金属技术监督讲座资料

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第七章 电力工业技术监督

（主要将红色部分内容及两次检验发现问题如何整改

及重要性讲解以下）

六节 金属技术监督

一、金属技术监督概述

随着电力工业的飞速发展，火电厂大容量、高参数的发电机组日益增多，对金属监督工作提出了愈来愈多的要求。

火电厂运行机组受监督范围内的金属部件，如主蒸汽管道、再热蒸汽管道、压力容器、重要转动部件、紧固件、锅炉受热管件等，都在高温、高压和腐蚀性介质作用下长期运行，因此会发生金属材料组织和性能的变化，甚至可能引起某些金属部件的失效，一旦金属部件失效就会引起事故，有时甚至会发生严重事故，直接影响到电厂的安全经济运行。

近几年高温高压电厂金属设备事故频繁：600MW汽轮机叶片根部裂纹，叶片弹簧断裂；300MW机组高压汽缸螺栓在运行不到一年就发生断裂；125MW机组主蒸汽管道与再热蒸汽在经过长期运行后，在连接焊根部发现了不少裂纹性质的缺陷等。锅炉受热面管件的爆泄事故尤为突出，占金属设备事故的88％～90％，为了防止金属设备事故的发生，做好防患措施，就必须了解和掌握高温金属部件长期运行的主要变化及其变化规律，必须加强金属技术监督工作。

金属技术监督工作是保证电力设备安全，经济、稳定供电的一项主要措施。各发电、供电和电力建设、修造等单位要严格执行部颁DL438－91《火力发电厂金属技术监督规程》和网局颁布的《金属技术监督条例》，切实做好金属监督工作。

金属技术监督工作应贯彻安全第一，预防为主的方针，并实行专业监督与群众监督相结合，不断发现设备缺陷与隐患，采取防患措施，提高设备健康水平。

金属技术监督工作要对设备的选型、设计、制造、安装、调试、试生产、运行、停用、检修及技术改造实行全过程技术监督管理，及时发现问题采取有效技术监督措施，减少与堵截在上述各个过程中的金属设备的时期失效与损坏。

金属技术监督的目的是在对金属受监督设备与部件在全过程管理各个阶段中，防止由于金属材料和焊接质量问题引起的各类事故，延长设备的使用寿命，保证机组安全可靠运行。

二、基层单位金属技术监督管理模式

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厂（公司）级监督工作在厂长（经理）领导下由总工程师具体负责。在生产管理部门设金属监督专职（责）人员负责本单位金属监督工作的归口管理。在各厂（公司）总工程师领导下认真贯彻上级有关规程标准、规定、制度和指示；建立健全金属技术监督网络，每年至少召开二次监督网会议；按时完成金属监督工作的月报、设备异常情况信息报表、季度与年度总结，结合设备具体情况制订本单位的金属监督工作实施细则或条例；做好本单位新机组基建过程中的金属监督全过程管理；参与主要设备事故调查与分析，制订反事故措施；配合有部部门提出机炉检修、运行中金属监督和试验项目，并做好金属监督检查和一般试验鉴定工作；做好对金属材料、备品备件和焊接质量的监督与管理；建立和健全本单位金属监督记录、资料、台帐、档案等基础工作；开展技术革新，学习和推广新技术，不断提高测试技术水平。

金属技术监督网络组织由锅炉检修、运行、汽机、化学、金属测试、物资供应、焊接、钢铁仓库等部门组成，负责本部门的日常监督工作。

金属监督范围之广，监督项目之多、任务之重，仅靠专业人员监督是不够的。事故调查实践表明电厂金属部件损坏大量的事故往往都涉及到设备结构的合理性，设备的选材、材料本身的冶金特点，制造与安装质量、运行水平、检修与改造过程中的工作，以及相关专业的工作质量等，它们都有可能影响到金属部件的安全稳定性与使用寿命。因此，要使金属监督范围内的金属部件能够安全使用，以保证机组安全运行，决不单单是一个金属专业的事情，而需要与锅炉、汽机、化学、材料供应、焊接、金属测试等相关专业的技术力量相互配合，共同把一项工作做好。所以监督网络作用是极其重要的。

在金属监督网络中，锅炉专业主要任务是：加强受监设备和部件和检查、巡视、防止超温超压；汽机专业做好转动部件监督；化学专业控制好汽水品质，做好防腐结垢工作；材料供应部门，要做好钢材、钢管和备品配件的质量验收、保管和发放工作，严防错收错发；焊接专业要把好焊接质量和热处理关、金属试验室则要负责做好金属测试、检验工作。正是依靠网络中的各专业在日常工作中分头把关，在网络活动中互通信息，相互配合，共同分析、研究和解决发现的问题，才能使金属监督工作落实到位，从而保证机组的安全稳定运行。

三、技术监督

（一）技术监督

工作温度大于和等于450℃的高温金属部件，如主蒸汽管道、高温再热蒸汽管道、过热器管道、再热器管道、联箱，工作温度为435℃的导汽管、汽缸、阀门、三通，工作温度为400℃螺栓等； 工作压力大于和等于6MPa的承压管道和部件，如水冷壁管、省煤器、联箱、给水管道等，工作压力大于3.9MPa的锅筒，100MW以上机组低温再热蒸汽管道；

