CN108195688A - 模拟燃煤电厂锅炉管服役环境的内压蠕变试验装置及方法 - Google Patents

模拟燃煤电厂锅炉管服役环境的内压蠕变试验装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模拟燃煤电厂锅炉管服役环境的内压蠕变试验装置及方法，包括气体加压系统、蒸汽供给系统、烟气供给系统、试验加热系统及控制柜。与现有技术对比，本发明可以实现燃煤电厂锅炉管在高温、高压、外壁腐蚀性烟气、内壁水蒸气等多种环境耦合作用下的内压蠕变试验，使得试验环境更贴近燃煤电站锅炉管实际服役环境，试验结果更加准确可靠；与此同时，该装置的温度(0～1000℃)、压力(0～200MPa)、烟气配比、蒸汽溶解氧含量都可调节，可以满足不同试验条件需求；最后该装置可以同时并联多套试验加热单元，可以同时进行多个试样的内压蠕变试验。

Description

模拟燃煤电厂锅炉管服役环境的内压蠕变试验装置及方法
技术领域
本发明属于金属材料高温蠕变试验研究技术领域，具体涉及一种模拟燃煤电厂锅炉管服役环境的内压蠕变试验装置及方法。
背景技术
高温蠕变试验是测定材料在长时恒温、恒应力作用下，发生缓慢塑性变形的一种材料机械性能试验。通过高温蠕变试验可研究材料在外加载荷作用下或载荷和环境因素(温度、压力和介质等)耦合作用下表现出的断裂规律、机理及影响因素，为高温构件(如燃煤锅炉管)的选材、设计提供重要依据，特别是在高温部件服役期间，可以通过取样进行高温蠕变持久试验以更准确的评估部件的剩余寿命。
目前常规的高温蠕变持久强度试验采用标准试样(如GB/T 2039-2012、ASTM E139中给出的棒状试样、板状试样)进行高温单向拉伸蠕变或持久试验，而在实际工况中承压金属管材在高温环境承受环向和轴向的二维应力，传统的单向拉伸的蠕变或持久试验结果与实际工况有一定的差距，为此人们提出了内压蠕变试验方法，并已经形成了相关的试验标准(DL/T 369-2010电站锅炉管内压蠕变试验方法)。然而标准中并未规定试验气氛的要求，只是提到充压用气体介质应采用在试验条件下自身物理化学性质稳定且对试样管样内壁不会产生非预期腐蚀的流体。专利CN200920274875.5也公开了一种金属管内压蠕变试验装置，也未涉及到试验气氛的要求。
然而，燃煤电厂锅炉管(如过热器、再热器)的实际服役环境极为苛刻，在承受高温高压的同时，管内壁和外壁分别受到水蒸气和烟气的氧化与腐蚀。而实践表明，环境介质(水蒸气和烟气)对金属材料的高温力学性能(蠕变持久强度)往往有着重要的影响，在力学和环境介质的共同耦合作用下材料往往表现出更为劣化的力学性能。因此目前试验设备只能进行在空气中进行的高温内压蠕变试验(内部充压气体全部为惰性气体)并不能真实地反应燃煤电厂锅炉管在实际工况下的高温蠕变性能，试验结果往往会有一定偏差。为此迫切需要研发一套能够模拟燃煤电厂锅炉管实际服役环境的高温内压蠕变试验装置。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的以上弊端，提供了一种模拟燃煤电厂锅炉管服役环境的内压蠕变试验装置及方法。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的：
模拟燃煤电厂锅炉管服役环境的内压蠕变试验装置，包括气体加压系统、蒸汽供给系统、烟气供给系统、试验加热系统及控制柜；其中，
气体加压系统包括利用管路依次连接的加压气瓶组、压力传感器、超高压气泵、微流量进气针阀、截止阀C、背压阀、高压安全阀和截止阀D；
