe中的固溶体；奥氏体是C在面心立方-Fe中的固溶体；Fe,3,C是Fe与C形成的一种金属间化合物。,2.1.2 钢中的合金元素与杂质元素,有意识加入钢中改善力学、物理、化学性能的元素称为合金元素，电厂管道用钢的主要合金元素有Cr、Mo、V、W、Nb、Ni等；,冶炼中带入常存的元素称为杂质元素，对钢的性能产生不利影响的杂质元素为有害元素如S、P等。,2.1.3 钢的热处理,将金属及其合金加热到一定的温度，保温然后以一定的速率冷却，使其组织结构发生变化，从而获得预期的性能（机械、加工、物理化学性能）的操作工艺。,电厂管道用钢的最终热处理一般为正火回火，低碳钢有时在热轧后直接使用，有时为了保证厚壁钢管的性能均匀采用淬火回火。根据成分和冷却条件不同可分别得到铁素体、回火珠光体、回火贝氏体、回火马氏体及其组合。,对某些合金在加热和冷却过程中一直保持奥氏体组织，不发生相变，称为奥氏体钢，与此对应，按照欧美习惯珠光体、贝氏体、马氏体耐热钢钢统称为铁素体耐热钢。,2.2 材料的力学行为,2.2.1 室温力学性能,屈服强度、抗拉强度和塑性；,冲击功：材料在抵抗瞬间冲击载荷的能力，以夏比冲击试验来确定。冲击功比延伸率等塑性指标对冶金质量等更为敏感。,脆性转变温度：材料的冲击功随试验温度降低而降低，材料发生脆性断裂的临界温度称为韧脆性转变温度，一般把整个冲击断口中50%为脆性结晶区所对应的温度作为脆性临界转变温度FATT,50。,对电厂管道来说，FATT,5050,是个重要的指标，如,水压试验，许多常用钢其脆性转变温度在室温附近，如12Cr1MoV钢、15Cr1Mo1V钢等。管道用钢的FATT,50,随着运行时间的延长会逐渐上升。,2.2.2 高温下的变形与断裂,蠕变：材料在长时间的恒定载荷、较高的恒定温度下缓慢地产生不能恢复的塑性变形的现象。蠕变曲线分为蠕变减速阶段、蠕变恒速阶段、蠕变加速阶段。,持久强度：在给定的温度T下，达到规定的持续时间而不发生断裂的最小应力，,T,，锅炉汽机材料一般规定的时间为10,5,h。,持久塑性：持久强度试验断裂后试样的延伸率或断面收缩率，对管道用钢一般要求3-5%。,设计中是否考虑蠕变主要取决于温度，通常碳钢在300-350以上，合金钢在400-450以上就应考虑蠕变问题。,影响钢的持久强度的因素包括化学成分、冶炼方法、组织结构、热处理工艺等,2.2.3 疲劳动载荷下的失效,构件在变动载荷和应变长期作用下由于累积损伤而引起的断裂现象，高温条件下的工作构件，承受高温疲劳或蠕变-疲劳交互作用。,3 耐热钢,3.1 热强钢的发展,高温下工作的钢称为耐热钢，包括抗氧化钢和热强钢两大类，电厂汽水管道用钢均是热强钢。耐热钢与热强钢间并不严格区分。,电厂用耐热钢按其晶格类型可以分为铁素体耐热钢和奥氏体耐热钢两大类。我国沿用前苏联的体系又将铁素体型的耐热钢按正火态的组织细分为珠光体、贝氏体、马氏体耐热钢。,电厂管道用钢通常都是铁素体耐热钢，原因是奥氏体耐热钢尽管热强性能好，但热膨胀系数大、导热性能差，管系推力大，抗热疲劳性能差，影响机组启停灵活性,此外应力腐蚀敏感性高、无损探伤也困难。,电厂管道用钢经历了碳钢钼钢铬钼钢铬钼钒钢9-12%Cr马氏体钢等几个发展阶段，合金化程度越来越高，使用温度也越来越高。,3.2国内外电厂管道无缝钢管钢号对照,类型,GB5310,ASME,SA106/,SA335,EN,10216-2,JIS,G3458,G3456,碳钢,20G,106B/C,P235GH,STPT 410,Mo钢,15MoG,P1,16Mo,STPA12,CrMo钢,15CrMoG,P12,13CrMo44,12Cr2MoG,P22,10CrMo910,STPA24,07Cr2MoW2VNbB,P23,08Cr2Mo1VTiB,P24,7CrMoVTiB10-10,7CrWVMoNb9-6,9-12Cr,10Cr9Mo1VNbN,P91,X10CrMoVNb9-1,STPA28,10Cr9MoW2VNbBN,P92,X10CrWMoVNb9-2,STPA29,11Cr9Mo1W1VNbBN,P911,X11CrMoWVNb9-1-1,10Cr11MoW2VNbCu1BN,P122,SUS410J3 