汽轮机大轴、叶轮、叶片和发电机大轴、护环等。

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（二）金属技术监督任务

做好监督范围内各种金属部件在制造、安装和检修中的材料质量和焊接质量的监督以及金属试验工作；

检查和掌握受监部件服役过程中金属组织变化、性能变化和缺陷发展情况。发现问题及时采取防爆、防断、防裂、防磨措施。对调峰运行的机组，其重要部件应加强监督；

参加受监金属部件事故的调查和原因分析，总结经验，提出处理对策并督促实施；

逐步采取先进的诊断技术和在线监测技术，以便及时和准确地掌握及判断受监金属部件寿命损耗程度和损伤状况；

建立和健全金属技术监督档案。

（三）金属部件的技术监督

通常，我们把受监的金属部件分成七大类，进行监督管理。

1．主蒸汽管道、高温再热蒸汽管道的监督

主蒸汽管道、高温再热蒸汽管道的设计必须符合DL－GJ23－81《火力发电厂汽水管道设计技术规定》的有关要求。

在蒸汽温度高的水平段上设置监察段，进行组织性质变化及蠕变监督，监察段上不允许开孔和安装仪表插座，也不得安装支吊架。蠕变监督及设计等按部分颁发的DL441－91《火力发电厂蒸汽管道蠕变测量导则》规定进行。管道安装完毕移交生产前，由施工单位与生产单位共同对各组点进行第一次测量，做好技术记录。

管道保温层要良好，对露天布置的部分及与油管平等、交叉和可能滴水的部分，必须加包金属薄板保护层。露天吊架处应有防雨水渗入保温层的措施。严禁在管道上焊保温拉钩，不得借助管道起吊重物。

直管和弯管，安装时应由施工单位逐段进行外观、壁厚、金相组织、硬度等检查，弯管背弧外表面进行探伤。管道安装完毕，施工单位会同生产单位共同对管进行不圆度测量，做好技术记录，测量位置应有永久性标记。

主蒸汽管道、高温再热蒸汽管道，特别是弯头、弯管、三通、阀门和焊缝等薄弱环节，应定期进行运行中巡视检查。对超设计使用的管道更应注意检查、每值至少巡视一次，发现漏泄或其它异常情况时必须及时处理，并做好记录。

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主蒸汽管道、高温再热管道不得超过设计的温度、压力的上限运行，如超温时，则应做好记录，启动和运行中应严格执行暖管和流水措施，认真控制温升、温降速度，并监视管道膨胀情况。 主蒸汽管道可能有积水的部件如压力表管、疏水管附近，喷水减温顺下部、较长的死管及不经常使用的联络管，应加强内壁裂纹检查。

200MW以上机组主蒸汽管道、再热蒸汽管道（包括热段、冷段），运行10万h，应对管系及支吊架情况进行全面检查和调整。

超过设计使用期限合金钢主蒸汽管道、再热蒸汽管道、当蠕变相对变形达1％或蠕变速度大于1×105％／h时，应进行材质鉴定。 －

2． 受热面管子的监督

受热面管子安装、施工单位应根据装箱单和图纸进行全面清点，注意检查表面有无裂纹、撞伤、压扁、砂眼和分层等缺陷。

检修时，锅炉检修部门应有专人检查受热面管子有无变形、磨损、刮伤、鼓包、腐蚀、蠕变变形及表面裂纹等情况，发现如上情况时要及时处理，并做好记录。

壁温大于450℃的过热器管和再热器管，在壁温最高处设监视段，取样周期为5万h，监督壁厚、管径组织、碳化物、脱碳层和力学性能变化。当发现下列情况之一时，应及时更换：

合金钢过热器和再热器管外径蠕变变形大于2.5％；碳素钢过热器和再热器管外径蠕变变形大于

3.5％；表面有氧化微裂纹；管壁减薄到小于强率计算壁厚；石墨化达4级（对碳钢和钼钢）。

3．高温螺栓的监督

高温螺栓的力学性能应符合GB3077－88《合金结构钢技术条件》要求。

根据螺栓使用温度选择钢号。螺母材料一般比螺栓材料低一级，硬度值低20～50HB。

汽缸螺栓和中心孔较大的其它螺栓、中心孔加热必须采用电热元件或热风器，禁止使用火嘴直接加热。

高温螺栓紧固力不宜过大、汽缸新螺栓应根据制造厂规定的应力紧固。

高温合金钢螺栓使用前必须100％光谱复查，M32以上的高温合金钢螺栓使用前必须100％做硬度检查。

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大修时，对大于和等于M32的承压的高温合金钢螺栓进行无损探伤，如发现裂纹及时更换。使用5万h应做金相检验，必要时做冲击韧性抽查，以后检查周期根据钢种控制在3～5万h。 对25Cr2MolV和25Cr2MoV钢螺栓抽查结果应符合下列要求：硬度为241～277HB；金相组织为无明显网状组织；调速汽门、自动主汽门、电动主汽门及截门的螺栓的冲击韧性aK＞60J／cm2，流量孔板、导管法兰和汽缸的螺栓的冲击韧性aK＞35J／cm2。

4．锅筒的监督

施工单位在安装锅筒时应进行下列检查：

查阅制造厂所提供的质量证明书及质量检验记录等技术资料，如资料不全或对质量有怀疑时，应由施工单位会同有关单位进行复核检查，必要时应要求制造厂参加复检；下降管管座焊缝应进行100％的超声波探伤。

其他焊缝应尽可能去锈进行100％的目视宏观检查，必要时可按20％比例进行无损探伤抽查。 锅炉投入运行5万h时，锅炉检修部门应对锅筒进行第一次检查，以后检查结合大修进行，检查内容：

集中下降管和座焊缝进行100％的超声波探伤；

筒体和封头内表面去锈后尽可能进行100％宏观检查；

筒体和封头内表面主焊缝、人孔加强焊缝和预埋件焊缝表面去锈后，进行100％的目视宏观检查；对主焊缝应进行无损探伤抽查（纵缝至少抽查25％，环缝至少抽查10％）；

检查发现裂纹时，应采取相应的处理措施。发现其它超标缺陷时，应进行安全性评定。

碳钢或低合金钢高强度钢制造的锅筒、安装和检修中严禁焊接拉钩及其它附件。发现缺陷时不得任意进行补焊，经安全性评定必须进行补焊时，应制定方案，经主管局审批后进行。若需进行重大处理时，处理前还需报部及地方劳动局备案。

