电站锅炉金属材料的选择与使用

电站锅炉是受国家安全监察管理的具有爆炸危险性的特殊设备。锅炉金属材料的正确选择和使用，对确保电站锅炉的安全运行至关重要。错用钢材就相对增加了锅炉的潜在爆炸危险性。重点对电站锅炉金属材料的选择与使用进行分析探讨。

电站锅炉 金属材料 选择 使用电站锅炉是受国家安全监察管理的具有爆炸危险性的特殊设备。锅炉承压部件金属材料选用过程中，若发生低材高用，即超限使用时，其后果肯定是短时间内就会发生爆管事故；反之，高材低用，相当于降限使用，如碳钢焊接采用合金焊条或碳钢部位使用合金管，也同样会构成危险点。材料失效位置不在母材而在焊缝热影响区，发生失效的时间间隔可能长于前者。从焊接角度上看，焊接接头总是钢制结构中的薄弱环节，而异种钢焊接接头与同种钢焊接接头性能相比较，就更是薄弱部位。在锅炉安全监察规程和金属技术监督规程中，对异种钢焊接接头的监察和监督检验，都有严格而明确的规定，关注力度严于同种钢焊接接头。因此，错用钢材过程中形成的异种钢焊接接头，就相对增加了它的潜在爆炸危险性。为了能够切实把好选用材料关，从事电站锅炉检修、改造工作的工程人员，掌握金属材料方面某些重要的基本知识、了解一些国内外材料科学技术发展过程和一些不同类型发电锅炉用材情况等，对实际工作是有益处的。

1金属材料的基本知识金属材料学是一门试验应用科学，作为锅炉检修人员掌握其中的一些基本概念和要点，对保证和提高检修质量是有帮助的。通常所谓的钢铁是以铁为基体的黑色金属，属于晶体物质。决定钢的性能的主要因素有：与组成它的化学元素成分有关，即元素种类及其含量；与其组成化学元素所形成的显微组织结构有关，即有什么样的组织就有什么样的性能；与组织结构（金相组织）和热处理工艺有关。因为通过热处理措施及过程可以改变原有的组织结构，赋予材料新的性能。

2金属材料的选择钢中以铁为基体，含有C及少量Mn、Si、S、P等杂质元素，这种钢称为碳素钢。在碳钢组成的基础上，加入一些其他元素，如Cr、Ni、Mo、V、W、T1、B、Mn等以获得某些特殊性能，这种钢称为合金钢。特意加入的元素称为合金元素。钢的组成元素中，S、P纯属于有害杂质，理论上含量越低越好。其他元素对钢性能的作用与影响都具有二重性：在其含量限定（百分含量）范围内对钢的某一特性的影响，可视为是正面的；越出限定范围上限，则视为是负面的。钢中元素组合及其百分含量都是通过理论验证和长期生产实践考验确定下来的，钢材标准就是元素的合理组合和限定范围。各元素对钢性能的影响是相对于钢中元素合理组合及限定范围而言的。对于一个具体钢种的每个化学成分的含量，厂家给出的是元素含量的范围，元素含量化学分析试验或光谱分析试验给出的是某个化学元素的具体含量数值。若材料化学元素复验报告单里，元素成分含量写的是范围，则单就报告形式就是不合格的。钢是晶体物质，其中所含的碳元素有三种同素异构体：无定形碳、石墨和金刚石。碳元素与它的同素异构体之间的物理性能和力学性能有很大的差别。其原因是石墨、金刚石各自所具有的空间结构，这种晶体结构赋予两者与无定形碳不同的物理性能和力学性能。钢铁中晶体与此同理，说明了晶体材料性能除了与成分有关外，还取决于其化学组成成分所形成的空间构型――晶体结构。钢中的组成元素在钢水凝固过程中生成具有特定晶格类型的晶体，并赋予金属材料相应的具有标识性的物理性能和力学性能，这与碳的同素异构现象是相似的。不同的是：要想改变碳的同素异构体晶格类型，使它们互相转变是非常困难的，但是，用热处理的方法可以改变钢中的晶格类型，转变原组织结构状态，改善其性能。锅炉压力容器用钢中常见的显微组织有铁素体、奥氏体、珠光体、马氏体和贝氏体等，这些材料均可以采用不同的热处理工艺，促使改变晶体结构发生变化、重新分布化学成分等，而且可以调整、改善组织结构状态，保证和提高材料的使用性能。常用的耐热钢种类、合金元素总含量、组织结构和供货热处理状态的组合情况。

3金属材料的使用近年来，许多电厂对锅炉高温段进行了材料升级，换成不锈钢材料，一般是18Cr8Ni系。由于加工困难，大多是委托制造厂制作。其中突出的问题是热处理工艺不合理，表现为对制成品采用整体或局部固溶热处理的工艺不当，后者比前者更不合理。这样处理的部件在电厂的使用条件下，将会降低它的使用寿命。奥氏体不锈钢具有晶间腐蚀倾向，其原因是由于晶粒内部的碳原子向晶界迁移并与晶间的铬生成Cr23C6而导致晶间贫铬。奥氏体不锈钢在450～850℃之间最容易发生贫铬，所以这个温度段被称为敏化区。因此，对奥氏体钢材焊接或热处理操作时，应尽可能地缩短在敏化区的停留时间，如焊接时采取使用小线能量、控制层间温度等措施。为了控制晶间腐蚀趋势，根据奥氏体不锈钢使用条件不同，可采取固溶处理、稳定化处理或钝化处理工艺。钝化处理是利用氧化性酸进行氧化，在不锈钢件表面形成致密氧化铬保护层，增强耐腐蚀性。电站锅炉上的奥氏体钢管使用温度是600～750℃，正好处于材料的敏化区。经固溶处理的奥氏体不锈钢材料在这个温度下，仍然会发生碳迁移，导致晶间贫铬，降低了材料的耐腐蚀、抗氧化等特性。若采用稳定化处理工艺――固定晶粒内碳元素，则有利于保持材料的使用性能和寿命。在电厂运行条件下，奥氏体不锈钢产品采用局部固溶处理工艺，从道理上讲，其本身存在着不合理性。更不合理的是固溶处理时取局部热处理方式，不论固溶处理还是稳定化处理，局部热处理方式都是不可取的。因为部件从热处理炉内高温到炉外室温，其中必有一段处于敏化区，发生晶间贫铬，性能下降，形成质量隐患，运行中这个部位会最先失效。发电锅炉高温段用18Cr―8Ni系列不锈钢的制成品，推荐宜采取整体稳定化热处理工艺。若在采用整体稳定化热处理的基础上再进行整体内外壁钝化处理，耐氧化腐蚀效果将会更好，但会增加成本。

参考文献：

[1]邹刚.电站锅炉金属材料的选择.电站锅炉，2007.

[2]佟亚.电站锅炉金属材料的使用.锅炉使用，2008.