高温受热管蒸汽侧氧化膜在一定条件下可能发生开裂、隆起、脱落等失效行为,严重影响发电机组的安全经济运行。目前关于高温受热管常用管材的高温蒸汽氧化动力学已开展了大量研究,但关于蒸汽侧氧化膜失效问题的研究却相对滞后,这不仅不能满足在役发电机组提高安全性和经济性的迫切要求,同时也严重制约了未来发电机组向更高参数、更大容量方向的进一步发展。在此情况下,本文围绕火电机组高温受热管蒸汽侧氧化膜失效问题,采用解析建模、数值模拟和实验研究相结合的方法进行了系统研究,主要内容包括以下五方面。(1)考虑蒸汽侧氧化膜生长对管壁温度和应力的持续影响,建立了高温受热管的蠕变寿命预测模型。在预测氧化膜生长时考虑了氧化膜的生长温度随氧化膜自身生长而同时发生的变化,相较于传统“定生长温度”模型可以得到更准确的预测结果。计算确定出了蒸汽侧氧化膜厚度与T91合金过热器受热管残余蠕变寿命之间的对应关系,使只需在机组停机维护阶段测量蒸汽侧氧化膜的厚度便可估算出受热管的残余蠕变寿命,从而可为更换受热管提供决策依据；拟合出了受热管蠕变寿命与管内蒸汽温度及蒸汽流量之间的计算关联式,使可以确定出满足某一蠕变寿命期望值所能允许的最高蒸汽温度和最小蒸汽流量,这可为高温受热面的设计优化和合理选材提供必要数据。(2)提出一种识别基体塑性变形以及氧化膜不同形式失效行为的新方法,并在此基础上探索出了一整套测量蒸汽侧氧化膜临界开裂应变的实验方案：基于声发射检测技术,开展受热管蒸汽侧氧化膜拉伸失效实验,通过对比分析纯基体试样和带氧化膜试样不同实验阶段产生的声发射信号的FFT特征频谱,并结合SEM显微观测,提出利用声发射信号特征峰频的分布区间差异来识别基体塑性变形、氧化膜垂直开裂以及氧化膜／基体界面分离等行为；利用该识别方法确定实验中试样表面氧化膜何时开裂,进而准确测量出氧化膜的临界开裂应变。该识别方法克服了其他学者所用原位SEM观测法无法直接观测到尚未扩展至氧化膜表面的裂纹或因存在观测滞后而影响临界开裂应变等的测量的问题,而与基于声发射信号振幅或事件数目变化的识别方法相比,能更有效避免信号振幅衰减、噪音干扰等的影响。(3)针对蒸汽侧氧化膜／管壁基体界面的剪切强度这一难以直接测量的重要参数,提出了一种建模计算与实验测量相结合的间接评估方法：利用第(2)方面研究提出的识别氧化膜／基体界面分离的方法,准确确定氧化膜拉伸失效实验过程中氧化膜／基体界面开始分离的时刻,再通过建立力学模型计算得到该时刻氧化膜／基体界面处的剪应力分布,进而评估出氧化膜／基体界面的剪切强度。所建力学模型与其他学者的模型相比,做了一些关键性改进：不需要对氧化膜／基体界面处的剪应力分布做任何预先假定,并且采用的“弹性-线性强化”基体变形假设不仅便于推导解析解,而且克服了传统“纯弹性”和“弹性-理想塑性”假设无法准确考虑基体塑性变形影响的弊端。(4)建立稳态应力模型,计算分析了停机降负荷过程中受热管蒸汽侧氧化膜的受力特点及可能的失效形式。模型考虑了管壁金属和氧化膜热膨胀系数的温度依赖性以及沿径向各点计算自由热应变所使用的参考温度的差异；且由于模型是基于稳态热传导理论和热弹性力学解析解建立的,可直接嵌入到一般锅炉热力计算程序中,为进行热力-应力综合分析开辟了新途径。鉴于低Cr标准铁素体、9Cr铁素体-马氏体以及300系列奥氏体合金这三类高温受热面常用管材的热膨胀系数及蒸汽侧氧化膜的结构特征存在较大不同,分别选取T22、T91和TP347H合金作为代表进行对比分析。揭示了降负荷过程中不同类型合金受热管蒸汽侧氧化膜的受力特点及典型失效形式,为解决蒸汽侧氧化膜失效问题提供理论依据,并为机组安全降负荷策略的制定提供关键数据。(5)建立蒸汽侧氧化膜失效概率分析模型,计算分析了蒸汽温度以不同形式快速降低时,T92合金受热管蒸汽侧氧化膜的径向开裂概率。模型采用最新一代氧化膜失效判别准则,并考虑了受热管几何形状、管壁金属和氧化膜的机械和热物性参数、氧化膜内物理缺陷尺寸等存在的不确定性。计算发现,蒸汽侧氧化膜越厚,发生径向开裂的概率越大,而借助蒸汽侧氧化膜生长预测模型,可将所分析计算工况下蒸汽侧氧化膜发生径向开裂的概率同受热管的运行时间关联起来；合理调控蒸汽温度降低模式可以降低蒸汽侧氧化膜发生径向开裂的概率；而适当减小蒸汽温度降速是另一种降低氧化膜径向开裂概率的有效措施,但只有在蒸汽温度降速原本较大时才有明显效果。这些都说明,通过合理控制蒸汽温度降低过程,可有效降低蒸汽侧氧化膜发生径向开裂的可能性。本文研究不仅对保障火电机组安全经济运行有重要应用价值,而且在核电、冶金、化工等领域也有很好的应用前景。