CN108956443A - 熔盐温差腐蚀试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种熔盐温差腐蚀试验装置，其包括有加热炉、试验管路、送气管路，试验管路包括第一恒温段、第一恒温段延伸管路、温度补偿段、第二恒温段和第二恒温段延伸管路，第一恒温段、温度补偿段和第二恒温段依次串联设置在加热炉中，第一恒温段延伸管路自第一恒温段延伸出加热炉，第二恒温段延伸管路自第二恒温段延伸出加热炉；送气管路分别与第一恒温段延伸管路、第二恒温段延伸管路连接。本发明能有效模拟材料服役的温差环境，而且具有结构简单，加工制造周期短，成本低等诸多优点。

Description

熔盐温差腐蚀试验装置

技术领域

本发明涉及高温熔盐腐蚀领域，特别涉及一种熔盐温差腐蚀试验装置。

背景技术

氟化物和氯化物熔盐(氟盐和氯盐)具有高温稳定性好、高热导率、高比热、高沸点、低饱和蒸汽压、良好的流动性和很宽的液态工作范围等一系列特点，在核反应堆、高温制氢、太阳能热发电、核燃料后处理等能源领域中具有广阔的应用前景。然而高温熔融态氟盐和氯盐对金属结构材料具有腐蚀性，特别是熔盐温差存在会显著加剧金属材料腐蚀，导致材料长期服役时会发生腐蚀损伤，直接影响材料的安全使用和服役寿命。

熔盐服役工况环境中普遍存在温度梯度。如美国研制的熔盐堆一回路入口与出口存在20～30℃的温差。目前的商用聚焦太阳能热发电站(CSP)以及近年来提出的第三代CSP概念设计方案中，冷盐罐和热盐罐之间的温差达到200～300℃。根据氟盐和氯盐腐蚀机理，温度梯度是驱动熔盐腐蚀的关键因素，因此亟待开展金属材料在具有温度梯度的熔融氟盐和氯盐中的腐蚀行为研究，旨在澄清温度梯度对金属材料腐蚀行为影响机理，探讨相关的腐蚀防护方法。然而目前没有现成的成套商用设备可以采购，无法有效开展金属材料在具有温度梯度的熔融氟盐和氯盐中腐蚀研究，急需研制一种可有效模拟熔盐服役工况环境，便于操作的动态温差腐蚀试验装置，使开展材料在具有温度梯度的熔盐体系中的腐蚀研究成为可能。

目前关于温度梯度对材料腐蚀行为影响研究报道主要来自于上世纪60～70年代美国橡树林国家实验室(ORNL)。ORNL在熔盐试验堆(MSRE)和熔盐增殖堆(MSBR)项目期间研制了数百条温差自然对流腐蚀试验回路，积累了大量合金在具有温度梯度的氟化物燃料盐和冷却剂盐中的腐蚀数据。然而之前ORNL研制的温差自然对流腐蚀试验回路结构复杂，体积庞大，且试样提取装置的设计也很繁琐，不便于实验室常规操作。国内关于熔盐腐蚀方面的研究报道不多，仅有的研究也主要集中在静态恒温体系，关于动态温差体系中熔盐腐蚀研究鲜有报道，其中最主要困难之一就是研制出一种既能实现动态温差又易于操控的熔盐腐蚀试验装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术的熔盐腐蚀试验装置无法兼顾实现动态温差又易于操控的缺陷，提供一种熔盐温差腐蚀试验装置。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种熔盐温差腐蚀试验装置，其包括有：一加热炉；一试验管路；一送气管路；所述试验管路包括一第一恒温段、一第一恒温段延伸管路、一温度补偿段、一第二恒温段和一第二恒温段延伸管路，所述第一恒温段、所述温度补偿段和所述第二恒温段依次串联设置在所述加热炉中，所述第一恒温段延伸管路自所述第一恒温段延伸出所述加热炉，所述第二恒温段延伸管路自所述第二恒温段延伸出所述加热炉；所述第一恒温段用于将熔盐维持在一第一温度，所述第二恒温段用于将熔盐维持在高于所述第一温度的一第二温度，所述温度补偿段用于将熔盐从所述第一温度加热至所述第二温度；所述送气管路分别与所述第一恒温段延伸管路、所述第二恒温段延伸管路连接，所述送气管路分别为所述第一恒温段延伸管路和所述第二恒温段延伸管路输送惰性气体或对所述试验管路抽真空。

