一種高溫腐蝕試驗系統的製作方法
2023-06-04 11:06:46
本發明涉及一種高溫腐蝕試驗系統，屬於金屬腐蝕技術領域。
背景技術：
目前，由於環保的要求，燃煤電廠的排放標準日益嚴格，多數電廠採用了新型低NOX同軸燃燒器和分級配風的方式來抑制氮氧化物的生成，但是與此同時產生了高溫腐蝕問題。在爐膛近壁面的水冷壁處極易形成強還原性氣氛，在這種燃燒氣氛下，燃煤中的黃鐵礦極易轉化為腐蝕性極強的硫化氫氣體，硫化氫氣體在高溫環境下將與金屬鐵及其氧化物發生化學反應生成硫化亞鐵，其物理結構疏鬆，不能夠起到保護內部基體金屬的作用。當水冷壁管道因腐蝕剝落減薄到臨界許可厚度時將引發「爆管」事故，嚴重影響電廠的安全運行和經濟效益，對腐蝕問題進行相關實驗室機理研究已經迫在眉睫。
實驗室金屬腐蝕研究具有周期長，研究成本高，影響因素複雜等特點，目前國內還尚未有一整套完善的能夠對金屬腐蝕進行監測評估的實驗裝置。目前的實驗裝置存在著如下幾個方面的問題：裝置密封性差，腐蝕性氣體極易洩漏到實驗室環境中，造成實驗室安全隱患，危害實驗員身體健康；腐蝕裝置混氣效果差，各腐蝕性氣體的濃度在一定時間範圍內變化較大，將會對腐蝕速率的確定產生較大的誤差；目前的試驗臺由於保溫及管路等原因，還不能夠進行高溫水蒸氣對金屬腐蝕的實驗研究；此外，現有腐蝕裝置只能對腐蝕氣氛的溫度進行調節，還無法對試片表面的溫度進行控制。
技術實現要素：
技術問題：本發明目的是提供一種高溫腐蝕試驗系統，該系統結構簡單，操作方便的，可實現各種腐蝕氣體及高溫水蒸氣自由配比、充分混合；在高溫腐蝕反應區增設溫度自動調節系統，能夠實現腐蝕氣氛溫度與被腐蝕材料的表面溫度按設定好的數值進行自動調節。
技術方案：本發明提供了一種高溫腐蝕試驗系統，該系統包括按照連接順序依次為腐蝕氣體混合裝置、高溫腐蝕試驗裝置和尾氣處理裝置：
所述的腐蝕性氣體混合裝置由腐蝕氣氣瓶、減壓閥、質量流量計、旋風混氣罐、氮氣載氣瓶、電磁比例閥、蒸汽發生器和電加熱帶組成，其中腐蝕氣氣瓶、減壓閥、質量流量計和旋風混氣罐依次通過不鏽鋼管連接，旋風混氣罐的接出管通過管道與套管式玻璃纖維管的腐蝕混合氣入口相接，氮氣載氣瓶、減壓閥、電磁比例閥和蒸汽發生器用不鏽鋼管依次相接，蒸汽發生器的蒸氣輸出口與管道連接，氮氣作為載氣將蒸汽發生器產生的高溫水蒸氣輸運到管道中，與旋風混氣罐的接出管接出的氣體進行混合，得到腐蝕混合氣；
所述的高溫腐蝕試驗裝置由管式爐、套管式玻璃纖維管、空壓機、環境控溫熱電偶、管壁控溫熱電偶和電磁閥組成，其中套管式玻璃纖維管置於管式爐的內部，且套管式玻璃纖維管的冷卻氣入口、冷卻氣出口、腐蝕混合氣入口和腐蝕混合氣出口均位於管式爐的外部，腐蝕混合氣出口與NaOH溶液洗氣瓶連接，套管式玻璃纖維管的冷卻氣入口依次與電磁閥和空壓機連接；
所述的尾氣處理裝置由NaOH洗氣瓶和矽膠洗氣瓶依次連接組成。
其中：
所述的腐蝕氣體混合裝置中含有高溫水蒸氣的管道均在管道外壁鋪設有電加熱帶。
