马氏体耐热钢在高压蒸汽下氧化层内层厚度的计算方法与流程

1.本发明属于马氏体耐热钢技术领域，具体涉及一种马氏体耐热钢在高压蒸汽下氧化层内层厚度的计算方法。


背景技术：

2.马氏体耐热钢包括t/p91、t/p92、e911、t/p93(9cr-3w-3co)、t/p122等9-12％cr耐热钢。马氏体耐热钢具有优异的高温蠕变强度、良好的导热性和低的线膨胀系数，被广泛应用于制造超(超)临界机组的主蒸汽管、集箱、过热器、再热器等重要高温部件。随着机组工作蒸汽压力的提高，马氏体耐热钢的抗高温高压蒸汽氧化性能成为影响高温部件寿命的关键因素之一。在高温部件长期运行过程中，由于氧化层厚度的增长，将会导致管壁的有效壁厚减小，管壁的应力也相应增加；同时氧化层引起管壁的导热性能变差，使管壁的平均运行温度提高，长期处于超温服役状态，当发展到一定程度时，最终导致的爆管事故发生。因此，评估部件的使用寿命，做到提前预警，为减少事故发生，预测过热器、再热器等在高温高压蒸汽下服役部件的氧化层厚度是非常必要的。
3.计算氧化层厚度需要借助耐热钢在高温高压蒸汽下的氧化动力学模型。目前马氏体耐热钢蒸汽氧化动力学模型大多是基于氧化增重法实验结果得到的，不能直接计算氧化层的厚度。虽有少数文献报导了基于氧化层厚度增长的马氏体耐热钢高压蒸汽氧化动力学模型，但是氧化层包括内层和外层，这些文献没有区分外层厚度和内层厚度。申请人研究发现，只有氧化层内层厚度的增长才导致管子壁厚的减薄，影响管子的寿命，因此预测氧化层内层厚度更有实用价值。
4.关于耐热钢氧化动力学方面存在的另一个主要不足在于目前研究局限于固定蒸汽压力下时间变量对氧化层厚度的影响，未考虑蒸汽压力变化的影响。实际上，机组中过热器和再热器等部件中的蒸汽压力差异很大，蒸汽压力不同，氧化速率会存在较大的差异。因此，如果不考虑蒸汽压力变化的影响，将会严重影响预测结果的准确性。


