多相介質高溫腐蝕速率實驗裝置及表徵方法

2023-07-12 11:07:46 1

專利名稱：多相介質高溫腐蝕速率實驗裝置及表徵方法
技術領域：
本發明屬於高溫腐蝕速率表徵方法及實驗裝置技術領域，具體涉及多相介質高溫腐蝕速率實驗裝置及表徵方法。
背景技術：
以煤燃燒提供熱能供應的エ業設備均工作在高溫、含灰氣流的腐蝕性複雜環境之中，隨著的電站鍋爐向著超(超)臨界更高蒸汽參數和更大容量的方向發展，鍋爐爐膛截面熱負荷和含塵氣流的旋轉動量流カ矩不斷増加，加重了爐膛結渣和高溫腐蝕傾向，特別是煤粉燃燒器區域由於燃燒エ況不斷變化，加之低氮氧化物燃燒技術的採用，使得燃燒器區域出現了氧化-還原交替的腐蝕性氣氛，加劇了多相介質高溫腐蝕傾向；另外，超臨界發電機組的電站鍋爐的主蒸汽溫度已經從過去的543°C和566°C不斷提高到605°C，使得高溫過熱器金屬壁溫處於650°C左右，進入氣相和熔鹽多相介質腐蝕的嚴重區域，近年來，較多的超超臨界電站鍋爐發生爐膛水冷壁和過熱器的多相介質高溫腐蝕事故，直接威脅著發電機組的長周期安全運行。高溫腐蝕機理及其腐蝕性動力學的研究一直受到密切關注，最直接的方法就是進行高溫腐蝕試驗。高溫腐蝕實驗最早的方法是在特定的溫度下，將一定尺寸試驗材料製成一定質量的試樣放入加熱爐中，在特定溫度和腐蝕性環境中保持一定時間，通過稱量試樣腐蝕前後的質量變化來定量分析材料在特定溫度和腐蝕性環境中的腐蝕速率並判定腐蝕程度，後來，隨著材料檢測技術的進步，逐漸發展到目前對腐蝕後的試樣進行金相分析、X射線衍射(XRD)分析以及電鏡掃描等深入研究腐蝕機理的處理手段，也相繼出現了熱天平測量法，通過分析實驗過程中金屬材料質量的連續變化和反應系統氣體的消耗量來研究金屬的腐蝕機理。但是，目前的研究方法中，實驗裝置只能提供単一的腐蝕氣氛，實際情況下由於燃燒狀況的不穩定和局部燃燒的不充分性，除了氧化性的腐蝕氣氛外，也會出現還原腐蝕氣氛，以及氧化-還原交替的腐蝕氣氛，加劇了腐蝕性環境對金屬的腐蝕速率，根據文獻檢索，目前還沒有發現能夠模擬動カ設備真實工作條件下複雜腐蝕氣氛的高溫腐蝕試驗設備，使得多數實驗數據不符合動カ設備真實的腐蝕狀況，高溫腐蝕實驗數據不能指導工程實踐。直至目前的研究方法中，一般只考慮了煙氣對金屬的腐蝕，沒有考慮煙氣中所攜帶灰分對腐蝕的影響。但在實際情況下，當工作環境溫度超過550°C，灰分中的鉀鹽和鈉鹽以及硫的化合物會反應生成溶點較低的鉀鈉硫酸鹽，熔鹽粘附著在金屬表面，對金屬形成氣相-熔鹽兩相腐蝕。對於高溫腐蝕速率的判定，過去一般的方法就是對腐蝕前後的試樣進行稱重，得到試樣的腐蝕增重，用単位時間內的腐蝕增重來表示高溫腐蝕速率，這種方法不能直觀地表示高溫腐蝕的進行情況；另ー種方法就是用金相顯微鏡或掃描電鏡等手段測量試樣腐蝕後腐蝕層生成厚度，用単位時間內的腐蝕層生成厚度來表徵高溫腐蝕速率，該方法只是從宏觀的角度考慮腐蝕的程度，不能反映微觀腐蝕因素的影響，因此有時候並不能準確的表徵金屬實際高溫腐蝕速率。

發明內容
為了克服上述現有技術存在的缺點，本發明的目的在於提供ー種多相介質高溫腐蝕速率實驗裝置及表徵方法，採用本發明實驗系統和表徵方法能夠從宏觀和微觀兩個方面真實反映腐蝕性因子對材料及試樣的高溫腐蝕速率和腐蝕程度。為達到上述目的，本發明採用以下技術方案ー種多相介質高溫腐蝕速率的試驗裝置，包括配氣裝置，和配氣裝置相連通的加熱裝置，以及和加熱裝置相連通的尾氣處理裝置7。所述配氣裝置包括混合器3，和混合器3相連通的至少兩個氣瓶1，所述混合器3 和每個氣瓶1之間設置質量流量計2，所述質量流量計2和計算機4相連接。