發(fā)布時(shí)間：2020-03-18 15:05

【摘要】：高溫受熱管蒸汽側(cè)氧化膜問(wèn)題研究涉及熱能工程、材料學(xué)、工程力學(xué)等多個(gè)學(xué)科,目前氧化膜研究集中在生長(zhǎng)機(jī)理和力學(xué)屬性兩個(gè)方面,關(guān)于氧化膜失效的研究相對(duì)滯后。本文以某600 MW超臨界直流爐末級(jí)過(guò)熱器為對(duì)象,采用實(shí)驗(yàn)研究、解析模型與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,系統(tǒng)性地開展高溫受熱管蒸汽側(cè)氧化膜失效研究,主要包括以下五個(gè)方面。(1)提出檢測(cè)室溫蒸汽側(cè)氧化膜失效過(guò)程的實(shí)驗(yàn)方法,可用于測(cè)量T91合金管氧化膜臨界失效應(yīng)變,以及計(jì)算氧化膜的斷裂韌性。該室溫實(shí)驗(yàn)采用聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù),識(shí)別蒸汽側(cè)氧化膜失效過(guò)程。實(shí)驗(yàn)中首先根據(jù)聲發(fā)射的信號(hào)計(jì)數(shù)、峰值頻率和信號(hào)能量,劃分氧化膜的失效區(qū)間,并采用金相實(shí)驗(yàn)法觀察各區(qū)間的失效類型。然后基于小波分析,將聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)域信息轉(zhuǎn)變?yōu)闀r(shí)-頻域信息,建立聲發(fā)射信號(hào)與氧化膜失效類型間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在完成多組實(shí)驗(yàn)后,從蒸汽側(cè)氧化膜應(yīng)變能角度,解釋了導(dǎo)致聲發(fā)射信號(hào)特征差異的原因。結(jié)果表明氧化膜首先出現(xiàn)貫穿型裂紋,再產(chǎn)生交界面裂紋,進(jìn)而發(fā)生氧化膜脫落。(2)上述室溫實(shí)驗(yàn)的信號(hào)處理方法難以識(shí)別高溫氧化膜的失效類型,針對(duì)高溫實(shí)驗(yàn)裝置特點(diǎn),提出適用于高溫氧化膜失效研究的實(shí)驗(yàn)方法。該高溫實(shí)驗(yàn)首先利用高溫實(shí)驗(yàn)裝置開展室溫氧化膜失效實(shí)驗(yàn),確定采用信號(hào)幅值和峰值頻率劃分氧化膜的失效區(qū)間。然后將該信號(hào)處理方法用于研究高溫氧化膜失效機(jī)理。同時(shí)采用ANSYS軟件,建立氧化膜試樣的有限元模型,計(jì)算室溫和高溫氧化膜的應(yīng)力場(chǎng)。通過(guò)比較材料屬性和殘余應(yīng)力對(duì)氧化膜脫落的影響,確定基體屈服強(qiáng)度是影響高溫氧化膜脫落的重要因素。(3)考慮材料蠕變和物理缺陷的影響,采用ANSYS軟件建立帶有蒸汽側(cè)氧化膜的T91合金管彈-塑性有限元模型,計(jì)算氧化膜裂紋載荷和臨界失效參數(shù),用于分析易發(fā)生氧化膜脫落的停爐過(guò)程。建模時(shí)根據(jù)氧化膜應(yīng)力分布特征,在氧化膜失效危險(xiǎn)區(qū)域添加貫穿型裂紋和交界面裂紋,評(píng)估物理缺陷尺寸、氧化膜厚度和降溫速率對(duì)氧化膜裂紋擴(kuò)展的影響。結(jié)果表明降溫速率和氧化膜厚度對(duì)交界面裂紋的影響大于貫穿型裂紋,而缺陷長(zhǎng)度對(duì)貫穿型裂紋的影響更顯著。(4)考慮鍋爐過(guò)熱器管外煙氣熱負(fù)荷不均、管內(nèi)蒸汽對(duì)流傳熱以及蒸汽側(cè)氧化膜生長(zhǎng)的影響,建立過(guò)熱器管屏的金屬蠕變斷裂壽命預(yù)測(cè)模型。該模型采用三維計(jì)算流體力學(xué)(CFD)分析管外煙氣熱負(fù)荷,利用一維管屏、水蒸汽模型的離散型方程計(jì)算過(guò)熱器管屏的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。然后在獲得管屏溫度場(chǎng)的基礎(chǔ)上,基于參數(shù)外推法和蒸汽側(cè)氧化膜生長(zhǎng)預(yù)測(cè)模型,評(píng)估全屏金屬管壁的蠕變壽命和氧化膜的厚度分布。結(jié)果表明蒸汽側(cè)氧化膜隨時(shí)間逐漸增厚,這一方面會(huì)減少離子擴(kuò)散速率,降低氧化膜生長(zhǎng)速率;另一方面會(huì)升高管壁溫度,增加管壁累積蠕變損傷速率。(5)綜合離散型方程和FLUENT模擬的優(yōu)勢(shì),建立過(guò)熱器管屏氧化膜的動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)模型,分析由進(jìn)口蒸汽溫度急劇變化導(dǎo)致的氧化膜動(dòng)態(tài)應(yīng)力場(chǎng)。在建模過(guò)程中,考慮到蒸汽側(cè)氧化膜厚度遠(yuǎn)小于受熱管長(zhǎng)度,并且煙氣溫度場(chǎng)響應(yīng)時(shí)間也快于金屬管壁和管內(nèi)蒸汽,采用C#語(yǔ)言開發(fā)水蒸汽動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)模型以及受熱管的動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)模型,利用FLUENT軟件建立管外煙氣的三維流動(dòng)與傳熱CFD模型。本模型可確定易發(fā)生蒸汽側(cè)氧化膜失效的危險(xiǎn)區(qū)域,其中T23合金的氧化膜容易在蒸汽入口發(fā)生失效,而T91合金的氧化膜容易在蒸汽出口發(fā)生失效。
【圖文】：