锅炉水压试验时，为防止锅炉脆性破坏，水温不得低于锅炉制造厂所规定的试水压温度。

在启动、运行、停炉过程中要严格控制锅炉筒壁温度上升和下降的速度。高压炉应不超过60℃／h，中压炉不超过90℃／h，同时尽可能使温度均匀变化，对已投入运行的有较大超标缺陷的锅筒，其湿度升降速度还应适当减低，尽量减少启停次数，必要时可视具体情况，缩短检查的间隔时间或降参数运行。

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5．联箱、给管道的监督

运行时间达10万h的高温段过热器出口联箱、减温器联箱、集汽联箱，由锅炉检修部门负责进行宏观检查。应特别注意检查表面裂纹和管孔周围处有无裂纹，必要时进行无损探伤。以后检查周期为5万h。

工作压力大于和等于10MPa的主给水管道、投产运行5万h时，应做如下检查：三通、阀门进行宏观检查；弯头进行宏观和厚度检查；焊缝和应力集中部位进行宏观和无损探伤；阀门后管段进行壁测量。以后检查周期为3～5万h。

200MW以上机组的给水管道、运行10万h时，应对管系及支吊架情况进行检查和调整。

6．汽轮发电机转子监督

对汽轮大轴、叶轮、叶片和发电机大轴、护环等重要高速转运部件，在安装前施工单位应查阅制造厂提供的有关技术资料，并进行外观检查。若发现资料不全或质量有问题时，应要求制造厂补检或采取相应处理措施。对容量≥200MW的汽轮发电机大轴，若制造厂未提供详细的检查资料，必须进行无损探伤（含中心孔部位）检查。

大修中对汽机大轴、叶轮、叶片和发电机大轴、护环、由汽机和电机检修部门进行外观检查，并对如下重点部位进行无损探伤：

汽轮机叶片根部和中部；

套装并用轴向键叶轮的键槽部件；

转子表面应力集中部位，尤其是调节级叶轮根部R处和热槽等热应力集中部位；

汽轮机、发电机大轴中心孔部位，尤其对国产200MW机组和使用时间超过10万h，容量为50MW以上机组，必须进行检查；

发电机护环，尤其是内表面。

大型机组超速试验时，大轴温度不应低于该大轴的脆性转变温度。

7．大型铸件的监督

大型铸什如汽缸、汽室、主汽门等，安装前应由施工单位核对出厂证明和质量保证书，并进行检查，发现裂纹应查明长度、深度和分面情况，由施工单位会同制造厂等有关单位研究制订处理措施，并实施。

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检修时由汽机检修部门负责进行汽缸汽室、主汽门等部件的内外表面裂纹的检查，发现裂纹应根据具体情况进行处理。检查周期如下：

新投产的机组运行至5万h进行第一次检查，以后的检查周期为3～5万h；

运行时间超过10万h而又从未检查过的机组应在最近一次检修时进行检查，以后的检查周期约为3万h。

（四）焊接质量监督

凡属金属监督范围内的锅炉、汽机承压管道和部件的焊接工作，必须由按SD263－88《焊工技术考核规程》考试合格的焊工担任。

凡焊接金属监督范围内的各种管道和部件，应严格执行DL5007－92《电力建设施工及验收技术规范（焊接篇）》规定。

凡焊接大量受监范围内管子、重要转动部件的其它重要部件时，应制订焊接工艺措施，焊前宜进行练习和准许性考试。

焊接金属监范围内的部件，所用焊接材料必须有质量保证书或经过鉴定确系合格品才能使用，禁止使用生锈的焊条、焊丝及药皮变质、剥落的焊条。不能使用未经鉴定的电石气和纯度不高的氩气。

对制造厂焊接的焊缝，安装单位应核对合格证件，并做外观检查。受热面管子在安装前还应切取缝进行检验，水冷壁、省煤器、过热器和再热器管子如系机械焊接、应按每种材料、每种规格、每种焊接方法，分别切取焊缝试样两个。如系手工焊接，亦应按每种堆积按每个焊工，分别取两个焊缝试样进行检验，检验不合格时应加倍切取焊缝试样再检验，如仍不合格，则应通知制造厂并报上级研究处理。

如因各种原因无法对制造厂焊缝进行割管检验，在征得电厂同意并报请主管局批准后，也可用射线探伤方法代替割管。抽拍率为：机械焊接应按每种材料、每种规格、每种焊接方法取拍2％；手工焊接应按每种材料、每种规格、按每个焊工抽拍5％。检验不合格，应加倍拍片，如仍不合格则应通知制造厂并报上级研究处理。

我包金属监督范围内的部件应向承包单位提出必须由按SD263－88《焊工技术考核规程》考试合格的焊工焊接，焊口应按DL5007－92《电力建设施工及验收技术规范（焊接篇）》进行质量检验，工作返回单位时应附焊接技术记录和检验报告，否则应按规定重新进行检验。

各单位应成立焊工考试机构、领导焊工考试工作。

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（五）金属材料的技术监督

受监的金属材料，焊接材料必须符合国家标准或部颁标准，进口的金属材料、焊接材料必须符合合同规定的有关国家的标准。

受监的金属材料、备品、备件必须按合格证和质量保证书进行质量验收。合格证或质量保证书应标明钢号、化学成分、力学性能及必要的金相检验结果和热处理工艺等，数据不全的应补检。检验方法、范围、数据应符合合同规定的有关国家的技术标准。

