CN102539272B - 多相介质高温腐蚀速率的表征方法 - Google Patents
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Abstract
一种多相介质高温腐蚀速率实验装置及表征方法，该实验装置包括依次相连通的配气装置、加热装置及尾气处理装置，配气装置包括混合器，和混合器相连通的多个气瓶，混合器和气瓶间设有和计算机相连的质量流量计，加热装置包括加热炉和加热炉内的石英管反应器；该表征方法为：按实验要求进行试样的气相或气-液两相高温腐蚀试验，得到试样腐蚀前后重量的减少量，然后换算成腐蚀的试样厚度，作为试样在试验时间内的腐蚀层生成厚度；随后对腐蚀后的试样进行线能谱线扫描实验，得到腐蚀性元素在试样厚度中迁移的最大深度，最后计算高温腐蚀速率；采用本发明实验装置和表征方法能从宏观和微观两个方面真实反映腐蚀性因子对试样的高温腐蚀速率和腐蚀程度。
Description
技术领域
本发明属于高温腐蚀速率表征方法及实验装置技术领域，具体涉及多相介质高温腐蚀速率实验装置及表征方法。
背景技术
以煤燃烧提供热能供应的工业设备均工作在高温、含灰气流的腐蚀性复杂环境之中，随着的电站锅炉向着超(超)临界更高蒸汽参数和更大容量的方向发展，锅炉炉膛截面热负荷和含尘气流的旋转动量流力矩不断增加，加重了炉膛结渣和高温腐蚀倾向，特别是煤粉燃烧器区域由于燃烧工况不断变化，加之低氮氧化物燃烧技术的采用，使得燃烧器区域出现了氧化-还原交替的腐蚀性气氛，加剧了多相介质高温腐蚀倾向；另外，超临界发电机组的电站锅炉的主蒸汽温度已经从过去的543℃和566℃不断提高到605℃，使得高温过热器金属壁温处于650℃左右，进入气相和熔盐多相介质腐蚀的严重区域，近年来，较多的超超临界电站锅炉发生炉膛水冷壁和过热器的多相介质高温腐蚀事故，直接威胁着发电机组的长周期安全运行。
高温腐蚀机理及其腐蚀性动力学的研究一直受到密切关注，最直接的方法就是进行高温腐蚀试验。高温腐蚀实验最早的方法是在特定的温度下，将一定尺寸试验材料制成一定质量的试样放入加热炉中，在特定温度和腐蚀性环境中保持一定时间，通过称量试样腐蚀前后的质量变化来定量分析材料在特定温度和腐蚀性环境中的腐蚀速率并判定腐蚀程度，后来，随着材料检测技术的进步，逐渐发展到目前对腐蚀后的试样进行金相分析、X射线衍射(XRD)分析以及 电镜扫描等深入研究腐蚀机理的处理手段，也相继出现了热天平测量法，通过分析实验过程中金属材料质量的连续变化和反应系统气体的消耗量来研究金属的腐蚀机理。但是，目前的研究方法中，实验装置只能提供单一的腐蚀气氛，实际情况下由于燃烧状况的不稳定和局部燃烧的不充分性，除了氧化性的腐蚀气氛外，也会出现还原腐蚀气氛，以及氧化-还原交替的腐蚀气氛，加剧了腐蚀性环境对金属的腐蚀速率，根据文献检索，目前还没有发现能够模拟动力设备真实工作条件下复杂腐蚀气氛的高温腐蚀试验设备，使得多数实验数据不符合动力设备真实的腐蚀状况，高温腐蚀实验数据不能指导工程实践。
直至目前的研究方法中，一般只考虑了烟气对金属的腐蚀，没有考虑烟气中所携带灰分对腐蚀的影响。但在实际情况下，当工作环境温度超过550℃，灰分中的钾盐和钠盐以及硫的化合物会反应生成溶点较低的钾钠硫酸盐，熔盐粘附着在金属表面，对金属形成气相-熔盐两相腐蚀。