TP,15Ni1MnMoNbCu,P36,15NiCuMoNb5-6-4,3.3 电厂管道用钢的要求,使用温度下的高温强度,良好的高温组织稳定性,热疲劳性能和蠕变疲劳性能；,可能要考虑蒸汽侧抗氧化性能；,优良的焊接性能,电厂管道用钢均为专用钢,钢的冶金质量分类,普通钢（P0.045%，S0.050%）,优质钢（P、S均0.035%）,高级优质钢（P0.035%，S0.030%）,特级优质钢（P0.025%S0.015%）对碳钢和合金钢要求略有不同。,电厂管道用钢必须是专用钢，冶炼方式、对S、P、非金属夹杂、各项性能都有特殊的要求.,举例：20GGB 5310 高压锅炉用无缝钢管,20gGB 713 锅炉用钢板,20-GB GB3087 低中压锅炉用无缝钢管,20 20A 20E GB 699,冶炼方式、化学成分、钢坯、尺寸公差、非金属夹杂、力学性能指标、应变时效敏感性等,4,高温金属部件在运行中的组织老化与损伤,供货态的管道材料组织结构属于非平衡组织，在高温和应力作用下，将逐渐向平衡态组织转变，性能逐渐劣化，即产生组织老化与损伤。,4.1 碳化物的球化和碳化物的聚集,在高温长期应力作用下，钢中原来的珠光体（贝氏体）的片层状渗碳体Fe,3,C、（FeCr）,3,C（在合金钢中称合金渗碳体或碳化物），逐步改变自己的形状为球体的现象；球化后的碳化物继续增大自己的尺寸，使小直径的球变成大直径的球，这就是碳化物的聚集。影响因素包括：温度、时间、应力、钢的化学成分、冷变形和晶粒度。,4.2 石墨化（碳钢和低碳MO钢）,石墨化就是耐热钢在运行中渗碳体分解为铁和游离石墨，在钢中形成了石墨“夹杂”的现象。主要发生在碳钢和Mo钢中，碳钢450700，钼钢480700。温度和合金元素、晶粒尺寸和冷变形。,4.3 合金元素在固溶体和碳化物之间的重新分配,Cr、Mn、Mo尤其是Mo在基体中的含量逐渐降低，转移到碳化物中、碳化物类型、结构、分布状态发生变化：碳化物量越来越多，颗粒变大。,4.4时效和新相形成,耐热钢在服役过程中从组织的过饱和固溶体中析出一些新相导致性能随时间发生变化的现象，时效过程中析出的一般是碳化物、氮化物和金属间化合物，如P91中的Laves相、Z相等，WB36中的Cu相等。,4.5 金属在高温下的氧化与腐蚀,电厂金属中涉及的氧化腐蚀问题很多，对电厂管道主要有外壁氧化、蒸汽侧氧化、应力腐蚀、腐蚀疲劳等。,5 电厂管道典型钢种介绍,5.1 碳钢与碳锰钢,主要钢种：20G、P195GH、P235GH、STPT 410、ASME SA106 B、C,热处理：热轧态或正火态供货,组织：铁素体珠光体,性能特点：,成分简单，塑性、韧性好、弯管、焊接、热处理工艺性能，应用广泛。,SA-106C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。代替20G可以减薄壁厚约10%，节约材料，减少焊接工作量，并改善疲劳性能。,组织稳定性不好：珠光体球化和碳化物聚集、石墨化，原因：高温下C原子的扩散容易，铁素体中没有合金元素。,应用范围：过热器450以下，高温管道425以下。,5.2 钼钢,添加Mo，抑制Fe的扩散，提高再结晶温度、产生固溶强化效果。,15MoG、16Mo,珠光体球化速度减小，但石墨化依然严重，使用温度不超过500。,5.3 铬钼钢,Cr的作用：提高抗氧化能力、形成（Fe,Cr),3,C、Cr,7,C,3,、M,23,C,6,等合金碳化物，减缓C在铁素体中的扩散，抑制球化和石墨化；强化铁素体基体。,12CrMo（0.5Cr0.5Mo）、15CrMo（1Cr0.5Mo）；P11、P12；13CrMo44,组织：铁素体珠光体,500-510、510-530的蒸汽管道,12Cr2MoG；10CrMo910；P22；STPA24,良好的加工工艺性能和焊接性能；持久塑性好；对热处理不敏感，大截面组织均匀，热处理方式多（退火、正火+回火、淬火回火、热轧回火）；,回火贝氏体或铁素体贝氏体组织或珠光体；,570以下的管道,对于碳钢和CrMo钢一种广为接受的观点是完全的贝氏体组织比FB或珠光体好；,贝氏体在高应力短时间下的蠕变强度高，但高温下组织退化比珠光体更快，因此在长期服役下，不同组织的持久强度会收敛到一个点；,对P22钢，收敛点540时约为50000h。