较佳地，在本发明的熔盐温差腐蚀试验装置中，所述试验管路还包括一冷却段，所述冷却段的一端连接于所述第一恒温段与所述第一恒温段延伸管路之间，所述冷却段的另一端连接于所述第二恒温段与所述第二恒温段延伸管路之间。

较佳地，在本发明的熔盐温差腐蚀试验装置中，所述第一恒温段、所述温度补偿段、所述第二恒温段、所述冷却段的首尾相连形成一平行四边形的熔盐回路，所述第一恒温段与所述第二恒温段平行，所述冷却段与所述温度补偿段平行。

较佳地，在本发明的熔盐温差腐蚀试验装置中，所述冷却段外围设置有一冷却通道，所述冷却通道中通入压缩空气或低温熔融盐，所述压缩空气或所述低温熔融盐冷却所述冷却段的外壁。

较佳地，在本发明的熔盐温差腐蚀试验装置中，所述第一恒温段、所述温度补偿段、所述第二恒温段串联形成一U型的熔盐回路，所述第一恒温段与所述第二恒温段平行。

较佳地，在本发明的熔盐温差腐蚀试验装置中，所述第一恒温段延伸管路上位于所述加热炉外的一端以及所述第二恒温段延伸管路上位于所述加热炉外的一端分别设有一密封法兰。

较佳地，在本发明的熔盐温差腐蚀试验装置中，每一所述密封法兰上还分别设有一密封组件，所述密封组件包括一主管路、一第一螺母、一第二螺母、一橡胶塞、一垫片，所述送气管路连接于所述主管路上，所述主管路的一端连接于所述密封法兰，所述主管路的另一端套有所述第一螺母，所述第一螺母外套有所述第二螺母，所述橡胶塞设置于所述第一螺母中用于密封所述主管路，所述垫片设置于所述第一螺母和所述第二螺母之间。

较佳地，在本发明的熔盐温差腐蚀试验装置中，所述第一恒温段、所述第二恒温段、所述温度补偿段的外部均设有一对加热元件。

较佳地，在本发明的熔盐温差腐蚀试验装置中，所述加热炉包括一第一炉体和一第二炉体，所述第一炉体和所述第二炉体通过铰链连接，所述试验管路设置于所述第一炉体和所述第二炉体之间。

较佳地，在本发明的熔盐温差腐蚀试验装置中，所述加热炉中填充有保温材料。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明的积极进步效果在于：

本发明提供的熔盐温差腐蚀试验装置，不仅能有效模拟材料服役的温差环境，而且具有结构简单，加工制造周期短，成本低等诸多优点。本发明的熔盐温差腐蚀试验装置还可满足高温600～800℃、温差20～200℃的熔盐体系中的腐蚀挂片和电化学腐蚀研究需求。

附图说明

图1为本发明的实施例1的熔盐温差腐蚀试验装置的结构示意图。

图2a为本发明的实施例1的熔盐温差腐蚀试验装置中密封法兰的结构示意图；图2b为图2a的b-b方向截面图；图2c为本发明实施例1的熔盐温差腐蚀试验装置中带孔的密封法兰的结构示意图；图2d为图2c的c-c方向截面图。

