電站鍋爐高溫受熱面蒸汽側氧化膜問題研究.pdf

1、電站鍋爐高溫受熱面蒸汽側氧化膜的存在會減小部件的有效承載厚度，引起管壁溫度上升，從而縮短部件的使用壽命。脫落后的氧化膜有可能在受熱管下部彎頭處沉積，阻礙蒸汽流動，導致發(fā)生超溫爆管事故;也有可能進入到汽機主汽閥本體，引起主汽閥門卡澀;還有可能被蒸汽攜帶進入汽輪機，對汽輪機部件造成固體顆粒侵蝕;脫落后的氧化膜還會造成汽水污染，影響汽水品質。
　　 本文采用理論分析、數(shù)值模擬和實際運行相結合的方法，圍繞蒸汽側氧化膜問題從以下五個方面展

2、開了深入研究。
　　 (1)基于受熱面蒸汽側氧化膜的生長動力學和傳熱學基本理論，建立蒸汽側氧化膜的生長預測模型以及受熱管的傳熱分析模型。研究蒸汽側氧化膜生長過程中管壁溫度的變化，揭示蒸汽側氧化膜對管壁溫度的影響規(guī)律，在此基礎上提出了氧化膜“臨界超溫厚度”的概念，給出一種受熱面超溫運行的預測方法，用于預測由于蒸汽側氧化膜的不斷生長而導致管壁溫度超溫運行的時間。該方法既可以應用于鍋爐受熱面的安全性評價，也可以為受熱面的設計選材提供理

3、論依據(jù)。
　　 (2)依據(jù)T91合金的高溫蠕變特性，建立T91受熱管蠕變斷裂壽命的計算模型，從蒸汽側氧化膜導致管壁溫度升高和增大部件受力兩方面定量分析蒸汽側氧化膜對受熱管蠕變斷裂壽命的影響。發(fā)現(xiàn)蒸汽側氧化膜導致部件蠕變斷裂壽命縮短的主要原因是管壁溫度升高，等效應力增大屬于次要原因;受熱管的蠕變斷裂壽命隨蒸汽側氧化膜厚度的增加呈拋物線減小，且隨管子熱負荷的增加，蒸汽側氧化膜對受熱管蠕變斷裂壽命的影響程度加劇;蒸汽側氧化膜對外徑較小

4、的厚壁管子的蠕變斷裂壽命影響較大。研究表明在高溫受熱面的設計中應該合理考慮蒸汽側氧化膜對部件蠕變斷裂壽命的影響。
　　 (3)建立穩(wěn)態(tài)熱應力有限元分析模型，對機組降負荷過程中受熱管蒸汽側氧化膜內(nèi)的熱應力進行計算和分析。鑒于鐵素體合金和奧氏體合金的熱膨脹系數(shù)有明顯差異，文中分別對以T91合金為代表的鐵素體合金和以TP347H為代表的奧氏體合金進行了計算分析。揭示了機組降負荷過程中兩種合金管蒸汽側氧化膜內(nèi)熱應力的變化規(guī)律，為鍋爐高溫

5、受熱面的設計和運行控制系統(tǒng)優(yōu)化提供了重要依據(jù)。
　　 (4)建立瞬態(tài)熱應力有限元分析模型，確定不同蒸汽溫度擾動速度下蒸汽側氧化膜內(nèi)熱應力的響應特征。分別對鐵素體合金（以T91合金為代表）和奧氏體合金（以TP347H為代表）進行了計算分析。計算發(fā)現(xiàn)，兩種合金管蒸汽側氧化膜內(nèi)環(huán)向應力和軸向應力在響應過程中都存在峰值，且蒸汽溫度降低速率越大，擾動過程中氧化膜內(nèi)環(huán)向應力和軸向應力的增大速度就越快，擾動結束時所達到的峰值就越高。這些特征表

6、明，為防止蒸汽側氧化膜脫落，在運行過程中必須嚴格限制蒸汽溫度的變化速率。
　　 (5)提出了一種基于蒸汽側氧化膜臨界脫落厚度的安全性評價方法。該評價方法依據(jù)蒸汽側氧化膜的臨界脫落厚度，利用現(xiàn)有的蒸汽側氧化膜生長預測模型，對蒸汽側氧化膜發(fā)生脫落的時間進行預測，并將預測得到的脫落時間作為一個評價指標，對受熱面的安全性進行評價。該方法可以與傳統(tǒng)的基于蠕變分析的安全性評價方法相結合，實現(xiàn)對高溫受熱面的綜合評價。當受熱面蒸汽側氧化膜脫落問