汽包、联箱、汽机大轴、叶轮、；发电机大轴、护环除应符合有关部颁标准外，还必须具备质量保证书。

凡受监的钢材、部件在制造、安装或检修更换时，必须采用光谱分析（或其它方法）验证其钢号，严防错用，组装后还应进行一次全面复查，确认无误后才能投入运行。

采用代用材料时，应持慎重态度，要有充分的技术依据；原则上应选择成分、性能略优者，还必须进行强度核算，应保证在使用条件下，各项性能指标均不低于设计要求。

修造、安装中使用代用材料、必须取得设计单位和金属技术监督工程师的许可并经总工程师批准；检修中使用代用材料，必须片昨金属技术监督工程师的同意，并经总工程师批准。

材料代用后必须做好技术记录并存档，同时应相应修改图纸或在图上注明。

各级仓库、车间和工地储存金属监督范围内的金属材料、备品备件等，必须建立严格的质量验收、保管和领用制度。对进口钢材、无缝钢管和备品配件等，进口材料单位应在索赔期内负责按合同规定进行质量验收，并按规格、品种和进口合同号分别保管。

经过质量检验的钢材、钢管和备品配件、无论长期或短期存放都应涂色或写标号、分开堆放，并做好防锈工作。

焊条、焊丝及其它焊接材料，应设专库储存。各种焊条、焊丝要分门别类堆放，并按有关技术要求进行管理。保管过程中要每天检查库内温度和相对湿度，相对湿度应控制在60％以下，并经常检查焊条药皮是否受潮、脱浇、龟裂、条芯是否锈蚀。

合金钢材和合金钢备品备件，除检查质保书、协议书或出厂证明书以外，应逐件进行光谱分析验收。合金钢高温螺栓还应逐个进行硬度、粗糙度验收。

（六）火力发电厂应建立和健全如下三种类型金属技术监督档案

1．原始资料技术档案

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（1）制造、安装移交的有关原始资料；

（2）受监金属部件的用钢资料；

（3）机组超参数运行时间，启停次数和运行累计时间等资料。

2．专门技术档案

（1）主蒸汽管道、高温再热蒸汽管道蠕变监督档案；

（2）主蒸汽管道普查和材质鉴定档案；

（3）过热器管和高温再热器和蠕变形测量和监察管的试验档案；

（4）高温螺栓的试验检查、更换档案；

（5）重要转动部件检查档案；

（6）大型铸件的检查档案；

（7）焊接质量技术监督档案；

（8）事故分析及异常情况档案；

（9）反事故措施及各部件缺陷处理情况档案。

3．管理档案

（1）全厂金属技术监督组织机构和职责条例汇编；

（2）上级下达的金属技术监督规程，导则以及厂级编制的金属监督实施细则汇编；

（3）金属技术监督工作计划，总结等档案。

（七）机组检修时的金属监督项目表（如表7-19所示）

表7-19 机组检修时的金属监督项目

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管 外观

裂纹、重皮凹坑划痕 B 等 壁厚 金相 金相组织 B B 一般割管 电厂金属 碳化物 碳化物中合金元素 时做 硬度 几何尺寸 测厚 椭圆度 壁厚(外弧) 裂纹、重皮划痕凹坑 外观 C 等 无损探伤 蠕胀测量 裂纹 蠕胀速度 焊缝表面缺陷及焊 C 口内在质量 外观和无损探 高合金异种钢焊口 电厂金属 C A 电厂金属 电厂金属 装有蠕变测点 电厂检修 B B 电厂金属 C 电厂检修

主蒸汽管道弯头、 2 再热蒸汽管道弯头

主蒸汽管道、再 伤 3 热蒸汽管道焊口 质量 焊缝和母材硬度，抽 硬度 查 20% 外观 主蒸汽管道再热 4 裂纹 D 电厂检修 C 电厂金属 表面缺陷及焊口内在 D 电厂检查

电厂检查根据情况 委托电厂金属进行

电厂检修 电厂检修根据检查 蒸汽管道三通和阀 无损探伤 门壳体 电厂金属 进行 应有专人、专用工 蠕胀测量 蠕胀速度 A D 电厂金属 具 金 主蒸汽管道和高 化学成分、碳化物 相 金相组织 电厂金属 裂纹 必要时 情况委托电厂金属

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元素分析碳化 温再热蒸汽管道监 中合金元素含量和碳 割管时做 电厂金属 物分析 视段 化物相结构 力学性能 σb、σ、δ、 、ak 割管时做 电厂金属 (常温高温) 装有蠕变测量点 蠕胀测量 导汽管 (锅炉出口、 蠕胀速度 D D 电厂金属 (截面)的 汽机进口) 椭圆度测量 椭圆度 电厂金属

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续表

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表7-19中检查周期栏符号说明：

A．每次大修。 B．在超设计使用期，最迟不超过使用期的1.5倍时间内，结合大修一次或分批检查完，此后每次大修抽查。

C．在超设计使用期，最迟不超过使用期的1.5倍时间内，结合大修一次或分批检查完，以后检查周期根据具体情况确定。

D．投运5万h后第一次检查，以后检查周期一般为两个大修周期。

E．投运10万h后第一次抽查205，若有异常应扩大检查范围，以后检查周期根据具体情况确定。

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F．投运10万h后进行无损探伤，以后检查周期一般为两个大修周期。

四、金属在高温长期运行过程中的变化

火力发电厂高温金属部件长期在高温和应力下运行，其金属材料会发生一系列与常温下工作的机械部件完全不同的变化。例如，高温高压蒸汽管道和过热器管经长期运行，会发生管径的增大和钢材强度降低等蠕变变形和相应的组织性质变化。因此主蒸汽管道或过热门器管在运行初期强度是够的，但随着运行时间的增加，会由于强度的降低而变得不够，严重时甚至会发生爆管事故。又如，高温高压螺栓在运行中，会发生初紧应力随时间的推移而减小，因此高温管道法兰螺栓或高压汽缸结合面螺栓在开始运行时初紧应力是够的，可以保证法兰不漏汽，但久而久之，汽密性不够了，法兰就会产生漏汽。再如，汽轮机叶片在高温运行中，不但要考虑高温强度，而且还必须考虑钢材的疲劳性能。汽轮机叶片在运行初期，其间隙是合理的，但由于高温和应力的长期作用，叶片会发生蠕变变形，间隙会变得不够，将影响汽轮机的安全运行等。假如我们对这些现象与变化规律不掌握，就无法保证发电机组金属部件的安全运行，也就无法保证电厂的安全经济运行。