图3a为本发明实施例1的熔盐温差腐蚀试验装置中密封组件的结构示意图；图3b为图3a的密封组件的截面图。

图4a为本发明实施例1的熔盐温差腐蚀试验装置中密封组件的第一螺母的结构示意图；图4b为图4a的第一螺母的正面示意图；图4c为图4b的第一螺母的截面图。

图5a为本发明实施例1的熔盐温差腐蚀试验装置中密封组件的第二螺母的结构示意图；图5b为图5a的第二螺母的正面示意图；图5c为图5b的第二螺母的截面图。

图6为本发明实施例1的熔盐温差腐蚀试验装置中加热炉的结构示意图。

图7为本发明实施例2的熔盐温差腐蚀试验装置的结构示意图。

附图标记：

1-加热炉，11-冷却通道，12-加热元件，13-保温材料，14-第一炉体，15-第二炉体，16-铰链；

2-试验管路，21-第一恒温段，22-第一恒温段延伸管路，23-温度补偿段，24-第二恒温段，25-第二恒温段延伸管路，26-冷却段，27-密封法兰；

3-送气管路；

4-密封组件，41-主管路，42-第一螺母，421-第一部分，422-第二部分，43-第二螺母，431-环壁，432-通孔，44-橡胶塞，45-垫片。

具体实施方式

下面举个较佳实施例，并结合附图来更清楚完整地说明本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1

如图1所示，本发明的实施例1提供了一种熔盐温差腐蚀试验装置，其包括有：一加热炉1、一试验管路2、一送气管路3。其中，试验管路2采用不锈钢和或镍基耐蚀合金管加工制造，其包括一第一恒温段21、一第一恒温段延伸管路22、一温度补偿段23、一第二恒温段24和一第二恒温段延伸管路25，第一恒温段21、温度补偿段23和第二恒温段24在第一恒温段延伸管路22和第二恒温段延伸管路25之间依次串联设置在加热炉1中，第一恒温段延伸管路22自第一恒温段21延伸出加热炉1，第二恒温段延伸管路25自第二恒温段24延伸出加热炉1。在实施例1中，试验管路2还包括一冷却段26，冷却段26的一端连接于第一恒温段21与第一恒温段延伸管路22之间，冷却段26的另一端连接于第二恒温段24与第二恒温段延伸管路25之间。

作为实施例1的一个优选实施方案中，第一恒温段21、温度补偿段23、第二恒温段24、冷却段26的首尾相连形成一平行四边形的熔盐回路，第一恒温段21与第二恒温段24平行，冷却段26与温度补偿段23平行。该平行四边形熔盐回路为整个试验管路的主体，试验过程中里面充满熔盐。

第一恒温段21用于将熔盐维持在一第一温度，第二恒温段24用于将熔盐维持在高于第一温度的一第二温度，温度补偿段23用于将熔盐从第一温度加热至第二温度。

冷却段26主要用于避免熔盐将高温试验段的第二恒温段24的热量带入低温试验段的第一恒温段21。

送气管路3分别与第一恒温段延伸管路22、第二恒温段延伸管路25连接，送气管路3先对试验管路抽真空，再分别为第一恒温段延伸管路22和第二恒温段延伸管路25输送惰性气体，在进行熔盐温差腐蚀试验时，惰性气体充满了熔盐回路主体部分中熔盐上方的空间以及第一恒温段延伸管路22和第二恒温段延伸管路25中的空间。

其中，第二温度为高达600℃-800℃的高温，第一温度为与第二温度的温差在20-200℃的低温。

也就是说，该熔盐温差腐蚀试验装置的试验管路2中的熔盐回路主体部分采用闭合的平行四边形结构(主要用于开展熔盐腐蚀浸泡试验)：其中熔盐回路左右两边的第二恒温段和第一恒温段分别为高温试验段和低温试验段，上下分别为熔盐冷却段26和温度补偿段23，该平行四边形的熔盐回路主体部分的第二恒温段24和第一恒温段21的管路平行向上延伸至平行四边形区域外，可使熔盐回路左右两侧试验段以及下方分别独立控温，满足熔盐回路有效加热和控温。具有该平行四边形的熔盐回路的熔盐温差腐蚀试验装置主要用于开展熔盐腐蚀挂片试验。

作为实施例1的一个优选实施方案，在该熔盐温差腐蚀试验装置中，冷却段26外围设置有一冷却通道11，冷却通道11中通入压缩空气或低温熔融盐，压缩空气或低温熔融盐冷却该冷却段26的外壁。即在加热炉1上方设有冷却通道11，在实验过程中，根据上方冷却段26管路的实际温度，系统自动调节进风量或冷却盐温度和流速，用于平行四边形的熔盐回路主体部分的上方熔盐降温。在该加热炉1的左右两边和下方设有三个独立加热和控温的恒温段和加热段，分别用于给四边形回路左右两侧和底部加热，在加热炉1上方设有冷却通道11，用于实验过程中向平行四边形的熔盐回路上方管路吹扫压缩空气或通入低温熔融盐，降低该段熔盐温度，以避免熔盐将第二恒温段24的高温试验段的热量带入第一恒温段21的低温试验段。

如图1和图2a-图2d所示，作为实施例1的一个优选实施方案，在该熔盐温差腐蚀试验装置中，在第一恒温段延伸管路22上位于加热炉1外的一端和第二恒温段延伸管路25上位于加热炉1外的一端分别设有一密封法兰27，该密封法兰27带有水冷装置。在熔盐温差腐蚀试验装置的使用过程中，通过在熔盐回路主体部分上方的密封法兰27分多次向熔盐回路主体部分中加入固态盐，具体操作时，先加入适量固态盐，待熔盐融化将系统冷却至室温再继续添加固态盐，直至液态熔盐可以充满整个平行四边形区域。

