一種用於電站鍋爐過熱器管高溫腐蝕實驗及表徵的方法
2024-02-18 03:08:15 1
一種用於電站鍋爐過熱器管高溫腐蝕實驗及表徵的方法
【專利摘要】一種用於電站鍋爐過熱器管高溫腐蝕實驗及表徵的方法，屬於高溫應力腐蝕【技術領域】。選擇用於鍋爐過熱器管的同種金屬材料，根據材料所受應力大小確定試樣尺寸及精度，通過精加工製備具有一定公差範圍的圓筒和圓棒，將圓筒和圓棒裝配在一起時產生一定的過盈配合，能保證產生所需要的應力。對試樣進行高溫腐蝕後，統計一定腐蝕條件下試樣的非均勻腐蝕深度，然後通過矩估計法估算出最大腐蝕深度，以此為依據表徵非均勻腐蝕的程度,對高溫腐蝕後的試樣進行非均勻腐蝕程度的評價。根據實驗結果對過熱器管材料在高溫腐蝕環境及應力狀態下的適用性進行評價。本發明的製備方法簡單，成本低，適用於鍋爐過熱器管的高溫應力腐蝕實驗。
【專利說明】一種用於電站鍋爐過熱器管高溫腐蝕實驗及表徵的方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬於高溫應力腐蝕【技術領域】，具體涉及一種用於電站鍋爐過熱器管高溫腐 蝕實驗及表徵的方法，用於電廠鍋爐過熱器管在高溫腐蝕環境下的應力腐蝕實驗方法及非 均勻腐蝕程度的評價方法。
【背景技術】
[0002] 在電廠中，電站鍋爐四管（過熱器管、再熱器管、省煤器管、水冷壁管）的安全運 行，是保證電站正常運行的先決條件。這些管道長期處於高溫水或水蒸氣的壓力和煤燃燒 環境中，因此需要有較好的高溫組織穩定性，同時具有較高的持久強度和耐高溫腐蝕性能， 尤其是過熱器和再熱器管道。過熱器管是在一定的應力狀態、一定的溫度和一定的腐蝕環 境中服役的。常用的過熱器管一般為珠光體耐熱鋼、馬氏體耐熱鋼和奧氏體耐熱鋼，如新 型9%?12%〇、了91、了92、冊3(：、了？304!^?347!1和5即61304!1，以及一些鎳基高溫合金如 Inconel617、Inconel690、Inconel671 等。
[0003] 過熱器管外壁長期暴露在煤燃燒環境中，受到煤灰和煙氣腐蝕。管道材料在使用 前通常要進行一定腐蝕條件下的模擬實驗，從而對材料的適用性進行評價。實驗室中，通 常是對煤粉鍋爐中的成灰條件進行還原，但高溫腐蝕與金屬管所受的應力及壁溫的關係密 切，應力越大、壁溫升高，腐蝕加重，這些在實驗室模擬時都不能得到充分的還原，使評價結 果與實際工況不符。
[0004] 過熱器管的高溫腐蝕，是管內蒸汽壓力和管外向火側的煤灰/煙氣腐蝕的共同作 用。現有的高溫腐蝕實驗，是在沒有應力下的純高溫腐蝕，或通過應力環對金屬材料進行加 載的腐蝕；這些無法保證載荷的精確度及高溫時應力的恆定。所用的煤灰也是模擬的合成 煤灰，與實際煤灰有一定的差距。
[0005] 另外，高溫腐蝕動力學研究中，通常採用氧化增重或增厚作為評定腐蝕程度的指 標，忽視了高溫腐蝕存在點蝕或沿晶界腐蝕的現實。因此高溫腐蝕程度的表徵需要把不均 勻腐蝕的局部性和嚴重性表示出來。
[0006] 目前，常規的應力腐蝕實驗方法存在以下不足：
[0007] 1、利用應力環加載，無法保證載荷的精確度及高溫時應力的恆定；
[0008] 2、不同材料間常溫下產生的應力，高溫時會發生變化，常溫下的應力腐蝕實驗結 果，與高溫下的應力腐蝕環境相差很多，不能有效地評價材料的適用性，導致實驗結果產生 誤差；
[0009] 3、過熱器管材的高溫腐蝕，是在管內蒸汽壓力作用下的高溫應力腐蝕，現有的高 溫腐蝕評價是在沒有應力下的純高溫腐蝕或利用應力環加載；
[0010] 4、鍋爐管的高溫腐蝕實驗中，所用的煤灰是模擬的合成煤灰，與實際煤灰有一定 的差距；
[0011] 5、目前對鍋爐管候選材料高溫腐蝕的評價，採用均勻腐蝕的方法進行評價，與實 際嚴重的非均勻腐蝕不符。
【發明內容】
[0012] 本發明的目的在於提供一種用於電站鍋爐過熱器管高溫腐蝕實驗及表徵的方法， 解決了常規高溫腐蝕實驗與實際工況不符、實驗缺少應力的問題。在實際煤灰和模擬煙氣 環境中，對超超臨界鍋爐過熱器管材料進行高溫應力腐蝕環境的模擬，並對金屬的非均勻 腐蝕程度進行表徵。
[0013] 本發明是對所選擇的過熱器管材料施加應力，選擇取自電廠過熱器管的煤灰以及 合成煙氣進行高溫腐蝕實驗。在對試樣進行高溫腐蝕後，統計腐蝕深度，然後藉助概率論和 數理統計的相關知識，獲得通過矩估計法估算出最大腐蝕深度的定量表徵非均勻腐蝕程度 的方法。