金属在高温下长期运行过程中的主要变化有：

金属的蠕变、断裂和应力松驰；

金属在高温长期运行中发生的组织性质变化；

金属在高温下的氧化与腐蚀。

（一）金属的蠕变断裂和松弛

1．金属的蠕变

（1）金属的蠕变现象。金属在高温下，即使其所受的应力低于金属在该温度的屈服点，在这样的应力长期作用下，也会发生缓慢的但是连续的塑性变形，这种现象被称之为“蠕变现象”，所发生的变形称为“蠕变变形”（通常把管径方向的蠕变变形称之为“蠕变胀粗”或称“蠕胀”）。 对于碳素钢，大致在300～350℃才出现蠕变现象；对合金钢，大约在400℃以上会出现蠕变现象，并且随着合金成分不同，开始出现蠕变的温度也不同。

（2）金属的蠕变曲线。蠕变现象通常用画在“变形－时间”（ε—η）座标上的曲线来表示，这种曲线称为蠕变曲线。尽管不同的金属和合金在不同条件下所得的需变曲线不尽相同，但它们都有一定的共同特征，把这些共同特征表示出来的蠕变曲线就叫典型蠕变曲线。典型蠕变曲线如图7-9所示，它是描述在恒定温度、恒定拉力下金属的变形随时间的变化规律。典型蠕变曲线可以分为以下四个部分：

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1）瞬时伸长O′，它是在加上应力的瞬间发生的。假如外加应力超过金属在试验温度下的弹性极限，则这部分瞬时伸长中既包括弹性变形，又包括了塑性变形。

2）蠕变第一阶段（曲线O′A，即I）。这一阶段的蠕变是非稳定的蠕变阶段，它的特点是开始蠕变速度较大，但随着时间的推移，蠕变速度逐步减小，到A点，金属的蠕变速度达到该应力和温度下的最小值并开始过渡到蠕变的第二阶段。由于这一阶段蠕变有着减速的特点，因此也把蠕变第一阶段称不蠕变的减速阶段。

3）蠕变的第二阶段（曲线AB，即Ⅱ）。这一阶段的蠕变是稳定阶段的蠕变，它的特点是蠕变以固定的但是对于该应力和温度下是最小的蠕变速度进行，这就在蠕变曲线上表现为一具有一定倾斜角度的直线段。蠕变第二阶段又称为蠕变的等速阶段或恒速阶段。

4）蠕变的第三阶段（曲线BC，即Ⅲ），当蠕变进行到B点，随着时间的进行，蠕变以迅速增大的速度进行，这是一种失稳状态。直到C点发生断裂。至此整个蠕变过程即行告终。由于蠕变第三阶段有蠕变不断加速的特点，所以也被称为蠕变的加速阶段。

在试验条件下，做一条典型蠕变曲线可以只用几千小时，但是，在实际运行条件下，运行的工件，例如在额定参数下运行的主蒸汽管道，其整个蠕变过程（就是它的运行时间）是很长的，通常为十几年到几十年。而蠕变第三阶段的时间有可能约占整个过程的总时间的40％～50％。

通常，是把蠕变第二阶段的蠕变速度作为设计和使用高温部件（包括金属监督）的依据，并建立

第二阶段的蠕变速度与金属温度、应力的关系。即认为，在正常的使用条件下，高温金属部件的使用期限只能在蠕变第三阶段发生以前，为此总是把蠕变第二阶段终了时的蠕变变形量作为金属在使用时的极限变形量。但是考虑到蠕变第三阶段的时间与总的时间相比占的比例很大，因此，对于发电厂的某些高温部件，例如主蒸汽管道，认为只能使用到第二阶段终了的这一看法与实际情况是相差甚远的。

我国早期机组无论是中温中压或高温高压机组，其主蒸汽管设计寿命均为10万h，至60年代末70年代初，全国有许多机组在超周期服役，因此，70、80年代，部里指定西安热工院牵头组织了金属专业方面的力量对全国超么高压机组的主蒸汽管道选点，通过割管与现场普查，对管道寿命做了大量的鉴定分析工作，结果发现，正常运行工况下，管道的实际使用寿命与设计寿命相比有极大的富裕量。因此在大量试验的基础上，DL438－91《火力发电厂金属技术监督规程》对运行机组主蒸汽管道的金属检测周期与各阶段的检测内容作了较大的修改，对主蒸汽管道的寿命鉴定工作的时间已从10万h延长至20万h，甚至30万h，因为在正常情况下，高温金属部件的蠕变速度是相当缓慢的。

（3）金属的蠕变极限。为了说明金属材料在高温下抵抗蠕变变形的能力，引入蠕变极限概念。工程所用的蠕变极限称为条件蠕变极限。条件蠕变极限的含义是：条件蠕变极限是这样一个应力，

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在这个应力的作用下，金属在一定温度于规定时间内产生的规定的总的变开量或者引起的规定蠕变速度。

对火力发电厂的高温金属部件，条件蠕变极限作为以下具体规定：

1）在一定温度下，能使钢材产生1×107mm/（mm·h）的第二阶段蠕变速度的应力，就称为该－

温度下蠕变速度为1×107的蠕变极限。所用的符号为 。 －

2）在一定温度下，使钢材在105h工作时间内发生1％的总蠕变变形量的应力，就称为该温度下在105h内变形为1％的蠕变极限，所用的符号为 。

汽轮机的叶片、叶轮、隔板和汽缸等部件，在运行时不允许有较大的变形，因此有较严格的蠕变变形量要求，这些部件在强度计算时是以蠕变极限作为强度计算指标的。

（4）温度波动与复杂应力条件下对蠕变的影响。在设计发电机组高温金属部件时，是以在恒定温度下，在单向拉伸蠕变试验机上试验所得到的数据为依据的。但在实际运行工况下，常常会发生温度波动，金属部件也不只受拉力作用，还受到温度波动的影响，受力情况复杂。 与恒定的温度条件下相比，温度波动使金属蠕变极限降低。

