火力发电厂主蒸汽管道的支管连接部位常出现热疲劳裂纹。为避免疲劳裂纹对管道接管座构成威胁,目前工业上通常采取定期检修时的经验定性分析等措施,给出的解决方案也是以事后修复为主。针对管道内回流的冷凝水是管壁热疲劳裂纹产生的主要原因,本文分别从实验和计算的角度开展了研究,取得了创新性的研究成果。第一,通过实验研究了一次阀的布置位置与管内流场、主管及接管座管壁温度之间的联系。结果表明:一次阀在距离主管较近位置布置时,过热蒸汽未经冷凝就直接排出,接管座管壁温度分布均匀,不具备产生热疲劳裂纹的条件;一次阀在距离主管较远位置布置时,过热蒸汽具有与外界充足的对流换热时间,蒸汽经相变后产生的冷凝水流至近接管座位置蒸发,使得该位置存在一个明显的温度梯度,对接管座的安全运行构成威胁。第二,建立均匀平衡相变模型,通过CFX数值计算所得到的管内流场温度变化和相变化的结果与实验结果吻合,表明该模型能够较准确地模拟出支管及接管座内流体的流动、换热、相变等情况。第三,依据均匀平衡相变模型对疏水管内冷凝水水位在主管的压力波动下的变化情况进行数值模拟。结果表明:蒸汽主管道中压力变化的速率以及疏水管中冷凝水水位是决定疏水管中的冷凝水能否影响到蒸汽主管道的关键因素,应避免压力发生骤然变化。第四,依据均匀平衡相变模型对放空管内流场进行数值模拟,以冷凝水生成率以及冷凝水对接管座的影响作为判断标准,确定最优布局方案。结果表明:布置排气和放空管等管路时,应尽量使管道走向一直向上;管道一次阀前的末端部分垂直向上布置最佳,其次是水平布置,应避免垂直向下布置。第五,依据Uchida模型对含有不凝性气体的饱和蒸汽冷凝进行数值计算。结果表明;该模型能较准确地模拟出含有不凝性气体的蒸汽在冷凝过程中的温度和浓度变化过程,对于研究小尺寸且几何形状简单的物理模型内不凝性气体的积聚具有重要的指导意义。本文所建立的汽液相变模型准确、可靠,系统验证表明依据其模拟管道内过热蒸汽的相变过程切实可行,同时提出了现场管道布局的优化方案,避免因管道泄露造成的意外停机或人员伤亡,因此该项研究具有重要的经济和社会价值。