CN103234895B - 一种高温水蒸汽氧化与氧化皮剥落模拟装置 - Google Patents

Abstract

一种高温水蒸汽氧化与氧化皮剥落模拟装置，包括载荷气体源⑴、脱氧储水器⑶、溶氧计量表⑷、蒸汽发生组件⑸、第一气体流量计⑹、气体增压组件⑺、管式炉⑻、模拟发生器⑼，所述载荷气体源⑴、脱氧储水器⑶、蒸汽发生组件⑸、第一气体流量计⑹、气体增压组件⑺和模拟发生器⑼通过管道依次连接，所述第一气体流量计⑹和模拟发生器⑼之间还通过带有第一阀门⑽的管道相连；所述脱氧储水器⑶出水端的管道上设有溶氧计量表⑷，所述模拟发生器⑼位于管式炉⑻内。其优点是：在除氧的同时实现控氧，可以对载气与水蒸气进行任意配比，实现蒸汽品质控制；能够更加真实地模拟电厂管道氧化状态，升高模拟温度，实现氧化皮生成和剥落模拟一体化。

Description

一种高温水蒸汽氧化与氧化皮剥落模拟装置

技术领域

本发明涉及金属材料水蒸气氧化模拟装置，具体的说是一种高温水蒸汽氧化与氧化皮剥落模拟装置。

背景技术

随着电力工业的飞速发展，追求单机高效率、大容量和低污染物排放量的潮流使得超临界和超超临界机组已经成为我国发电行业新建、扩建和筹建电厂的主流设备，新投运和正在筹建、拟建的亚临界和超临界锅炉过热器和再热器都设计和使用了大量的18-8系列粗晶奥氏体不锈钢管材，超超临界锅炉除二级过热器、三级过热器和低温段再热器使用了大量的18-8系列粗晶奥氏体不锈钢外，其末级过热器和末级再热器还使用了大量的TP347HFG和Super304细晶奥氏体不锈钢管材。由于这类准奥氏体不锈钢管含Cr量偏低，在高温蒸汽环境中有时会出现严重的蒸汽氧化以及随后的氧化皮大面积剥落问题，从而导致过热器和再热器管因氧化皮堆积堵塞而引起的过热爆管事故发生或由于蒸汽中携带的氧化皮颗粒对汽室部件冲刷而引起的喷嘴、叶片、叶轮隔板等异常磨损。因而这类钢的氧化问题的研究对实际运行有着十分重要的指导意义。

国内关于这一类型的钢的研究起步相对较晚，专题研究相对较少，研究主要手段一般是采取电厂氧化皮引起的爆管管道的失效分析，也有少部分的研究院和高校在自行设计实验设备的前提之下，国外也有部分自行设计的实验设备供参考。

另外氧化皮的剥落问题，也正在引起广大电厂工作人员的注意，已有的对于该过程的研究很少，模拟也是刚刚起步，一方面是起步晚，另一方面是不具备非常好的实验设备，这两个条件同时限制这一问题研究的进行。

国内外科研院所以及电厂相关材料研究院对于氧化剥落的研究主要是利用运行中形成的氧化膜层以及剥落的氧化膜的堆积检测来进行，在氧化膜形成机理与膜层结构成分分析上做出了很大的努力，也有着一定效果，但是如何完全模拟氧化与剥落情况，丰富氧化设备，免受设备不足的影响。

最初开始使用的氧化模拟设备为高压釜，在最初广为使用，主要原因在于该设备很好解决了压力和温度可同时存在的问题，所以在一定温度范围内能够很好的研究氧化的过程和一定压力温度之下的氧化过程，能够为分析氧化皮结构的形成机理和成分研究提供指导。但是在使用一段时间之后也为大家所抛弃，其缺点主要体现在以下三个方面：