主蒸汽管的内压试验要比单向拉伸蠕变试验更接近于实际运行情况，但试验曲线相似，差异较小，这有助于将单向拉伸力下的蠕变试验与主蒸汽管运行时产生的蠕相联系起来，对金属监督工作有着重要的意义。

2．金属的持久强度与蠕变断裂

（1）持久强度。蠕变试验仅仅是测定第二阶段的变形速度或蠕变的总变形量，还不能反映钢材在高温断裂时的强度和韧性，而持久强度不但能反映钢材在高温断裂时的抵抗能力，同时还能反映钢材在高温断裂时的塑性。试验表明：许多钢材和合多在短时试验时塑性可能很高，但是经高温长期试验后，钢的塑性有显著下降的趋势，有的持久塑性仅达1％～2％（即出现了所谓蠕变脆性现象），这种情况在作持久试验时能很好地反映出来。因此要全面评定钢材的高温性能，除了进行蠕变试验外，还必须作持久试验，测定钢材的持久强度。

所谓持久强度是指钢材在高温和应力的长期作用下抵抗断裂的能力。在锅炉设计中是以零件在高温运行10万h断裂时的应力作持久强度，以 表示，单位为MPa。有时以 表示某一温度t时的持久强度。

10万h是相当长的时间。对钢材进行高温持久试验时，一般是不可能进行到10万h，再来确定其断裂的应力，而通常是试验到5000～10000h，再外推到10万h断裂时的应力。

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外推法是将在不同试验应力相对应的断裂时间数据描绘到应力——时间双对数座标上，再将座标得到的直线外推到10万h的应力，即为持久强度值。

由于外推法所得数据与钢材实际持久强度值存在差异，所以要求试验时间尽可能增加，以最大限度的增加设计值的可靠性。

（2）金属的蠕变断裂。当金属经过了蠕变第三阶段后，即发生蠕变断裂。物断裂有两种基本类型：一种是晶间断裂（沿晶断裂）；另一种是晶内断裂（穿晶断裂）。晶间断裂是在高温蠕变时普遍存在的断裂现象，断裂时裂纹沿晶界发展，试样在断裂时的变形比晶内断裂小。晶间断裂属于脆性断裂的形式。晶内断裂时裂纹穿过晶粒，断裂时试样总伴随较较大的塑性变形，并产生明显的缩颈，属于韧性断裂。

关于蠕变的断裂理论主要有应力集中理论与空位聚集理论。

1）应力集中理论。这个理论认为晶间断裂是由于晶粒交界处应力集中引起的。如果应力超过了晶界结合力，就产生了裂纹。当晶界继续滑动使裂纹扩大到临界尺寸时，裂纹就能继续发展而造成晶间断裂。

2）空位聚集理论。这个理论认为空位聚集是产生晶间断裂的原因，认为在应力与热振动的共同作用下，晶格空位能够运行，当空位聚集在与应力方向垂直的晶界达到足够的数目时，晶界的结合力就受到破坏，产生孔洞，在应力的继续作用下，空洞联结而形成裂纹，最后造成晶间断裂。

3．金属的应力松弛

金属在高温和应力状态下，如维持总变形不变，随着时间的延长，应力逐渐降低的现象称为应力松弛。

在火电厂发电设备中，处于松弛条件下工作的零部件有如螺栓、弹簧、汽封弹簧片等。在松弛过程中，由于弹性变形减小，塑性变形增加，所以应力降低，最后就不能保证结合面的密合。因此，实际上金属的松弛过程就是金属在高温下弹性变形自动转变为塑性变形的过程。

由于电厂高温紧固件在运行使用过程中有松驰现象，因而为要达到最小密封应力的要求，一般有以下两种途径：

1）当初紧应力一定时，选择抗松弛性能高的，以保证紧固件在经设计运行后，其初紧应力不不于最小密封应力。

2）当所用材料一定时，提高初紧应力，以保证紧固件经设计运行后的应力不小于最小密封应力。 但是，提高初紧应力受材料本身的强度限制，为此仍以选择抗松弛性能高的材料为好。

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（二）金属在长期运行中的组织性质变化

无论奥氏体钢或珠光体钢，在高温下长期运行，不但会发生蠕变、断裂和应力松弛等形变过程，而且还会发些内在的组织和性质的变化。这一点和室温下使用的钢材完全不同，在室温条件下，钢的组织和性质一般均较稳定，不随使用时间而改变。

锅炉、汽轮机高温部件所用钢材在高温下长期运行中发生的组织性质变化主要有：

珠光体的球化和碳化物的聚集；碳钢和钼钢石墨；热脆性；合金元素在固溶体和碳化物相之间的重新分配。

1．珠光体球化和碳化物聚集

（1）珠光体球化和碳化物聚集，是所有珠光体耐热钢，如20号优质碳素钢、12CrMo、15CrMo、12Cr1MoV、12Cr3MoVSiTiB（п11）、12Cr2MoWVB（钢）102、10CrMo910，或其它相应钢种，在电厂长期高温运行下最常见的一种内在组织变化形式。

珠光体球化是指钢中原来的珠光体中的片层状渗碳体（在合金钢中称为合金渗碳体或合金碳化物），在高温下长期运行过程中，逐步改变其形状，由片层状改变为球状碳化物，球化后的碳化物通过聚集长大，使小球变为大球的过程。