,因此低合金CrMo钢对热处理不敏感，但最近几年部分P22强度过低，组织不理想，可能影响管道的寿命。,5.3 12Cr1MoV,前苏联开发的钢种121M，在国内应用广泛；,在P12（1Cr0.5Mo）钢基础上添加0.25V，形成稳定的碳化物并抑制其它元素如Mo从基体向碳化物转移，显著提高了组织稳定性和热强性，许用应力比P22高许多。,正火温度980-1020，以充分溶解V的碳化物；,对正火温度和冷却速率非常敏感，组织多样，容易出现冲击功偏低的情况。,金属温度570蒸汽管道钢管,5.4 15NiCuMoNb5-6-4,WB36是德国开发的一种NiCuMo调质细晶粒耐热结构钢,主要成分：0.15C-1.1Mn-1.1Ni-0.7Cu-0.3Mo-Nb;,Nb的细晶强化、Cu的析出强化；,Cu导致红脆性，Ni含量必须在1.5Cu以上,热处理：880-980正火或淬火，580-680回火；加热均匀采取合适的冷却速率非常重要；,组织为铁素体贝氏体，完全没有珠光体,性能特点,强度比A106C、16Mo3（P1)等有大幅度提高；,最高使用温度450，实际使用温度350以下。,作为给水管道使用温度范围不会产生蠕变；,应该关注使用中的时效问题；,供货态有50%Cu固溶在基体中，运行过程中会析出纳米富铜相，引起材料的脆性，脆性转变温度可提高70。,19871998年，德国的WB36管道和压力容器在运行和水压试验中发生了一系列问题，运行温度280-350。,控制材料中的S含量，提高韧性储备,应用范围：给水管道,5.5 P23/P24,最初主要是针对超超临界锅炉水冷壁而开发：重点考虑：,450以下良好的抗拉强度；,550以下的持久强度；,无需焊后热处理的优异焊接性能；,P23（SMI)&P24（V&M）,从强度上来讲，P23和P24至少在545的机组集箱和管道上有很大的优势；,国内对P24没有系统的研究，对P23的研究应该进一步完善，特别是工艺性能评价；,现已发现在变截面部件如水冷壁、集箱管座焊接时再热裂纹问题严重，在大量用于管道和集箱材料前应首先解决该问题。,5.6 9-12%Cr马氏体钢,T91/P91：10Cr9Mo1VNbN,T92/P92 1.8W,T911/P911 1.0W,T122/P122 2.0WCu,热处理：,1040-10801h正火（空冷）,冶炼、热加工过程中的粗大(Cr,Fe,Mo),23,C,6,、(Nb,V)(N,C)相重新固溶,充分的奥氏体化,完全的马氏体转变、80mm以下可完全淬透,高位错密度的、高硬度板条马氏体,680780回火,部分位错的湮没、亚晶界的形成；,M,23,C,6,在奥氏体晶界、板条界、亚晶界的析出；,MX在晶内、界面处的析出。,强度硬度降低、塑性韧性提高,多尺度强化机理,位错强化,W、Mo固溶强化（溶质原子对位错的束缚）,M,23,C,6,对板条长大的抑制,Laves相的析出强化,MX的析出强化（阻止晶内位错运动）,B的晶界强化和对M,23,C,6,稳定化作用,性能特点：,持久强度高，组织比较稳定；,对制造工艺特别敏感；,应严格控制组织和硬度，对,-铁素体的危害应充分认识；,焊接接头的IV裂纹是设计人员应认识和考虑的一个问题,所有铁素体类钢均有IV开裂敏感性；,9-12Cr马氏体钢IV裂纹敏感性高于低合金耐热钢；,IV开裂使接头强度最低可降低到母材60%；,IV型裂纹起源于壁厚中央，难于检测，扩展迅速破坏性很大；,应力与焊缝垂直时才会导致IV开裂,纵缝管出现IV裂纹的几率很大；,无缝管对接接头由于内压引起的轴向应力仅为环向应力的一半，IV开裂风险较小，但系统应力较大的情况下，仍会出现IV开裂,管道弯曲应力引发IV开裂,支管角焊缝存在IV开裂风险,使用范围：P91：欧洲580；美、日：593，实际610。,P92、P911、P122：625。,