技术实现要素：

5.本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供一种9％cr马氏体耐热钢管氧化层内层厚度的计算方法，根据运行时间和压力方便快速地计算出9％cr马氏体耐热钢在高压蒸汽下的氧化层内层厚度，结果精确，实际电厂运行中可不必割管进行测量即可实现高温部件剩余寿命的评估，保障机组的安全运行，降低了成本，具有重要的工业应用价值。
6.为了达到上述目的，本发明提出的技术方案为：
7.提供一种马氏体耐热钢在高压蒸汽下的氧化层内层厚度计算方法，所述马氏体耐热钢为9％cr耐热钢，高压蒸汽下氧化层内层厚度的计算公式为：
8.y＝a+bt+cp+dt2+hpt+ip29.其中，y为氧化层内层厚度，单位为μm；p为蒸汽压力，单位为mpa；t为时间，单位为h；a，b，c，d，h，i为拟合系数。
10.按上述方案，所述高压蒸汽下的蒸汽压力范围为5.0～25.0mpa。
11.按上述方案，所述高压蒸汽下的运行时间范围为1,000～150,000h。
12.按上述方案，所述高压蒸汽下的高压蒸汽温度范围为550～650℃。
13.按上述方案，所述拟合系数a的值为22.21。
14.按上述方案，所述拟合系数b的值为0.0009334。
15.按上述方案，所述拟合系数c的值为-0.8198。
16.按上述方案，所述拟合系数d的值为-7.655
×
10-10
。
17.按上述方案，所述拟合系数h的值为1.79
×
10-5
。
18.按上述方案，所述拟合系数i的值为0.1152。
19.提供一种上述计算方法在评估电厂中高压蒸汽下运行的马氏体耐热钢管寿命方面的应用。
20.通过上述公式计算高温部件9％cr马氏体耐热钢的氧化层内层厚度，可以反映高温部件内壁氧化腐蚀减薄程度，以评估部件剩余寿命，保障机组的安全运行。
21.本发明具有的有益效果为：
22.1.本发明率先研究了马氏体耐热钢在超(超)临界高压蒸汽条件下氧化层内层的厚度，根据运行时间和蒸汽压力可以方便快速地计算出9％cr马氏体耐热钢在高温高压蒸汽下氧化层的厚度，更具实用价值，结果更加准确，实际电厂运行中可不必割管进行测量，实现了节约成本和在不影响运行的情况下计算管子氧化层内层厚度；氧化层内层厚度可以反映马氏体耐热钢管内壁氧化腐蚀减薄程度，以评估部件剩余寿命，保障机组的安全运行，具有重要的工业应用价值。
23.2.本发明的计算方法兼顾了蒸汽压力及运行时间这两个对氧化层厚度影响均较大的因素，误差可控制在8％以内，计算结果准确性高，具有重要的参考价值。
附图说明
24.图1为本发明实施例中氧化层内层厚度y与选定压力p和时间t的关系图。
25.图2为本发明实施例中氧化层内层厚度y与选定压力p和时间t实际数据的三次重复拟合预测图。
具体实施方式
26.下面通过具体实施例对本发明的技术方案做进一步的解释说明。
27.氧化层内层厚度y与蒸汽压力p的关系式
28.为了探究压力p和时间t对电站锅炉高温受热面氧化层形成的影响，将不同时间t、不同压力p下的9％cr马氏体耐热钢氧化层内层厚度实验数据进行筛选处理，结果如下表：
29.表1不同时间、不同蒸汽压力下的9％cr马氏体耐热钢氧化层内层厚度
30.时间t/h蒸汽压力p/mpa氧化层内层厚度y/μm1169.9165.035.4221466.17515.048.9161767.93420.069.1571228.34325.0107.108
10018.5215.042.16910031.58115.058.19310048.76620.079.27710084.50925.0123.13350267.1995.075.06050004.62115.0102.89250034.17820.0139.15750081.60725.0197.349100222.3285.0117.229100264.94615.0169.518100308.25020.0222.651100064.23225.0273.253150177.4585.0159.398150242.07115.0238.675150270.94120.0274.096122611.57525.0287.590
31.将上述数据进行绘图，得到附图1所示的氧化层内层厚度y与选定压力p和时间t的关系图。
32.可以发现，厚度y与压力p和时间t之间存在二元二次函数关系，经三维非线性曲面拟合得到如下公式：
33.y＝a+bt+cp+dt2+hpt+ip2ꢀꢀꢀ
(1)
34.步骤1：求含p项的系数i，h，c
35.当选取特定的时间t，则含t的项为定值，式(1)转变为关于p的抛物线方程，将数据代入后进行拟合可得到含p项的系数i，h，c。
36.i＝0.1152
±
0.03315
37.h＝1.79
×
10-5
±
4.74
×
10-6
38.c＝-0.8198
±
1.0842
39.步骤2：求含t项的系数d，b
40.同理，当选取特定的压力p，则含p的项为定值，式(1)转变为关于t的抛物线方程，将数据代入后进行拟合可得到含t项的系数d，b。
41.d＝-7.655
×
10-10
±
7.7735
×
10-10
42.b＝0.0009334
±
0.0001543
43.步骤3：5个系数确定后，最后需要确定系数a。将上述已得到的系数代入式(1)，再将所有数据代入进行三维非线性曲面拟合，得到系数a＝22.21
±
9.65。因此式(1)改写为：
44.y＝22.21 + 0.0009334t + (-0.8198p)+(-7.655
×
10-10
t2)+1.79
×
10-5
tp+ 0.1152p2ꢀꢀꢀ
(2)
45.步骤4：对附图1进行重复拟合，并验证式(2)中各项系数的误差率。将式(2)的表达式作曲面图，然后将所有数据代入到图中，若数据点基本落在曲面上，则说明式(2)的预测结果基本符合实际结果。由于各项系数值均有一定的波动范围，进行3次拟合提高精准度，
减小误差。最后得到附图2所示的实际数据的三次重复拟合预测图。可以发现，不同工况下的数据点基本落在3个预测曲面(边界)上，平均误差率为5％，说明实际工况条件下的厚度y与压力p和时间t的关系基本符合式(2)描述的函数变化规律，则各项系数确定为：
46.a＝22.21
47.b＝0.0009334
48.c＝-0.8198
49.d＝-7.655
×
10-10
50.h＝1.79
×
10-5
51.i＝0.1152
52.最终得到氧化层内层厚度y与蒸汽压力p的拟合公式如下：
53.y＝22.21 + 0.0009334t + (-0.8198p)+(-7.655
×
10-10
t2)+1.79
×
10-5
tp+ 0.1152p2ꢀꢀꢀꢀ
(3)
54.上述公式中，时间t的单位为h，蒸汽压力p的单位为mpa，氧化层内层厚度y的单位为μm。
55.实施例1
56.本发明所涉及的计算方法与t91氧化实验结果的比较。
57.nishimura等测得t91钢在蒸汽压力为25mpa下，氧化约1,451h后，氧化层内层厚度约为71μm，将实验条件代入本发明实施例提出的公式(3)中计算得出氧化层内层厚度约为75.7171μm，误差百分比为6.6％。
58.实施例2
59.本发明所涉及的计算方法与t92氧化实验结果的比较。
60.muraki等测得t92钢在蒸汽压力为25mpa下，氧化约31,010h后，氧化层内层厚度约为119μm，将实验条件代入本发明实施例提出的公式(3)中计算得出氧化层内层厚度约为115.8006μm，误差百分比为2.6％。
61.实施例3
62.本发明所涉及的计算方法在实际电厂环境中的应用。
63.某电厂所用超超临界机组蒸汽压力为19.2mpa，管道采用t91材料，运行约8,911h后，测得管内氧化层内层厚度约为65μm，将运行参数代入本发明实施例提出的公式(3)中计算得出氧化层内层厚度约为60.2564μm，误差百分比为7.2％。
64.实施例4
65.本发明所涉及的计算方法在实际电厂环境中的应用。
66.某电站锅炉过热器管道采用t91材料，蒸汽压力为10mpa，运行约4,000h后，测得管内氧化层内层厚度约为32μm，将运行参数代入本发明实施例提出的公式(3)中计算得出氧化层内层厚度约为29.9694μm，误差百分比为6.3％。
67.以上实施例均说明，本发明方法计算出的9％cr马氏体钢氧化层内层厚度与实际测量结果符合良好，且误差在8％以内。
68.本发明的技术方案不局限于上述各实施例，凡采用等同替换方式得到的技术方案均落在本发明要求保护的范围内。

