高溫受熱管蒸汽側(cè)金屬氧化膜失效問題研究.pdf

1、高溫受熱管蒸汽側(cè)氧化膜在一定條件下可能發(fā)生開裂、隆起、脫落等失效行為，嚴重影響發(fā)電機組的安全經(jīng)濟運行。目前關(guān)于高溫受熱管常用管材的高溫蒸汽氧化動力學(xué)已開展了大量研究，但關(guān)于蒸汽側(cè)氧化膜失效問題的研究卻相對滯后，這不僅不能滿足在役發(fā)電機組提高安全性和經(jīng)濟性的迫切要求，同時也嚴重制約了未來發(fā)電機組向更高參數(shù)、更大容量方向的進一步發(fā)展。在此情況下，本文圍繞火電機組高溫受熱管蒸汽側(cè)氧化膜失效問題，采用解析建模、數(shù)值模擬和實驗研究相結(jié)合的方法進行

2、了系統(tǒng)研究，主要內(nèi)容包括以下五方面。
　　(1)考慮蒸汽側(cè)氧化膜生長對管壁溫度和應(yīng)力的持續(xù)影響，建立了高溫受熱管的蠕變壽命預(yù)測模型。在預(yù)測氧化膜生長時考慮了氧化膜的生長溫度隨氧化膜自身生長而同時發(fā)生的變化，相較于傳統(tǒng)“定生長溫度”模型可以得到更準確的預(yù)測結(jié)果。計算確定出了蒸汽側(cè)氧化膜厚度與T91合金過熱器受熱管殘余蠕變壽命之間的對應(yīng)關(guān)系，使只需在機組停機維護階段測量蒸汽側(cè)氧化膜的厚度便可估算出受熱管的殘余蠕變壽命，從而可為更換受熱

3、管提供決策依據(jù);擬合出了受熱管蠕變壽命與管內(nèi)蒸汽溫度及蒸汽流量之間的計算關(guān)聯(lián)式，使可以確定出滿足某一蠕變壽命期望值所能允許的最高蒸汽溫度和最小蒸汽流量，這可為高溫受熱面的設(shè)計優(yōu)化和合理選材提供必要數(shù)據(jù)。
　　(2)提出一種識別基體塑性變形以及氧化膜不同形式失效行為的新方法，并在此基礎(chǔ)上探索出了一整套測量蒸汽側(cè)氧化膜臨界開裂應(yīng)變的實驗方案:基于聲發(fā)射檢測技術(shù)，開展受熱管蒸汽側(cè)氧化膜拉伸失效實驗，通過對比分析純基體試樣和帶氧化膜試樣不

4、同實驗階段產(chǎn)生的聲發(fā)射信號的FFT特征頻譜，并結(jié)合SEM顯微觀測，提出利用聲發(fā)射信號特征峰頻的分布區(qū)間差異來識別基體塑性變形、氧化膜垂直開裂以及氧化膜/基體界面分離等行為;利用該識別方法確定實驗中試樣表面氧化膜何時開裂，進而準確測量出氧化膜的臨界開裂應(yīng)變。該識別方法克服了其他學(xué)者所用原位SEM觀測法無法直接觀測到尚未擴展至氧化膜表面的裂紋或因存在觀測滯后而影響臨界開裂應(yīng)變等的測量的問題，而與基于聲發(fā)射信號振幅或事件數(shù)目變化的識別方法相比

5、，能更有效避免信號振幅衰減、噪音干擾等的影響。
　　(3)建立穩(wěn)態(tài)應(yīng)力模型，計算分析了停機降負荷過程中受熱管蒸汽側(cè)氧化膜的受力特點及可能的失效形式。模型考慮了管壁金屬和氧化膜熱膨脹系數(shù)的溫度依賴性以及沿徑向各點計算自由熱應(yīng)變所使用的參考溫度的差異;且由于模型是基于穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)理論和熱彈性力學(xué)解析解建立的，可直接嵌入到一般鍋爐熱力計算程序中，為進行熱力-應(yīng)力綜合分析開辟了新途徑。鑒于低Cr標準鐵素體、9Cr鐵素體-馬氏體以及300系列