電站鍋爐金屬材料的選擇與使用

趙加星，劉濤，董永昌

（中國特種設備檢測研究院，北京 100029）

電站鍋爐屬于特殊設備，其受國家安全監管的監督。電鍋爐金屬材料的選擇中，要嚴格的按照國家相關標準，選取符合規格的材料，避免低材高用，當選取的金屬材料不具備承壓能力時將發生嚴重的安全事故，危及人們的生命財產安全。反之如果高材低用，不僅浪費了材料，同時也會造成一定的安全隱患，如用在碳鋼部位使用合金材料，也容易發生危險，因此科學的選取電站鍋爐金屬材料對于提升電站鍋爐的安全性和穩定性具有重要的意義。

一、金屬材料簡述

電站鍋爐的金屬材料選擇是一門復雜的學科，電站相關的檢修和改造工作人員應當熟練的掌握金屬材料基礎知識，及時的了解國內外的金屬材料技術發展，針對不同的情況要靈活變通，選取切合實際的材料，從根本上提升電站鍋爐的穩定性，同時為檢修和維護提供便利。

工作人員熟練的掌握金屬知識是提升電站鍋爐檢修質量的必要條件，只有充分了解金屬特性才能夠提升鍋爐的檢修質量。電站鍋爐常用的金屬原料主要是鋼鐵，為黑色金屬，主要由鐵元素組成，是一種晶體物質。鋼鐵的性能主要由組成元素、組成元素含量、種類、微觀結構決定，如果需要改良鋼鐵的屬性可以對其進行熱處理，改變其組織結構，使其適用于電站鍋爐的建設中。

二、電站鍋爐金屬材料應用位置

電站鍋爐屬于高危設備，在我國的安全檢測中，要充分的考慮到鍋爐日常的維護細節，尤其在構件的材料選擇上，如果金屬材料性能搭配錯誤，不但會降低工作效率，同時還存在一定的安全隱患，嚴重時可發生重大事故，造成人員傷亡。

為了能讓鍋爐使用過程中發揮最大的作用，對鍋爐內部的承重材料的選擇一定要慎重，選擇承重合適的金屬材料不僅能更好的解決爆管事故還可以避免因降限帶來的浪費。在電站鍋爐的材料選擇中，應當在不同的位置選取適合的材料，如果用合金材料代替碳鋼管進行連接將會增加鍋爐爆炸的危險系數，為了避免鍋爐使用時時效時間過長，那么就應該注意焊縫位置是否受到母材料的影響。

另外，在對于接頭位置的焊接是有技術難度的環節，工作人員在操作過程中要尤為注意，因為稍有不慎就會增加鍋爐爆炸的風險。技術人員不僅要在金屬焊接接頭時對材質選擇慎重，更應該嚴格按照技術要求標準執行操作，充分發揮焊接材質在接頭位置的性能。

三、合理的對金屬材料選擇

（一）金屬材料的分類研究

金屬材料在電站鍋爐中的使用屬于實驗應用科學范疇，因此日常工作人員需要扎實掌握基礎的理論知識，充分的運用應用化學知識提升工作效率，確保正確的選取金屬材料。通常情況下，鋼鐵是電站鍋爐中常見的金屬材料，是由鐵構成的金屬混合物，并在制作的過程中加入其它金屬，根據種類和比例的不同產生的鋼鐵屬性也是不同的。同時鋼鐵的性質還受到了溫度的影響，熱處理后的鋼鐵屬性會發生變化，這些變化能夠改變原有的金屬組織，讓金屬材料的功能發生變化。

（二）金屬材料的選擇影響因素

鋼鐵是一種混合物，具有較強的金屬性。鐵元素是構成鋼鐵的主要元素，在鍛造的過程中還可以加入其他元素，這些元素大部分組成是碳，其次可以加入硫、磷、硅、錳等元素，由于碳和其他元素的加入往往能夠增加金屬混合物的硬度，在抗腐蝕性能上也有了較大的提升，碳元素與其它元素的結合是碳鋼的由來，如果其他組成元素較多的話稱為合金鋼，工作人員要根據電站鍋爐不同位置選取不同屬性的金屬材料[1]。

在鋼鐵組成中，硫和磷元素并不能夠改變鋼鐵的性質，在鋼鐵的鍛造過程中，這兩種元素是經常出現的雜質，理論上，低雜質的鋼鐵質量要好與高雜質鋼鐵，但是在實際的鍛造中，雜質的含量應當控制在一定范圍內，雜質過多或者過少都會對鋼鐵質量與硬度產生很大的影響。

