CN107884331A - 一种控制氧含量的高流速多状态水腐蚀实验装置的使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于腐蚀实验装置技术领域，公开了一种控制氧含量的高流速多状态水腐蚀实验装置的使用方法，储水箱中的实验用水由高压泵驱动在整个管路中运行，通过电感应加热后到达样品腔，对样品腔里的实验样品进行腐蚀；经过冷凝器降温，最后经过滤器到达储水箱完成一个循环。本发明模拟多种实验参数下不同的介质环境，提供不同温度(<700℃)、压力(<30MPa)、流速的水(<3m/s)、超临界水(<10m/s)和过热水气(<40m/s)实验环境；可以模拟轻水堆核电站的服役环境，超临界水堆和超临界火电的服役环境，以及火电中的过热蒸汽环境；降低N2的消耗量；可以加热快速流动的介质。
Description
技术领域
本发明属于腐蚀实验装置技术领域，尤其涉及一种控制氧含量的高流速多状态水腐蚀实验装置的使用方法。
背景技术
材料在高温高压水的环境中面临着严重的腐蚀问题，以核电和火电领域的高温高压水、超临界水和过热蒸汽(280℃～600℃，8～30MPa)的腐蚀为代表。火电中的过热器、再热器、高温蒸汽管道、汽轮机转子、叶片、喷嘴等蒸汽流通部件受到高温高压蒸汽的腐蚀；核电中的压力构件如压力容器、蒸汽发生器、回路管线、热交换器等受到高温高压水的腐蚀；以及超临界火电和核电中的相关部件会受到严重的超临界水腐蚀。随着我国核电和火电工业的迅速发展，它们的安全性已成为国家和民众广泛关注的重要问题。因此，需要在实验室中模拟高温高压水环境来评定核电或火电关键材料的性能、预测关键部件寿命，并提出相应的改进措施。目前，实验室中的研究装置主要针对一种状态下的水腐蚀研究，例如《一种具有自动控制功能的高温高压水循环腐蚀实验系统》(CN102401780A)，《一种实验室使用的金属材料高温水蒸汽氧化实验装置》(CN204314199U)，《金属材料高温水蒸气氧化实验装置》(101623661A)，《一种高温高压水汽环境结构材料试验装置》(CN104458400A)，《一种动态高温高压氧化实验装置》(CN103543096A)，《控制氧含量的动态高温高压蒸汽氧化实验装置及使用方法》(CN106708111A)，《一种超临界水蒸汽氧化试验装置》(CN10251986A)等等，都是针对单一状态的液态水、水汽和超临界水的氧化腐蚀研究。另外，实验室的模拟实验很多是在静态高压釜中完成，一方面由于静态高压釜中的水化学参数不易控制，不能对温度和压力的影响进行独立控制，更进一步，目前像核电中流体流速可以到每秒几米，火电中的主蒸汽管道的蒸汽可以达到每秒几十米的速度，用静态高压釜显然缺少了流速这个重要的影响因素。而目前动态循环设备的液体流量相对较小(5～200mL/min)，且一般都是采用反应釜放置实验样品，由于反应釜的尺寸比较大，导致经过样品的流体速度变得非常小。例如国内现有的动态水蒸汽氧化测试装置如《一种动态高温高压氧化实验装置》(CN103543096A)，液体流量小于8mL/min，《一种超临界水蒸汽氧化试验装置》(CN10251986A)中的液体流量可以提高到170mL/min,也远远低于实际工况流速。
综上所述，现有技术存在的问题是：目前的实验室模拟腐蚀装置存在流体速度小；不能模拟真实的工况环境流速；这是因为流体速度越快，换热时间越短，对其加热越困难，所需功耗越大；常规的加热方式，对快速流体的加热比较困难；所以需要选择一种有效的快速的加热方式。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种控制氧含量的高流速多状态水腐蚀实验装置的使用方法。
本发明是这样实现的，一种控制氧含量的高流速多状态水腐蚀实验装置的使用方法，所述控制氧含量的高流速多状态水腐蚀实验装置的使用方法包括：储水箱中的实验用水由高压泵驱动在整个管路中运行，通过电感应加热后到达样品腔，对样品腔里的实验样品进行腐蚀；经过冷凝器降温，经过滤器到达储水箱完成一个循环。
进一步，所述控制氧含量的高流速多状态水腐蚀实验装置的使用方法具体包括以下步骤：
第一步，首先打开样品腔，样品插入样品腔的插槽里；
第二步，打开控制柜，启动控制电脑的实验软件；
第三步，启动水冷机，打开水冷泵；
第四步，打开超纯水制备机，等待水电阻到0.1μS/cm以下，打开第三手动调节阀，把实验用水储存在储水箱，水面到达储水箱高度的一半；
第五步，启动水化学测试旁路，打开该旁路第一循环泵，通过电导率测试计，pH计和溶解氧测试计采集电导率、pH和溶解氧数据；启动脱气膜所在的旁路，打开第二循环泵和真空泵；
