热瞬变对高温受热管蒸汽侧氧化膜脱落的影响研究

高温受热管蒸汽侧氧化膜的脱落直接影响相关系统工作的安全性，引起其脱落的主要原因是氧化膜承受了过大的热应力。以往研究未考虑热瞬变过程对氧化膜热应力的影响，申请人在前期研究中已发现，热瞬变初始阶段氧化膜的热应力会大于稳态热应力，对氧化膜的脱落有重要影响。本项目将在已有工作基础上，一方面建立M层复合圆筒壁非稳态传热及热应力的解析模型，研究热瞬变过程对氧化膜脱落的影响机理，寻求管壁两侧流体参数的瞬态危险变动速率理论计算方法；另一方面，对受热管段的金属、管内蒸汽、管外流体以及蒸汽侧氧化膜进行三维多场耦合分析，研究热瞬变过程中受热管进口蒸汽参数和管外流体参数变化时，氧化膜热应力和应变的响应情况，揭示受热管外部参数对氧化膜剥落的影响规律，从而得到外部参数的允许变动速率计算方法。本项目在研究蒸汽侧氧化膜的脱落方面具有重要的理论意义，同时对高温受热管的选材、结构设计、流体参数控制等具有实际应用价值。

高温受热管蒸汽侧氧化膜发生脱落将严重影响发电机组的安全经济运行。目前相关研究主要集中在受热管管材的蒸汽氧化动力学方面，而关于氧化膜脱落的研究相对较少，这不仅无法满足在役发电机组提高安全性和经济性的迫切要求，同时也制约了未来机组向更高参数方向的进一步发展。在此背景下，本项目采用解析建模、数值模拟和实验研究相结合的方法系统研究了热瞬变对受热管蒸汽侧氧化膜脱落的影响，主要内容包括以下三方面。.（1）开展基于声发射检测技术的蒸汽侧氧化膜拉伸失效实验，提出了一种利用声发射信号的特征峰频来识别基体塑性变形、氧化膜开裂以及氧化膜/基体界面分离等行为的新方法。利用该方法可及时捕捉实验中氧化膜首次开裂的瞬间，进而确保准确测量出氧化膜的临界开裂应变。该方法成功克服了传统原位SEM观测法无法直接观测到尚未扩展至氧化膜表面的裂纹或因存在观测滞后而影响临界开裂应变等的测量的问题。.（2）建立稳态应力模型，计算分析了停机降负荷过程中T22、T91和TP347H合金受热管蒸汽侧氧化膜的受力特点及可能的失效形式。建模时考虑了管壁金属和蒸汽侧氧化膜热膨胀系数的温度依赖性以及沿径向各点计算自由热应变所使用的参考温度的差异，相比于现有模型可以得到更准确的计算结果。模型计算结果和分析结论可为解决受热管蒸汽侧氧化膜脱落问题提供理论依据，并为机组安全降负荷策略的制定提供关键数据。.（3）建立受热管蒸汽侧氧化膜失效概率分析模型，计算分析了蒸汽温度以不同形式快速降低时，T92合金受热管蒸汽侧氧化膜的径向开裂概率。模型采用最新一代氧化膜失效判别准则，并考虑了受热管几何形状、管壁金属和氧化膜的机械和热物性参数、氧化膜内物理缺陷尺寸等存在的不确定性。计算说明，通过合理控制蒸汽温度降低过程，可有效降低蒸汽侧氧化膜发生径向开裂的可能性。.本项目研究不仅对保障火电机组安全经济运行有重要应用价值，而且在核电、冶金、化工等领域也有很好的应用前景。