高温受热管蒸汽侧金属氧化膜失效问题研究

摘要

高温受热管蒸汽侧氧化膜在一定条件下可能发生开裂、隆起、脱落等失效行为，严重影响发电机组的安全经济运行。目前关于高温受热管常用管材的高温蒸汽氧化动力学已开展了大量研究，但关于蒸汽侧氧化膜失效问题的研究却相对滞后，这不仅不能满足在役发电机组提高安全性和经济性的迫切要求，同时也严重制约了未来发电机组向更高参数、更大容量方向的进一步发展。在此情况下，本文围绕火电机组高温受热管蒸汽侧氧化膜失效问题，采用解析建模、数值模拟和实验研究相结合的方法进行了系统研究，主要内容包括以下五方面。
　　(1)考虑蒸汽侧氧化膜生长对管壁温度和应力的持续影响，建立了高温受热管的蠕变寿命预测模型。在预测氧化膜生长时考虑了氧化膜的生长温度随氧化膜自身生长而同时发生的变化，相较于传统“定生长温度”模型可以得到更准确的预测结果。计算确定出了蒸汽侧氧化膜厚度与T91合金过热器受热管残余蠕变寿命之间的对应关系，使只需在机组停机维护阶段测量蒸汽侧氧化膜的厚度便可估算出受热管的残余蠕变寿命，从而可为更换受热管提供决策依据;拟合出了受热管蠕变寿命与管内蒸汽温度及蒸汽流量之间的计算关联式，使可以确定出满足某一蠕变寿命期望值所能允许的最高蒸汽温度和最小蒸汽流量，这可为高温受热面的设计优化和合理选材提供必要数据。
　　(2)提出一种识别基体塑性变形以及氧化膜不同形式失效行为的新方法，并在此基础上探索出了一整套测量蒸汽侧氧化膜临界开裂应变的实验方案:基于声发射检测技术，开展受热管蒸汽侧氧化膜拉伸失效实验，通过对比分析纯基体试样和带氧化膜试样不同实验阶段产生的声发射信号的FFT特征频谱，并结合SEM显微观测，提出利用声发射信号特征峰频的分布区间差异来识别基体塑性变形、氧化膜垂直开裂以及氧化膜/基体界面分离等行为;利用该识别方法确定实验中试样表面氧化膜何时开裂，进而准确测量出氧化膜的临界开裂应变。该识别方法克服了其他学者所用原位SEM观测法无法直接观测到尚未扩展至氧化膜表面的裂纹或因存在观测滞后而影响临界开裂应变等的测量的问题，而与基于声发射信号振幅或事件数目变化的识别方法相比，能更有效避免信号振幅衰减、噪音干扰等的影响。
　　(3)建立稳态应力模型，计算分析了停机降负荷过程中受热管蒸汽侧氧化膜的受力特点及可能的失效形式。模型考虑了管壁金属和氧化膜热膨胀系数的温度依赖性以及沿径向各点计算自由热应变所使用的参考温度的差异;且由于模型是基于稳态热传导理论和热弹性力学解析解建立的，可直接嵌入到一般锅炉热力计算程序中，为进行热力-应力综合分析开辟了新途径。鉴于低Cr标准铁素体、9Cr铁素体-马氏体以及300系列奥氏体合金这三类高温受热面常用管材的热膨胀系数及蒸汽侧氧化膜的结构特征存在较大不同，分别选取T22、T91和TP347H合金作为代表进行对比分析。揭示了降负荷过程中不同类型合金受热管蒸汽侧氧化膜的受力特点及典型失效形式，为解决蒸汽侧氧化膜失效问题提供理论依据，并为机组安全降负荷策略的制定提供关键数据。
　　本文研究不仅对保障火电机组安全经济运行有重要应用价值，而且在核电、冶金、化工等领域也有很好的应用前景。

目录

声明

摘要

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第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 关于合金高温蒸汽氧化动力学的研究

1．2．2 关于氧化膜对受热管蠕变失效的影响研究

1．2．3 关于氧化膜受力的研究

1．2．4 关于氧化膜失效判别准则的研究

1．2．5 关于氧化膜失效的实验研究

1．3 论文的研究内容

参考文献

第二章 蒸汽侧氧化膜对受热管蠕变寿命的影响

2．1 金属的蠕变

2．1．1 蠕变过程

2．1．2 影响金属蠕变的主要因素

2．1．3 现有受热管蟠变寿命预测模型存在的问题

2．2 蠕变寿命预测模型

2．2．1 物理模型和简化假设

2．2．2 模型的建立

2．2．3 模型的验证

2．3 计算结果与分析

2．3．1 氧化膜生长预测结果

2．3．2 受热管蠕变寿命预测结果

2．3．3 氧化膜厚度与受热管残余蠕变寿命的关系

2．3．4 不同因素对受热管蠕变寿命的影响

2．4 本章小结

参考文献

第三章 受热管蒸汽侧氧化膜的拉伸失效实验研究

3．1 声发射检测的基本原理

3．1．1 声发射与声发射检测技术

3．1．2 声发射信号的表征参数

3．1．3 声发射信号的分析方法

3．1．4 快速傅里叶变换和特征频谱

3．2 氧化膜拉伸失效实验

3．2．1 试样制备

3．2．2 实验系统

3．2．3 实验方法

3．2．4 实验结果和分析

3．2．5 氧化膜的残余应变

3．2．6 氧化膜的临界开裂应变

3．3 本章小结

参考文献

第四章 蒸汽侧氧化膜/管壁基体界面剪切强度评估方法

4．1 力学分析模型

4．1．1 物理模型

4．1．2 基本假设

4．1．3 模型推导

4．2 模型的验证

4．3 计算结果与分析

4．3．1 过渡层厚度的确定

4．3．2 氧化膜片段内应力分布

4．3．3 氧化膜/基体界面剪切强度

4．3．4 氧化膜临界开裂应变对裂纹增殖的影响

4．3．5 氧化膜厚度对裂纹增殖的影响

4．4 本章小结

参考文献

第五章 受热管蒸汽侧氧化膜的稳态应力分析

5．1 极坐标下稳态应力解析解

5．2 稳态应力模型的建立

5．2．1 物理模型

5．2．2 基本假设

5．2．3 计算工况

5．2．4 温度场模型

5．2．5 应力场模型

5．3 模型的验证

5．4 计算结果与分析

5．4．1 径向应力

5．4．2 环向应力

5．4．3 轴向应力

5．5 本章小结

参考文献

第六章 非稳态过程中受热管蒸汽侧氧化膜的失效概率分析

6．1 氧化膜径向开裂确定性分析模型

6．1．1 物理模型和基本假设

6．1．2 非稳态温度场模型

6．1．3 应力场模型

6．1．4 氧化膜失效判别准则

6．2 相关参数的概率分布

6．3 氧化膜径向开裂概率分析模型

6．4 计算工况

6．4．1 不同蒸汽温度降低过程的定义

6．4．2 氧化膜径向开裂概率的定义

6．4．3 计算工况

6．5 模型的验证

6．6 计算结果与分析

6．6．1 确定性模型的计算结果与分析

6．6．2 概率模型的计算结果与分析

6．7 本章小结

参考文献

第七章 总结与展望

7．1 研究总结

7．2 工作展望

致谢

附录

攻读博士学位期间学术成果及参与的科研项目