第六步，选取某一温度和压力参数，得到需要水的高温蒸汽、超临界水和高温高压水状态；通过背压阀调节压力到实验压力，启动电感应加热器并设定到实验温度，加热炉的温度设定到实验温度；
第七步，调整高压计量泵的流量，使得在实验温度、压力的情况下，达到实验要求流体速度；
第八步，等待系统温度、压力、流速、氧含量达到实验设定时，开始腐蚀实验并计时。
进一步，所述第五步中启动脱气膜所在的旁路，打开第二循环泵和真空泵；把气罐里的N2冲入储水箱，通过气体流量控制器来控制N2流量；通过溶氧仪测定的值与设定值进行比对，作为气体流量控制器的输入，使得氧含量控制在设定值附近；待氧含量达到设定值，打开第二手动调节阀，启动高压计量泵，设定实验给水流量，等待一段时间后，使整个管路和储水箱的溶解氧含量达到平衡；
本发明的优点及积极效果为：采用脱气膜和充氮气的方式得到控制氧含量的水，通过提高液体流量和减小样品腔尺寸来产生高流速介质，并控制水的温度和压力来提供不同状态的水，可以研究和评价材料在控制氧含量的高流速多状态水中的腐蚀。
本发明模拟多种实验参数下(温度、压力、流速、氧含量)不同的介质环境(液态水、水汽、超临界水)，提供不同温度(<700℃)、压力(<30MPa)、流速的水(<3m/s)、超临界水(<10m/s)和过热水气(<40m/s)实验环境，用来研究材料水腐蚀机制和评价核材料的耐腐蚀性能。
本发明也可以提供不同状态下高速流动的高温高压水环境，可以模拟轻水堆核电站的服役环境(280～325℃，8～16MPa，0～3m/s)，超临界水堆和超临界火电的服役环境(500℃～600℃，25～30MPa，0～10m/s)，以及火电中的过热蒸汽环境(350℃～600℃，10～30MPa，0～40m/s)；通过脱气膜和充N2除氧相结合的方式，水中的溶解氧含量可以快速的达到10ppb以下，可降低N2的消耗量；加热系统采用中频电感应的方式，可以加热快速流动的介质，如把流速为40m/s的水气、流速为10m/s的超临界水和流速为3m/s的水加热到700℃。
本发明的一个装置可以实现多个功能，可以用来研究三种不同状态下的材料腐蚀行为；提高了流体速度，相比于现有动态腐蚀装置，提高了10倍以上，可以更真实模拟实际工况，并研究评价流速对材料腐蚀的促进作用。
附图说明
图1是本发明实施例提供的控制氧含量的高流速多状态水腐蚀实验装置的使用方法流程图；
图2是本发明实施例提供的控制氧含量的高流速多状态水腐蚀实验装置结构示意图；
图中：1、超纯水制备机；2、气瓶；3、气体质量流量控制器；4、储水箱；5、排气口；6、脱气膜；7、真空泵；8、电导率测试计；9、pH计；10、溶解氧测试计；11、高压计量泵；12、热交换器；13、样品管道；14、电感应加热器；15、样品腔；16、加热炉；17、冷凝器；18、液体流量计；19、安全阀；20、背压阀；21、过滤器；22、多孔出气口；23、气管；24、第一循环泵；25、第二循环泵；26、第一压力计；27、第二压力计；28、第三压力计；29、第四压力计；30、第一热电偶；31、第二热电偶；32、第三热电偶；33、第四热电偶；34、第一手动调节阀；35、第二手动调节阀；36、第三手动调节阀。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的控制氧含量的高流速多状态水腐蚀实验装置的使用方法包括以下步骤：
S101：储水箱中的实验用水由高压泵驱动在整个管路中运行，通过电感应加热后到达样品腔，对样品腔里的实验样品进行腐蚀；
S102：经过冷凝器降温，最后经过滤器到达储水箱完成一个循环。
本发明实施例提供的控制氧含量的高流速多状态水腐蚀实验装置的使用方法具体包括以下步骤：
1)首先打开样品腔，样品插入样品腔的插槽里；
2)打开控制柜，启动控制电脑的实验软件；
3)启动水冷机，打开水冷泵，为整个实验回路提供冷却水；
4)打开超纯水制备机，等待水电阻到0.1μS/cm以下，打开第三手动调节阀，把实验用水储存在储水箱，水面到达储水箱高度的一半；
5)启动水化学测试旁路，打开该旁路第一循环泵，通过电导率测试计，pH计和溶解氧测试计采集电导率、pH和溶解氧数据。启动脱气膜所在的旁路，打开第二循环泵和真空泵；另外把气罐里的N2冲入储水箱，通过气体流量控制器来控制N2流量，通过溶氧仪测定的值与设定值进行比对，作为气体流量控制器的输入，使得氧含量控制在设定值附近。待氧含量达到设定值，打开第二手动调节阀，启动高压计量泵，设定实验给水流量，等待一段时间后，使整个系统(管路和储水箱)的溶解氧含量达到平衡；
6)选取某一温度和压力参数，来得到需要水的状态(高温蒸汽、超临界水和高温高压水)；然后通过背压阀调节压力到实验压力，随后启动电感应加热器并设定到实验温度，加热炉(对样品腔有加热保温作用)的温度也设定到实验温度；
