超超临界火电机组材料失效分析与结构改进研究

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1、１０７０８论文分类号：：２学校代码学号：１５０５００９＿殘在＃孩ＡｆＳＨＡＡＮＸＩＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ硕士学位论文Ｔ’ｈｅｓｉｓｆｏｒＭａｓｔｅｒｓＤｅｇｒｅｅ超超临界火电机组材料失效分析与结构改进研究浩ｒ李指导教师姓名：高东强教授＾学科名称：机械制造及其自动化论文提交日期：８年６月论文答辩日期：２０１８年５月；学位授予单位？：陕西科技大学：；；；――—＾＾＾―■■■—ｉ—申请工学硕士学位论文论文题目：超超临界火电机组过热器材料失效分析与结构改进研究学科门类：工学一级学科：机械

2、工程培养单位：机电工程学院硕士生：李浩导师：高东强教授2018年5月StudyontheStructureImprovementandAnalysisoftheMaterialFailureoftheSuperheaterforUltraSupercriticalThermalPowerUnitAThesisSubmittedtoShaanxiUniversityofScienceandTechnologyinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringScienceByHaoLiSuperviso

3、r:Prof.DongqiangGaoMay2018超超临界火电机组过热器结构设计及其材料失效分析摘要过热器是锅炉中工作环境最为恶劣的部件，长期在高温高压蒸汽条件下服役，管道蒸汽侧因氧化而形成一层氧化皮，剥落的氧化皮会堵塞蒸汽管道引起严重的爆管事故，已经成为影响超超临界火电机组安全运行的主要问题。为了有效解决管道蒸汽侧氧化皮剥落对火电机组的危害，开展氧化皮的生长剥落机理研究，对过热器管道蒸汽侧氧化皮的综合治理和预防有着重要的实践意义。（1）首先对过热器管道常用的18-8系奥氏体合金(TP304H、Super304H、TP347H和TP347HFG)以及含Al量不同的铁素体合金进行蒸汽氧化性

4、能研究。采用西安热工研究院自制的高温蒸汽氧化装置，利用不连续称重法获得氧化膜的动力学曲线，并用附带能谱(EDS)的扫描电子显微镜(SEM)观察并分析了氧化膜的表面和截面形貌以及元素的分布。总结了奥氏体合金和铁素体合金在高温蒸汽环境中氧化膜的生长和剥落规律，探究了氧化时间、温度、溶解氧浓度和晶粒度不同对奥氏体合金表面氧化膜生长、开裂、剥落的影响，以及Super304H合金中添加Cu元素和铁素体合金中添加2%Al、4%Al、6.5%Al对其氧化性能的影响。（2）通过上述研究发现18-8系奥氏体耐热钢在服役期间形成的氧化膜具有双层结构(外侧Fe3O4层与内侧FexCr(3-x)O4层)，且在双层

5、氧化膜的界面处有缺陷集中。奥氏体合金在蒸汽中随着氧化时间的延长氧化层逐渐增厚，温度和溶解氧浓度升高会加剧合金在高温蒸汽中的氧化，而晶粒细化促进合金表面保护性Cr2O3氧化层的形成。同时研究发现Super304H合金双层氧化膜界面处富集的Cu元素会导致界面处的缺陷增多，会加速合金表面氧化膜的剥落。铁素体合金中Al元素含量过少会使合金表面不能形成保护性氧化膜，过多会到这合金表面氧化膜的粘附性降低。（3）最后对双层氧化膜界面特性进行了深入分析，研究了应力作用下裂纹沿界面缺陷扩展的临界判据，并在此基础上建立了含缺陷双层氧化膜剥落预测模型。利用有限元软件ANSYSWorkbenck对无孔洞、单个微孔

6、洞、同半径多孔洞和复合尺寸多孔洞氧化层破坏所受临界应力和温度进行分析。研究发现双层氧化膜界面孔洞的存在和孔洞半径的增加均会减小氧化膜剥落所受到的临界应力和临界温差。然而多孔洞和复合尺寸多空洞双层氧化膜界面处最大临界应力与界面孔洞半径大小无关，只与孔洞间距与半径之比大I小有关，而临界温度与孔洞半径和孔洞排布密度均相关。关键词：超超临界火电机组，过热器管道材料，蒸汽氧化，ANSYS分析，过热器结构设计IIStructureDesignandMaterialFailureAnalysisoftheSuperheaterforUltraSupercriticalThermalPowerUnitAB

7、STRACTThesuperheateristhemostseverecomponentoftheworkingenvironmentintheboiler,andithasbeeninserviceforalongtimeunderhightemperatureandhighpressuresteamconditions.Thesteamsideofthepipelinewillbeoxidizedtoformanox