CN107884332A

CN107884332A - 一种控制氧含量的高流速多状态水腐蚀实验装置

Info

Publication number: CN107884332A
Application number: CN201711106424.6A
Authority: CN
Inventors: 王志光; 刘超; 姚存峰; 马志伟
Original assignee: Institute of Modern Physics of CAS
Current assignee: Institute of Modern Physics of CAS
Priority date: 2017-11-10
Filing date: 2017-11-10
Publication date: 2018-04-06

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，所述控制氧含量的高流速多状态水腐蚀实验装置设置有：给水系统、氧控系统、水化学测量系统、回路管道、加热保温系统、热交换系统、样品腔、背压阀、过滤器、控制柜；实验样品放置于样品腔中。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

一种控制氧含量的高流速多状态水腐蚀实验装置

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。

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℃，8～30 MPa)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。

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。

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，所述控制氧含量的高流速多状态水腐蚀实验装置设置有：

给水系统、氧控系统、水化学测量系统、回路管道、加热保温系统、热交换系统、样品腔、背压阀、过滤器、控制柜；实验样品放置于样品腔中；

给水系统，用于提供电导率小于0.1μS/cm的超纯水，并可控制整个装置的水流量，进而控制流速；

氧控系统，用于控制超纯水中的溶解氧含量，最低降到10ppb 以下；

水化学测量系统，用于对超纯水的水化学参数进行监测；

加热保温系统，用于加热流体，使流体温度达到设定值；

热交换系统，用于交换流体热量，利用装置热端的水加热冷端的水，降低系统功率。

进一步，所述给水系统(为装置提供电导率小于0.1μS/cm的超纯水，并可控制整个装置的水流量，进而控制流速)包括：超纯水制备机(用来制备电导率小于0.1μS/cm)、储水箱(储存所制备的超纯水，为整个回路提供水源)、高压计量泵(可在一定压力下，使超纯水在整个回路中流动起来，并可控制水流量)

所述超纯水制备机通过管路与储水箱连接，所述超纯水制备机和储水箱连接的管路上安装第三手动调节阀；所述储水箱的上部有进气口和排气口，下有进水口和出水口，底部留有排空口；所述高压计量泵为整个回路供水。

进一步，所述氧控系统(可控制超纯水中的溶解氧含量，最低降到10ppb以下)包括：气瓶、气体质量流量控制器、多孔出气口、循环泵、真空泵、脱气膜；

所述脱气膜连接真空泵，循环泵和脱气膜通过水管与储水箱连接，气瓶与储水箱通过气管相连，中间设有气体质量流量控制器，气管进入储水箱底部连接有多孔出气口。

进一步，所述水化学测量系统(对超纯水的水化学参数进行监测) 包括电导率测试计、pH计、溶解氧测试计、循环泵；

所述电导率测试计、pH计、溶解氧测试计通过流通池连接到管路上，流通池通过水管和循环泵相连。

进一步，所述加热保温系统(加热流体，使流体温度达到设定值) 包括电感应加热器、加热炉；

所述电感应加热器内部设置有实验盘管，所述实验盘管上缠绕有加热线圈，实验盘管一端与热交换器的冷水管出口相连，实验盘管的另一端出口与样品腔相连，样品腔在加热炉中放置。

进一步，所述热交换系统(交换流体热量，利用装置热端的水加热冷端的水，降低系统功率)包括热交换器、冷凝器；

所述热交换器内有两路水管，一套通过管路从样品腔引出的热水管和从高压计量泵压引出的冷水管；

所述冷凝器通过管路与热交换器的热水管路出口连接。

进一步，所述样品腔(放置腐蚀样品)通过管路与电感应加热器的加热盘管相连；

背压阀(控制整个装置的压力)的前端设有安全阀(防止整个装置的压力超过安全极限)，背压阀的后端设有过滤器(过滤管道里面的杂质、剥落物等)。

进一步，所述控制柜里集成在线监测系统和数据采集控制系统，包括温度采集控制系统、压力采集控制系统、流量采集控制系统、pH 采集控制系统、电导率采集控制系统、溶解氧采集控制系统。

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。采取管道式试验段，并通过缩小试验段的尺寸，在保证流量一定的前提下，提高流体的速度；另外通过减小管径的尺寸，有助于降低整个系统的功耗；另外水的临界点(22.1MPa,374.1℃)，可以通过调节系统的温度和压力来得到三种不同状态的水。

