受压元件钢材的强度性能

16.1.2　受压元件钢材的强度性能

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σ_b和在计算壁温下的屈服强度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。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、低碳锰钢及低碳锰钒钢在350℃以上就会发生较明显的蠕变现象，而其它热强钢发生蠕变的温度在400℃以上。图16.1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，以判断它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16.1　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艺性能而且也关系到元件的强度。塑性好的材料不但容易加工，在制造过程中不易产生微裂纹，而且对于应力集中和热应力的敏感性也较低，在锅炉运行过程中不易发生脆性破坏。此外塑性大小也可表明材料的质量，例如当材料有缺陷（非金属夹杂物、偏析、气孔等）时，δ₅和ψ值就会有所下降。锅炉钢材标准对最低塑性值都做了明确的要求，制造受压元件的板材延伸率δ₅不得低于18%。这些标准必须严格遵守，它是保证锅炉受压元件强度的一个重要基础。

3.韧性特性

韧性是指材料在断裂破坏前吸收塑性变形能量的能力。冲击韧性是应用较多的一个韧性指标。韧性好的材料不易发生脆性破坏，事实上许多事故都是由脆性破坏引起的，因此对材料的韧性性能应予以高度重视。锅炉低碳钢和低碳锰钢室温时的夏比冲击功不低于27J，并要求时效后的冲击值下降率不大于50%。钢材的常见脆化形式主要有以下几种。

（1）冷脆性　钢材在低温下呈现的脆性称为冷脆性。锅炉受压元件的正常工作温度虽然都较高，但在水压实验和启动时还是有可能发生此种脆性破坏的。脆性破坏与材料内的缺陷和应力集中密切相关，通常通过冲击实验和落锤实验来确定韧脆转变温度。在韧脆转变温度附近，试件的冲击值随着温度的降低迅速下降。由于冲击实验数据的分散性较大，在确定韧脆转变温度时通常还要参考其断口特征。相对而言由落锤实验确定的无塑性温度（NDT）直观反映了材料发生脆性破坏的最高温度，且数据的波动性较小，一般小于5℃。

（2）热脆性　钢材长时间保持在400～500℃后再冷却至室温，其冲击值有明显下降，这种现象称为热脆性。冲击值的下降幅度一般达50%～60%，甚至80%～90%。许多材料都有发生热脆性的趋势，具体原因还不十分清楚。因此锅炉在重新启动时要特别小心。

（3）氢脆　由钢材中的氢引起材料的塑性、韧性降低或开裂的现象称为氢脆。氢脆主要是由于氢在钢材内部扩散、聚集以及与应力联合作用产生的。发生氢脆的温度范围一般为－100℃～150℃。钢材中的氢主要来自于冶炼、焊接及工作环境介质。

（4）苛性脆化　金属材料的局部高应力区与具有一定浓度的NaOH溶液相接触而发生的电化学晶间腐蚀脆化现象。高应力（高于250MPa）、一定的NaOH浓度和一定的温度是发生苛性脆化的主要条件。

4.温度对材料机械性能的影响

随着温度的升高各种钢材的屈服极限（或σ_0.2）都会单调地降低，但抗拉强度会在某一温度时上升到一个高峰值，然后再降低。此高峰温度称为材料的蓝脆温度。在蓝脆温度附近，材料的强度增加，塑性降低。低碳钢的蓝脆温度在200～250℃左右。低合金钢的蓝脆现象没有低碳钢明显，且蓝脆温度更高。钢材的延伸率δ^t和截面收缩率ψ^t随温度升高而变化的总趋势是上升的，但在蓝脆温度附近存在一个低峰。图16.2～16.5分别是钢材的机械性能随温度的变化曲线。

图16.2　抗拉强度

随温度的变化曲线

图16.3　屈服极限随温度的变化曲线

图16.4　延伸率随温度的变化曲线

图16.5　截面收缩率随温度的变化曲线

5.低周疲劳强度

锅炉主要受压元件在启停和运行过程中不可避免地要发生压力和温度波动，从而使材料产生低周疲劳。低周疲劳的应力循环频率低（低于0.2～5Hz），但幅值很大（接近或超过屈服极限），循环次数一般在10⁵以下。工程上通常采用低周疲劳曲线进行低周疲劳分析计算。图16.6是美国ASME提出的钢材低周疲劳曲线，现已被许多国家采用。图中纵坐标为虚拟应力幅，是由应变幅根据虎克定律计算而来的；横坐标为应力循环次数。该疲劳设计曲线是以光滑试件和少数焊接试件的对称弯曲疲劳实验数据为基础进行适当修正而形成的。应力幅的安全裕度为2；循环寿命的安全裕度为20；其中数据分散性因素取2.0；尺寸效应取2.5；表面状和环境因素取4.0。

图16.6　ASME低周疲劳设计曲线