对于高温腐蚀速率的判定，过去一般的方法就是对腐蚀前后的试样进行称重，得到试样的腐蚀增重，用单位时间内的腐蚀增重来表示高温腐蚀速率，这种方法不能直观地表示高温腐蚀的进行情况；另一种方法就是用金相显微镜或扫描电镜等手段测量试样腐蚀后腐蚀层生成厚度，用单位时间内的腐蚀层生成厚度来表征高温腐蚀速率，该方法只是从宏观的角度考虑腐蚀的程度，不能反映微观腐蚀因素的影响，因此有时候并不能准确的表征金属实际高温腐蚀速率。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺点，本发明的目的在于提供一种多相介质高温腐蚀速率实验装置及表征方法，采用本发明实验系统和表征方法能够从宏观和微观两个方面真实反映腐蚀性因子对材料及试样的高温腐蚀速率和腐蚀程度。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种多相介质高温腐蚀速率的试验装置，包括配气装置，和配气装置相连通的加热装置，以及和加热装置相连通的尾气处理装置7。
所述配气装置包括混合器3，和混合器3相连通的至少两个气瓶1，所述混合器3和每个气瓶1之间设置质量流量计2，所述质量流量计2和计算机4相连接。
所述质量流量计2包括气体质量控制器和气体质量流量计。
所述加热装置包括真空管式加热炉5和设置在真空管式加热炉5内的石英管反应器6。
所述真空管式加热炉5具有自动控温仪和自动显示系统。
所述石英管反应器6两端均设置有均流装置，均流装置是一小段带有多个轴向通孔的实心圆柱体，其直径比石英管反应器6内径小0.5-1.5cm，均流装置插入石英管反应器6内，所述通孔呈环状分布。
在所述加热装置和尾气处理装置7间设置烟气分析仪8。
本发明能实现一套装置提供氧化性、还原性、以及氧化-还原交替变化的多种腐蚀气氛。
一种多相介质高温腐蚀速率的表征方法：包括如下步骤：
步骤1：首先对欲进行高温腐蚀试验的试样进行打磨和抛光，然后对试样进行称重；若同时对试样进行熔盐腐蚀试验，先称重，然后在试样的表面均匀的涂上一层接近于灰分成分的氧化物和钾盐或钾和钠盐的混合物溶液，反复涂刷，直至完成反应所需要的量；
步骤2：将试样放入多相介质高温腐蚀速率的试验装置中进行腐蚀试验：首先将试样放入石英管反应器6中，然后根据实验所需的气氛条件，由计算机4 设定和控制每个质量流量计2来控制从相应气瓶1进入混合器3中的气体流量，随后气体经过混合器3混合均匀后从真空管式加热炉5的一端通入石英管反应器6中，在试验温度下，在反应器中对试样进行高温腐蚀试验，最后从石英管反应器6中流出的尾气经尾气处理装置7后排入大气；
步骤3：对进行高温腐蚀后的试样进行清洗和处理以去掉氧化层后，然后进行称重；
步骤4：用步骤1称取的腐蚀前试样的重量减去步骤3称取的腐蚀后试样的重量，得到腐蚀前后试样重量的减少量；
步骤5：把步骤3计算的重量减少量换算成试样厚度的减少量，作为试样在试验时间段内的腐蚀层生成厚度；
步骤6：对腐蚀后的试样进行沿腐蚀层厚度方向的线能谱线扫描实验，得到各种腐蚀性元素深入到基体内部最远的地方到基体与腐蚀层交界面的垂直距离，将其中最大的垂直距离作为试样在腐蚀时间段内腐蚀性元素最大迁移深度；然后按照下式计算得到高温腐蚀速率；
与现有技术相比较，本发明具有以下优点：
1、本发明中的实验装置能实现在一套装置中模拟多种不同的腐蚀气氛，如氧化性气氛、还原性气氛、氧化还原交替气氛等；
2、本发明的实验装置考虑了烟气中灰分对腐蚀的影响，能模拟气相-熔盐多相介质的腐蚀实验环境；
