CN108132211A - 一种超临界二氧化碳腐蚀试验装置及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超临界二氧化碳腐蚀试验装置及使用方法，涉及金属材料在超临界二氧化碳环境中的试验研究领域。该试验装置由驱动气体组件、CO2供气组件、超临界CO2增压稳压组件、高压反应釜及加热组件、排气组件、气体吹洗组件、气体成分分析组件构成。该装置能实现材料在动态超临界二氧化碳条件下的腐蚀试验，且能够实时监测反应产物及其含量，试验结果可靠，且试验过程中系统能够自动运行，无需看守，使用方便。
Description
技术领域
本发明属于金属材料在超临界气体环境中的试验研究技术领域，具体涉及一种超临界二氧化碳腐蚀试验装置及使用方法。
背景技术
在火力发电领域中，为了节约能源和保护环境，要求不断提高发电效率，近年来，超临界二氧化碳(SC-CO2)布雷顿循环燃煤发电技术成为研究热点，需要对材料在SC-CO2环境中的腐蚀性能进行评价，因此需要开发能够模拟实际高温高压服役工况的试验装置，该试验装置要求介质温度和压力分别至少达到700℃和35MPa。
在超临界气体环境试验研究领域，现有技术方案主要公开了超临界水氧化试验装置，包括专利申请文件CN 104568722 A《一种超临界状态下的腐蚀试验装置》、专利CN103543096 A《一种动态高温高压氧化实验装置》、专利申请文件200810011845.5《一种在超临界水中进行长时间氧化腐蚀实验的方法和设备》、专利CN 102519863 A《一种超临界水蒸汽氧化试验装置》等。然而超临界水和超临界二氧化碳性质并不同(水的临界点为374℃、22.1MPa，在常温常压下呈液态，而二氧化碳的临界点则仅为31℃、7.4MPa，在常温常压呈气态)，导致腐蚀试验设备不能通用。而目前针对超临界二氧化碳腐蚀试验装置，报道相对较少，专利申请文件201710262493.X报道了一种超临界二氧化碳腐蚀试验装置，但该装置存在以下弊端：首先，没有设置吹洗组件，无法排出试验前系统中的空气；其次，没有设置气体成分分析组件，难以保证试验中气氛的纯度，无法实时观察体的纯度，确保气体杂质含量满足要求；第三，没有设置超温超压报警并反馈控制的装置，无法长期稳定安全运行。
因此有必要开发一种用于超临界二氧化碳条件下能够长期稳定安全运行的腐蚀试验设备。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超临界二氧化碳腐蚀试验装置及使用方法。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的：
一种超临界二氧化碳腐蚀试验装置，包括驱动气体组件、CO2供气组件、超临界CO2增压稳压组件、高压反应釜及加热组件、排气组件、气体吹洗组件和气体成分分析组件；其中，
驱动气体组件包括空压机、过滤器A、调压阀、压力表A、安全阀A和驱动开关；
CO2供气组件包括气瓶、压力表B和过滤器B；
超临界CO2增压稳压组件包括气体增压泵、过滤器C、高压缓冲罐、减压阀、压力表C、传感器、安全阀B、截止阀A和流量计；
高压反应釜及加热组件包括进气侧高压法兰、加热炉、高压炉管、隔热器、试样架、出口侧高压法兰和热电偶；
排气组件包括截止阀B、背压阀、单向阀A和废气处理器；
气体吹洗组件包括截止阀C、泄压阀和单向阀B；
气体成分分析组件包括气体成分分析仪和截止阀D；
其中，空压机依次通过过滤器A、调压阀、压力表A、安全阀A、驱动开关和气体增压泵的驱动气体入口相连；气瓶、压力表B、过滤器B依次通过管路与气体增压泵的气源入口相连；
气体增压泵的高压气体出口通过管路以及设置该管路上的过滤器C、高压缓冲罐、减压阀、压力表C、传感器、安全阀B、截止阀A和流量计与进气侧高压法兰的高压气体入口相连；
高压炉管设置在加热炉内，两侧分别设置进气侧高压法兰和出气侧高压法兰，高压炉管内设置隔热器，中心放置试样架，热电偶通过出气侧高压法兰伸入高压炉管中部；
