锅炉受压元件钢材的失效形式

一、锅炉钢材的短时机械特性

金属材料在外力作用下表现出来的性能，如弹性、塑性、强度、硬度、韧性等，统称为材料的机械或力学性能。锅炉钢材必须具有足够高的综合机械性能。由室温拉伸实验得到的强度极限、屈服极限、伸长率和截面收缩率，以及由室温冲击试验得到的冲击韧性值是锅炉钢材的重要机械性能指标。

钢材的屈服极限和强度极限决定着锅炉元件所能承受的应力及其承载断面尺寸，伸长率和断面收缩率决定着钢材工艺性能的好坏，冲击韧性值表示钢材的韧脆性以及承受冲击载荷的能力。

锅炉的承压部件都是在较高温度下工作的，高温下金属的机械性能与常温下的机械性能有所区别，主要有以下几项：

1. 高温下材料表现出机械性能指标对承载时间的敏感性，高温短时试验数据与高温长时试验数据是不同的。

2. 高温下材料的强度性能指标有所下降。

3. 低碳钢在200~300℃，低合金钢如钼钢和铬钼钢，在400~500℃出现强度增加、塑性降低的现象，称为钢材的兰脆性。

二、塑性破坏

塑性破坏是指部件承受载荷超过其最高许用应力值，致使部件塑性变形过大而发生的破坏。锅炉元件的塑性破坏主要有两种，一种是因超压而引起的塑性破坏，一般发生在安全阀和燃烧自动控制设备同时失灵等情况下；另一种是因超温而引起的塑性破坏，发生在受热面冷却条件遭受破坏的情况下。

三、脆性破坏

锅炉钢材在正常条件下都具有较好的塑性和韧性性能，但在工程中，由于一些外界因素的影响，会导致钢材脆化，从而发生脆性破坏。锅炉启停过程中，温度、压力等参数变化大，防止脆性破坏对保证锅炉启停安全具有非常重要的意义。

1. 冷脆。钢材在低温条件下呈现的脆性称为冷脆。锅炉元件的工作温度较高，在运行条件下具有较好的塑性，但在进行水压试验时，若水温较低，刚才就可能脆化，导致脆性破坏。

2. 热脆。当钢材长时间停留在400~500℃，然后冷却到室温时，其冲击韧性值会有明显的下降，这种现象称为钢材的热脆性。蒸汽管道在启动和停炉的低温阶段，由于水冲击和振动等原因很容易造成热脆破坏。

3. 氢脆。钢材中的氢会使机械性能脆化，称为氢脆。在冶炼和焊接过程中如不采取严格措施，将使钢材中的氢含量增加。启动过程中，由于温度交变使保护层产生裂纹，基本金属暴露出来，当金属温度高于400℃时，发生3Fe+4H₂O═Fe₃O4+4H₂↑的反应，氢气就析出了。这种所谓的蒸汽腐蚀会使所产生的氢渗入钢材中。氢脆断裂一般发生在较低温度范围内（-100~150℃），温度较高时氢将从钢中逸出。

4. 苛性脆化。苛性脆化是由于容器水介质内含有浓度很高的苛性钠，使得钢材腐蚀加剧而引起的脆化现象。产生苛性脆化条件为：①存在很高的局部应力；②在此部位下与高浓度苛性钠溶液相接触；③在一定工作温度下。

5. 应力腐蚀。由拉应力与腐蚀介质联合作用而引起的低应力脆断称为应力腐蚀，它在断裂前往往，没有先兆，而是突然产生脆断。

四、疲劳破坏

钢材在远低于其抗拉强度的交变（循环）应力的作用下，经过一定的循环次数之后，材料会发生断裂，这种现象称为疲劳破坏。在静载荷拉伸时呈塑性的材料，在疲劳断裂时看不出显著地塑性变形，而呈现突然断裂的现象，因此材料的疲劳破坏具有更大的危险性。钢材抵抗疲劳断裂的特性在不同的条件下不同，一般可分为以下几种：