3、本发明的高温腐蚀速率表征方法不仅体现了宏观腐蚀进行的程度，即腐 蚀层的生成，而且考虑了微观腐蚀因子的活动范围，即腐蚀性原子向金属基体内部的迁移，首次从宏观和微观综合考虑了腐蚀的进行，准确的反映了腐蚀的进行。
附图说明
图1是本发明试验装置结构示意图。
图2是腐蚀层生成厚度和腐蚀性元素最大迁移深度和试样基体的位置关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作更详细说明。
如图1所示，本发明是一种多相介质高温腐蚀速率的试验装置，包括配气装置，和配气装置相连通的加热装置，以及和加热装置相连通的尾气处理装置，所述配气装置包括混合器3，和混合器3相连通的至少两个气瓶1；所述混合器3和每个气瓶1之间设置质量流量计2，所述质量流量计2和计算机4相连接，各气瓶1中分别装有实验所需的气体N2，CO2，O2，H2S和SO2，每个气瓶1都与单独的质量流量计2相连接，质量流量计2包括气体质量控制器和气体质量流量计，其与计算机4连接，通过计算机控制系统设定，能独立精确控制每个气瓶1中气体进入混合器3的气体质量流量，气体进入混合器3充分混合均匀后就能形成实验所需的各种反应气氛，包括氧化性气氛、还原性气氛以及氧化-还原交替变化气氛；加热装置为真空管式加热炉5，真空管式加热炉5具有自动控温仪，并配有自动显示系统，通过自动控温仪显示屏可预先设定实验温度、试验时间、升温速率以及保温时间等，最高加热温度可达1100℃。加热炉内嵌石英管反应器6，试验试样置于石英管反应器6内加热段，为了使腐蚀气流能均匀的流过石 英管，石英管反应器6两端均设置有均流装置；尾气处理装置7布置在石英管反应器6之后，对反应后的尾气进行吸收处理，清洁后排入大气；在所述加热装置和尾气处理装置7间设置烟气分析仪8，烟气分析仪8可对腐蚀后的气体成分进行分析，检测腐蚀前后气体的变化情况，验证实验结果的准确性。
本发明一种多相介质高温腐蚀速率的表征方法：包括如下步骤：
步骤1：首先对欲进行高温腐蚀试验的试样进行打磨和抛光，然后对试样进行称重；若同时对试样进行熔盐腐蚀试验，先称重，然后在试样的表面均匀的涂上一层接近于灰分成分的氧化物和钾盐或钾和钠盐的混合物溶液，反复涂刷，直至完成反应所需要的量；
步骤2：将试样放入多相介质高温腐蚀速率的试验装置中进行腐蚀试验：如图1所示，首先将试样放入石英管反应器6中，然后根据实验所需的气氛条件，由计算机4设定和控制每个质量流量计2来控制从相应气瓶1进入混合器3中的气体流量，随后气体经过混合器3混合均匀后从真空管式加热炉5的一端通入石英管反应器6中，在试验温度下，在反应器中对试样进行高温腐蚀试验，最后从石英管反应器6中流出的尾气经尾气处理装置后排入大气；
步骤3：对进行高温腐蚀后的试样进行清洗和处理以去掉氧化层后，然后进行称重；
步骤4：用步骤1称取的腐蚀前试样的重量减去步骤3称取的腐蚀后试样的重量，得到腐蚀前后试样重量的减少量；
步骤5：把步骤3计算的重量减少量换算成试样厚度的减少量，作为试样在试验时间段内的腐蚀层生成厚度；
步骤6：对腐蚀后的试样进行沿腐蚀层厚度方向的线能谱线扫描实验，得到各种腐蚀性元素深入到基体内部最远的地方到基体与腐蚀层交界面的垂直距 离，将其中最大的垂直距离作为试样在腐蚀时间段内腐蚀性元素最大迁移深度；然后按照下式计算得到高温腐蚀速率；