出气侧高压法兰通过管路与废气处理器入口相连通，管路上依次设置截止阀B、背压阀和单向阀A，形成排气组件；
截止阀C通过管路和三通一端与气体增压泵入口侧相连，另一端与进气侧高压法兰入口相连，泄压阀和单向阀B通过三通与出气侧高压法兰出口管路相连通，单向阀B出气侧与废气处理器相连，形成气体吹洗组件；
气体成分分析仪安装在废气处理器进气口管路上，同时在过滤器B和气体增压泵之间的管路上通过三通引出一路气体连接至气体成分分析仪，管路上设置截止阀D。
本发明进一步的改进在于，气体增压泵的高压气体出口到进气侧高压法兰的高压气体入口之间的管路上设置加热保温带。
本发明进一步的改进在于，传感器的信号连接至控制器，控制器用于根据设定压力值计算出控制信号，输出到气体增压泵上，在压力超出设定压力时使得气体增压泵停止工作。
本发明进一步的改进在于，热电偶的信号连接至控制器，用于控制信号输出到气体增压泵和加热炉上，当实测温度超出设定温度时，使得气体增压泵和加热炉停止工作。
本发明进一步的改进在于，所述高压炉管采用高温合金材料制成。
本发明进一步的改进在于，废气处理器中装有碱性溶液。
一种超临界二氧化碳腐蚀试验装置的使用方法，该方法基于上述一种超临界二氧化碳腐蚀试验装置，包括如下步骤：
试验时，打开截止阀C和泄压阀通过气体吹洗组件向系统通入CO2，使得系统内的空气排出，观察气体成分分析仪至排出的气体成分达到预定要求后关闭气体吹洗管路；将调压阀、安全阀A、减压阀、安全阀B以及背压阀设定为预设的压力；打开可编程控制的加热炉升温，将回路中温度升至试验预期温度参数；用加热保温带将管路升温至40～70℃；打开空压机及驱动开关；打开气瓶阀门和气体增压泵；使得回路中压力达到试验预期压力参数，开始试验。
与现有技术相比，本发明中驱动气体组件为气体增压泵提供所需的驱动力、CO2供气组件为气体增压泵提供清洁的气体，超临界CO2增压稳压组件为高压反应釜及加热组件提供压力和流量稳定的超临界二氧化碳气体，排气组件对反应气体进行吸收和处理，气体吹洗组件清除系统中的空气，气体成分分析组件可分析气源及反应前后的二氧化碳气体成分，获得气体中杂质含量信息，同时为分析和研究反应产物提供数据基础。具体来说，本发明的有益效果在于：
1、本发明装置通过气体吹洗组件可排出系统中的空气，同时利用气体成分分析仪对比气源和出口气体成分，可实时观察气体的纯度，确保气体杂质含量满足要求。
2、本发明设置可分析气源及反应前后的二氧化碳气体成分，为分析和研究材料腐蚀机理提供数据基础。
3、本发明设置超温超压报警并反馈控制的装置，保证了设备长期稳定安全运行。
4、本发明二氧化碳气瓶不安装减压器，降低气体增压泵的增压比，同时在气体增压泵出口管路设置储气罐，减少设备损耗。
5、本发明的装置可以通过气体增压泵、减压阀和背压阀来调节高温高压水回路中的压力在0至40MPa之间，温度可以由加热炉控制在室温到800℃之间，可以满足不同试验条件需求。
6、本发明排出的气体先通过废气处理器再排出，安全、环保。
附图说明
图1为发明所述一种超临界二氧化碳腐蚀试验装置示意图。
图中：1-空压机；2-过滤器A；3-调压阀；4-压力表A；5-安全阀A；6-驱动开关；7-气瓶；8-压力表B；9-过滤器B；10-气体增压泵；11-过滤器C；12-高压缓冲罐；13-减压阀；14-压力表C；15-传感器；16-安全阀B；17-截止阀A；18-流量计；19-加热保温带；20-进气侧高压法兰；21-加热炉；22-高压炉管；23-隔热器；24-试样架；25-出气侧高压法兰；26-热电偶；27-截止阀B；28-背压阀；29-单向阀A；30-废气处理器；31-截止阀C；32-泄压阀；33-单向阀B；34-控制器；35-气体成分分析仪；36-截止阀D。