蒸汽供给系统包括利用管路依次连接的储水罐、循环水泵、流通池、微流量蠕动泵和截止阀F；
烟气供给系统包括利用管路依次连接的烟气气瓶组、过滤器D、气体质量流量计、单向阀B、混气罐、截止阀G、单向阀C和废气处理装置；
试验加热系统包括加热电炉、金属炉管和试样；
蠕变试验状态时，试样设置于金属炉管内，试样的入口分别连接气体加压系统和蒸汽供给系统，且两者为并联，金属炉管入口连接烟气供给系统，加热电炉设置于金属炉管外；控制柜分别与气体加压系统、试验加热系统连接，分别用于控制压力及温度。
本发明进一步的改进在于，气体加压系统还包括设置于加压气瓶组和压力传感器之间的进气压力表和截止阀A，设置于超高压气泵之后的缓冲罐和过滤器A，设置于微流量进气针阀之后的截止阀B、单项阀A、高压压力表和卸荷阀。
本发明进一步的改进在于，蒸汽供给系统还包括溶解氧表、除氧气瓶以及设置于循环水泵和流通池之间的过滤器B和截止阀E，溶解氧表通过导线与流通池内的溶解氧电极连接；在储水罐顶部还设置有储水罐压力表和真空泵，在储水罐的底部还设置有比例电磁阀和过滤器C，之后与除氧气瓶连接。
本发明进一步的改进在于，控制柜与气体加压系统中的压力传感器和超高压气泵相连，控制柜用于根据压力设定值计算出控制信号输出到超高压气泵上，使得管路内压力达到设定压力时高压气泵自动停机，低于设定压力时高压气泵自动补偿压力。
本发明进一步的改进在于，试样的上中下部均点焊有热电偶，热电偶与控制柜相连，用于控制试验过程中试样的温度。
本发明进一步的改进在于，加压气瓶组和除氧气瓶均采用惰性气体；烟气气瓶组根据试验需求设置多个气瓶，分别装有N2、CO2、SO2、CO和O2。
本发明进一步的改进在于，试验加热系统并联有两套或者两套以上试验单元，能够同时进行多个试样的内压蠕变试验。
本发明进一步的改进在于，金属炉管采用310S不锈钢管，金属炉管39两端设置有金属法兰，金属炉管与金属法兰用耐热橡胶圈密封。
本发明进一步的改进在于，试样的上、下两端分别与上、下封头焊接连接，上封头上设置有压力注入管，下封头上设置有压力输出管，且上、下封头选用与试样相同的材料。
模拟燃煤电厂锅炉管服役环境的内压蠕变试验装置的使用方法，该使用方法基于上述模拟燃煤电厂锅炉管服役环境的内压蠕变试验装置，包括如下步骤：
试验时，第一步利用加压气瓶组中的惰性气体对气体加压系统管路及试样中的空气进行吹洗，使得系统内的空气排出；第二步，对蒸汽供给系统中储水罐中饱和溶解氧的水进行除氧，使得溶解氧浓度达到试验要求，之后打开微流量蠕动泵、截止阀F、截止阀C向试样中通入少量除氧水；第三步，利用烟气供给系统配比模拟烟气，通入金属炉管中；第四步，试验加热系统升温，利用控制柜控制试验加热系统，使得试样升温至试验所需温度；第五步，利用气体加压系统对试样进行进一步加压，使其内部压力达到试验预设内压，开始长期蠕变试验。
概括来说，本发明具有如下的优点：
1、本发明可实现锅炉金属管材在高温、高压、外壁腐蚀性烟气、内壁水蒸气等多种环境耦合作用下的内压蠕变试验，使得试验环境更贴近燃煤电厂锅炉管实际服役环境，试验结果更加准确可靠。
2、本发明设计了烟气供给系统，该系统采用气体质量流量计精确控制各种气氛配比，可以模拟燃用不同煤种工况下的腐蚀性烟气环境。
3、本发明设计了蒸汽供给系统，该系统采用抽真空及通入惰性气体相结合的方法实现除氧功能，保证了试验管材内部所充水蒸气的溶解氧浓度足够低(10ppb左右)。
4、本发明的装置可以通过超高压气泵、背压阀、安全阀来调节试样内压力在0至200MPa之间，温度可以由加热炉控制在室温到1000℃之间，可以满足不同试验条件需求。
