蒸汽侧氧化膜对超临界机组T92钢管壁温的影响_边彩霞

　第29卷第5期　2009年5月

动　力　工　程

Journal of Power Engineering

Vol.29No.5　May.2009　

收稿日期:2008211220

作者简介:边彩霞(19782),女,河南鹤壁人,博士研究生,主要从事电站锅炉受热面蒸汽侧氧化和超温爆管方面的研究.

电话(Tel.):139********;E 2mail :biancaixia2008@https://www.sodocs.net/doc/23124701.html,.

文章编号:100026761(2009)0520502205 中图分类号:T K265 文献标识码:A 学科分类号:470.30

蒸汽侧氧化膜对超临界机组T92钢管壁温的影响

边彩霞,　周克毅,　胥建群,　徐啸虎

(东南大学能源与环境学院,南京210096)

摘　要:通过建立T92钢受热管及其蒸汽侧氧化膜的数值分析模型,定量分析了不同厚度氧化膜

对T92钢受热管壁温的影响,并在此基础上得出了不同受热条件下导致T92钢管超温运行的氧化膜的临界厚度值.结果表明:随着氧化膜厚度的增加,管壁平均温度和平均温度升高幅度均呈近似线性增加;且管内壁温度越高、管外热流密度越大,氧化膜的临界厚度值越小.因此,当T92钢应用于高温受热面时,需综合考虑壁面热负荷和管内壁温度对氧化膜临界厚度的影响.关键词:超临界机组;氧化膜;T92钢;受热管;壁温

Influence of Steam 2side Oxide Scale on Wall Temperature of

T92Tubes for Supercritical Units

B I A N Cai 2x i a ,　Z HOU Ke 2y i ,　X U J i an 2qun ,　X U X i ao 2hu

(School of Energy and Environment ,Sout heast University ,Nanjing 210096,China )

Abstract :To quantitatively analyze t he influence of oxide scale in different t hickness on wall temperat ure of T92t ubes ,a numerical model was built up for simulating t he temperat ure dist ribution of T92t ube and it s steam 2side oxide scales ,t hus various critical t hickness of oxide scale under different heating conditions ob 2tained ,above which overheating operation would occur to corresponding T92t ubes.Result s show t hat wit h t he growt h of scale t hickness ,bot h t he average t ube wall temperat ure and t he temperat ure rise in 2crease app roximately linearly ;t he higher t he inner surface temperat ure and t he larger t he outer surface heat flux ,t he smaller t he critical scale t hickness will be.Therefore when T92t ubes are used as high 2tem 2perat ure heat surfaces ,t he influence of bot h t he o uter surface heat and t he inner t ube wall temperat ure should be comp rehensively considered in determinatio n of oxide scale t hickness.

Key words :supercritical unit ;oxide scale ;T92steel ;heat surface t ube ;wall temperat ure

新材料的开发和应用为火电机组向高参数发展提供了有利保障.在过去十多年间,日本和美国均证实T92钢能够承受在高温蒸汽工况下产生的很高的应力.美国ASM E 已经批准在公用事业公司的锅炉、压力容器、电厂管道中使用T92钢.但由于在高温下T92钢受热管存在较严重的蒸汽侧氧化问题,

严重影响受热管的传热性能,同时氧化膜的剥落也给机组的安全运行带来了极大隐患,这使T92钢在超临界机组中的应用受到了很大限制,其强度优势也不能完全发挥.根据美国电力科学研究院(EPRI )的报道,如果仅从蠕变强度来考虑,T92钢可以应用在最高金属温度620℃(1150℉)下,但考虑到长期

运行时蒸汽侧的腐蚀问题,强度最好的铁素体钢也只能应用在金属温度为600℃(1112℉)以下[1].鉴于T92钢在超临界机组中很好的应用前景,因此定量分析蒸汽侧氧化膜对T92钢受热管温度的影响显得尤为必要.针对T92钢的蒸汽侧氧化问题,笔者定量分析了氧化膜的存在对T92钢受热管金属温度的影响,并分析得出了在不同受热条件下导致T92钢管超温运行的氧化膜的临界厚度值.这给T92钢在超临界机组中的应用提供了一定的参考,同时也对预防受热面超温运行具有重要意义.