钢材在高温下运行，珠光体的球化和碳化物的聚集是必然发生的。因为，片状渗碳体的表面积与体积的比值比球状碳化物的表面积与体积的比值大得多，也就是说，在同样体积情况下，片状渗碳体比球状渗碳体具有更大的表面积，即片状渗碳体比球状渗碳体具有更高的表面能。在自然界中，能量高的状态总要向能量低的状态变化，因此片层状渗碳体在有温度作用下总是要力求变为球状，小球要力求变为大球，这是珠光体耐热钢金属部件长期在高温下运行过程中的必然变化规律。珠光体的球化过程见示意图7-10。

珠光体耐热钢发生球化后，使钢的室温强度极限和屈服极限下降，同时也使钢的抗蠕变能力和持久极限下降。当20号碳素钢发生严重球化后其强度极限 与屈服极限 ，分别可下降约160MPa，15CrMo、12Cr1MoV钢严重球化后， 约下降100MPa。含0.5％Mo钢在482℃使用20年以后蠕变极限与持久强度分别降低到46％与52％；如果在538℃使用20的后，蠕变极限与持久强度分别降低到23％与45％。可见，使用温度越高，碳化物球化现象越严重，高温性能也 越差。

（2）影响珠光体球化的因素。

1）温度与时间的影响。温度与时间是影响钢材球化的最主要的外因，因为球化过程是原子的扩散过程，而原子的扩散，又主要是由温度和时间所决定的。温度和完全球化的时间可由一指数关系表示

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（7-4）

式中 η——球化达到一定程度所需的时间，小时；

A——决定于钢化学成分和晶粒度的系数；

b——常数（对珠光体钢b＝33000）；

T——绝对温度。

从式（7-4）可以看出，要达到同一极化程度，湿度越高所需的球化时间应越短。

2）化学成分的影响。钢的化学成分对珠光体球化也有较大的影响。由于球化过程是与碳的扩散速度有关，因此，凡能形成稳定碳化物的合金元素，都能减缓珠光体球化过程。在同一温度下，在防止珠光体球化方面，Cr－Mo－V钢比Cr－Mo钢稳定，Cr－Mo钢化碳钢稳定。W、Nb、Ti等元素在钢中也是强碳化形成元素，因此这些元素也能阻碍珠光体球化的发展。

3）塑性变形及晶粒度的影响。塑性引起的加工硬化及晶粒的细化，都将会促进球化过程。例如，0.5％钼钢在500℃球化时，精晶粒钢需要24000h，细晶粒钢只需要16000h，而对经剧烈变形的钢仅需要5000h。

为此，在相同工况条件下，原始状态为退火组织的珠光体球化程度要比正火组织的珠光体球化程度轻；经冷变形的钢材比未冷变形的钢材的球化过程要快。

2．钢材石墨化

在高温应力长期作用下，碳钢和含钼的低合金耐热珠光体组织中的渗碳体（即Fe3C）分解为铁和游离碳（即石墨），这个过程就称为石墨化。

石墨化现象可用以下反应式表示：

Fe3C→3Fe＋C（石墨）

上式中的碳呈游离状态聚集在一起而存在于钢中，石墨的强度和塑性都几乎为零。当游离状态的石墨析出后，就好像在钢中出现了孔洞和裂缝，而造成了钢材内部的应力集中，使强度和塑性显著下降，脆性增加，严重石墨化会引起爆管事故。由石墨化引起的爆管事故在国内外均有发生。美国在1943年用含0.5%钼的低合金热钢作高压主蒸汽管道，在505℃温度下仅运行五年半就发生了爆管事故。后经分析证明，爆管原因主要是在管道焊缝热影响区已产生严重石墨化现象，石墨沿晶界析出，引起了钢材的脆化。管道断裂前未发生显著变形，属于脆性断裂，这一事故造成了厂房的严重损坏，并造成人员死亡。某厂中压机组20号钢主蒸汽管道在运行118000h后已发

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生了较为严重的石墨化现象，钢中总含碳量为0.195％，石墨碳化含量已高达0.092%～0.101%，石墨碳含量占钢中总碳量的47.18%～51.79%，强度极限指标 降至最小352.8MPa（36kg·f/mm2），与20号钢强度极限最小值411.6MPa（42kg·f/mm2）比较，已下降8.3%～14.3%，运行约57000h的带披肩三通已接近中度石墨化，当时对主蒸汽管道作了换管处理。除此之外，浙江省一中压机组过热器出口联箱以及次高压机组低温过热器均出现过石墨化现象（见图7-11）。

一般碳钢在450℃以下，含0.5％钼钢约在480℃以上运行几万小时后就可能出现石墨化现象，且在钢的下临界温度Acl以下温度愈高，石墨化过程也愈迅速。

除温度的影响外，化学成分对石墨化影响较大，铝（Al）和硅（Si）是促进石墨化元素。当钢冶炼时，Al作为脱氧剂加入钢中，若每吨钢加入量达0.6～1kg时，在大多数情况下会发生石墨化；当碳钢和钼钢冶炼时脱氧不用Al或加Al不0.25kg/t钢时，则实际上不会出现石墨化。浙江省某厂中压机组主蒸汽管道在运行11.8万h后发生了较为严重的石墨化现象，其中一个很重要的原因就是其含Al量高，作为耐热钢含Al量不应超过0.025％，而该厂主蒸汽管材经分析其酸溶Al量高达0.038％，大大高于控制含量，从而大大促进了该厂主蒸汽管道石墨化过程的发展。 同样，钢材组织晶粒度大小和冷变形均影响石墨化过程。由于石墨易沿晶界析出，所以粗晶粒钢比细晶粒钢的石墨化倾向小，在相同温度情况下，正火钢比退火钢的石墨化倾向大，冷变形后促进石墨化过程。为此对有石墨化倾向并具备石墨化工作条件的钢管在冷弯后必须进行热处理。 在高压蒸汽管道中，石墨化还最易发生在焊缝热影响区部位。尤其是热影响区中温度在Acl附件（700～730℃）的不完全重结晶段，更有利于Fe3C分解，从而利于石墨化过程的进行。