1. 高周疲劳。是指低应力（低于钢材的屈服极限，甚至低于弹性极限）、高寿命（应力循环周数在10000以上）的疲劳。

2. 低周疲劳。锅炉每发生一次启停，其承压元件都要经受一次交变应力及应变循环。由于某些部位存在着应力集中或残余应力，会使该地区的总应力超过钢材的屈服极限而产生塑性应变。在交变塑性应变作用下造成的破坏称为低周疲劳破坏。低周疲劳断裂时的应力循环周数在10000以下。

3. 热疲劳。指在温度变化所产生的热应力反复作用下所造成的疲劳破坏。热疲劳与低周疲劳具有相似的应变——寿命规律，因而，其破坏特征相同。

4. 腐蚀疲劳。指部件在交变载荷和腐蚀介质的共同作用下所产生的疲劳破坏。

五、蠕变破裂

在高温条件下，承受载荷的钢材不断发生缓慢塑性变形的现象称为蠕变。蠕变一般分为三个阶段：①单位时间的蠕变变形量在此阶段中随时间增加而减少，称减速蠕变阶段。②蠕变速度为常数，且是整个蠕变过程中蠕变速度最小的阶段。试验结果表明，温度愈高，应力愈大，稳定阶段的蠕变速度就愈大。③蠕变速度随时间的增长而急剧增加，至某个点发生断裂，也称为加速蠕变阶段，工程实际中一般认为此阶段的部件已处于危险状态。

在锅炉高温承压部件，蠕变变形本身并不影响锅炉工作，只要保证元件在使用期内不发生破裂即可，故在强度计算中，通常以钢材的持久强度作为设计的依据。钢材的持久强度是指在高温条件下经过规定时间发生蠕变破裂时的应力，它反应钢材在高温下长期工作的抗断裂能力。

六、长期在高温下的钢材组织结构的变化

在室温条件下，钢材的金相结构及性能一般较稳定。但是在高温条件下，金属原子的扩散能力增大，在长期工作过程中，钢材的组织结构将不断发生变化，并使其性能变坏，严重时会导致破裂事故。

1. 珠光体球化。常用的各种锅炉碳素钢和低合金钢都是珠光体钢，其正常组织是由珠光体和铁素体晶粒组成的，珠光体晶粒内的铁素体和渗碳体均呈片状，称为片状珠光体。片状球光体是一种不稳定组织，由于在相同体积下，片的表面积大于球，因而在高温下，片状珠光体中的渗碳体有逐渐转变为球状，并聚集成大球团的趋势，这种现象称为珠光体球化。珠光体球化使钢的强度极限、蠕变极限、持久强度等机械性能均下降。

2. 石墨化。石墨化是钢中渗碳体在长期高温作用下自行分解的一种现象，Fe₃C→3Fe+C（石墨），它使钢材的室温和高温机械性能（强度和塑性）均下降，特别使冲击韧性显著降低，使钢材明显变脆，导致脆断。

3. 合金金属的重新分配。在长期高温下，合金元素从固溶体转移到结构较稳定的碳化物中去，导致钢材强度降低。

七、锅炉钢材的高温氧化

锅炉的某些高温元件在高温烟气和高温蒸汽的作用下，与烟气或蒸汽中的氧发生氧化反应，生成氧化膜。如果氧化膜不能紧密地包覆在钢材表面而发生脱落，则氧化现象不断发展，导致破坏。

八、应力松弛

钢材在高温和应力作用下，如果保持总变形量不变，随着时间的延长，应力逐渐降低的现象称为应力松弛。应力松弛过程，实际上是在总变形量不变的情况下，材料中的弹性变形随着时间延长不断转变为塑性变形过程。当用螺栓压紧两个工件时，应力松弛会造成压紧力减弱，导致密封失效，使容器内部泄漏，造成破坏。