高温受热管蒸汽侧氧化膜问题研究涉及热能工程、材料学、工程力学等多个学科,目前氧化膜研究集中在生长机理和力学属性两个方面,关于氧化膜失效的研究相对滞后。本文以某600 MW超临界直流炉末级过热器为对象,采用实验研究、解析模型与数值模拟相结合的方法,系统性地开展高温受热管蒸汽侧氧化膜失效研究,主要包括以下五个方面。(1)提出检测室温蒸汽侧氧化膜失效过程的实验方法,可用于测量T91合金管氧化膜临界失效应变,以及计算氧化膜的断裂韧性。该室温实验采用声发射检测技术,识别蒸汽侧氧化膜失效过程。实验中首先根据声发射的信号计数、峰值频率和信号能量,划分氧化膜的失效区间,并采用金相实验法观察各区间的失效类型。然后基于小波分析,将声发射信号的时域信息转变为时-频域信息,建立声发射信号与氧化膜失效类型间的对应关系。在完成多组实验后,从蒸汽侧氧化膜应变能角度,解释了导致声发射信号特征差异的原因。结果表明氧化膜首先出现贯穿型裂纹,再产生交界面裂纹,进而发生氧化膜脱落。(2)上述室温实验的信号处理方法难以识别高温氧化膜的失效类型,针对高温实验装置特点,提出适用于高温氧化膜失效研究的实验方法。该高温实验首先利用高温实验装置开展室温氧化膜失效实验,确定采用信号幅值和峰值频率划分氧化膜的失效区间。然后将该信号处理方法用于研究高温氧化膜失效机理。同时采用ANSYS软件,建立氧化膜试样的有限元模型,计算室温和高温氧化膜的应力场。通过比较材料属性和残余应力对氧化膜脱落的影响,确定基体屈服强度是影响高温氧化膜脱落的重要因素。(3)考虑材料蠕变和物理缺陷的影响,采用ANSYS软件建立带有蒸汽侧氧化膜的T91合金管弹-塑性有限元模型,计算氧化膜裂纹载荷和临界失效参数,用于分析易发生氧化膜脱落的停炉过程。建模时根据氧化膜应力分布特征,在氧化膜失效危险区域添加贯穿型裂纹和交界面裂纹,评估物理缺陷尺寸、氧化膜厚度和降温速率对氧化膜裂纹扩展的影响。结果表明降温速率和氧化膜厚度对交界面裂纹的影响大于贯穿型裂纹,而缺陷长度对贯穿型裂纹的影响更显著。(4)考虑锅炉过热器管外烟气热负荷不均、管内蒸汽对流传热以及蒸汽侧氧化膜生长的影响,建立过热器管屏的金属蠕变断裂寿命预测模型。该模型采用三维计算流体力学(CFD)分析管外烟气热负荷,利用一维管屏、水蒸汽模型的离散型方程计算过热器管屏的温度场和应力场。然后在获得管屏温度场的基础上,基于参数外推法和蒸汽侧氧化膜生长预测模型,评估全屏金属管壁的蠕变寿命和氧化膜的厚度分布。结果表明蒸汽侧氧化膜随时间逐渐增厚,这一方面会减少离子扩散速率,降低氧化膜生长速率;另一方面会升高管壁温度,增加管壁累积蠕变损伤速率。(5)综合离散型方程和FLUENT模拟的优势,建立过热器管屏氧化膜的动态温度场和应力场模型,分析由进口蒸汽温度急剧变化导致的氧化膜动态应力场。在建模过程中,考虑到蒸汽侧氧化膜厚度远小于受热管长度,并且烟气温度场响应时间也快于金属管壁和管内蒸汽,采用C#语言开发水蒸汽动态温度场模型以及受热管的动态温度场、应力场模型,利用FLUENT软件建立管外烟气的三维流动与传热CFD模型。本模型可确定易发生蒸汽侧氧化膜失效的危险区域,其中T23合金的氧化膜容易在蒸汽入口发生失效,而T91合金的氧化膜容易在蒸汽出口发生失效。