1、温度在500℃以下；

2、高压釜的温度一般会在500℃以下，这一温度低于研究所需要的温度；研究表明利用现有的500℃以下的氧化实验进行外推是不科学的做法；如今超临界机组的蒸气在25MPa、570℃左右，而高压釜不能够提供高温的蒸气温度，使得利用该装置的模拟实验与实际运行环境有差异，因而利用这一装置进行氧化模拟实验是不能为实际运行提供可靠的指导的‘

3、高压釜蒸气状态为静止状态；

高压釜为密闭系统设置，其中的蒸气无法进行补给，同时内部氧化的蒸气多处于汽水混合状态，而实际运行中电厂蒸气是流动的且为汽水分离的，对氧化膜层有冲击力的作用，在一定程度上会对氧化膜的形成中的元素扩散和易挥发成分的挥发以及氧化膜的剥落有明显的影响；研究表明气体流速对铁素体铬钢和奥氏体钢的氧化速度影响很大；在不同流速之下钢的剥落的区域和面积比例不同从而改变钢的后期氧化的速率；显然高压釜无法实现流动蒸气环境模拟，在一定程度上影响在研究中的使用；

4、蒸汽品质（氧含量、氢含量）的影响；

由于高压釜处于完全密封状态，在使用蒸汽进行实验的过程之中是不能够补充氧的，因而随着实验的进行，蒸汽中的氧含量将会处于一个变化的状态，A.N.Hansson等人的研究表明在较水蒸汽含量时，载气体将会对氧化的内层氧化膜产生很大的影响，另外W.JQuadakkers的研究表明易挥发的铬的氢氧化物和氧分压水蒸气分压之间有着很紧密的联系，具体公式如下：

$P\left[{\mathrm{Cr}}_2{{\left(\mathrm{OH}\right)}_2}^{\left(g\right)}\right]=K\·p{\left({O_2}^{\left(g\right)}\right)}^{\frac{3}{4}}\·p\left(H_2{O}^{\left(g\right)}\right)$

其中P为分压，K为常量，g为气体。

公式表明氧分压会影响铬的氢氧化物的分压，从而影响其挥发，影响氧化膜的完整性；可见使用高压釜设备进行试验不能够满足单一实验变量的要求，那么使得研究单一变量对于氧化的影响无法进行。

另外有一些单位自行设计的氧化模拟设备，如浙江工业大学的超临界水氧化装置、西北工业大学自制设备，这些设备大多由供气装置、脱氧装置、反应室组成，但是这些氧化设备在蒸汽品质、流速控制以及持续长时间的实验方面存在一定不足，而且大多数只是单纯模拟钢材试样在流动气流无压力状态之下的氧化过程。由于是制作试样进入反应室氧化，因而在模拟温度上有一定局限，同时不能在研究的氧化的基础之上模拟电厂停机以及启动状态下的较厚氧化皮层脱落。

发明内容

本发明高温水蒸汽氧化与氧化皮剥落模拟装置的目的在于克服已有自行设计氧化模拟设备氧化不能长时间持续实验，以及高压釜蒸汽流速不够、温度太低的缺陷；在除氧的同时实现控氧，可以对载气与水蒸气进行任意配比，实现蒸汽品质控制；能够更加真实地模拟电厂管道氧化状态，升高模拟温度，而且本发明能够弥补以上常见氧化设备中缺少剥落模拟设备的不足，实现氧化皮生成和剥落模拟一体化。

一种高温水蒸汽氧化与氧化皮剥落模拟装置，包括：载荷气体源1、脱氧储水器3、溶氧计量表4、蒸汽发生组件5、第一气体流量计6、气体增压组件7、管式炉8、模拟发生器9，所述载荷气体源1、脱氧储水器3、蒸汽发生组件5、第一气体流量计6、气体增压组件7和模拟发生器9通过管道依次连接，所述第一气体流量计6和模拟发生器9之间还通过带有第一阀门10的管道相连；所述脱氧储水器3出水端的管道上设有溶氧计量表4，所述模拟发生器9位于管式炉8内。