（三）鋼是晶體物質

鋼在我們日常生活中有著重要的作用，這種晶體物質中含有碳元素，而碳元素按同種異構體形式分為石墨、金剛石以及無定形碳三種。碳元素的化學性質直接受碳原子的排列方式影響，不同的碳元素排列方式也會對形成的晶體物質在晶體性能上產生影響，會直接導致元素異構體的物理性能以及力學性能產生非常驚人的差別。例如石墨與金剛石，這兩種物質因為晶體結構的排列方式不同，所以在空間形態上的表現也不同，作用也是不同的。石墨具有柔軟的性質，不僅具有導電性還能用來制作鉛筆；而金剛石則恰恰相反，作為世界上最堅硬的物質往往用來當做切割的材料。

（四）鋼中的組成元素

鋼水化成液體后，在凝固過程中其組成元素會生成特有的晶體，這種重新組成的鋼會帶有明顯的物理性能與化學性能，這與上文提到的鋼中碳元素的異構現象類似。鍋爐壓力容器中使用的鋼材料通過不同的熱處理可以分解出鐵素體、奧氏體、珠光體、馬氏體和貝氏體等。

促使改變晶體結構發生變化、重新分布化學成分等，而且可以調整、改善組織結構狀態，保證和提高材料的使用性能。

四、金屬材料的使用

隨著我國能源建設的不斷發展，電站建設的要求逐漸提升，許多電廠鍋爐提高了對原料的要求和標準，有些電站鍋爐采用了不銹鋼材料，通常是18Cr8Ni 系，這些材料加工較為困難，只能委托給專業的工廠進行制造，但是很多不銹鋼材料在熱處理方面達不到應有的性能，對材料進行整體或局部的固溶熱處理不達標，在這種情況下，設備的使用壽命被嚴重降低。例如，奧氏體不銹鋼抗腐蝕不強，在應用的過程中容易受到腐蝕，主要是因為內部的碳原子在同晶界交換的過程中產生了鉻元素，導致不銹鋼材料晶間缺少了鉻元素，尤其在高溫的環境下，在400 度以上的高溫，此反應更為迅速，因此在實際的操作中，應當對溫度進行嚴格的控制，盡可能雖短高溫停留時間，避免產生缺鉻反應。此外，在焊接的時候，需盡量選擇小線能量，讓溫度上的控制可以更為精確。

（一）控制晶間腐蝕趨勢

晶間腐蝕嚴重損壞了金屬材料，因此若想保證電廠鍋爐的安全運行就要對晶間腐蝕進行有效的控制。為了有效地控制晶間腐蝕，工作人員可以根據奧氏不銹鋼提出不同的使用條件，采取固溶處理，通過改變處理工藝來提升材料的穩定性。其次還可以運用鈍化處理，降低金屬材料表面的活性，用氧化性酸進行氧化，形成氧化保護層，提升抗腐蝕性。電站鍋爐的工作溫度為600 度以上，剛好達到了金屬材料的敏感溫度，固溶處理的材料再次溫度區間依舊能夠產生晶間腐蝕，導致材料損壞，降低了安全性。此時應當穩定化處理材料，固定碳元素，避免發生轉移，這樣能夠顯著的提升材料的使用壽命[2]。電廠鍋爐在運行的過程中，奧氏體不銹鋼產品采用局部固溶處理工藝，從理論上講，這樣的處理方式不夠科學，其次金屬材料采用的是固溶處理時取局部熱處理方式，不論固溶處理還是穩定化處理，局部熱處理方式可能會導致材料長期處于敏感溫度區間，因此提升了整體材料的不穩定性。一旦發生晶間貧鉻，性能下降，形成質量隱患，運行中這個部位會最先失效[3]。

（二）鍋爐高溫段金屬材料選擇

在對發電鍋爐高溫段的材質選擇時，應該使用具有穩定性與整體性的熱處理工藝，采用18Cr—8Ni 系列不銹鋼的制成品。為了增加耐氧化腐蝕性，在熱處理之前推薦先使用整體內外壁鈍化處理隨后采用具有穩定性的整體熱處理，但是增加工序也增加了成本。

五、結語

電廠鍋爐金屬材料的選擇對于提升電廠鍋爐運行的穩定性具有重要的意義，在維護的過程中要嚴格的按照我國相關技術監督標準進行，對于不同的焊接頭要選取科學的材料，并對其進行嚴格的檢查。在實際工作中一旦用錯材料將導致焊接頭發生腐蝕，降低工作效率，嚴重可導致安全事故，危機人們的生命和財產安全。因此電站鍋爐改造人員要充分的了解各種金屬材料知識，靈活的選取不同的金屬材料，針對實際工作中出現的問題要及時處理，降低事故發生的概率，提升鍋爐運行穩定性，促進我國電力建設的發展。