5、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。
6、本发明试验加热系统可以并联两套或者两套以上试验单元，可以同时进行多个试样的内压蠕变试验。
附图说明
图1为本发明试验装置整体结构的示意图。
图中：1为加压气瓶组；2为进气压力表；3为截止阀A；4为压力传感器；5为超高压气泵；6为缓冲罐；7为过滤器A；8为微流量进气针阀；9为截止阀B；10为单项阀A；11为截止阀C；12为高压压力表；13为卸荷阀；14为背压阀；15高压安全阀；16截止阀D；17为储水罐；18为循环水泵；19为过滤器B；20为截止阀E；21为流通池；22为溶解氧表；23为储水罐压力表；24真空泵；25为比例电磁阀；26为过滤器C；27为除氧气瓶；28为微流量蠕动泵、29为截止阀F；30为烟气气瓶组；31为过滤器D；32为气体质量流量计；33为单向阀B；34为混气罐；35为截止阀G；36为单向阀C；37为废气处理装置；38为加热电炉；39为金属炉管；40为试样；41为热电偶；42为控制柜。
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，本发明提供的模拟燃煤电厂锅炉管服役环境的内压蠕变试验装置，包括气体加压系统、蒸汽供给系统、烟气供给系统、试验加热系统及控制柜。
气体加压系统包括利用管路依次连接的加压气瓶组1、压力传感器4、超高压气泵5、微流量进气针阀8、截止阀C11、背压阀14、高压安全阀15和截止阀D16；气体加压系统还包括设置于加压气瓶组1和压力传感器4之间的进气压力表2和截止阀A3，设置于超高压气泵5之后的缓冲罐6和过滤器A7，设置于微流量进气针阀8之后的截止阀B9、单项阀A10、高压压力表12和卸荷阀13。
蒸汽供给系统包括利用管路依次连接的储水罐17、循环水泵18、流通池21、微流量蠕动泵28和截止阀F29；蒸汽供给系统还包括溶解氧表23、除氧气瓶27以及设置于循环水泵18和流通池21之间的过滤器B19和截止阀E20，溶解氧表23通过导线与流通池21内的溶解氧电极连接；在储水罐17顶部还设置有储水罐压力表23和真空泵24，在储水罐17的底部还设置有比例电磁阀25和过滤器C26，之后与除氧气瓶27连接。
烟气供给系统包括利用管路依次连接的烟气气瓶组30、过滤器D31、气体质量流量计32、单向阀B33、混气罐34、截止阀G35、单向阀C36和废气处理装置37。
试验加热系统包括加热电炉38、金属炉管39和试样40。
蠕变试验状态时，试样40设置于金属炉管39内，试样40的入口分别连接气体加压系统和蒸汽供给系统，且两者为并联，金属炉管39入口连接烟气供给系统，加热电炉38设置于金属炉管39外；控制柜42分别与气体加压系统、试验加热系统连接，分别用于控制压力及温度。具体来说，控制柜42与气体加压系统中的压力传感器4和超高压气泵5相连，控制柜42用于根据压力设定值计算出控制信号输出到超高压气泵5上，使得管路内压力达到设定压力时高压气泵5自动停机，低于设定压力时高压气泵5自动补偿压力。试样40的上中下部均点焊有热电偶41，热电偶41与控制柜42相连，用于控制试验过程中试样40的温度。
所述除氧气瓶27采用惰性气体，所述烟气气瓶组30采用N2、CO2、SO2、CO和O2等。
蒸汽供给系统可以通过抽真空及通入惰性气体相结合的方法实现除氧功能。
烟气供给系统采用所述气体质量流量计32精确控制各种气氛配比，可以模拟燃用不同煤种工况下的烟气环境。