逑被汽水?dāng)y帶至任意汽水可以達(dá)到的地方，可能成為水冷壁節(jié)流圈等汽水循環(huán)系統(tǒng)中結(jié)垢物逡逑的重要來(lái)源［１４］，如圖１－１邋（ｅ）所示。逡逑停爐期間脫落的氧化膜在彎管處聚集，如圖１－１邋（ｆ）。在鍋爐重新啟動(dòng)的初期，管內(nèi)蒸逡逑汽的流速低，不足以沖走彎管處聚集的氧化膜。若聚集的氧化膜還未堵塞受熱管，則會(huì)減逡逑少管內(nèi)蒸汽流動(dòng)速率，增大管壁溫度；若彎管處聚集的氧化膜己堵塞蒸汽流動(dòng)，則受熱管逡逑會(huì)因得不到蒸汽冷卻在爐內(nèi)干燒，導(dǎo)致受熱管在鍋爐啟動(dòng)后不久就發(fā)生短時(shí)超溫爆管。逡逑（ａ）邐（ｂ）邐逡逑｜＾Ｂ邐圓“逡逑邐邋Ｌ邐邋一逡逑（ｅ）邐（ｆ）逡逑圖１－１蒸汽側(cè)氧化膜不同失效形式對(duì)電站運(yùn)行構(gòu)成危害（ａ）貫穿型裂紋［１１］；邋（ｂ）氧化膜空腔；（ｃ）逡逑氧化膜脫落；（ｄ）氧化膜侵蝕汽輪機(jī)葉片；（ｅ）水冷壁結(jié)垢；（ｆ）脫落的氧化膜堵塞彎管［１２］逡逑１．１．２蒸汽側(cè)氧化膜失效研宄意義逡逑氧化膜失效對(duì)電站鍋爐、汽輪機(jī)和熱力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行都產(chǎn)生重要影響。近十年逡逑來(lái)，因?yàn)殄仩t主蒸汽參數(shù)的提高，蒸汽側(cè)氧化膜失效引起的氋溫受熱管超溫爆管、汽輪機(jī)逡逑主汽門卡澀及固體顆粒侵蝕的問(wèn)題不斷增多［１５］。美國(guó)Ｅｄｉｏｓｎ公司對(duì)２４８臺(tái)火電機(jī)組進(jìn)行調(diào)逡逑查，發(fā)現(xiàn)其中２１４臺(tái)就存在這一問(wèn)題［１６］。國(guó)內(nèi)江蘇太倉(cāng)電廠２ｘ６００邋ＭＷ、江蘇沙洲電廠２ｘ１０００逡逑ＭＷ、江蘇射陽(yáng)港電廠２ｘ６６０邋ＭＷ和定州電廠２ｘ６００邋ＭＷ等火電機(jī)組也都存在氧化膜問(wèn)題，逡逑－２－逡逑

新一
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM621

【參考文獻(xiàn)】

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1 邊彩霞;周克毅;朱正林;胥建群;;停機(jī)過(guò)程中鍋爐高溫受熱面蒸汽側(cè)氧化膜的應(yīng)力分析[J];化工學(xué)報(bào);2013年04期

2 黃軍林;周克毅;邊彩霞;胥建群;;鍋爐過(guò)熱器蒸汽側(cè)氧化膜的應(yīng)力狀態(tài)分析[J];中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào);2012年14期

3 劉定平;崔志鵬;;基于磁場(chǎng)強(qiáng)度的鍋爐管內(nèi)氧化皮測(cè)量精度實(shí)驗(yàn)[J];華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2012年02期

4 徐洪;;給水加氧處理引發(fā)蒸汽通道氧化皮剝落的機(jī)理[J];動(dòng)力工程學(xué)報(bào);2011年09期

5 湯妍;周克毅;韋紅旗;徐嘯虎;黃軍林;;超超臨界鍋爐水冷壁節(jié)流孔板垢物沉積問(wèn)題的數(shù)值研究[J];化工學(xué)報(bào);2011年07期

6 趙慧傳;凌榮華;賈建民;趙建倉(cāng);;新型耐熱鋼T23的特性與早期失效分析[J];中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào);2011年20期

7 龍會(huì)國(guó);;鍋爐用奧氏體不銹鋼彎管內(nèi)部氧化皮檢測(cè)的新方法[J];動(dòng)力工程學(xué)報(bào);2010年07期

8 賈建民;Melanie Montgomery;;超超臨界機(jī)組鍋爐用不銹鋼管表面冷作硬化處理對(duì)其抗蒸汽氧化性能的影響[J];熱力發(fā)電;2009年06期

9 邊彩霞;周克毅;胥建群;徐嘯虎;;鍋爐過(guò)熱器蒸汽側(cè)氧化膜瞬態(tài)應(yīng)力的有限元分析[J];動(dòng)力工程;2008年05期

10 賈建民;陳吉?jiǎng)?唐麗英;王弘U(xiǎn)，

本文編號(hào)：2588871