超临界电站锅炉高温受热面蒸汽侧氧化膜剥落的应力分析

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1、超临界电站锅炉高温受热面蒸汽侧氧化膜剥落的应力分析卞韶帅（上海明华电力技术工程有限公司上海200090）Analysisonthestressstateofsteam-sideoxidescaleofthehightemperatureheatingsurfacetubeofsupercriticalboilerBIANShaoshuaiShanghaiMinghuaPowerTechnologyEngineeringCo.,Ltd,Shanghai,China,200090Abstract:Thegrowt

2、handexfoliationofsteam-sideoxidescaleofthehightemperatureheatingsurfacetubesofsupercriticalboileroccurredgenerally,andaffectedthesafeoperationoftheutilityboilers.Describedananalyticalmethodforthestressanalysisofthesteam-sideoxidescale,calculatedandanalyzedt

3、hestressstateofTP347HandT91tubeofthefinalsuperheaterofa600MWsupercriticalboilerintheshutdownandstartupprocedure,andobtainedthepossiblefailuremodesoftheoxidescale.Keywords:supercriticalboiler;TP347H;T91;oxidescale;stress摘要：超临界电站锅炉普遍发生高温受热面蒸汽侧氧化膜生长及剥落问题，影响锅炉安

4、全运行。提出了一种氧化膜应力分析的解析方法，对某600MW超临界机组停机和启动过程中末级过热器的TP347H和T91两种管材蒸汽侧氧化膜的应力状态进行了计算和分析，并得出了其可能的剥落失效模式。关键词：超临界锅炉、TP347H、T91、氧化膜、应力1前言随着对燃煤发电机组节能环保要求的不断提高，电站锅炉正向着大容量、高参数的超（超）临界发电技术方向发展。这一方面能提高机组的循环热效率，降低发电能耗和污染物排放水平，但同时也可能加速锅炉高温受热面管束蒸汽侧的合金氧化过程，带来蒸汽侧氧化膜生长和脱落问题。上世纪

5、60、70年代起，国外研究机构如EPRI（美国电科院），ORNL（美国橡树岭国家实验室），CEGB（英国中央电力局），NPL（英国国家物理实验室）等对合金高温蒸汽氧化问题进行了一系列的研究，采用简单的双层平板模型对类似问题进行分析[1]，或采用数值模拟技术来模拟锅炉运行过程中一段炉管的氧化膜生长和应力变化情况[2，3]。随着国内不少数量的高参数超（超）临界机组相继投入运行，高温受热面管内氧化膜生长和脱落问题也屡见报道，各单位在材料蒸汽氧化机理、运行和检修处理等方面进行了大量研究[4]，并采用双层空心圆柱体模型

6、及数值模拟方法对机组变工况过程蒸汽侧氧化膜的应力进行分析[5]。本文建立了一种与高温受热面炉管氧化膜结构相一致的多层空心圆柱体几何模型，并基于热弹性力学理论给出了锅炉高温受热面管内氧化膜应力分析的解析方法，该方法考虑了炉管几何因素、温度径向梯度、蒸汽侧压力、材料物性的温度相关性等问题，同时也避免了数值计算法所必需考虑的误差、收敛性和稳定性等问题，解析解结果形式简单、直观，并针对某600MW超临界机组停机和启动过程中末级过热器的TP347H和T91两种管材进行了计算和分析，得出了其可能的剥落失效模式，可为解决高

7、温受热面管内氧化膜脱落问题提供理论依据。2高温受热面氧化膜应力计算模型高温受热面管内蒸汽氧化生成的氧化物可分为靠近合金材料的Fe-Cr尖晶层，其上的Fe3O4层，最外的不连续的Fe2O3。一般可把合金蒸汽氧化膜看作双层，既内层的Fe-Cr尖晶层和外层的Fe3O4层[1,2]。应力分析管子截面的几何模型如下图所示：图1氧化膜应力计算几何模型及计算部位对氧化膜应力计算模型进行了适当的简化：1）整个模型包含3层，即从烟气侧到蒸汽侧分别为合金基材、Fe-Cr尖晶层（内层）、Fe3O4与Fe2O3合层（外层）。2）考

8、虑每一层都为厚度一致、成分均匀的单层结构。考虑到Fe2O3一般不连续成一层，外层按Fe3O4和Fe2O3合层考虑，其热膨胀系数等参数均根据Fe3O4和Fe2O3的比例取相应参数的加权平均值。3）暂不考虑塑性变形以及蠕变效应的影响，假设金属和氧化膜均为始终处于弹性阶段的各向同性材料。4）氧化膜的生长应力可单独建模计算，本文暂不考虑。5）考虑温度对金属和氧化膜热膨胀系数、弹性模量等参数的影响。合金基材