一、材料的蠕变
在高温和一定载荷的共同作用下,材料发生塑性变形且塑性变形随时间逐渐增加的现象,叫材料的蠕变。了解蠕变需要注意以下几点:
1.材料的蠕变现象在温度高到一定程度时才会出现,试验表明,蠕变温度约为材料熔化温度的25%~35%(以绝对温度计算)。碳钢出现明显蠕变的温度约为350℃,合金钢出现明显蠕变的温度在400℃以上。
2.蠕变是一个持续塑性变形过程,蠕变破裂是蠕变的最终结果。材料自开始蠕变至蠕变破裂所持续的时间叫蠕变寿命。蠕变寿命取决于材质、载荷、温度等因素,其中对温度尤为敏感。在蠕变条件下,温度的微小升高就可使蠕变寿命大幅度降低。
3.材料发生蠕变时,载荷与应力通常并不高,但是低于屈服点的应力和足够的温度即可引起蠕变。
4.对于锅炉压力容器钢材来说,常把对应出现明显蠕变现象的温度称为高温,把钢材抵抗蠕变及蠕变破裂的能力称为高温强度或热强度。
5.钢材的常规静载强度指标——屈服点及抗拉强度,无法表示钢材抵抗蠕变及蠕变破裂的能力,通常用蠕变极限及持久强度表示钢材的高温强度,即抗蠕变能力。
蠕变极限是在一定温度下,在规定的工作期限内(通常为1×105h)引起规定蠕变变形(1%)的应力;持久强度是在一定温度下,经过规定的工作期限(1×105h)引起蠕变破裂的应力。
二、应力松弛应力
松弛是特定情况下的一种蠕变现象。承载初期仅发生弹性变形的螺栓或弹簧,在高温和应力作用下逐步产生塑性变形,即蠕变变形。由于总变形不变,塑性变形的增加伴随着弹性变形的减少,即弹性变形逐步转化成了塑性变形。而螺栓或弹簧中的应力是与弹性变形成正比的,随着弹性变形的减少和塑性变形的增加,螺栓或弹簧中的应力水平逐渐降低,本来拉紧的螺栓或弹簧产生了松弛。松弛常造成介质泄漏及其他连带危险。
三、锅炉压力容器的蠕变破裂
锅炉中的锅筒、锅壳、炉胆等大型结构,尽管接触火焰或受热介质,但由于介质的可靠冷却及介质温度较低,使得这些部件的金属壁温达不到蠕变温度,因而在正常运行工况下不会产生蠕变及蠕变破裂。换热容器和反应容器也多是这种情况。
锅炉压力容器中的蠕变和蠕变破裂,可见于以下情况:
1.受热的锅筒、集箱、管子内沉结水垢,使金属壁温升高至蠕变温度以上。
2.受热面管内进入钢球、木塞等异物,使介质流动不畅,传热不良;或蒸发受热面水循环不良,使金属壁温升高至蠕变温度以上,但未达相变温度。
3.受热面管群中的某些管子,因受热偏差或流动偏差而未能可靠冷却,金属壁温升高至蠕变温度以上。
4.该用合金钢的承受高温部件错用了碳钢,在合金钢的正常工作温度下使碳钢发生了蠕变。
5.高压大型锅炉的过热器和蒸汽管道、高温压力容器,在正常工况下就有蠕变问题,因设计选材不当或运行监控不严而发生蠕变破裂。
四、蠕变破裂的基本特点
金属材料的蠕变破裂,大体上可分为穿晶型破裂和沿晶型破裂两种。
1.在高应力及较低温度下蠕变时,最终发生穿晶型蠕变破裂,破裂前有大量塑性变形,破裂后的伸长率高,往往形成缩颈,断口呈延性形态,因而也叫蠕变延性破裂。
2.在低应力及较高温度下蠕变时,最终发生沿晶型蠕变破裂,破裂前塑性变形很小,破裂后的伸长率甚低,缩颈很小或者没有,在晶体内常有大量细小裂纹,这种破裂也叫蠕变脆性破裂。
3.蠕变破裂断口常有明显的氧化色彩。
高压大型锅炉的过热器管和蒸汽管道,由于直径相对于壁厚较小,应力水平较低而温度水平较高,因而其蠕变破裂常呈沿晶脆断特征。
五、蠕变破裂的预防
1.合理进行结构设计及介质流程布置,尽量避免承受高压的大型容器直接承受高温,避免结构局部高温及过热。
2.根据操作温度及压力,合理选材,使材料在使用条件下及服役期限内具有足够的常温强度及高温强度。
3.采用合理的焊接、热处理及其他加工工艺,防止在制造、安装、修理中降低材料的抗蠕变性能。
4.严格按操作规程运行高温设备,防止超高温、超高压降低蠕变寿命。对受热但未到蠕变温度的锅炉压力容器,要防止因结垢、存污而使设备超温。