[發(fā)明專利]超超臨界火電機組用奧氏體耐熱鋼氧化膜剝落預(yù)測方法

有效

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• 申請日: 2018-10-29
• 公開（公告）號: CN109190311B
• 公開（公告）日: 2023-02-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張鵬;嚴靖博;袁勇;尹宏飛;魯金濤;谷月峰
• 申請（專利權(quán)）人: 華能國際電力股份有限公司;西安熱工研究院有限公司
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 安彥彥

超超臨界火電機組用奧氏體耐熱鋼氧化膜剝落預(yù)測方法，合金在服役過程中表面形成雙層氧化膜，內(nèi)層為FeCr₂O₄及外層為Fe₃O₄，并且雙層氧化膜界面缺陷間距l(xiāng)與尺寸a之比滿足如下條件：0.2≤l/a≤6，則通過臨界溫差隨l/a的變化曲線預(yù)測氧化膜在不同熱應(yīng)力作用下的剝落行為。本發(fā)明針對目前600℃級超超臨界火電機組過熱器/再熱器常用材料在服役過程中界面缺陷的尺寸及分布觀察結(jié)果，能夠?qū)辖鸨砻嫘纬傻碾p層氧化膜剝落行為進行預(yù)測。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于材料領(lǐng)域，具體涉及一種超超臨界火電機組用奧氏體耐熱鋼氧化膜剝落預(yù)測方法。

背景技術(shù)

超超臨界火電機組(USC)具有高效率、低能耗、低排放等優(yōu)點，目前已成為國內(nèi)外火力發(fā)電行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。隨著USC技術(shù)的推廣，火電機組鍋爐蒸汽參數(shù)明顯提高，進而對鍋爐關(guān)鍵部件材料的性能提出了極高的要求。其中，過熱器/再熱器是鍋爐中工作環(huán)境最為惡劣的部件，運行過程中長期受到高溫水蒸汽氧化、煙氣腐蝕、蠕變等諸多因素的影響。因此，以TP91、TP92等為代表的鐵素體耐熱鋼已逐漸無法滿足過熱器/再熱器管道對材料性能的要求。目前，國內(nèi)外600℃級以上的USC過熱器/再熱器已廣泛采用了TP304H、TP347H等18-8系奧氏體耐熱鋼。與鐵素體鋼相比，奧氏體耐熱鋼具有更加優(yōu)異的高溫持久強度以及抗氧化性能。然而，由于奧氏體鋼耐熱鋼的熱膨脹系數(shù)與氧化膜相比明顯較高，因此在冷卻過程中氧化膜內(nèi)部將產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力，導(dǎo)致其在服役期間氧化皮剝落現(xiàn)象十分嚴重。其中，氧化皮剝落導(dǎo)致管道堵塞，進而造成管道超溫運行甚至爆管現(xiàn)象已成為影響機組安全穩(wěn)定運行的最主要原因之一，例如僅廣東省2008-2012年600MW及以上超超臨界火電機組由于氧化皮剝落堵塞而引起的爆管就高達23次，造成經(jīng)濟損失超過4.6億元。此外，剝落氧化皮尺寸較小時將隨蒸汽流動并導(dǎo)致汽水品質(zhì)惡化，同時造成汽輪機葉片沖蝕磨損、主汽門卡澀等問題。可見，研究奧氏體耐熱鋼表面氧化皮的剝落行為并在此基礎(chǔ)上改善其抗剝落性能具有重要的意義。

由于氧化膜與基體熱膨脹系數(shù)不匹配，鍋爐在服役期間的變負荷或啟停等行為均會導(dǎo)致氧化膜內(nèi)部產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，進而造成其開裂與剝落。EPRI在總結(jié)大量實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上建立了氧化膜厚度與彈性應(yīng)變的關(guān)系模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著氧化膜厚度的增加，誘發(fā)其開裂并剝落所需的最低彈性應(yīng)變減小。由于這一模型可以為鍋爐過熱器/再熱器等受熱管材氧化皮剝落行為進行預(yù)測，因而已被廣泛應(yīng)用于電廠安全運行評估。根據(jù)該預(yù)測方法，氧化膜厚度越薄，則導(dǎo)致其開裂所需的彈性應(yīng)變越高，氧化膜的抗剝落能力也越好。因此，為抑制氧化膜的剝落，目前國內(nèi)外主要采用新型合金(TP347HFG、Super304H)以及表面處理(冷加工、噴丸)等方法，通過抑制氧化膜的生長速度進而提高其與基體的結(jié)合強度。然而，人們在隨后的研究中發(fā)現(xiàn)過熱器/再熱器管材在服役達到一定時間后，其表面形成的氧化膜內(nèi)存在大量孔洞缺陷。研究表明，氧化膜內(nèi)部產(chǎn)生的缺陷對于其在熱應(yīng)力作用下的開裂方式具有顯著影響，這是由于裂紋在萌生與擴展過程中需要克服產(chǎn)生新表面所需的表面能，而氧化膜內(nèi)部或其與基體界面處缺陷的存在為裂紋的萌生與擴展提供了便捷途徑。近年來，關(guān)于缺陷對氧化膜開裂與剝落行為的影響開始受到國外學(xué)者的關(guān)注。然而，目前關(guān)于含缺陷多層氧化膜的裂紋萌生與擴展機制方面的研究尚未見報道。對于600℃級超超臨界機組過熱器/再熱器材料，現(xiàn)今應(yīng)用最廣泛的奧氏體耐熱鋼在服役期間氧化膜具有雙層結(jié)構(gòu)，并且缺陷具有在雙層氧化膜內(nèi)界面富集的特點，這對于其氧化膜開裂與剝落行為的有效預(yù)測提出了新的挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，提出一種超超臨界火電機組用奧氏體耐熱鋼氧化膜剝落預(yù)測方法，該模型針對目前600℃級超超臨界火電機組過熱器/再熱器常用材料(TP304H、TP347H、Super304H、TP347HFG)在服役過程中界面缺陷的尺寸及分布觀察結(jié)果，能夠?qū)辖鸨砻嫘纬傻碾p層氧化膜剝落行為進行預(yù)測。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：