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明一种超临界二氧化碳腐蚀试验装置，包括驱动气体组件、CO2供气组件、超临界CO2增压稳压组件、高压反应釜及加热组件、排气组件、气体吹洗组件和气体成分分析组件；其中，驱动气体组件包括空压机1、过滤器A2、调压阀3、压力表A4、安全阀A5和驱动开关6；CO2供气组件包括气瓶7、压力表B8和过滤器B9；超临界CO2增压稳压组件包括气体增压泵10、过滤器C11、高压缓冲罐12、减压阀13、压力表C14、传感器15、安全阀B16、截止阀A17、流量计18和加热保温带19；高压反应釜及加热组件包括进气侧高压法兰20、加热炉21、高压炉管22、隔热器23、试样架24、出口侧高压法兰25和热电偶26；排气组件包括截止阀B27、背压阀28、单向阀A29和废气处理器30；气体吹洗组件包括截止阀C31、泄压阀32和单向阀B33；气体成分分析组件包括气体成分分析仪35和截止阀D36；其中，空压机1依次通过过滤器A2、调压阀3、压力表A4、安全阀A5、驱动开关6和气体增压泵10的驱动气体入口相连；气瓶7、压力表B8、过滤器B9依次通过管路与气体增压泵10的气源入口相连；气体增压泵10的高压气体出口通过管路以及设置该管路上的过滤器C11、高压缓冲罐12、减压阀13、压力表C14、传感器15、安全阀B16、截止阀A17和流量计18与进气侧高压法兰20的高压气体入口相连；高压炉管22设置在加热炉21内，两侧分别设置进气侧高压法兰20和出气侧高压法兰25，高压炉管22内设置隔热器23，中心放置试样架24，热电偶26通过出气侧高压法兰25伸入高压炉管22中部；出气侧高压法兰25通过管路与废气处理器30入口相连通，管路上依次设置截止阀B27、背压阀28和单向阀A29，形成排气组件；截止阀C31通过管路和三通一端与气体增压泵10入口侧相连，另一端与进气侧高压法兰入口相连，泄压阀32和单向阀B33通过三通与出气侧高压法兰出口管路相连通，单向阀B33出气侧与废气处理器30相连，形成气体吹洗组件；气体成分分析仪35安装在废气处理器30进气口管路上，同时在过滤器B9和气体增压泵10之间的管路上通过三通引出一路气体连接至气体成分分析仪35，管路上设置截止阀D36。
其中，气体增压泵10的高压气体出口到进气侧高压法兰20的高压气体入口之间的管路上设置加热保温带19。
传感器15的信号连接至控制器34，控制器34根据设定压力值计算出控制信号，输出到气体增压泵10上，在压力超出设定压力时使气体增压泵停止工作。热电偶26的信号连接至控制器34，控制信号输出到气体增压泵10和加热炉21上，当实测温度超出设定温度时，使气体增压泵10和加热炉21停止工作。
在进行超临界二氧化碳腐蚀试验时，首先打开截止阀C 31和泄压阀32通过气体吹洗组件向系统通入CO2，使得系统内的空气排出，观察气体成分分析仪35至排出的气体成分达到预定要求后关闭气体吹洗管路；将调压阀3、安全阀A5、减压阀13、安全阀B 16以及背压阀28设定为预设的压力；打开可编程控制的加热炉21升温，将回路中温度升至试验预期温度参数；用加热保温带19将管路升温至40～70℃；打开空压机1及驱动开关6；打开气瓶1阀门和气体增压泵10；使得回路中压力达到试验预期压力参数，开始试验。
本发明设计巧妙，与现有技术对比，该装置能实现材料在动态超临界二氧化碳条件下的腐蚀试验，压力、温度稳定可靠，且能够实时监测反应产物及其含量，试验结果可靠，且试验过程中系统能够自动运行，无需看守，使用方便。
Claims (7)
1.一种超临界二氧化碳腐蚀试验装置，其特征在于，包括驱动气体组件、CO2供气组件、超临界CO2增压稳压组件、高压反应釜及加热组件、排气组件、气体吹洗组件和气体成分分析组件；其中，
驱动气体组件包括空压机(1)、过滤器A(2)、调压阀(3)、压力表A(4)、安全阀A(5)和驱动开关(6)；
CO2供气组件包括气瓶(7)、压力表B(8)和过滤器B(9)；
超临界CO2增压稳压组件包括气体增压泵(10)、过滤器C(11)、高压缓冲罐(12)、减压阀(13)、压力表C(14)、传感器(15)、安全阀B(16)、截止阀A(17)和流量计(18)；
高压反应釜及加热组件包括进气侧高压法兰(20)、加热炉(21)、高压炉管(22)、隔热器(23)、试样架(24)、出口侧高压法兰(25)和热电偶(26)；