所述的套管式玻璃纖維管包括內管和外管，其中內管為冷卻氣通道，外管為腐蝕混合氣通道，冷卻氣出口和腐蝕混合氣入口布置於套管式玻璃纖維管的一端，冷卻氣入口和腐蝕混合氣出口布置於套管式玻璃纖維管的另一端，套管式玻璃纖維管的外管壁上具有玻璃蓋覆蓋的開口，該開口對應的內管的壁上分布有承載平臺，用於放置被腐蝕金屬材料；套管式玻璃纖維管的開口位於管式爐的內部，冷卻氣入口、冷卻氣出口、腐蝕混合氣入口和腐蝕混合氣出口均位於管式爐的外部。
所述承載平臺是在套管式玻璃纖維管的內管壁上進行鏤空，之後在鏤空處以柱狀體構建格柵狀平臺，用以放置被腐蝕材料。
所述的套管式玻璃纖維管的內管內壁鋪設有隔熱層，使得冷卻氣只冷卻被腐蝕材料，不對外管的高溫環境產生冷卻效應。
所述的管式爐的一側上設有監測承載平臺處腐蝕混合氣溫度的環境控溫熱電偶和監測被腐蝕金屬材料表面溫度的管壁控溫熱電偶。
所述旋風混氣罐的頂部具有接出管，在旋風混氣罐的底部垂直接有平衡氣接入管，在罐壁接近底部的壁面上具有多個腐蝕氣接入管。
所述的腐蝕氣接入管與旋風混氣罐的壁面相切。
所述的冷卻氣為空氣。
所述的旋風混氣罐是用直徑為60±5mm，長度為300±10mm的鋼管制成，鋼管筒體兩頭封死焊好；開四個孔於筒體的下部圓周面，一個孔於上蓋板的中心，一個孔於下蓋板的中心，把外徑6mm的接管依次焊到6個孔上；開孔和焊接時需注意，下部圓周面接管一定要與筒體圓弧相切，這樣各種腐蝕性氣體才會順著筒體內壁旋轉，互相攪拌，混合的氣體才能均勻。
所述套管式玻璃纖維管作為被腐蝕材料的承載平臺，利用套管式換熱器的原理，在實驗室再現真實爐膛水冷壁管材沿徑向的熱應力分布；套管式玻璃纖維管外管直徑為90±1mm，內管直徑為37±1mm，長度為900±1mm，外管通有腐蝕混合氣，內管通有壓縮空氣，壓縮空氣作為被腐蝕金屬材料的冷卻劑，通過電磁閥來控制壓縮空氣流量，從而實現試驗所需的被腐蝕金屬材料的不同表面溫度；內管內壁同時鋪設有隔熱層，使得冷卻氣體只冷卻金屬試片，不會對外管的高溫環境產生冷卻效應。
有益效果：
(1)本發明的高溫腐蝕試驗系統，配合上光電分析天平，就可以通過調節不同配比的還原性氣氛，控制不同的爐內溫度，運用管式爐對不同的水冷壁管材進行高溫腐蝕試驗，從而可以精確得到不同條件下的高溫腐蝕試驗數據，為防止和解決腐蝕問題提供可靠的參考數據。
(2)本發明的高溫腐蝕試驗系統中，設置了旋風式混氣裝置，利用圓柱形筒體的自身結構，可以對不同種氣體進行自我攪拌，從而達到充分混合的目的。經實際檢測，混氣效果良好，氣體流動壓力損失小。
(3)本發明的高溫腐蝕試驗系統中，設置了套管式玻璃纖維管，內管通有冷卻氣，外管通有腐蝕性氣體，逆流換熱，實現了被腐蝕材料表面溫度的自由控制，同時設置有自動溫控調節儀，可以實現溫度的實時調節，減少了人工的工作強度。
(4)本發明的高溫腐蝕試驗系統密封性好，腐蝕性氣體不會洩露，不會對實驗室空氣產生汙染。
(5)該系統結構簡單，操作方便，可實現各種腐蝕氣體及高溫水蒸氣自由配比、充分混合。
附圖說明