1　T92钢在蒸汽侧氧化的特点

T92钢在蒸汽中的耐氧化性能属于超临界机组常用钢材中耐氧化性能较差的[1].图1给出了在650℃时一些常用钢材的腐蚀速率.通过比较可看出:在650℃条件下,T92钢在蒸汽中的耐氧化性能比常用的T22钢和T23钢好,但远不如TP347合金,比T91钢也稍差[2,3].

T92钢受热管在蒸汽中所形成的氧化膜主要由磁铁矿和尖晶石2层构成:其中磁铁矿为外层,主要成分为Fe3O4;尖晶石为内层,主要成分为(Fe, Cr)3O4[1].英国国家物理实验室(N PL)对蒸汽中T92钢所形成氧化膜的导热系数进行了测量,发现其导热系数不到1W/(m?K),而T92钢的导热系数却为27W/(m?K).这样,对受热管,氧化膜的作

用像热障涂层,严重影响了受热管的传热性能

.

图1　在650℃条件下不同钢材在蒸汽中的腐蚀速率Fig.1　Oxidation rate of different materials in steam at650℃

2　数值分析模型的建立

2.1　材料特性

受热管基体材料为T92铁素体钢,所生成的氧化膜主要成分为Fe3O4和(Fe,Cr)3O4.笔者在计算过程中对氧化膜的结构进行了简化,将不同成分的氧化膜看成一个整体,其比热容值采用2种成分的平均值,导热系数采用英国国家物理实验室(N PL)的测量数据,所用受热管的基体材料和氧化膜的主要性能参数示于表1.

表1　受热管基体材料及氧化膜的主要性能参数

T ab.1　Physical properties of the b ase metal and oxide scale

温度

/℃

T92

密度/

(kg?

m-3)

比热容/

(J?kg-1?

K-1)

导热系数/

(W?m-1?

K-1)

氧化膜

密度/

(kg?

m-3)

比热容/

(J?kg-1?

K-1)

导热系数/

(W?m-1?

K-1) 521777068926.9150108590.766 625777078626.6350108870.867 718777093027.121)50109322)0.8191)

注:1)利用公式计算得出;2)根据已有数据拟合得出的近似值. 2.2　模型的建立

采用Fluent数值计算软件,建立了受热管截面的二维分析模型.针对不同的氧化膜厚度和不同的内外壁边界条件,笔者分别计算了144种情况,得出了相应情况下管壁基体及氧化膜内的温度分布情况.

图2为数值分析几何模型示意图.受热管规格为40mm×6mm,氧化膜厚度分别取0～0.8mm 不等.为了方便计算,假设管材与氧化膜、氧化膜与氧化膜之间尚未发生剥落现象.利用轴对称性,可取管截面的1/4进行计算.首先,采用Fluent专用前处理软件Gambit对计算区域进行了网格划分,将计算区域分成2部分:管壁基体区域和氧化膜区域,计算网格全部采用四边形单元,管壁基体区域共划分为3600个单元,产生3751个节点;氧化膜区域则根据氧化膜厚度的不同,划分的网格也不同,共划分单元为0～1920个不等,产生节点0～1936个不等;然后,笔者在Fluent软件中分别对氧化膜和管基体材料进行设置,输入表1所示的密度、比热容和导热系数.受热管所加载的边界条件为:蒸汽侧采用第一类边界条件,考虑到蒸汽侧壁面温度为540℃

、

图2　几何模型示意图

Fig.2　Schematic diagram of geometric model

?

3

5

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　第5期边彩霞,等:蒸汽侧氧化膜对超临界机组T92钢管壁温的影响

560℃、580℃和600℃4种情况;烟气侧采用第二类边界条件,分别计算了热流密度为50kW/m2、75 kW/m2、100kW/m2和125kW/m24种情况.

3　结果与分析

3.1　氧化膜对管壁平均温度的影响

通过对受热管进行数值分析,笔者得出了在不同条件下受热管管壁和氧化膜内的温度分布情况,并对管壁的平均温度进行了分析.这种平均温度采用了Fluent软件中的面积加权平均值(Area2 Weighted Average),是由各单元温度值根据单元面积加权平均得来的,其具体计算公式为

T a=1

A

∑n

i=1

T i A i(1)

式中:T a为面积加权平均温度;A为总面积;T i为单元温度值;n为单元个数;A i为单元面积.

