火电厂金属技术监督管理讲座

L/O/G/O火电厂金属技术监督管理华电电力科学研究院刘铁军2013年3月一火力发电厂金属技术监督概述二金属监督专工岗位职责三火力发电厂金属材料基础知识四电站金属受监部件检测技术五全过程、全方位金属技术监督目录七锅炉受热面技术监督管理六焊接质量技术监督管理一火力发电厂金属技术监督概述1.1金属技术监督的重要性国家专项管理特种设备：锅炉、压力容器、压力管道。原电力部长史大桢说过：“不重视电站锅炉压力容器安全，将厂无宁日！”电力行业初期开展四项技术监督专业之一。50年全国公认统计数据：电站受监金属部件损坏占发电机组事故率≥70%。注：2000年后，超（超）临界机组陆续投运，上述事故率比例会有所变化。电力系统改制后，全国范围的事故率已无法统计。10%60%60%40%其他金属部件损伤事故率占机组事故率≥10%焊接质量事故率占锅炉事故率≥40%锅炉受热面事故率占锅炉事故率≥60%电站锅炉事故率占机组事故率≥60%全国发电企业50年（1949-1999）发电机组非停事故率公认统计数据受监金属部件损伤破坏事故率占机组事故率≥24+36+10=70%。1.2火电厂技术监督发展电能质量、继电保护、节能、环保、励磁、汽/水轮机、水工等热工、化学、环保、脱硫金属监督近年新增专业新增主专业辅助专业汽机、锅炉、电气电厂主专业Τ工作≥400℃高温承压部件（含主蒸汽和高温再热蒸汽管道、过热器和再热器管、联箱、阀壳、三通），与管道、联箱相联的小管导汽管、联络管螺栓汽缸、汽室、主汽门、调速汽门、喷嘴、隔板和隔板套12345678P工作≥3.82MPa锅筒和直流锅炉的汽水分离器、储水罐P工作≥5.88MPa承压汽水管道和部件（含水冷壁管、蒸发段、省煤器管、联箱和主给水管道）汽轮机大轴、叶轮、叶片、拉金、轴瓦；发电机大轴、护环、风扇叶≥300MW机组带纵焊缝的低温再热蒸汽管道1.3金属监督范围2009版《火力发电厂金属技术监督规程》在原2000版基础上，扩大了金属监督范围。原高温承压部件Τ工作≥450℃400℃原导汽管、联络管Τ工作≥435℃400℃原汽缸、汽室、主汽门、调速汽门、喷嘴、隔板和隔板套Τ工作≥435℃400℃金属监督范围几乎覆盖火电厂运行和检修全部专业，金属受监部件遍布电厂各处。任一环节监督失控都会引发受监金属部件失效，造成机组非停。检修部门锅炉汽机电气化学热工物资班组金属焊接本体管阀仓库所学专业宜金属、焊接或热动专业二金属监督专工岗位职责2.1懂专业、会管理专业要求：精通本专业，掌握相关专业知识熟悉金属监督范围内运行、检修、焊接、检验工艺、方法和过程确保检修和检验数据的真实性、可靠性为领导专业把关，当好参谋（提出选择题）正确领会和执行技术监督规程、标准以母规为主线、细化分解相关规程执规贯标遵循原则以规程为依据、以数据作标准，杜绝以经验替代规程母规（三大主干规程）DL/T438-2009《火力发电厂金属技术监督规程》2.2正确执行规程、标准DL612-1996《电力工业锅炉压力容器监察规程》DL647-2004《电站锅炉压力容器检验规程》熟知并正确运用主干规程，及时查证相关规程数据使用现行有效规程，禁用过期作废规程规程贯标一直到班组具体作业人员严格执行国家和行业的有效规程标准，规范开展金属技术监督工作，根据本厂机组运行特点确定监督重点项目。2.3确定监督工作重点组织或参与金属受监部件失效分析。查明原因、及时消缺、举一反三、制定反措、闭环控制。建立健全金属异常专项档案。异常档案是制定检验项目计划、事故分析的重要参考依据。建立健全金属受监部件各类台帐。台帐是机组检修检验项目计划、实施、验收的重要依据。实施三级监管、逐级监控。通过监督检查和对标，对机组运行、检修、检验和外委等项工作质量及各类数据的真实性、可靠性负责。依据各类设备台帐，熟知全厂受监金属部件分布和健康状况。2.4监督专责基本要求依据规程要求编制、完成机组各级别检修规定的检验项目。