圖1顯示的是本發明中的高溫腐蝕試驗系統流程圖；
圖2顯示的是本發明中的旋風混氣罐的立體圖；
圖3顯示的是本發明中的套管式玻璃纖維管的立體圖；
圖4顯示的是本發明中的套管式玻璃纖維管的剖視圖；
圖中有：腐蝕氣體混合裝置Ⅰ、高溫腐蝕試驗裝置Ⅱ、尾氣處理裝置Ⅲ、腐蝕氣氣瓶1、減壓閥2、質量流量計3、旋風混氣罐4、氮氣載氣瓶5、電磁比例閥6、蒸汽發生器7、電加熱帶8、管式爐9、套管式玻璃纖維管10、NaOH溶液洗氣瓶11、矽膠洗氣瓶12、空壓機13、環境控溫熱電偶14、管壁控溫熱電偶15、電磁閥16、平衡氣接入管17、腐蝕氣接入管18、接出管19、冷卻氣入口20、冷卻氣出口21、腐蝕混合氣入口22、腐蝕混合氣出口23、承載平臺24、玻璃蓋25、蒸氣輸出口26、管道27、開口28，此處A為冷卻氣。
具體實施方式
本發明提供了一種高溫腐蝕試驗系統，該系統包括腐蝕氣氣瓶、減壓閥、質量流量計、旋風混氣罐、氮氣載氣瓶、電磁比例閥、蒸汽發生器、電加熱帶、管式爐、套管式玻璃纖維管、NaOH溶液洗氣瓶、矽膠洗氣瓶、空壓機、環境控溫熱電偶、管壁控溫熱電偶、電磁閥；其中，用不鏽鋼管將氣瓶、減壓閥、質量流量計、旋風混氣罐依次連接；利用電磁比例閥釋放載氣瓶中的氮氣，從而將蒸汽發生器產生的水蒸氣緩慢地加入到從旋風混氣罐中輸出的混合氣中，含有蒸汽的管路全程鋪設電加熱帶；將腐蝕混合氣接入套管式玻璃纖維管的外管，由管式爐提供高溫環境，從而進行腐蝕實驗；腐蝕後未反應的氣體依次通入NaOH溶液洗氣瓶、矽膠洗氣瓶後排空；使用空壓機提供壓縮空氣，使其通入套管式玻璃纖維管的內管，高速流過實現冷卻作用，之後排空；在所述的管式爐一側上還設有兩支測溫熱電偶，依次可以監測腐蝕氣體溫度和被腐蝕材料壁面溫度；此外，在冷卻氣體管路上還設有電磁閥，可以根據測溫結果和設定要求實現冷卻氣體流量自動調節。
所述的旋風混氣罐是用直徑為60±5mm，長度為300±10mm的鋼管制成，鋼管筒體兩頭封死焊好；開四個孔於筒體的下部圓周面，一個孔於上蓋板的中心，一個孔於下蓋板的中心，把外徑6mm的接管依次焊到6個孔上；開孔和焊接時需注意，下部圓周面接管一定要與筒體圓弧相切，這樣各種腐蝕性氣體才會順著筒體內壁旋轉，互相攪拌，混合的氣體才能均勻。
所述套管式玻璃纖維管利用套管式換熱器的原理，在實驗室再現真實爐膛水冷壁管材沿徑向的熱應力分布；套管式玻璃纖維管外管直徑為90±1mm，內管直徑為37±1mm，長度為900±1mm，外管通有腐蝕混合氣，內管通有壓縮空氣，壓縮空氣作為被腐蝕金屬材料的冷卻劑，通過電磁閥來控制壓縮空氣流量，從而實現試驗所需的被腐蝕金屬材料的不同表面溫度；內管內壁同時鋪設有隔熱層，使得冷卻氣體只冷卻金屬試片，不會對外管的高溫環境產生冷卻效應。
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，下面結合附圖及實施例對本發明作進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