所述载荷气体源1和脱氧储水器3之间还设有第二气体流量计2。

所述蒸汽发生组件5为两个以上蒸汽发生器并联而成，用于连续供气；所述脱氧储水器3的出水口通过管道分别和每个蒸汽发生器的进水口相连，每个蒸汽发生器的出气口通过管道和第一气体流量计6相连。

所述气体增压组件7包括气体增压泵、空气压缩机和第二阀门11，所述气体增压泵进口端通过带有第二阀门11的管道与第一气体流量计6相连，气体增压泵出口端通过管道与模拟发生器9相连，空气压缩机和气体增压泵的驱动气连接口相连。

所述管式炉8加热长度为120cm-180cm，加热温度为700℃-1100℃。

所述模拟发生器9为不锈钢管试样，所述不锈钢管试样外壁为管式炉8，内壁为高温水蒸气，用于模拟氧化过程和氧化皮剥落过程。

本发明高温水蒸汽氧化与氧化皮剥落模拟装置的优点是：

第一、能够计算蒸汽溶氧含量，实时调整蒸汽中的氧含量，实现氧含量对于氧化膜生长的影响分析；

第二、本发明利用两个以上蒸汽发生器，保证供气的连续性，避免蒸汽发生器在加水以及重新启动的停机状态，也方便蒸汽流量的调节，节省试验时间同时保证满足大流量实验连续性，防止试验中的样品降温现象的出现；可以很好地利用蒸汽发生器持续长时间实验，同时双蒸汽发生器能够配合阀门帮助调节气体流量，使得实验具有足够的时长，得到氧化从开始到剥落的全部过程；

第三、本发明方便接入氩气、氢气等作为载荷气体，研究混合气氛的氧化问题；

第四、利用本发明的气体增压设备，可实现气体流速的增大，模拟电厂的停机启动等过程；

第五、本发明实现了氧化与剥落模拟的一体化过程，实现氧化和剥落的同时进行，不用间断、分开，使得模拟过程更接近于实际电厂运行的氧化剥落。

附图说明

图1为本发明高温水蒸汽氧化与氧化皮剥落模拟装置的结构示意图。

图中，1为载荷气体源，2为第二气体流量计，3为脱氧储水器，4为溶氧计量表，5为蒸汽发生组件，6为第一气体流量计，7为气体增压组件，8为管式炉，9为模拟发生器，10为第一阀门，11为第二阀门。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行进一步说明：如图1所示，一种高温水蒸汽氧化与氧化皮剥落模拟装置，包括载荷气体源1、脱氧储水器3、溶氧计量表4、蒸汽发生组件5、第一气体流量计6、气体增压组件7、管式炉8、模拟发生器9，所述载荷气体源1、脱氧储水器3、蒸汽发生组件5、第一气体流量计6、气体增压组件7和模拟发生器9通过管道依次连接，所述第一气体流量计6和模拟发生器9之间还通过带有第一阀门10的管道相连；所述脱氧储水器3出水端的管道上设有溶氧计量表4，所述模拟发生器9位于管式炉8内，出口端采用小径管，挡板保护。

所述载荷气体源1和脱氧储水器3之间还设有第二气体流量计2。

所述蒸汽发生组件5为两个蒸汽发生器并联而成，用于连续供气；所述脱氧储水器3的出水口通过三通管分别和两个蒸汽发生器的进水口相连，两个蒸汽发生器的出气口通过三通管和第一气体流量计6相连，继而第一气体流量计6再接三通分别和气体增压组件7、第一阀门10相连。

所述气体增压组件7包括气体增压泵、空气压缩机和第二阀门11，所述气体增压泵进口端通过带有第二阀门11的管道与第一气体流量计6相连，气体增压泵出口端通过管道与模拟发生器9相连，空气压缩机和气体增压泵的驱动气连接口相连。