依据金属受监部件台帐确定检验项目抽检比例，区分已检和未检部件，避免漏检或重复检验。发现金属部件超标缺陷或失效及时录入到设备异常专项档案，提示下次复检时间。依据复检结果确定是否闭环。非受监金属部件发生事故，金属监督应介入监管，不可推诿。三火力发电厂金属材料基础知识火力发电机组受监金属部件工作环境恶劣，运行工况不同，损伤失效形式也不同。金属固有特性决定了各种金属部件的使用寿命。运行工况发生变化（如温度、应力、腐蚀、磨损等）或金属部件存在原始缺陷，都将加剧金属部件损伤速度而导致提前失效破坏。受监金属部件在运行期间发生损伤破坏不可避免。定期开展锅检、容检和常规金属检验，开展全方位、全过程的技术监督管理，能够及时发现金属部件超标缺陷，及时消缺处理可排除事故隐患、将事故率降至最低限度。金属监督专工不一定成为专业的专家，但一定要成为监督管理的专家。必须掌握以下基本知识：金属在一定温度和应力的长期作用下，发生缓慢塑性变形的现象。高温承压管道承受的应力远小于额定运行温度下材料的屈服强度，但长期运行过程中会发生连续缓慢的塑性变形，引起管径胀粗。理论蠕变温度：碳钢＞300-350℃，低合金钢＞350-400℃。温度越高、应力越大，蠕变速度越快。管道承受复杂应力：主要应力：管内介质压力折算的管道拉应力。附加应力：管道对接焊强制对口、焊接残余应力、管道支吊架失载或超载，管道膨胀受阻、弯管机加变形、壁厚减薄等。3.1蠕变典型金属蠕变曲线—变形与时间关系曲线弹性变形阶段加载后引起瞬时急剧形变蠕变恒速缓慢变形，变形与时间关系曲线呈线性，斜率表示蠕变速度蠕变速度由快到慢积累成塑性变形蠕变速度增加很快直到曲线终点失稳破坏不稳定阶段稳定阶段失稳阶段初始阶段第一阶段第二阶段第三阶段不同金属在不同条件下得到的蠕变曲线不同，同一金属在不同应力和温度下得到的蠕变曲线也不相同。长时超温爆管又称长时过热爆管或长时过热蠕变损伤破坏。管道在高温、应力长时间作用下会引起蠕变变形。这种在特定工况下的金属材料特性，不可避免，只能控制。正常工况下运行允许发生规定限度内的蠕变变形，如果运行中金属壁温超过设计温度，伴随应力的长期作用，将加剧金属原子的扩散速度，促使金属微观组织发生变化，加快金属蠕变速度，导致金属机械性能综合指标降低，尤其高温持久强度下降直接影响管材的使用寿命而提前失效。3.2长时超温过热长时超温过热爆管常发生在过热器高温段向火侧。过热器爆管70%是长时超温引起，水冷壁等受热面管偶尔也会发生长时超温爆管。锅炉受热面管用钢主要为碳素钢和合金耐热钢。长期高温运行后，管材金相组织主要变化：珠光体球化和碳化物聚集、时效和新相的形成、热脆性、合金元素在固溶体和碳化物中重新再分配、碳（钼）钢石墨化。超温运行会加速金相组织变化过程。拉尔森-米勒经验公式：τ=Aeb/T表示珠光体球化时间τ和温度T之间定量关系。温度对珠光体球化影响极大，有应力作用比没有应力作用完全球化时间还要减少。3.2长时超温过热短时超温爆管又称短时过热爆管或加速蠕变损伤破坏。多发生在水冷壁热负荷较高位置。辐射或半辐射式过热器偶尔也会发生短时超温爆管。锅炉受热面由于管内介质循环不畅，致使冷却条件恶化，在外部火焰和烟气高温作用下，管壁温度在短时间内急剧升至金属相变温度以上。此时管材强度急剧下降、塑性急剧增加。在管内介质压力作用下，温度较高的向火侧首先发生塑性变形，管径急剧胀粗，管壁迅速减薄，最终发生爆管泄漏。当管壁温度超过金属相变点后，在管内介质激冷作用（相当一次淬火处理）下，在爆口边缘往往可以发现部分相变组织。根据爆口边缘淬硬组织数量和爆口尺寸，可定性判定管子爆漏前的超温程度。3.3短时超温过热在制造、安装和检修中不慎错用低等级钢材将导致管道超温过热而提前爆漏；材质存在原始超标缺陷将导致受监金属部件运行期间缺陷发展成裂纹直至开裂。新材料入厂前验收：锅炉受热面管100%涡流检验；合金钢材质100%光谱分析。近年来，全省多次检出错用材质和超标缺陷。涡流探伤发现了大量裂纹、折叠、结疤、重皮、严重磕恨等管材原始缺陷。