试验加热系统可以并联两套或者两套以上试验单元，包括所述加热电炉38、金属炉管39、试样40和热电偶41，可以同时进行多个试样的内压蠕变试验。
金属炉管39采用耐冲击性能良好的耐热钢管，金属炉管39两端设置有金属法兰，金属炉管39与金属法兰用耐热橡胶圈密封。
金属炉管39采用310S不锈钢管，金属炉管39两端设置有金属法兰，金属炉管39与金属法兰用耐热橡胶圈密封。
试样40上下两端与上、下封头焊接连接，上封头上设置有压力注入管，下封头上设置有压力输出管，所述上下封头选用与试样40相同的材料。
在进行锅炉管高温内压蠕变试验时的具体步骤如下：
第一步，利用加压气瓶组1中的惰性气体(通常为氩气)对气体加压系统管路及试样40中的空气进行吹洗，使得系统内的空气排出。具体操作为打开截止阀A3、超高压气泵5、截止阀B 9、截止阀C11和背压阀14，将微流量进气针阀8调至较大，向气体加压系统管路及试样40中通入惰性气体，通气时间为10～15min，之后关闭之前打开的阀门及超高压气泵。
第二步，对蒸汽供给系统中储水罐17中饱和溶解氧的水进行除氧，使得溶解氧浓度达到试验要求，通常为10ppb以下，具体操作为打开首先打开真空泵24，对蒸汽供给系统管路进行抽真空，之后关闭真空泵24，打开除氧气瓶27(通常为氩气)、例电磁阀25、循环水泵18、截止阀E20利用通入惰性气体的方式进行除氧。待溶解氧浓度达到试验要求时，打开微流量蠕动泵28、截止阀F29截止阀C11向试样40中通入少量除氧水(10ppb以下)，通入量的计算方法为通入的水在高温下全部转化为蒸汽后所产生的内压为试验预设内压的80％。之后关闭整个蒸汽供给系统。
第三步，利用烟气供给系统配比模拟烟气，具体操作为打开烟气气瓶组30，根据燃用不同煤种烟气中各种气体的含量调节气体质量流量计32的流量，各种气体在混气罐34中混合后通入相应的金属炉管39中试验，试验后的尾气由废气处理装置37处理。
第四步，试验加热系统升温，利用控制柜42控制试验加热系统，使得试样40升温至试验所需温度。
第五步，利用气体加压系统对试样40进行进一步加压，使其内部压力达到试验预设内压，具体操作为打开截止阀A3、超高压气泵5、截止阀B 9、截止阀C11、背压阀14，将微流量进气针阀8调至较小，向气体加压系统管路及试样40中通入惰性气体，压力传感器4、超高压气泵5与控制柜42相连，控制柜42根据压力设定值计算出控制信号输出到超高压气泵5上，使得管路内压力达到设定压力时高压气泵5自动停机，低于设定压力时高压气泵5自动补偿压力。

Claims (10)

1.模拟燃煤电厂锅炉管服役环境的内压蠕变试验装置，其特征在于，包括气体加压系统、蒸汽供给系统、烟气供给系统、试验加热系统及控制柜(42)；其中，
气体加压系统包括利用管路依次连接的加压气瓶组(1)、压力传感器(4)、超高压气泵(5)、微流量进气针阀(8)、截止阀C(11)、背压阀(14)、高压安全阀(15)和截止阀D(16)；
蒸汽供给系统包括利用管路依次连接的储水罐(17)、循环水泵(18)、流通池(21)、微流量蠕动泵(28)和截止阀F(29)；
烟气供给系统包括利用管路依次连接的烟气气瓶组(30)、过滤器D(31)、气体质量流量计(32)、单向阀B(33)、混气罐(34)、截止阀G(35)、单向阀C(36)和废气处理装置(37)；
试验加热系统包括加热电炉(38)、金属炉管(39)和试样(40)；
蠕变试验状态时，试样(40)设置于金属炉管(39)内，试样(40)的入口分别连接气体加压系统和蒸汽供给系统，且两者为并联，金属炉管(39)入口连接烟气供给系统，加热电炉(38)设置于金属炉管(39)外；控制柜(42)分别与气体加压系统、试验加热系统连接，分别用于控制压力及温度。