图3为在不同蒸汽侧壁面温度下管壁平均温度随氧化膜厚度的变化情况.由图中曲线可看出:在内壁温度不变时,管壁平均温度随氧化膜厚度的增加近似呈线性增加,而且管外壁热流密度越大,增加的速度也越快;内壁温度越高,管壁平均温度就越高.需要特别指出的是:图中所示虚线是温度为620℃的水平线;在通常情况下,如仅从蠕变强度考虑,笔者认为T92钢可应用在最高金属温度620℃(1150℉)下.根据图3中所示曲线,可明显看出,在一定受热条件下,存在1个临界的氧化膜厚度值,当氧化膜厚度超过该临界厚度时,管壁平均温度便会高于最高许用金属温度620℃.笔者用三维柱状图的形式分别给出了在各种情况下氧化膜的临界厚度值(图4),并通过比较发现:管内壁温度越高、管外热流密度越大,氧化膜的临界厚度值则越小.在管外热流密度为50kW/m2、管内壁温度为540℃的条件下,氧化膜的临界厚度值最大,为0.8mm.但在实际运行过程中,很难有氧化膜能生长到0.8mm而不发生剥落的,所以在该情况下,管内壁氧化膜的存在几乎不会引起管壁金属超温,除非氧化膜剥落发生堵管现象.在管外热流密度为125kW/m2条件下,当管内壁温度升高为560℃时,氧化膜的临界值则降为0.2mm,当管内壁温度升高为600℃时,即使没有氧化膜存在,管壁平均温度也已非常接近620℃.在实际应用中,对屏式过热器,管内壁温度较低,但管外热流密度较大;对高温过热器,管外热流密度较低,但管内壁温度较高,所以T92钢在过热器上的应用还需综合考虑管内壁温度和管外热流密度对氧化膜临界厚度的影响

.

(a)管内壁温度为540

℃

(b)管内壁温度为560

℃

(c)管内壁温度为580

℃

(d)管内壁温度为600℃

图3　氧化膜对管壁平均温度的影响

Fig.3　Influence of oxide scale t hickness on average tube wall tem2

perature

图4　氧化膜的临界厚度值

Fig.4　Critical t hickness of oxide scale

?

4

5

? 动　力　工　程 第29卷　

目前常规超临界机组主蒸汽和再热蒸汽温度一般都在540～560℃,而高效超临界机组,即常说的超超临界机组,主蒸汽和再热蒸汽温度已达到580℃及以上[4].机组参数的提高进一步促进了受热管蒸汽侧氧化膜的生成,同时氧化膜的存在又在很大程度上提高了受热管管壁的平均温度.根据前面分析,当氧化膜达到一定厚度时,即使很小厚度的氧化膜也可能使受热管超温运行.统计表明,受热面管路的损坏基本上都直接或间接地与运行过程中受热面的超温相联系.当管壁金属温度超过许用温度时,会引起管子的高温蠕变,严重时造成爆管事故,这既降低了设备的可用率,又增加了发电成本.如1台200MW锅炉爆管1次,每次按3天修复计算,则将少发电1.44×107kW?h;加上机组冷态启动所耗油费、修复所用材料费等,其经济损失相当大[5].除此之外,受热管迎火面的高温腐蚀也与其工作的环境温度有很大关系.管壁平均温度升高也会加剧烟气侧的高温腐蚀,烟气侧腐蚀产物层的存在又进一步引起管壁升温,这样就形成氧化2升温2快速氧化2超温的恶性循环.

3.2　管壁平均温升与氧化膜厚度的关系

利用计算数据对有无氧化膜时的管壁金属平均温度进行比较,可得到在不同厚度氧化膜条件下管壁平均温度的升高幅度.图5给出了管壁平均温升随氧化膜厚度的变化情况,笔者在计算时内壁温度取为560℃时.由该图可看出,随氧化膜厚度的增加,管壁平均温升呈线性增加;而且在相同氧化膜厚度下,管外壁热流密度越大,管壁平均温升越大.当管外壁热流密度为125kW/m2时,厚度为0.2mm 的氧化膜可使管壁平均温度升高47.4K.根据试验研究,在600～650℃时,9%～10%Cr钢形成0.2 mm厚的氧化膜需要的时间为10000h,该氧化膜可使管壁平均温度升高50K,在压力为100M Pa条件下,可导致T92受热管的断裂寿命由200000h 降低到5000h[2].可见,氧化膜的存在对受热管的断裂寿命有极大影响.

