摘要：我国在相当长的一段时间内能源结构主要以燃煤的火力发电为主。提升燃煤机组的能量转换效率,降低污染物排放是燃煤机组的主要任务。提升火电机组循环效率最有效的途径之一就是提升蒸汽的初参数。近年来,超(超)临界机组在我国已成为进展的主流,蒸汽温度已达600℃,压力达到30MPa,热效率达45%左右。近五年来,通过对国外超(超)临界机组技术引进和消化吸收,经过本土化的实践,已形成了自主设计、制造超(超)临界电站设备的能力。但对于高温材料特性和运转的技术还未完全理解,尤其一些运转操作规程的制定还主要是参照亚临界机组的运转经验,并未形成完整的成套技术。因而,氧化层导致的锅炉爆管事故时而发生,给电站锅炉、汽机以及热力系统的安全经济运转造成了重大影响。由此,对有必要对氧化层的成分、Fe离子的迁徙历程、给水加氧的可行性以及氧化层对管道的影响、氧化层的剥落机理进行深入系统的探讨。本论文首先运用热力学第二定律对金属元素和02的反应、Fe和H20(g)的反应及Cu和H20(g)的反应进行了计算,并将它们的吉布斯自由能与温度T的联系用Elpngham图表示出来。通过对Elpngham图的浅析可得：Cr与氧的亲和力大于铁与氧的亲和力,这也就说明了,高温条件下,Cr含量越高,合金的抗氧化能力越强。并详细解释了过热器/再热器中,蒸汽的温度在540℃左右管道内壁氧化膜分层的理由,氧化膜由内向外的顺序是内层是FeO,中间是Fe3O4,外层是Fe2O3。电厂给水系统加氧处理的目的之一就是为了生成结构致密的Fe2O3,用以防止钢材的进一步腐蚀。而在汽水系统中生成致密的Fe2O3,必须保证给水中有充足的含氧量。由于Cu在有氧的环境下会发生显著的氧化反应,故冷凝器出口后面的铜管中不适合通过加氧水。以高温水和超临界水物理和化学性质的变化为切入点,以电站汽水系统中工质的电位和pH值两方面着手浅析其对汽水系统中管材基体腐蚀的影响,并对电站汽水系统中Fe-H20系建立了升温条件下的电位-pH图。分别对固-液界面电位-pH图和液-液界面电位-pH图进行了详细而深入的浅析,得到Fe-H20系统中Fe2+离子是最重要的腐蚀产物。在一定的pH和E的环境下,Fe转变成Fe2+,这些离子会随着工质流动,以而使管道基体中的[Fe]含量减少,使管壁减薄。本论文以流动加速腐蚀和给水处理两方面进行了总结,得到以下结论：①流动加速腐蚀一般会发生在25-300℃之间,并且在150℃时,Fe转变为Fe2+,所需电位最低,此时最容易发生流动加速腐蚀。②为了阻碍管道基体中的[Fe]进一步转变成Fe2+,给水pH值应制约在9.6-12之间进行变化,使[Fe]转变为Fe30a和Fe203。以而得到给水加氧处理第二个目的就是同时以提升给水的pH值和提升反应电位,即氧化[Fe2+]；这两种途径均达到减小[Fe2+]的数量的目的。为了浅析氧化层对过热器和再热器管道的影响,本论文将L-M公式与传热学论述结合,建立了具有氧化膜的过热器、再热器的管道传热模型。浅析它们在不同的管道的几何尺寸、蒸汽流量、蒸汽温度、烟气温度等因素下,管道基体外壁、基体／氧化层界面、蒸汽／氧化层界面三者的温度和热流密度的变化,以及氧化层厚度的变化。计算得到的氧化层厚度与实际测量值相比较,它们有很好的一致性,并在工程误差允许范围之内,所以这种计算内壁氧化膜厚度的策略是可行的。由于,管道运转历程中,管道的几何尺寸已定,对其他影响因素进行敏感性浅析可以知道,它们对三个界面的温度和热流密度变化的影响顺序均为：蒸汽流量蒸汽温度烟气温度。所以,在电厂的实际运转中,重点监测蒸汽流量的变化。并且合理的证明了管道外壁的温升和氧化层／基体界面的温升是由于氧化膜的生长而引起的,它们之间呈现线性联系,并且它们的温升系数Aw1、Aw2与氧化层引起的温升系数B之间的联系为：B=α1Aw1+α2Aw2。并得到了各界面的热流密度与氧化膜厚度之间呈线性联系,并且是时间t和氧化膜厚度d的函数,其评估方程可表示为：q=C0+C1X+C2X2,其中X=logt-21og(0.467d)。本论文运用有限元软件ANSYS对具有一定厚度氧化膜的过热器／再热器管道在蒸汽侧及烟气侧温度发生相同扰动时,在不同的蒸汽流量、初始温度和压力及管道的几何尺寸、烟气温度、氧化膜厚度等影响因素的情况下各个界面径向应力、周向应力、等效应力和壁面温度的变化进行了浅析。相同温度扰动幅度下,蒸汽侧扰动对管基体及氧化膜内温度和应力的影响均比烟气侧扰动大得多。温度发生扰动,氧化膜内温度和应力在扰动初期有一个急剧变化的历程,且变化幅度很大,氧化膜易发生剥落。在各个影响因素中,蒸汽流量对三者的影响尤为突出,且远远高于其他因素,这是由于蒸汽对界面的冲刷所引起的。最后运用断裂力学论述,建立了由界面粗糙度参数ξ、弯曲指数∏和粘附比指数S组成的氧化膜屈曲剥落弯曲图,对氧化层的剥落形式进行了合理的解释。关键词：氧化层论文成分论文流动加速腐蚀论文给水加氧处理论文传热特性论文温度论文热流密度论文应力论文剥落机理论文