2.根据权利要求1所述的模拟燃煤电厂锅炉管服役环境的内压蠕变试验装置，其特征在于，气体加压系统还包括设置于加压气瓶组(1)和压力传感器(4)之间的进气压力表(2)和截止阀A(3)，设置于超高压气泵(5)之后的缓冲罐(6)和过滤器A(7)，设置于微流量进气针阀(8)之后的截止阀B(9)、单项阀A(10)、高压压力表(12)和卸荷阀(13)。
3.根据权利要求1所述的模拟燃煤电厂锅炉管服役环境的内压蠕变试验装置，其特征在于，蒸汽供给系统还包括溶解氧表(23)、除氧气瓶(27)以及设置于循环水泵(18)和流通池(21)之间的过滤器B(19)和截止阀E(20)，溶解氧表(23)通过导线与流通池(21)内的溶解氧电极连接；在储水罐(17)顶部还设置有储水罐压力表(23)和真空泵(24)，在储水罐(17)的底部还设置有比例电磁阀(25)和过滤器C(26)，之后与除氧气瓶(27)连接。
4.根据权利要求1所述的模拟燃煤电厂锅炉管服役环境的内压蠕变试验装置，其特征在于，控制柜(42)与气体加压系统中的压力传感器(4)和超高压气泵(5)相连，控制柜(42)用于根据压力设定值计算出控制信号输出到超高压气泵(5)上，使得管路内压力达到设定压力时高压气泵(5)自动停机，低于设定压力时高压气泵(5)自动补偿压力。
5.根据权利要求1所述的模拟燃煤电厂锅炉管服役环境的内压蠕变试验装置，其特征在于，试样(40)的上中下部均点焊有热电偶(41)，热电偶(41)与控制柜(42)相连，用于控制试验过程中试样(40)的温度。
6.根据权利要求1所述的模拟燃煤电厂锅炉管服役环境的内压蠕变试验装置，其特征在于，加压气瓶组(1)和除氧气瓶(27)均采用惰性气体；烟气气瓶组(30)根据试验需求设置多个气瓶，分别装有N2、CO2、SO2、CO和O2。
7.根据权利要求1所述的模拟燃煤电厂锅炉管服役环境的内压蠕变试验装置，其特征在于，试验加热系统并联有两套或者两套以上试验单元，能够同时进行多个试样的内压蠕变试验。
8.根据权利要求1所述的模拟燃煤电厂锅炉管服役环境的内压蠕变试验装置，其特征在于，金属炉管(39)采用310S不锈钢管，金属炉管(39)两端设置有金属法兰，金属炉管(39)与金属法兰用耐热橡胶圈密封。
9.根据权利要求1所述的模拟燃煤电厂锅炉管服役环境的内压蠕变试验装置，其特征在于，试样(40)的上、下两端分别与上、下封头焊接连接，上封头上设置有压力注入管，下封头上设置有压力输出管，且上、下封头选用与试样(40)相同的材料。
10.模拟燃煤电厂锅炉管服役环境的内压蠕变试验装置的使用方法，其特征在于，该使用方法基于权利要求1至9中任一项所述的模拟燃煤电厂锅炉管服役环境的内压蠕变试验装置，包括如下步骤：
试验时，第一步利用加压气瓶组(1)中的惰性气体对气体加压系统管路及试样(40)中的空气进行吹洗，使得系统内的空气排出；第二步，对蒸汽供给系统中储水罐(17)中饱和溶解氧的水进行除氧，使得溶解氧浓度达到试验要求，之后打开微流量蠕动泵(28)、截止阀F(29)、截止阀C(11)向试样(40)中通入少量除氧水；第三步，利用烟气供给系统配比模拟烟气，通入金属炉管(39)中；第四步，试验加热系统升温，利用控制柜(42)控制试验加热系统，使得试样(40)升温至试验所需温度；第五步，利用气体加压系统对试样(40)进行进一步加压，使其内部压力达到试验预设内压，开始长期蠕变试验。
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