技术特征：
1.一种马氏体耐热钢在高压蒸汽下的氧化层内层厚度计算方法，其特征在于：所述马氏体耐热钢为9％cr耐热钢，高压蒸汽下氧化层内层厚度的计算公式为：y＝a+bt+cp+dt2+hpt+ip2其中，y为氧化层内层厚度，单位为μm；p为蒸汽压力，单位为mpa；t为时间，单位为h；a，b，c，d，h，i为拟合系数。2.根据权利要求1所述马氏体耐热钢在高压蒸汽下氧化层内层厚度的计算方法，其特征在于：蒸汽压力范围为5.0～25.0mpa，时间范围为1,000～150,000h。3.根据权利要求1所述马氏体耐热钢在高压蒸汽下氧化层内层厚度的计算方法，其特征在于：所述高压蒸汽的温度范围为550～650℃。4.根据权利要求1所述马氏体耐热钢在高压蒸汽下氧化层内层厚度的计算方法，其特征在于：所述拟合系数a的值为22.21。5.根据权利要求1所述马氏体耐热钢在高压蒸汽下氧化层内层厚度的计算方法，其特征在于：所述拟合系数b的值为0.0009334。6.根据权利要求1所述马氏体耐热钢在高压蒸汽下氧化层内层厚度的计算方法，其特征在于：所述拟合系数c的值为-0.8198。7.根据权利要求1所述马氏体耐热钢在高压蒸汽下氧化层内层厚度的计算方法，其特征在于：所述拟合系数d的值为-7.655
×
10-10
。8.根据权利要求1所述马氏体耐热钢在高压蒸汽下氧化层内层厚度的计算方法，其特征在于：所述拟合系数h的值为1.79
×
10-5
。9.根据权利要求1所述马氏体耐热钢在高压蒸汽下氧化层内层厚度的计算方法，其特征在于：所述拟合系数i值为0.1152。10.一种权利要求1所述的计算方法在评估电厂中高压蒸汽下运行的马氏体耐热钢部件寿命方面的应用。

技术总结
本发明公开了一种马氏体耐热钢部件在高压蒸汽下的氧化层内层厚度的计算方法。该方法借助金属氧化动力学模型，结合大量的电厂实际运行和实验室模拟实验数据对公式进行了数学修正，运用线性拟合和曲线拟合等方法得到一种9％Cr马氏体耐热钢在高压蒸汽下的氧化层内层厚度的计算方法。本发明可根据蒸汽压力和运行时间方便快速地计算出9％Cr马氏体耐热钢在高压蒸汽下的氧化层内层厚度，结果精确，实际电厂运行中可不必割管进行测量即可实现高温部件剩余寿命的评估，保障机组的安全运行，降低了成本，具有重要的工业应用价值。具有重要的工业应用价值。


技术研发人员：王学 杜琮昊 黄斌 张哲轩
受保护的技术使用者：浙江开源金属科技有限公司
技术研发日：2023.04.20
技术公布日：2023/7/28