[发明专利]马氏体耐热钢在超临界高温蒸汽下氧化膜厚度的计算方法

说明书

本发明涉及一种马氏体耐热钢在超临界高温蒸汽下氧化膜厚度的计算方法，尤其适用于9%Cr马氏体耐热钢。该方法应用金属氧化动力学的抛物线模型，并在其基础上对阿伦尼乌斯方程进行了数学修正，结合大量电厂实际运行的结果和模拟实验数据，运用分步线性拟合和函数曲线拟合的方法得到一个9%Cr马氏体耐热钢在23~35MPa高温蒸汽环境下的氧化膜厚度计算公式，该公式综合考虑了时间和温度对氧化膜厚度的影响，将蒸汽温度和运行时间代入该公式即可计算出该条件下9%Cr马氏体耐热钢的氧化膜厚度。该公式突破了多数氧化动力学模型只考虑单一因素影响的限制，克服了传统氧化皮厚度测量方法测试周期长、成本较高、操作复杂、精度不稳定，或者需要割钢管等缺点。

技术领域

本发明涉及一种马氏体耐热钢在超临界高温蒸汽下氧化膜厚度的计算方法，尤其涉及一种9％Cr马氏体耐热钢在超临界或超超临界高温蒸汽环境下的氧化膜厚度的计算方法。

背景技术

9％Cr马氏体耐热钢主要包括T/P91、T/P92、E911和G115(9Cr3W3Co)等马氏体耐热钢，广泛用于超超临界锅炉主蒸汽管、集箱、过热器、再热器等高温部件。为了提高热效率、降低煤耗和排放，火电机组的蒸汽压力和温度不断提高，而机组关键部件的高温氧化问题也随之变得严重。高温蒸汽氧化腐蚀导致的受热面管爆漏损坏事故、机组停运等对电厂的安全运行和经济效益造成了严重的危害。

近年来随着火电机组高温部件蒸汽氧化问题得到普遍重视，蒸汽氧化的危害性不断被认识，国内外对蒸汽氧化的研究投入也逐渐加大。工程上主要关心的问题是高温蒸汽中材料所形成的氧化皮厚度，随着温度升高、氧化膜生长速率加快、一定时间内形成的氧化皮更厚，将导致以下问题：第一，氧化膜增厚减小了有效管壁，使管壁承受的压力增大，甚至因蠕变而破坏；第二，氧化膜的热导率低，将导致管壁升温，进一步加速氧化腐蚀和失效；第三，氧化皮达到一定厚度或者因管道超温或经常性启停导致氧化皮受热不均时，部分氧化皮会因应力作用而剥落，剥落的氧化物碎渣可能堵塞管道或者进入汽轮机造成汽轮机的叶片冲蚀等。因此，根据工作温度和时间计算耐热钢管道的氧化皮厚度对于判断管件氧化腐蚀程度、计算剩余寿命，进而确保电厂安全运行有着重要的实际意义。

计算氧化皮厚度需要借助9Cr％耐热钢在高温蒸汽环境下的氧化动力学模型。当前国内外关于9Cr％耐热钢高温蒸汽氧化动力学的研究主要采用氧化增重的方法，对于氧化皮厚度的研究也往往局限于单一变量(蒸汽温度或时间)的影响。而不同机组的运行温度往往不同，不同温度下氧化皮生长的速率也不同，从单一工作条件下得出的氧化动力学模型不能适用于其它温度条件，对于在实际情况中计算氧化膜的厚度不具有普适性。工业上测量氧化皮厚度常用的方法有洗垢法、取样电镜测量、微区分析法和超声波检测法等等，但以上方法存在成本高、周期长、精度不稳定、操作复杂和需要割管等不足之处。

发明内容

本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供一种在已知9％Cr马氏体耐热钢管工作温度和时间的条件下，基于9％Cr马氏体耐热钢高温蒸汽氧化动力学模型和相关实验数据，拟合出一个能快速计算出9％Cr马氏体耐热钢管氧化膜厚度的方法。

为了达到上述目的，本发明提出的技术方案为：一种马氏体耐热钢在超临界高温蒸汽下氧化膜厚度的计算方法，其特征在于：所述马氏体耐热钢为9％Cr马氏体耐热钢，高温蒸汽氧化膜厚度的公式为：

其中，X为氧化层厚度，A为常系数，Q为激活能，R为气体常数，T为温度，t为时间。

对上述技术方案的进一步设计为：所述高温蒸汽温度范围为550℃～700℃，蒸汽压力范围为23.0～35.0MPa，时间范围为200～20000h。

所述氧化膜厚度的公式中n＝0.5。

所述激活能Q和时间t之间存在的数学关系为：

Q＝39659.32t^0.0092。