图2所示是腐蚀层生成厚度和腐蚀性元素最大迁移深度和试样基体的位置关系示意图，试样经过腐蚀后，可以分为三层，最外层是腐蚀层，中间层为腐蚀性元素迁移层，内层为基体部分。腐蚀层疏松多孔，容易剥落，如图中虚线方框所示；腐蚀元素除了存在于腐蚀层内，还会沿厚度方向向基体内部迁移，造成腐蚀，形成图中所示的腐蚀性元素迁移层，不同种类的腐蚀元素迁移能力不一样，腐蚀性元素迁移层中曲线表示的是不同腐蚀元素能到达基体内部的位置，其中把腐蚀性元素到达基体内部最远地方到基体与腐蚀层交界面的最大距离作为腐蚀性元素最大迁移深度。基体部分结构和元素含量与试样腐蚀前保持一致。
Claims (4)
1.一种多相介质高温腐蚀速率的表征方法，其试验装置包括配气装置，和配气装置相连通的加热装置，以及和加热装置相连通的尾气处理装置（7）；所述加热装置包括真空管式加热炉（5）和设置在真空管式加热炉（5）内的石英管反应器（6）；其特征在于：所述石英管反应器（6）两端均设置有均流装置，均流装置是一小段带有多个轴向通孔的实心圆柱体，其直径比石英管反应器（6）内径小0.5-1.5cm，均流装置插入石英管反应器（6）内，所述通孔呈环状分布；所述配气装置包括混合器（3），和混合器（3）相连通的至少两个气瓶（1），所述混合器（3）和每个气瓶（1）之间设置质量流量计(2），所述质量流量计（2）和计算机（4）相连接；
其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：首先对欲进行高温腐蚀试验的试样进行打磨和抛光，然后对试样进行称重；若同时对试样进行熔盐腐蚀试验，先称重，然后在试样的表面均匀的涂上一层接近于灰分成分的氧化物和钾盐的混合物溶液，或钾和钠盐的混合物溶液，反复涂刷，直至完成反应所需要的量；
步骤2：将试样放入多相介质高温腐蚀速率的试验装置中进行腐蚀试验：首先将试样放入石英管反应器（6）中，然后根据实验所需的气氛条件，由计算机（4）设定和控制每个质量流量计（2）来控制从相应气瓶（1）进入混合器（3）中的气体流量，随后气体经过混合器（3）混合均匀后从真空管式加热炉（5）的一端通入石英管反应器（6）中，在试验温度下，在反应器中对试样进行高温腐蚀试验，最后从石英管反应器（6）中流出的尾气经尾气处理装置（7）后排入大气；
步骤3：对进行高温腐蚀后的试样进行清洗和处理以去掉氧化层后，然后进行称重；
步骤4：用步骤1称取的腐蚀前试样的重量减去步骤3称取的腐蚀后试样的重量，得到腐蚀前后试样重量的减少量；
步骤5：把步骤4计算的重量减少量换算成试样厚度的减少量，作为试样在试验时间段内的腐蚀层生成厚度；
步骤6：对腐蚀后的试样进行沿腐蚀层厚度方向的线能谱线扫描实验，得到各种腐蚀性元素深入到基体内部最深的地方到基体与腐蚀层交界面的垂直距离，将其中最大的垂直距离作为试样在腐蚀时间段内腐蚀性元素最大迁移深度；然后按照下式计算得到高温腐蚀速率；
其中：高温腐蚀速率的单位为：毫米/年，腐蚀层生成厚度的单位为：毫米，腐蚀性元素最大迁移深度的单位为：毫米，腐蚀时间的单位为：年。
2.根据权利要求1所述的表征方法，其特征在于：所述质量流量计（2）包括气体质量控制器和气体质量流量计。
3.根据权利要求1所述的表征方法，其特征在于：所述真空管式加热炉（5）具有自动控温仪和自动显示系统。
4.根据权利要求1所述的表征方法，其特征在于：在所述加热装置和尾气处理装置（7）间设置烟气分析仪（8）。
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