常用锅炉钢的化学成分、机械性能和适用范围

第十五章 锅炉受压元件材料及强度计算

§15-1 锅炉受压元件用钢

一. 锅炉受压元件的工作条件及对钢材的要求

与普通压力容器相比，锅炉受压元件上常开设大量的管孔并与复杂的管路系统相连，除承受压力外还要受到高温烟气的辐射和冲刷，壁温高，应力状态复杂，工作条件恶劣，因此一般称锅炉为一种受火的压力容器。锅炉受压元件在工作中一旦失效就会造成极其严重的后果，因此用于制造锅炉受压元件的材料必须具有足够高的强度、塑性、韧性以及抗疲劳和抗腐蚀能力，对于高温元件必须具有良好的高温机械性能。另外，受压元件在制造过程中，原材料要经受复杂的加工变形和焊接，因而用于制造锅炉的钢材还必须具有良好工艺性能。所有用于制造受压元件的材料必须符合有关锅炉钢材的国家标准。钢材中的分层、非金属夹杂物、气孔、疏松等缺陷应尽可能少，不允许存在白点和裂纹。

二. 受压元件钢材的机械性能

锅炉受压元件钢材的机械性能包括强度特性、塑性、韧性特性及疲劳特性等。温度对钢材的机械性能有很大的影响。

1. 强度特性 我国受压元件强度计算标准主要依据材料在室温（20℃）时的抗拉强度σb和在计算壁温下的屈服强度σst来确定材料的基本许用应力，对于高温元件许用应力则取决于钢材的持久强度σDt。持久强度是指在一定的温度下经历指定的工作期限（通常为105小时）后，不引起蠕变破坏的最大应力。“高温”是指材料在此温度条件下承受载荷时会不断发生缓慢塑性变形，这种现象称为蠕变。锅炉低碳钢、低碳锰钢及低碳猛釩钢在350℃以上就会发生较明显的蠕变现象，而其他热强钢发生蠕变的温度在400℃以上。图15-1是典型的蠕变曲线。从图中可以看出，蠕变过程包括三个阶段，初始阶段，稳定蠕变阶段和加速蠕变阶段，其中加速阶段所占的时间很短但变形量却很大，在此阶段材料会很快发生断裂。因此对于高温元件应定期进行蠕变变形检测，以判断他们是否接近断裂而必须及时更换。与蠕变相似的另一个现象是应力松弛，它是指元件在高温和保持总变形量不变的情况下（如螺栓紧固件），应力随着时间的延长而自行降低。应力减低的原因是一部分弹性变形不断转化成了塑性变形。

图15-1 锅炉钢的蠕变曲线

2.塑性特性

钢材的塑性大小一般用延伸率δ5和截面收缩率ψ来表示。材料塑性大小不仅影响其工