所述管式炉8加热长度为120cm-180cm，加热温度为700℃-1100℃。一方面保证足够的加热时间，能使得蒸气到达预计温度，也使得获得一个较高的范围氧化蒸气流速成为可能。另一方面，炉子的足够长度也使得气体温度稳定，实验温控范围在10℃范围之内。

所述模拟发生器9为不锈钢管试样，便于模拟电厂管道的存在方式，所述不锈钢管试样外壁为管式炉8，内壁为高温水蒸气，用于模拟氧化过程和氧化皮剥落过程。所述模拟发生器9尾部还可置入热电偶，直接测定蒸汽温度，控制管式炉8工作状态。

所述载荷气体源1可为高纯氩，由脱氧储水器3底部通入装有去离子水的脱氧储水器3中。出口设置在脱氧储水器3顶部，并在出口处增设阀门一个，利用阀门开关保证气体能够很好的充满水中，实现深度充分脱氧。

脱氧储水器3放置于高处，利用压差和阀门直接开关供水。

设置第一气体流量计6，使得进入实验之前会有流量测定，方便调节阀门控制蒸汽数量，节省去离子水和电量，同时也方便计算气体进入剥落模拟器之前的流速。

本发明的氧化模拟是这样实现的：将要模拟的钢材制作为合适大小的管道（即模拟发生器9本身为试样），放入管式炉8中，与蒸汽发生器相连，完成如图组装之后。打开第一阀门10，关闭第二阀门11，打开管式炉8进行升温，同时将去离子水加入脱氧储水器3中，打开载荷气体源1，开启溶氧计量表4，监测去离子水中氧含量，到达要求之后，将去离子水导入蒸汽发生组件5中。待水蒸汽达到一定压力（压力范围可根据不同实验需要进行设计）之后且管式炉8温度升到设定值，开启阀门，进行氧化模拟实验。

本发明的氧化皮剥落模拟是这样实现的：在氧化到达一定时间之后，如果有剥落模拟要求，这可以在该装置上进行。具体步骤如下：关闭第一阀门10，打开第二阀门11，让蒸汽进入气体增压泵，开启空气压缩机，将水蒸气增压之后进入模拟发生器9中，对形成的氧化皮进行吹扫。

Claims (4)

1.一种高温水蒸汽氧化与氧化皮剥落模拟装置，包括载荷气体源⑴、脱氧储水器⑶、溶氧计量表⑷、蒸汽发生组件⑸、第一气体流量计⑹、气体增压组件⑺、管式炉⑻、模拟发生器⑼，所述载荷气体源⑴、脱氧储水器⑶、蒸汽发生组件⑸、第一气体流量计⑹、气体增压组件⑺和模拟发生器⑼通过管道依次连接，所述第一气体流量计⑹和模拟发生器⑼之间还通过带有第一阀门⑽的管道相连；所述脱氧储水器⑶出水端的管道上设有溶氧计量表⑷，所述模拟发生器⑼位于管式炉⑻内；其特征在于：所述蒸汽发生组件⑸为两个以上蒸汽发生器并联而成，所述脱氧储水器⑶的出水口通过管道分别和每个蒸汽发生器的进水口相连，每个蒸汽发生器的出气口通过管道和第一气体流量计⑹相连。

2.如权利要求1所述的高温水蒸汽氧化与氧化皮剥落模拟装置，其特征在于：所述载荷气体源⑴和脱氧储水器⑶之间还设有第二气体流量计⑵。

3.如权利要求1所述的高温水蒸汽氧化与氧化皮剥落模拟装置，其特征在于：所述气体增压组件⑺包括气体增压泵、空气压缩机和第二阀门⑾，所述气体增压泵进口端通过带有第二阀门⑾的管道与第一气体流量计⑹相连，气体增压泵出口端通过管道与模拟发生器⑼相连，空气压缩机和气体增压泵的驱动气连接口相连。

4.如权利要求1所述的高温水蒸汽氧化与氧化皮剥落模拟装置，其特征在于：所述管式炉⑻加热长度为120cm-180cm，加热温度为700℃-1100℃。