高溫金屬管蒸汽側(cè)氧化膜失效特性實驗與數(shù)值模擬研究

發(fā)布時間：2020-03-18 15:05

【摘要】：高溫受熱管蒸汽側(cè)氧化膜問題研究涉及熱能工程、材料學(xué)、工程力學(xué)等多個學(xué)科,目前氧化膜研究集中在生長機理和力學(xué)屬性兩個方面,關(guān)于氧化膜失效的研究相對滯后。本文以某600 MW超臨界直流爐末級過熱器為對象,采用實驗研究、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,主要包括以下五個方面。(1)提出檢測室溫蒸汽側(cè)氧化膜失效過程的實驗方法,可用于測量T91合金管氧化膜臨界失效應(yīng)變,以及計算氧化膜的斷裂韌性。該室溫實驗采用聲發(fā)射檢測技術(shù),識別蒸汽側(cè)氧化膜失效過程。實驗中首先根據(jù)聲發(fā)射的信號計數(shù)、峰值頻率和信號能量,劃分氧化膜的失效區(qū)間,并采用金相實驗法觀察各區(qū)間的失效類型。然后基于小波分析,將聲發(fā)射信號的時域信息轉(zhuǎn)變?yōu)闀r-頻域信息,建立聲發(fā)射信號與氧化膜失效類型間的對應(yīng)關(guān)系。在完成多組實驗后,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,進而發(fā)生氧化膜脫落。(2)上述室溫實驗的信號處理方法難以識別高溫氧化膜的失效類型,針對高溫實驗裝置特點,提出適用于高溫氧化膜失效研究的實驗方法。該高溫實驗首先利用高溫實驗裝置開展室溫氧化膜失效實驗,確定采用信號幅值和峰值頻率劃分氧化膜的失效區(qū)間。然后將該信號處理方法用于研究高溫氧化膜失效機理。同時采用ANSYS軟件,建立氧化膜試樣的有限元模型,計算室溫和高溫氧化膜的應(yīng)力場。通過比較材料屬性和殘余應(yīng)力對氧化膜脫落的影響,確定基體屈服強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程。建模時根據(jù)氧化膜應(yīng)力分布特征,在氧化膜失效危險區(qū)域添加貫穿型裂紋和交界面裂紋,評估物理缺陷尺寸、氧化膜厚度和降溫速率對氧化膜裂紋擴展的影響。結(jié)果表明降溫速率和氧化膜厚度對交界面裂紋的影響大于貫穿型裂紋,而缺陷長度對貫穿型裂紋的影響更顯著。(4)考慮鍋爐過熱器管外煙氣熱負(fù)荷不均、管內(nèi)蒸汽對流傳熱以及蒸汽側(cè)氧化膜生長的影響,建立過熱器管屏的金屬蠕變斷裂壽命預(yù)測模型。該模型采用三維計算流體力學(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算過熱器管屏的溫度場和應(yīng)力場。然后在獲得管屏溫度場的基礎(chǔ)上,基于參數(shù)外推法和蒸汽側(cè)氧化膜生長預(yù)測模型,評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)氧化膜隨時間逐漸增厚,這一方面會減少離子擴散速率,降低氧化膜生長速率;另一方面會升高管壁溫度,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,建立過熱器管屏氧化膜的動態(tài)溫度場和應(yīng)力場模型,分析由進口蒸汽溫度急劇變化導(dǎo)致的氧化膜動態(tài)應(yīng)力場。在建模過程中,考慮到蒸汽側(cè)氧化膜厚度遠小于受熱管長度,并且煙氣溫度場響應(yīng)時間也快于金屬管壁和管內(nèi)蒸汽,采用C#語言開發(fā)水蒸汽動態(tài)溫度場模型以及受熱管的動態(tài)溫度場、應(yīng)力場模型,利用FLUENT軟件建立管外煙氣的三維流動與傳熱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】：

氧化膜,蒸汽,彎管,安全經(jīng)濟運行

逑被汽水?dāng)y帶至任意汽水可以達到的地方，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，則會減逡逑少管內(nèi)蒸汽流動速率，增大管壁溫度；若彎管處聚集的氧化膜己堵塞蒸汽流動，則受熱管逡逑會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后不久就發(fā)生短時超溫爆管。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電站運行構(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電站鍋爐、汽輪機和熱力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟運行都產(chǎn)生重要影響。近十年逡逑來，因為鍋爐主蒸汽參數(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、汽輪機逡逑主汽門卡澀及固體顆粒侵蝕的問題不斷增多［１５］。美國Ｅｄｉｏｓｎ公司對２４８臺火電機組進行調(diào)逡逑查，發(fā)現(xiàn)其中２１４臺就存在這一問題［１６］。國內(nèi)江蘇太倉電廠２ｘ６００邋ＭＷ、江蘇沙洲電廠２ｘ１０００逡逑ＭＷ、江蘇射陽港電廠２ｘ６６０邋ＭＷ和定州電廠２ｘ６００邋ＭＷ等火電機組也都存在氧化膜問題，逡逑－２－逡逑

高溫金屬管蒸汽側(cè)氧化膜失效特性實驗與數(shù)值模擬研究