所述質量流量計2包括氣體質量控制器和氣體質量流量計。 所述加熱裝置包括真空管式加熱爐5和設置在真空管式加熱爐5內的石英管反應器6o所述真空管式加熱爐5具有自動控溫儀和自動顯示系統。所述石英管反應器6兩端均設置有均流裝置，均流裝置是ー小段帶有多個軸向通孔的實心圓柱體，其直徑比石英管反應器6內徑小0. 5-1. 5cm，均流裝置插入石英管反應器 6內，所述通孔呈環狀分布。在所述加熱裝置和尾氣處理裝置7間設置煙氣分析儀8。本發明能實現ー套裝置提供氧化性、還原性、以及氧化-還原交替變化的多種腐蝕氣氛。ー種多相介質高溫腐蝕速率的表徵方法包括如下步驟步驟1 首先對欲進行高溫腐蝕試驗的試樣進行打磨和拋光，然後對試樣進行稱重；若同時對試樣進行熔鹽腐蝕試驗，先稱重，然後在試樣的表面均勻的塗上ー層接近於灰分成分的氧化物和鉀鹽或鉀和鈉鹽的混合物溶液，反覆塗刷，直至完成反應所需要的量；步驟2 將試樣放入多相介質高溫腐蝕速率的試驗裝置中進行腐蝕試驗首先將試樣放入石英管反應器6中，然後根據實驗所需的氣氛條件，由計算機4設定和控制每個質量流量計2來控制從相應氣瓶1進入混合器3中的氣體流量，隨後氣體經過混合器3混合均勻後從真空管式加熱爐5的一端通入石英管反應器6中，在試驗溫度下，在反應器中對試樣進行高溫腐蝕試驗，最後從石英管反應器6中流出的尾氣經尾氣處理裝置7後排入大氣；步驟3 對進行高溫腐蝕後的試樣進行清洗和處理以去掉氧化層後，然後進行稱重；步驟4 用步驟1稱取的腐蝕前試樣的重量減去步驟3稱取的腐蝕後試樣的重量， 得到腐蝕前後試樣重量的減少量；步驟5 把步驟3計算的重量減少量換算成試樣厚度的減少量，作為試樣在試驗時間段內的腐蝕層生成厚度；步驟6 對腐蝕後的試樣進行沿腐蝕層厚度方向的線能譜線掃描實驗，得到各種腐蝕性元素深入到基體內部最遠的地方到基體與腐蝕層交界面的垂直距離，將其中最大的垂直距離作為試樣在腐蝕時間段內腐蝕性元素最大遷移深度；然後按照下式計算得到高溫
5腐蝕速率；
腐蝕層生成厚度(毫米)+腐蝕性元素遷移深度(毫米)
高溫腐蝕速率(毫米/年)=-
腐蝕時間(年)G)與現有技術相比較，本發明具有以下優點1、本發明中的實驗裝置能實現在ー套裝置中模擬多種不同的腐蝕氣氛，如氧化性氣氛、還原性氣氛、氧化還原交替氣氛等；2、本發明的實驗裝置考慮了煙氣中灰分對腐蝕的影響，能模擬氣相-熔鹽多相介質的腐蝕實驗環境；3、本發明的高溫腐蝕速率表徵方法不僅體現了宏觀腐蝕進行的程度，即腐蝕層的生成，而且考慮了微觀腐蝕因子的活動範圍，即腐蝕性原子向金屬基體內部的遷移，首次從宏觀和微觀綜合考慮了腐蝕的進行，準確的反映了腐蝕的進行。


圖1是本發明試驗裝置結構示意圖。圖2是腐蝕層生成厚度和腐蝕性元素最大遷移深度和試樣基體的位置關係示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的結構原理和工作原理作更詳細說明。如圖1所示，本發明是ー種多相介質高溫腐蝕速率的試驗裝置，包括配氣裝置，和配氣裝置相連通的加熱裝置，以及和加熱裝置相連通的尾氣處理裝置，所述配氣裝置包括混合器3，和混合器3相連通的至少兩個氣瓶1 ；所述混合器3和每個氣瓶1之間設置質量流量計2，所述質量流量計2和計算機4相連接，各氣瓶1中分別裝有實驗所需的氣體隊，CO2, O2, H2S和SO2,每個氣瓶1都與単獨的質量流量計2相連接，質量流量計2包括氣體質量控制器和氣體質量流量計，其與計算機4連接，通過計算機控制系統設定，能獨立精確控制每個氣瓶1中氣體進入混合器3的氣體質量流量，氣體進入混合器3充分混合均勻後就能形成實驗所需的各種反應氣氛，包括氧化性氣氛、還原性氣氛以及氧化-還原交替變化氣氛； 加熱裝置為真空管式加熱爐5，真空管式加熱爐5具有自動控溫儀，並配有自動顯示系統， 通過自動控溫儀顯示屏可預先設定實驗溫度、試驗時間、升溫速率以及保溫時間等，最高加熱溫度可達1100°C。