3．钢的热脆性

钢在一定温度区域（如400～500℃）长期运行后会产生冲击韧性显著降低的现象，这种脆化现象就被称之为钢的热脆性。

呈现热脆性的钢在高温下冲击韧性值并不降低，只有当在室温时才呈现出脆性，与其正常试样相比a k值下降50％～60％，甚至下降80％～90％。

几乎所有的钢都有产生热脆性的倾向，珠光体钢在热脆性发生的同时，强度和塑性等其它性能一般不发生变化；而奥坻体钢则反，在热脆性发生变化的同时，还往往发生强度和塑性等其它性能的变化。碳钢只有在塑性变形情况下才能出现热脆性。

比较多的观点认为，珠光体钢的热脆性和回火脆性是一致的。但同时钢的脆性敏感性还取决于钢的化学成分，尤其是合金元素磷（P）及氮（N）等杂质元素的含量，磷、氮存在增大的热脆倾向；钨（W）和钒（V）是属于减弱热脆性的元素。

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使钢材产生热脆性的温度区间是400～500℃，这一温度区间正好是发电设备的锅炉、汽轮机许多金属部件所处的工作温度范围，因此发电设备用钢，应特别注意热脆性的发展。电厂高温运行金属部件中，25Cr2MolV钢高压螺栓，在长期的运行过程中会产生热脆性现象，表现为经运行后钢的室温冲击韧性ak值明显降低，并由此而发生脆断。脆断的螺栓其金相组织均可看到新析出的黑色网状晶界，这表明该钢种在高温长期运行所发生的热脆性过程中，沿钢中高温奥氏体晶界有新相析出，这种新相的析出，增加了钢的脆性。

4．合金元素的再分配

电厂高温金属部件在长期运行过程中，不但会发生珠光体球化、石墨化、热脆性，随着运行时间的推移，还会发生钢中合金元素在固溶体与碳化之间重新再分配。

在高温长期运行下，钢中合金元素要力求从固体向碳化物转移，从而使固溶体（铁素体）中合金元素贫化而使钢材产生软化，使钢的强度、蠕变极限和持久强度降低。

在发生合金元素在固溶体与碳化物中含量变化的同时，在长期运行中还会发生碳化物结构类型、数量和分布形式的变化，一般情况下，原始状态主要是M3C型碳化物，经过长期高温运行后，碳化物将由M3C型转变为M7C和M23C6型。M7C3和M23C6型是复杂结构的碳化物，它们中合金元素含量的百分比要比M3C高，使合金元素在固溶体中的浓度相应下降。

在高温长期作用下，低合金热强钢全产生软化现象，产生软化的根本原因就在于固溶体中的合金元素向碳化物转移与碳化物本身的球化所造成。固溶体中合金元素贫化以钼元素最为剧烈。所以当钢中含碳量越高，钢中强碳化形成元素越少时，钢材的软化速度也就越快。当钢中加入强碳化形成元素（Nb、V、Ti），被强化的固溶体的合金元素再分配扩散过程就会大为减缓。如果钢中同时加入V和Nb，钼的扩散就会更趋缓慢，因此研制和使用耐热性能稳定的钢种可减缓锅炉钢管经长期运行后产生软化，也即可以减缓合金元素从固溶体向碳化转移。

（三）金属在高温下的氧化与腐蚀

1．金属的氧化与脱碳

（1）高温下的氧化。火电厂高温金属部件在运行中与烟气、空气接触，会使金属表面发生反应，例如锅炉过热器管的外表面与烟气接触，主汽管外面与空气接触，在接触时与氧化金属化合成氧化膜，这就是氧化过程。氧化是通过氧的扩散来进行的。假如生产的氧化膜是牢固的，那么在生成氧化膜后，氧化过程就会减弱，金属就得到保护。假若氧化膜不牢固、疏松，那么生成的氧化不断剥落，氧化过程就会继续进行下去。

金属的氧化发展速度与温度、时间、气体介质成分、压力、流速、钢材化学成分、形成的氧化膜的强度等因素有关。通常认为：温度愈高，时间愈长，气体介质中氧的分压愈高，流速愈大，则

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金属的氧化发展速度愈大。钢中加入Cr、Al、Si等元素，生成的氧化膜致密而牢固，可以使钢材的抗氧化性提高。

对火力发电厂用钢来讲，氧化现象首先是铁元素的氧化。碳钢在570℃以下，生成氧化膜是由Fe2O3及Fe3O4组成，Fe2O3和Fe3O4都比较致密，空隙少，因而可以保护钢以免进一步氧化。当超过570℃时，碳钢的氧化膜由Fe2O3＋Fe3O4＋FeO（FeO在最内层）三层组成，其厚度比为1：10：100，即氧化膜主要由FeO组成，FeO是不致密的，因此破坏了整个氧化膜的强度，这样，氧化过程得以继续不断地进行下去。

氧化过程中，氧向金属内部扩散首先是沿着晶界进行的，例如对珠光体钢，氧就通过铁素体晶界向里扩散。由于这样的原因，我们在检查主蒸汽管道表面时，常常可以在多相镜下看到深度为一个晶粒大小的沿晶氧化裂纹。对管道来讲，这样的小裂纹并不影响其安全运行。

但是对高参数的高温用钢如高温管道必须考虑钢材的抗氧化性，否则会因氧化而受到破坏。 钢的抗氧化性级别见表7-20。

表7-20 钢的抗氧化腐蚀级别

（2）钢的脱碳。锅炉受热面管子或高温蒸汽管道的金属在运行中也会发生脱碳现象。当过器与烟气接触，而烟气中又含有大量的氧气时，就会使炉管表面产生脱碳。

当处于氧化气氛中，钢管是否会发生脱碳，就需视氧化和脱碳的反应速度而定，只有当脱碳反应速度大于氧化反应速度时，钢管才会产生脱碳现象。

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