火电机组锅炉过热器蒸汽侧氧化膜在机组启停过程中可能发生开裂、脱落等失效行为,对机组启停过程的安全性构成严重威胁。目前关于高温受热面蒸汽侧氧化膜的研究主要集中在机理部分,能广泛应用于电站现场的研究成果较少。本文以某600MW超超临界直流锅炉末级过热器为研究对象,结合实际运行过程,采用了数值计算和实验研究相结合的方法,研究了停炉过程中高温受热面蒸汽侧氧化膜的失效问题及其影响因素。主要有以下三个方面的内容。(1)提出了在单向加载过程中,T23合金管段和TP347合金管段蒸汽侧氧化膜临界脱落应变的计算方法。该氧化膜临界脱落应变的确定方法,是利用单向加载法模拟停炉过程中氧化膜的受力状况,通过声发射检测系统得到氧化膜的脱落时刻,借助动态应变仪测量得到试样在加载过程中基体的应变量。由于拉伸载荷或压缩载荷施加缓慢,氧化膜可能通过开裂或起皱来释放应变能,使得测量过程中氧化膜应变量与基体应变量并不相等,在分析氧化膜在加载过程中的受力特点与失效过程的基础上,利用加载过程中基体的应变量,建立了氧化膜的临界脱落应变的计算方法,绘制了拉应力下和压应力下氧化膜的临界脱落应变曲线。除了测量计算了室温下氧化膜的临界脱落应变,还利用高温箱开展了200°C和280°C环境温度下的氧化膜临界脱落应变测量与计算。(2)为了分析停炉过程中,蒸汽降温和吹扫冷却对高温受热面蒸汽侧氧化膜热应力的影响,本文专门编制了锅炉的热力计算程序。基于停炉过程中的热力数据,建立了停炉过程中末级过热器T23合金管段和TP347合金管段蒸汽侧氧化膜的瞬态热应力数值计算模型,分别计算其在蒸汽降温过程和吹扫过程中的热应力分布和特点,考虑了不同蒸汽降温速度和吹扫速度对氧化膜内热应力的影响,并与稳态降温下氧化膜受到的热应力计算比较分析。计算发现,停炉时T23合金管段在蒸汽降温过程中更容易发生氧化膜的脱落,且其背风面氧化膜的脱落可能性要高于迎风面;停炉时TP347合金管段氧化膜热应力会被蒸汽降温过程产生的瞬态附加热应力所削弱,一定程度上抑制了其发生脱落的可能性,但在吹扫过程中产生的瞬态热应力会加剧其氧化膜内的热应力,且背风面氧化膜的脱落可能性要高于迎风面氧化膜。(3)针对现场停炉过程中高温受热面蒸汽侧氧化膜的失效行为分析和控制方法,本文以末过出口汽温变动率为表征参数,建立了停炉过程中氧化膜临界脱落的末过出口汽温允许变动率与运行时间的关系。具体而言,建立了末级过热器进口汽温阶跃扰动下的出口汽温动态响应模型和蒸汽侧氧化膜生长预测模型,并结合停炉过程中蒸汽侧氧化膜的热应力状况和蒸汽侧氧化膜临界脱落应变曲线,得到了在不同运行时间下,氧化膜临界脱落时末过出口汽温允许变动率。计算表明,当运行时间不超过51005h时,停炉过程中末过出口汽温允许变动率控制在3°C/min以内可以使末过管内氧化膜不发生大面积的脱落,保证机组的安全运行。当运行时间超过51005h时,在停炉过程中要适当降低蒸汽降温速率,严格控制末过出口汽温变动率,防止管内氧化膜出现大面积的脱落,且在检修过程中需要对管内氧化膜进行严格的检查,以免由于氧化膜的脱落影响机组的安全启动。文中研究成果可用于为电站锅炉的运行优化和受热面的优化设计提供理论依据,也为电站锅炉现场进行氧化膜安全性分析提供了手段。