排气组件包括截止阀B(27)、背压阀(28)、单向阀A(29)和废气处理器(30)；
气体吹洗组件包括截止阀C(31)、泄压阀(32)和单向阀B(33)；
气体成分分析组件包括气体成分分析仪(35)和截止阀D(36)；
其中，空压机(1)依次通过过滤器A(2)、调压阀(3)、压力表A(4)、安全阀A(5)、驱动开关(6)和气体增压泵(10)的驱动气体入口相连；气瓶(7)、压力表B(8)、过滤器B(9)依次通过管路与气体增压泵(10)的气源入口相连；
气体增压泵(10)的高压气体出口通过管路以及设置该管路上的过滤器C(11)、高压缓冲罐(12)、减压阀(13)、压力表C(14)、传感器(15)、安全阀B(16)、截止阀A(17)和流量计(18)与进气侧高压法兰(20)的高压气体入口相连；
高压炉管(22)设置在加热炉(21)内，两侧分别设置进气侧高压法兰(20)和出气侧高压法兰(25)，高压炉管(22)内设置隔热器(23)，中心放置试样架(24)，热电偶(26)通过出气侧高压法兰(25)伸入高压炉管(22)中部；
出气侧高压法兰(25)通过管路与废气处理器(30)入口相连通，管路上依次设置截止阀B(27)、背压阀(28)和单向阀A(29)，形成排气组件；
截止阀C(31)通过管路和三通一端与气体增压泵(10)入口侧相连，另一端与进气侧高压法兰入口相连，泄压阀(32)和单向阀B(33)通过三通与出气侧高压法兰出口管路相连通，单向阀B(33)出气侧与废气处理器(30)相连，形成气体吹洗组件；
气体成分分析仪(35)安装在废气处理器(30)进气口管路上，同时在过滤器B(9)和气体增压泵(10)之间的管路上通过三通引出一路气体连接至气体成分分析仪(35)，管路上设置截止阀D(36)。
2.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳腐蚀试验装置，其特征在于，气体增压泵(10)的高压气体出口到进气侧高压法兰(20)的高压气体入口之间的管路上设置加热保温带(19)。
3.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳腐蚀试验装置，其特征在于，传感器(15)的信号连接至控制器(34)，控制器(34)用于根据设定压力值计算出控制信号，输出到气体增压泵(10)上，在压力超出设定压力时使得气体增压泵停止工作。
4.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳腐蚀试验装置，其特征在于，热电偶(26)的信号连接至控制器(34)，用于控制信号输出到气体增压泵(10)和加热炉(21)上，当实测温度超出设定温度时，使得气体增压泵(10)和加热炉(21)停止工作。
5.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳腐蚀试验装置，其特征在于，所述高压炉管(22)采用高温合金材料制成。
6.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳腐蚀试验装置，其特征在于，废气处理器(30)中装有碱性溶液。
7.一种超临界二氧化碳腐蚀试验装置的使用方法，其特征在于，该方法基于权利要求1至6中任一项所述的一种超临界二氧化碳腐蚀试验装置，包括如下步骤：
试验时，打开截止阀C(31)和泄压阀(32)通过气体吹洗组件向系统通入CO2，使得系统内的空气排出，观察气体成分分析仪(35)至排出的气体成分达到预定要求后关闭气体吹洗管路；将调压阀(3)、安全阀A(5)、减压阀(13)、安全阀B(16)以及背压阀(28)设定为预设的压力；打开可编程控制的加热炉(21)升温，将回路中温度升至试验预期温度参数；用加热保温带(19)将管路升温至40～70℃；打开空压机(1)及驱动开关(6)；打开气瓶(1)阀门和气体增压泵(10)；使得回路中压力达到试验预期压力参数，开始试验。
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