7)调整高压计量泵的流量，使得在该实验温度、压力的情况下，达到实验要求流体速度；
8)等待系统温度、压力、流速、氧含量达到实验设定时，开始腐蚀实验并计时。
如图2所示，本发明实施例提供的控制氧含量的高流速多状态水腐蚀实验装置包括：超纯水制备机1、气瓶2、气体质量流量控制器3、储水箱4、排气口5、脱气膜6、真空泵7、电导率测试计8、pH计9、溶解氧测试计10、高压计量泵11、热交换器12、样品管道13、电感应加热器14、样品腔15、加热炉16、冷凝器17、液体流量计18、安全阀19、背压阀20、过滤器21、多孔出气口22、气管23、第一循环泵24、第二循环泵25、第一压力计26、第二压力计27、第三压力计28、第四压力计29、第一热电偶30、第二热电偶31、第三热电偶32、第四热电偶33、第一手动调节阀34、第二手动调节阀35、第三手动调节阀36。
超纯水制备机1通过管路与储水箱4连接，储水箱4的底部放置有多孔出气口22，气瓶2通过气管23与多孔出气口22连接，真空泵7通过脱气膜6与储水箱4连接，储水箱4的顶部安装有排气口5；超纯水制备机1与储水箱4的管路上安装有第三手动调节阀36，气管23上安装有气体质量流量控制器3，脱气膜6与储水箱4的管路上安装有第二循环泵25。
储水箱4通过两路管路输出；储水箱4通过管路与过滤器21、背压阀20、安全阀19、液体流量计18、冷凝器17依次串联，液体流量计18、冷凝器17之间的管道上并联安装有第四压力计29和第四热电偶33；储水箱4通过管路与第一循环泵24、第二手动调节阀35、高压计量泵11、第一压力计26依次串联；两路管路之间并联有电导率测试计8、pH计9、溶解氧测试计10。
高压计量泵11和冷凝器17通过管路连接热交换器12，热交换器12通过样品管道13与电感应加热器14连接，热交换器12通过管路连接加热炉16，电感应加热器14通过管路连接加热炉16；热交换器12与加热炉16的管路上安装有第三压力计28，加热炉16的内部安装有样品腔15，加热炉16与加热器14的管路上安装有第二压力计27，加热炉16上安装有第一热电偶30、第二热电偶31、第三热电偶32。
如图1所示，本发明的控制氧含量的高流速多状态水腐蚀实验装置是一个循环回路，储水箱4中的实验用水由高压泵驱动在整个管路中运行，通过电感应加热器14加热后到达样品腔15，对样品腔15里的实验样品进行腐蚀，然后经过冷凝器17降温，最后经过滤器21到达储水箱4完成一个循环。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种控制氧含量的高流速多状态水腐蚀实验装置的使用方法，其特征在于，所述控制氧含量的高流速多状态水腐蚀实验装置的使用方法包括：储水箱中的实验用水由高压泵驱动在整个管路中运行，通过电感应加热后到达样品腔，对样品腔里的实验样品进行腐蚀；经过冷凝器降温，经过滤器到达储水箱完成一个循环。
2.如权利要求1所述的控制氧含量的高流速多状态水腐蚀实验装置的使用方法，其特征在于，所述控制氧含量的高流速多状态水腐蚀实验装置的使用方法具体包括以下步骤：
第一步，首先打开样品腔，样品插入样品腔的插槽里；
第二步，打开控制柜，启动控制电脑的实验软件；
第三步，启动水冷机，打开水冷泵；
第四步，打开超纯水制备机，等待水电导率到0.1μS/cm以下，打开第三手动调节阀，把实验用水储存在储水箱，水面到达储水箱高度的一半；
第五步，启动水化学测试旁路，打开该旁路第一循环泵，通过电导率测试计，pH计和溶解氧测试计采集电导率、pH和溶解氧数据；启动脱气膜所在的旁路，打开第二循环泵和真空泵；
第六步，选取某一温度和压力参数，得到需要水的高温蒸汽、超临界水和高温高压水状态；通过背压阀调节压力到实验压力，启动电感应加热器并设定到实验温度，加热炉的温度设定到实验温度；
第七步，调整高压计量泵的流量，使得在实验温度、压力的情况下，达到实验要求流体速度；
第八步，等待系统温度、压力、流速、氧含量达到实验设定时，开始腐蚀实验并计时。
3.如权利要求2所述的控制氧含量的高流速多状态水腐蚀实验装置的使用方法，其特征在于，所述第五步中启动脱气膜所在的旁路，打开第二循环泵和真空泵；把气罐里的N2冲入储水箱，通过气体流量控制器来控制N2流量；通过溶氧仪测定的值与设定值进行比对，作为气体流量控制器的输入，使得氧含量控制在设定值附近；待氧含量达到设定值，打开第二手动调节阀，启动高压计量泵，设定实验给水流量，等待一段时间后，使整个管路和储水箱的溶解氧含量达到平衡。
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