[0014] 金屬材料的熱膨脹係數隨著溫度的變化而發生變化，所以不同材料的零件或工件 在室溫下配合時所產生的應力，隨著溫度的升高會發生變化，導致實驗數據的不準確。同種 材料從室溫到高溫的熱膨脹係數變化一致，能使產生的應力儘量保持恆定。本發明充分考 慮了超超臨界鍋爐過熱器管的實際應用狀態，用相同材料的試樣施加一定的應力，利用實 際使用的煤灰和合成煙氣環境模擬應力腐蝕行為，使實驗更接近於實際工況。具體工藝步 驟如下：
[0015] (1)選擇用於鍋爐過熱器管的同種金屬材料，設計成圓棒和圓筒耦合試樣，圓棒的 尺寸範圍為Φ5?Φ60πιπι，與之配合的圓筒厚度範圍為3?10mm;形狀如圖1和圖2所示； 計算500?800°C範圍內產生應力所需的過盈量，精加工後裝配，如圖3所示。使500? 800°C圓棒和圓筒間產生徑向應力P的範圍為22MPa〈P〈材料的屈服強度（水的臨界壓力是 22. 115MPa)。採用熱脹法裝配試樣。
[0016] 採用熱脹法裝配時，理論過盈量δ t ( μ m)計算公式：
[0017]
【權利要求】
1. 一種用於電站鍋爐過熱器管高溫腐蝕實驗及表徵的方法，其特徵在於，實驗工藝步 驟如下： (1) 選擇用於鍋爐過熱器管的同種金屬材料，設計成圓棒和圓筒耦合試樣，圓棒的尺寸 範圍為Φ5?Φ60πιπι，與之配合的圓筒厚度範圍為3?10mm ;計算500?800°C範圍內產 生應力所需的過盈量，精加工後裝配；使500?800°C圓棒和圓筒間產生徑向應力P的範圍 為22MPa〈P〈材料的屈服強度，採用熱脹法裝配試樣； 採用熱脹法裝配時，過盈量S t計算公式：
式中，P為徑向壓力，MPa ;&、C2分別為被包容件和包容件的剛性係數；μ ρ μ 2分別為 被包容件和包容件材料的泊松比；Q = 1-μ p
d為配合處的公稱直徑，d2為 包容件的外徑，mm ;Ep E2分別為被包容件和包容件的彈性模量，MPa ; 根據求得的過盈量St，確定過盈量δ範圍，取δ = St±(l?10) μ m，加工一批試 樣，選擇其中尺寸接近d+δ t的試樣進行實驗研究，此時實際徑向應力為：
裝配後確保一個底面為平面，將該底面依次使用100#、200#、400#、600#砂紙打磨後， 測量試樣重量； (2) 腐蝕性介質為模擬鍋爐管工作環境的煙氣和實際煤灰，煤灰取自燃煤電廠的高溫 過熱器管的上部積灰和底部結渣；將灰/渣研成細粉末，用丙酮溶液調成均勻的糊狀，塗覆 在試樣表面；放置10?12h，待表面附著灰漁凝固後，將試樣安放到試樣架上，各個試樣間 的距離為5?20mm，試樣架放入管式電阻爐； 氣體（02+C02+S02+N2)通過混氣裝置後，組成配比為（3?10) % 02+(13?18) % C02+(0. 2?2) % S02+N2的合成氣體，進入電阻爐的流量在10?60ml/min之間，氣體流出 爐後進入尾氣收集裝置；電阻爐升高到500?800°C溫度，保溫100?5000h ;實現鍋爐過熱 器管材料在應力狀態下，處於高溫、煤灰、煙氣介質綜合作用下的腐蝕實驗；同時放入一組 不加應力的試樣，將實驗結果進行比較； (3) 對試樣高溫腐蝕後，取出試樣，放入丙酮液體中，清淨試樣表面附著的灰渣，然後烘 幹，稱重；打磨試樣底面，用掃描電子顯微鏡統計不同腐蝕條件下試樣的腐蝕深度，通過矩 估計法估算出最大腐蝕深度，以此為依據表徵了非均勻腐蝕的程度，比較施加應力前後腐 蝕程度的區別；實驗中樣本容量>50個，保證樣本的分布狀況與總體的分布趨於一致。
2. 根據權利要求1所述的非均勻腐蝕程度的表徵方法，其特徵在於，用矩估計法對非 均勻腐蝕程度的表徵： 假設用隨機變量h表示腐蝕的深度，則由h服從均勻分布，表示成h?U[a，b]，其中a 代表腐蝕的最小深度，b表示腐蝕的最大深度； 在樣本容量足夠大時，樣本的分布狀況和總體的分布狀況應當是相同的，用樣本矩估 計總體矩； 通過實驗得到的腐蝕深度表示為hi，其中h表示腐蝕的深度，i是測量的序號，即樣本 容量為N，則i = 1、2、3......N。 根據實驗得到的數值，計算樣本均值和樣本的二階中心距； 樣本均值為
根據均勻分布的相關知識，其數學期望為
令樣本均值等於總體的數學期望，得
樣本的二階中心距為
均勻分布的方差為：D(X) = (b-a)2/12 令樣本二階中心距等於總體的方差，得
由以上兩個等式，結合統計得到的N個h值，可得到總體分布中的a和b的值，最大腐 蝕深度即為
這樣推測出最大腐蝕深度，對非均勻腐蝕的程度進行表徵。
【文檔編號】G01N17/00GK104142292SQ201410381675
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年8月5日 優先權日:2014年8月5日
【發明者】侯世香, 顧威, 劉東雨, 周榮燦 申請人:華北電力大學