加熱爐內嵌石英管反應器6，試驗試樣置於石英管反應器6內加熱段， 為了使腐蝕氣流能均勻的流過石英管，石英管反應器6兩端均設置有均流裝置；尾氣處理裝置7布置在石英管反應器6之後，對反應後的尾氣進行吸收處理，清潔後排入大氣；在所述加熱裝置和尾氣處理裝置7間設置煙氣分析儀8，煙氣分析儀8可對腐蝕後的氣體成分進行分析，檢測腐蝕前後氣體的變化情況，驗證實驗結果的準確性。本發明ー種多相介質高溫腐蝕速率的表徵方法包括如下步驟步驟1 首先對欲進行高溫腐蝕試驗的試樣進行打磨和拋光，然後對試樣進行稱重；若同時對試樣進行熔鹽腐蝕試驗，先稱重，然後在試樣的表面均勻的塗上ー層接近於灰分成分的氧化物和鉀鹽或鉀和鈉鹽的混合物溶液，反覆塗刷，直至完成反應所需要的量；步驟2 將試樣放入多相介質高溫腐蝕速率的試驗裝置中進行腐蝕試驗如圖1所示，首先將試樣放入石英管反應器6中，然後根據實驗所需的氣氛條件，由計算機4設定和控制每個質量流量計2來控制從相應氣瓶1進入混合器3中的氣體流量，隨後氣體經過混合器3混合均勻後從真空管式加熱爐5的一端通入石英管反應器6中，在試驗溫度下，在反應器中對試樣進行高溫腐蝕試驗，最後從石英管反應器6中流出的尾氣經尾氣處理裝置後排入大氣；步驟3 對進行高溫腐蝕後的試樣進行清洗和處理以去掉氧化層後，然後進行稱重；步驟4 用步驟1稱取的腐蝕前試樣的重量減去步驟3稱取的腐蝕後試樣的重量， 得到腐蝕前後試樣重量的減少量；步驟5 把步驟3計算的重量減少量換算成試樣厚度的減少量，作為試樣在試驗時間段內的腐蝕層生成厚度；步驟6 對腐蝕後的試樣進行沿腐蝕層厚度方向的線能譜線掃描實驗，得到各種腐蝕性元素深入到基體內部最遠的地方到基體與腐蝕層交界面的垂直距離，將其中最大的垂直距離作為試樣在腐蝕時間段內腐蝕性元素最大遷移深度；然後按照下式計算得到高溫腐蝕速率；
腐蝕層生成厚度(毫米)+腐蝕性元素遷移深度(毫米)
高溫腐蝕速率(毫米/年)=-
腐蝕時間(年)G)圖2所示是腐蝕層生成厚度和腐蝕性元素最大遷移深度和試樣基體的位置關係示意圖，試樣經過腐蝕後，可以分為三層，最外層是腐蝕層，中間層為腐蝕性元素遷移層，內層為基體部分。腐蝕層疏鬆多孔，容易剝落，如圖中虛線方框所示；腐蝕元素除了存在於腐蝕層內，還會沿厚度方向向基體內部遷移，造成腐蝕，形成圖中所示的腐蝕性元素遷移層， 不同種類的腐蝕元素遷移能力不一樣，腐蝕性元素遷移層中曲線表示的是不同腐蝕元素能到達基體內部的位置，其中把腐蝕性元素到達基體內部最遠地方到基體與腐蝕層交界面的最大距離作為腐蝕性元素最大遷移深度。基體部分結構和元素含量與試樣腐蝕前保持一致。
權利要求
1.ー種多相介質高溫腐蝕速率的實驗裝置，其特徵在於包括配氣裝置，和配氣裝置相連通的加熱裝置，以及和加熱裝置相連通的尾氣處理裝置(7)。
2.根據權利要求1所述的實驗裝置，其特徵在於所述配氣裝置包括混合器(3)，和混合器( 相連通的至少兩個氣瓶(1)，所述混合器( 和每個氣瓶(1)之間設置質量流量計 O)，所述質量流量計( 和計算機(4)相連接。
3.根據權利要求2所述的實驗裝置，其特徵在於所述質量流量計( 包括氣體質量控制器和氣體質量流量計。