實施例1
如圖1所示，該系統系統包括按照連接順序依次為腐蝕氣體混合裝置、高溫腐蝕試驗裝置和尾氣處理裝置：
所述的腐蝕性氣體混合裝置由腐蝕氣氣瓶1、減壓閥2、質量流量計3、旋風混氣罐4、氮氣載氣瓶5、電磁比例閥6、蒸汽發生器7和電加熱帶8組成，其中腐蝕氣氣瓶1、減壓閥2、質量流量計3和旋風混氣罐4依次通過不鏽鋼管連接，旋風混氣罐4的接出管19，通過管道27與套管式玻璃纖維管10的腐蝕混合氣入口22相接，氮氣載氣瓶5、電磁比例閥6和蒸汽發生器7依次相接，蒸汽發生器7的蒸氣輸出口26與管道27的中部連接，且腐蝕氣體混合裝置中含有蒸汽的管道均在管道外壁鋪設有電加熱帶8；
所述的高溫腐蝕試驗裝置由管式爐9、套管式玻璃纖維管10、空壓機13、環境控溫熱電偶14、管壁控溫熱電偶15和電磁閥16組成，其中套管式玻璃纖維管10包括內管和外管，其中內管為冷卻氣通道，外管為腐蝕混合氣通道，冷卻氣出口21和腐蝕混合氣入口22布置於套管式玻璃纖維管10的一端，冷卻氣入口20和腐蝕混合氣出口23布置於套管式玻璃纖維管10的另一端，套管式玻璃纖維管10的外管壁上具有玻璃蓋25覆蓋的開口28，該開口28對應的內管的外壁上分布有承載平臺24，用於放置被腐蝕金屬材料；套管式玻璃纖維管10的開口28段位於管式爐9的內部，冷卻氣入口20、冷卻氣出口21、腐蝕混合氣入口22和腐蝕混合氣出口23均位於管式爐9的外部，且腐蝕混合氣出口23與NaOH溶液洗氣瓶11連接，冷卻氣入口20依次與電磁閥16和空壓機13連接；管式爐9的一側上還設有監測承載平臺24處腐蝕混合氣溫度的環境控溫熱電偶14和監測被腐蝕金屬材料表面溫度的管壁控溫熱電偶15；
所述的尾氣處理裝置由NaOH洗氣瓶11和矽膠洗氣瓶12依次連接組成。
圖2為本發明中的旋風混氣罐4的立體圖，該旋風混氣罐4是用直徑為60±5mm，長度為300±10mm的鋼管制成，該旋風混氣罐4具有平衡氣接入管17、4根腐蝕氣接入管18和接出管19，可以實現多達4種腐蝕性氣體的均勻混合。混合氣體時，利用各腐蝕性氣體自身動量，使其沿筒體圓周旋轉，實現氣體間互相攪拌，互相混合，同時平衡氣自下而上的運動，可以帶動腐蝕性氣體離開混合區，使得混氣過程能夠源源不斷地進行。
圖3為本發明中的套管式玻璃纖維管10的立體圖，該纖維管外管直徑為90±1mm，內管直徑為37±1mm，長度為900±1mm，利用套管式換熱器的原理，在實驗室再現真實爐膛水冷壁管材沿徑向的熱應力分布；該纖維管作為腐蝕試驗系統的核心部件，密封性好，結構簡單，重量輕，能夠很好地滿足人造低濃度汙染氣氛中腐蝕試驗的相關要求。接管20、21分別是冷卻空氣的進口端和出口端，接管22、23分別為腐蝕性混合氣的進口端和出口端，在套管式玻璃纖維管10的內管壁上進行鏤空，之後在鏤空處以柱狀體構建格柵狀平臺，即承載平臺24，用以放置被腐蝕材料為被腐蝕金屬材料的放置區(一共有6處)，被腐蝕金屬材料事先被加工成外徑37mm，內徑30mm，長度20mm的半圓筒狀結構。