需要说明的是:当外壁热流密度与氧化膜厚度相同时,尽管内壁温度不同,计算得出的管壁平均温度升高幅度却基本相同,其最大差别不超过3.4K.这说明图5所示结果能反映管壁平均温升的一般规律.这给T92受热管的在线壁温检测和寿命评估提供了一定依据,对预防受热面超温爆管具有重要意义.但由于不同管材在不同运行环境下所形成氧化膜的结构和成分存在差异,氧化膜的热物理性能也会有所不同,

目前文献中可查阅到的有关氧化膜热

图5　管壁平均温升随氧化膜厚度的变化情况

Fig.5　Average tube wall temperature rise

vs.oxide scale t hickness

物理性能的数据非常有限,因此需更精确、更广泛地研究氧化膜对管壁温度的影响,并对氧化膜的热物理性能进行更全面和精确的测量.

目前蒸汽侧氧化膜对受热管传热性能和持久寿命的影响逐步被国内外科研人员掌握,并受到了广泛重视.现有的在线壁温检测技术有待完善,而要准确测定受热管的实际运行壁温又是准确评定受热管剩余寿命的关键,所以新的在线壁温检测和受热管状态综合评价检修模式需考虑氧化膜存在的影响.为此,不少科研人员提出了以超声波测量内壁氧化膜厚度为基础的在线壁温检测和剩余寿命评价系统[629].但是,由于该评价体系中采用了过多的经验常数,再加上测量存在误差,因此通常所计算得出的受热管剩余寿命的误差偏大.而减少该评价体系的误差则需进一步掌握氧化膜的生长规律,并更好地了解氧化膜对管壁温度的影响.

4　结　论

(1)管壁平均温度随氧化膜厚度的增加呈线性增加,管外壁热流密度越大,管壁平均温度越高,氧化膜厚度增加得也越快.同时,管壁平均温度升高还会加剧烟气侧的高温腐蚀,烟气侧腐蚀产物层的存在又进一步引起管壁升温,这样就形成氧化2升温2快速氧化2超温的恶性循环,因而严重威胁机组的安全运行.

(2)笔者根据分析得到了在不同受热条件下氧化膜的临界厚度值.管内壁温度越高、管外热流密度越大,氧化膜的临界厚度值越小.在实际应用中,将T92钢使用到高温受热面时,应综合考虑壁面热负荷和管内壁温度的对氧化膜临界厚度的影响.

(3)随着氧化膜厚度的增加,管壁平均温度升高幅度呈线性增加,而且在不同内壁温度下得到的管壁平均温升随氧化膜厚度的变化曲线基本相同.

?

5

5

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　第5期边彩霞,等:蒸汽侧氧化膜对超临界机组T92钢管壁温的影响

该曲线给T92受热管在线壁温检测和寿命评估提

供了一定依据,但要更精确地研究氧化膜对管壁温度的影响,则需对氧化膜的热物理性能进行更为全面和精确的测量.参考文献:

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635.

?学会动态?

中国动力工程学会2009年度秘书长工作会议在徐州召开

中国动力工程学会2009年度秘书长工作会议于4月11～12日在江苏徐州召开,学会领导和16个工作委员会、专业委员会的秘书长等共23人出席会议.

会议由学会副理事长兼秘书长严宏强主持,蒋以任理事长出席会议并作重要讲话,他肯定了学会的各项工作,并提出学会工作应该不断探索和创新,整合各种资源,加强产学研平台建设,正确处理和协调各方关系,把学会工作开展得更好.严宏强介绍了学会就如何开展产学研平台建设的工作设想,各专委会和工作委员会总结交流了去年的工作和体会,汇报了今年的活动计划和今后工作思路.学会常务副秘书长朱月祥传达了中国科协的有关精神,介绍了学会今年的主要工作任务和活动安排.国际合作工作委员会王飞秘书长汇报了2009神户国际动力工程会议中方的征文和组织工作.

会议要求,学会应围绕中国科协工作要点、结合学会自身特点和实际,突出我会工作重点,做到有所为有所不为,努力把学会办成“动力科技工作者之家、政府与企业联系的桥梁、会员之间联系的桥梁、学术交流的平台、产学研相结合的平台、为企业服务的平台”.

会议感谢徐州燃烧控制研究院有限公司为会议所做的精心安排和周到服务.

(学会秘书处　朱月祥)

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