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。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。

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：给水系统、氧控系统、水化学测量系统、回路管道、加热保温系统、热交换系统、样品腔15、背压阀20、过滤器21、控制柜；实验样品放置于样品腔15中。

给水系统，由超纯水制备机1、储水箱4和高压计量泵11组成。超纯水制备机1出水电导率可小于0.1us/cm，制备好的水储存在储水箱4中。超纯水制备机1和储水箱4连接的管路上设有一个阀门。储水箱4的上部有进气口和排气口5，其下有进水口和出水口，在其底部留有排空口。高压计量泵11为整个回路供水。

氧控系统，由气瓶2、气体质量流量控制器3、多孔出气口22、循环泵、真空泵7和脱气膜6组成，构成储水箱4的两个旁路，一路有循环泵和脱气膜6，脱气膜6连接真空泵7。另一路有气瓶2和气体质量流量控制器3。循环泵和脱气膜6通过水管与储水箱4连接。气瓶2与储水箱4通过气管相连，中间设有气体质量流量控制器3。气管进入储水箱4底部连接有多孔出气口22。

水化学测量系统，包括电导率测试计8、pH计9、溶解氧测试计 10和循环泵。电导率测试计8、pH计9、溶解氧测试计10通过流通池连接到管路上，流通池通过水管和循环泵相连。

回路管道采用镍基合金材料制成，有较好的耐腐蚀、耐高温性能。

加热保温系统包括电感应加热器14和加热炉16。电感应加热器 14通过加热线圈，对实验盘管进行加热。实验盘管是实验管路盘绕起来，盘管一端与热交换器12的冷水管出口相连，将水进一步加热到实验温度；实验盘管的另一端出口与样品腔15相连，样品腔在加热炉16中放置，起到对样品腔15的保温作用。

热交换系统包括热交换器12和冷凝器17。热交换器12内有两路水管，一套通过管路从样品腔15引出来的热水管和从高压计量泵 11压引出的冷水管，两套管子盘绕，并用铜浇筑在一起，起到热交换的作用。冷凝器17通过管路与热交换器12的热水管路出口连接，通过外置冷却水对继续对高温水冷却。

样品腔15通过管路与电感应加热器14的加热盘管相连。样品腔 15是一个可安装样品的管道式圆形腔，长500mm，带卡槽。外表自带绝热式半开式保温套。

背压阀20调节系统的压力，最高使用压力可达30MPa。背压阀20的前端设有安全阀，安全阀的安全保护压力为35MPa。背压阀20 的后端设有过滤器21，过滤器21可以过滤系统内水中因管道和样品腐蚀所脱落的碎屑。

控制柜里集成了在线监测系统(温度、压力、流量和水化学等参量)和数据采集控制系统，监测和控制各个实验参量。

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

1.一种控制氧含量的高流速多状态水腐蚀实验装置，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设置有：

用于提供电导率小于0.1μS/cm的超纯水，并可控制整个装置的水流量，进而控制流速的给水系统；

用于控制超纯水中的溶解氧含量，最低降到10ppb以下的氧控系统；

用于对超纯水的水化学参数进行监测的水化学测量系统；

用于加热流体，使流体温度达到设定值的加热保温系统；

用于交换流体热量，利用装置热端的水加热冷端的水，降低系统功率的热交换系统；

放置在样品腔中的给水系统、氧控系统、水化学测量系统、回路管道、加热保温系统、热交换系统、样品腔、背压阀、过滤器、控制柜。

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，其特征在于，所述给水系统包括：超纯水制备机、储水箱、高压计量泵；

3.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，其特征在于，所述氧控系统包括：气瓶、气体质量流量控制器、多孔出气口、循环泵、真空泵、脱气膜；

4.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，其特征在于，所述水化学测量系统包括电导率测试计、pH计、溶解氧测试计、循环泵；

5.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，其特征在于，所述加热保温系统包括电感应加热器、加热炉；

6.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，其特征在于，所述热交换系统包括热交换器、冷凝器；

所述冷凝器通过管路与热交换器的热水管路出口连接。

7.如权利要求6所述的控制氧含量的高流速多状态水腐蚀实验装置，其特征在于，所述样品腔通过管路与电感应加热器的加热盘管相连；

背压阀的前端设有安全阀，背压阀的后端设有过滤器。

8.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，其特征在于，所述控制柜里集成在线监测系统和数据采集控制系统。