本论文由www.808so.com摘要5-7
Abstract7-16
第1章 绪论16-26
1.1 课题背景及探讨的目的和作用16-17
1.2 国内外锅炉炉管内壁氧化膜的探讨近况17-24
1.2.1 氧化膜带来的危害17-20
1.2.2 国外锅炉炉管内壁氧化膜探讨近况概述20-22
1.2.3 国内锅炉炉管内壁氧化膜探讨近况概述22-24
1.3 论文探讨目的及主要工作24-26
1.3.1 论文探讨目的24
1.3.2 论文的主要工作24-26
第2章 氧化膜的热力学浅析26-40
2.1 金属高温氧化的一般概念26-30
2.1.1 金属高温氧化的定义26-27
2.1.2 高温氧化的基本历程27-30
2.2 金属高温氧化的热力学浅析30-38
2.2.1 金属高温氧化的热力学判据的基础知识30
2.2.2 Elpngham图介绍30-31
2.2.3 计算历程及结果浅析31-38
2.3 试验验证38-39
2.3.1 试验策略38
2.3.2 氧化膜的成分浅析38-39
2.4 本章小结39-40
第3章 氧化层的电化学浅析40-61
3.1 高温水和超临界水的物理和化学性质40-42
3.2 高温水及超临界水的pH值和电位对腐蚀的影响42-44
3.3 升温条件下电位-pH图在电站Fe-H_2O系中的运用44-54
3.3.1 电位-pH图概述44
3.3.2 电位-pH图原理44-45
3.3.3 探讨模型的建立45-47
3.3.4 热力学数据的来源与计算47-48
3.3.5 图形的绘制48-49
3.3.6 计算结果及浅析49-54
3.4 流动加速腐蚀历程的浅析54-56
3.5 三相点各参数的变化及其影响因素的浅析56-59
3.5.1 三相点各参数的变化56-57
3.5.2 固-固界面电位影响因素的浅析57-59
3.6 本章小结59-61
第4章 锅炉炉管内壁氧化层生长预测61-100
4.1 数值模型61-62
4.1.1 数值模型建立的假设条件61-62
4.1.2 数值模型的建立62
4.2 传热历程的浅析62-65
4.2.1 蒸汽侧换热历程浅析62-63
4.2.2 氧化层间换热历程浅析63
4.2.3 管道基体间的换热历程浅析63
4.2.4 烟气侧的换热历程浅析63-65
4.2.5 循环迭代准则65
4.3 迭代计算历程65-66
4.4 计算工况列表66-67
4.5 计算结果及浅析67-90
4.5.1 氧化膜生长的预测67-73
4.5.2 管壁温度变化的影响因素浅析73-83
4.5.3 管壁热流密度变化的影响因素浅析83-90
4.6 水冷壁管道内壁氧化膜生长的预测90-98
4.6.1 热流密度的测试90-94
4.6.2 数值模型94-95
4.6.3 传热历程的浅析95-96
4.6.4 迭代计算历程96
4.6.5 计算结果及浅析96-98
4.7 本章小结98-100
第5章 锅炉炉管内壁氧化层应力的有限元浅析100-129
5.1 有限元模型的建立100-103
5.1.1 有限元数学模型100-101
5.1.2 有限元模型的假设条件101
5.1.3 有限元模型101-103
5.2 计算工况103
5.3 计算结果及浅析103-120
5.3.1 温降对各界面应力及温度的影响103-108
5.3.2 应力影响因素浅析108-117
5.3.3 壁温变化影响因素浅析117-120
5.4 炉管内壁氧化层剥落形式及机理浅析120-128
5.4.1 氧化层受力浅析122
5.4.2 氧化层弯曲挠度与应力之间的联系122-123
5.4.3 能量释放率与应力之间的联系123-124
5.4.4 外载相位角与应力之间的联系124-126
5.4.5 氧化膜剥落的弯曲图126-128
5.5 本章小结128-129
第6章 结论及展望129-132
6.1 结论129-130
6.2 革新性成果130-131
6.3 下一步工作展望131-132
参考文献132-140
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果140-141
攻读博士学位期间参加的科研工作141-142
致谢142-143
作者介绍143
试述锅炉受热面管内氧化物生成及剥落机理
更新时间：2024-02-01
作者：用户投稿
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