4.根據權利要求1所述的實驗裝置，其特徵在於所述加熱裝置包括真空管式加熱爐 (5)和設置在真空管式加熱爐(5)內的石英管反應器(6)。
5.根據權利要求4述的實驗裝置，其特徵在幹所述真空管式加熱爐(5)具有自動控溫儀和自動顯示系統。
6.根據權利要求4述的實驗裝置，其特徵在幹所述石英管反應器(6)兩端均設置有均流裝置，均流裝置是ー小段帶有多個軸向通孔的實心圓柱體，其直徑比石英管反應器(6) 內徑小0.5-1. 5cm，均流裝置插入石英管反應器(6)內，所述通孔呈環狀分布。
7.根據權利要求1-6任一項所述的實驗裝置，其特徵在於在所述加熱裝置和尾氣處理裝置7間設置煙氣分析儀(8)。
8.根據權利要求1-6任一項所述的實驗裝置，其特徵在於能實現ー套裝置提供氧化性、還原性、以及氧化-還原交替變化的多種腐蝕氣氛。
9.ー種基於權利要求1-6任一項所述的實驗裝置進行多相介質高溫腐蝕速率的表徵方法，其特徵在於包括如下步驟步驟1 首先對欲進行高溫腐蝕試驗的試樣進行打磨和拋光，然後對試樣進行稱重；若同時對試樣進行熔鹽腐蝕試驗，先稱重，然後在試樣的表面均勻的塗上ー層接近於灰分成分的氧化物和鉀鹽或鉀和鈉鹽的混合物溶液，反覆塗刷，直至完成反應所需要的量；步驟2 將試樣放入多相介質高溫腐蝕速率的試驗裝置中進行腐蝕試驗首先將試樣放入石英管反應器(6)中，然後根據實驗所需的氣氛條件，由計算機(4)設定和控制每個質量流量計( 來控制從相應氣瓶(1)進入混合器(3)中的氣體流量，隨後氣體經過混合器 (3)混合均勻後從真空管式加熱爐(5)的一端通入石英管反應器(6)中，在試驗溫度下，在反應器中對試樣進行高溫腐蝕試驗，最後從石英管反應器(6)中流出的尾氣經尾氣處理裝置(7)後排入大氣；步驟3 對進行高溫腐蝕後的試樣進行清洗和處理以去掉氧化層後，然後進行稱重；步驟4 用步驟1稱取的腐蝕前試樣的重量減去步驟3稱取的腐蝕後試樣的重量，得到腐蝕前後試樣重量的減少量；步驟5 把步驟4計算的重量減少量換算成試樣厚度的減少量，作為試樣在試驗時間段內的腐蝕層生成厚度；步驟6 對腐蝕後的試樣進行沿腐蝕層厚度方向的線能譜線掃描實驗，得到各種腐蝕性元素深入到基體內部最深的地方到基體與腐蝕層交界面的垂直距離，將其中最大的垂直距離作為試樣在腐蝕時間段內腐蝕性元素最大遷移深度；然後按照下式計算得到高溫腐蝕速率；腐蝕層生成厚度(毫米)+腐蝕性元素遷移深度(毫米) 高溫腐蝕速率(毫米/年)=-腐蝕時間(年)(1)
全文摘要
一種多相介質高溫腐蝕速率實驗裝置及表徵方法，該實驗裝置包括依次相連通的配氣裝置、加熱裝置及尾氣處理裝置，配氣裝置包括混合器，和混合器相連通的多個氣瓶，混合器和氣瓶間設有和計算機相連的質量流量計，加熱裝置包括加熱爐和加熱爐內的石英管反應器；該表徵方法為按實驗要求進行試樣的氣相或氣-液兩相高溫腐蝕試驗，得到試樣腐蝕前後重量的減少量，然後換算成腐蝕的試樣厚度，作為試樣在試驗時間內的腐蝕層生成厚度；隨後對腐蝕後的試樣進行線能譜線掃描實驗，得到腐蝕性元素在試樣厚度中遷移的最大深度，最後計算高溫腐蝕速率；採用本發明實驗裝置和表徵方法能從宏觀和微觀兩個方面真實反映腐蝕性因子對試樣的高溫腐蝕速率和腐蝕程度。
文檔編號G01N17/00GK102539272SQ201110456220
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月21日 優先權日2011年12月21日
發明者周屈蘭, 姜薇薇, 惠世恩, 成丁南, 王雲剛, 竇文宇, 趙欽新 申請人:西安交通大學