3.4材质原始缺陷锅炉受热面管工作条件：高温、高压、腐蚀、长时。各类部件运行工况不同，选用钢材也不同。选材原则：持久强度高，组织稳定，抗氧化、抗腐蚀、加工、焊接性能良好。错用钢材：未经核算而选用低级别钢材；不慎错装低级别钢材。错用低级别管材的工作温度将超过该材质许用温度，导致错用管材持久强度降低、蠕变速度加快，最终提前发生爆管。库存钢材管理应标识清楚，帐、卡、物相符，避免错收错发。3.4.1错用材质钢材在冶炼、轧制和机加过程中，存在不同类型的原始缺陷。常见缺陷：裂纹、折叠、结疤、夹杂、脱碳等。缺陷危害：内部缺陷会减少钢材的有效截面积，导致强度极限下降；缺陷的存在相当于裂纹源，尤其缺陷边缘尖锐区域存在局部应力集中。受外力作用时，缺陷边缘部分将首先发生扩展而形成新的裂纹尖端，如此反复直至发生失稳断裂。金相检验经常发现主裂纹延伸路径上连续或密布着非金属夹杂物或脱碳等异常组织。3.4.2原始缺陷热应力：金属材料工作温度或膨胀系数存在差别，使各部分膨胀和收缩相互制约而产生的附加应力。热疲劳破坏：在多次周期性热应力作用下而发生的破坏。随温度变化伴随着弹塑性变形循环，塑性变形逐渐积累引起损伤直至破裂。温度变化幅度小、速度较慢时，热应力导致变形小。由于塑性变形使应力松弛，要经历多次温度循环才能产生疲劳裂纹。3.5热疲劳锅炉每次启、停相当于一次大幅度的温度循环过程。燃烧和冷却不良的部位、火焰中心的水冷壁管、省煤器汽塞、过热器带水、热膨胀系数较大的铁素体钢和奥氏体钢焊缝，均可能发生热疲劳破坏。根据锅炉启、停次数确定热疲劳检查项目（设计2000次）。锅炉受热面管外表面热应力值最大，热疲劳裂纹多位于管壁外侧横向和网状分布，裂纹呈缝隙状，断口呈脆性。微观裂纹为穿晶或混合型，裂纹内充满灰色腐蚀产物，又称腐蚀性热疲劳。3.5热疲劳锅炉受热面磨损分为飞灰磨损和机械磨损两类。飞灰（烟气）磨损：主要集中在锅炉尾部受热面。锅炉尾部高温烟气携带的飞灰颗粒具有足够的硬度和动能，长期对管材表面产生冲击和切削而导致管壁金属磨损。机械磨损：主要发生在过热器、再热器定位管卡松动或安装不当。3.6磨损焊接缺陷分类：焊缝外部缺陷、焊缝内部缺陷。焊接缺陷类型：气孔、夹渣、焊瘤、咬边、过烧、未焊透、未熔合、裂纹等。焊接质量取决于焊接全过程监控和无损探伤验收质量。焊口一次检验合格率：指标≥95%（各发电集团公司规定）。锅炉受热面管制作、安装和检修中要求焊口100%无损探伤检验。实际存在漏检、误评、死区查不到、外观不检等问题，使焊缝质量在投运前和检修后就埋下了事故隐患。3.7焊接质量焊接理念：焊缝外表成形好、内部无超标缺陷，严格执行焊接工艺。焊接质量管理：焊工属于特种设备作业人员，焊接作业必须持证，但持证不代表水平。误区：只认证不认人（水平）。措施：组织焊前模拟练习、允许性考试。3.7焊接质量锅炉设计、制造和安装过程中，由于对热应力膨胀、密封情况考虑不周，造成结构不良或管子与密封板材质膨胀系数不同，最终导致管子热膨胀受阻而拉裂。水冷壁管与管壁上焊接的鳍片，燃烧器面板、孔门拉筋板等部件，如果膨胀不一致或一方膨胀受阻都会把水冷壁管扯裂。新电厂投运初期、机组大修后运行，膨胀受阻最易出现异常而导致泄漏事故。应依据规程要求，重点检查汽水管道支吊架、高温承压部件膨胀指示器等工作状况。3.8膨胀受阻锅炉受热面管腐蚀分类：水汽侧腐蚀、向火侧腐蚀。水汽侧腐蚀：管内介质运行环境不同，会对水汽侧产生程度不同的腐蚀。腐蚀速率与水汽介质的侵蚀性成正比。腐蚀类型：碱腐蚀、酸腐蚀、氧腐蚀、氢腐蚀、应力腐蚀、氧化皮脱落沉积等。向火侧腐蚀：管外壁向火侧受高温烟气和悬浮其中灰分的作用，各部位腐蚀类型和程度不同。腐蚀类型：高温腐蚀：纯气体腐蚀、熔融盐腐蚀。低温腐蚀：酸性腐蚀。常发生在锅炉尾部烟气流通部分，如省煤器、空气预热器。3.9腐蚀锅炉长期低负荷运行、火焰偏斜、汽包水位过低、管壁局部结焦、水冷壁下联箱内残留异物、定期放水阀严重泄漏等因素影响，会使受热面管内介质循环流速降低，管壁冷却效果变