如图1、图3a-图3b、图4a-图4c、图5a-5c所示，作为实施例1的一个优选实施方案，在该熔盐温差腐蚀试验装置中，每一密封法兰27上还分别设有一密封组件4，密封组件4包括一主管路41、一第一螺母42、一第二螺母43、一橡胶塞44、一垫片45，送气管路3连接于主管路41上，主管路41的一端连接于密封法兰27，主管路41的另一端套有第一螺母42，第一螺母42外套有第二螺母43，橡胶塞44设置于第一螺母42中用于密封主管路41，垫片45设置于第一螺母42和第二螺母43之间。其中，第一螺母42包括与主管路41连接的第一部分421、包裹橡胶塞44的第二部分422，第二螺母43包括套设在第一螺母42的第二部分422外围的环壁431以及在橡胶塞44拔去后与主管路41连通的通孔432。该密封组件4主要用于安装腐蚀试样并保证熔盐回路系统实现有效密封。在熔盐回路主体部分的上方，第一恒温段延伸管路22和第二恒温段延伸管路25上分别设有送气管路3，这样使得惰性气体能够通过送气管路3、主管路41、熔盐回路主体部分的管路进气和出气，用于调节腐蚀试验过程中熔盐液面上方覆盖的惰性气体成分。

作为实施例1的一个优选实施方案，在该熔盐温差腐蚀试验装置中，第一恒温段21、第二恒温段24、温度补偿段23的外部均设有一对加热元件12。

如图6所示，作为实施例1的一个优选实施方案，在该熔盐温差腐蚀试验装置中，加热炉1包括一第一炉体14和一第二炉体15，第一炉体14和第二炉体15通过铰链16连接，试验管路2设置于第一炉体14和第二炉体15之间。即该熔盐温差腐蚀试验装置采用了分体式哈弗式的开启结构。上述结构的熔盐温差腐蚀试验装置便于熔盐回路安装，且外观紧凑，易于操作。

作为实施例1的一个优选实施方案，在该熔盐温差腐蚀试验装置中，加热炉1中填充有保温材料13。

本发明的实施例1提供的熔盐温差腐蚀试验装置主要利用试验过程中第二恒温段24的高温试验段和第一恒温段21的低温试验段的熔盐密度差和重力作用实现自然对流，其中高温试验段熔盐密度小向上流动，低温试验段熔盐密度大向下流动，同时在重力作用下，当体系达到平衡时，熔盐将从高温试验段顺时针流向低温段，进而实现自然对流。本发明结合CFD仿真模拟计算已知温度下熔盐流速，获得已知温度下熔盐温度场和流速场的三维分布图。之后通过密封组件4将腐蚀挂片试样分别放入高温和低温试验段熔盐上方，待熔盐融化后且高温和低温试验段温度均恒定至设定温度时，通过调节密封组件4将腐蚀试样向下浸泡至高温和低温试验段。整个腐蚀试验过程中控制熔盐液面上方处于惰性气体保护或真空环境中。试验结束后利用密封组件4将腐蚀试样提升至熔盐液面上方，关闭电炉，待熔盐冷却至室温后，打开密封组件4，取出腐蚀试样，再进行腐蚀失重和腐蚀试样微观形貌及元素分析。

实施例2

如图7所示，在本发明的实施例2提供的熔盐温差腐蚀试验装置中，第一恒温段21、温度补偿段23、第二恒温段24串联也可单独形成一U型的熔盐回路，第一恒温段21与第二恒温段24平行。

在实施例2中，熔盐回路主体部分采用的是U型管结构，主要用于开展熔盐腐蚀电化学研究。该U型管结构左右两边分别为第二恒温段24的高温试验段和第一恒温段21的低温试验段，下方为温度补偿段23，相比于平行四边形的结构，U型管结构并无上方冷却段26。具有该U型管的熔盐温差腐蚀试验装置主要用于开展熔盐腐蚀电化学研究。

在该熔盐温差腐蚀试验装置中，U型管路上方设有密封法兰27和密封组件4，具体设计同实施例1。

加热炉1采用与实施例1中相同的结构，其在左右两边和下方设有三个独立加热和控温的加热段，分别用于给U型管路左右两侧和底部加热，主要利用左右两侧熔盐温度差导致活性金属离子浓度差而实现离子的迁移。

本发明的实施例2中，在熔盐温差腐蚀试验装置的使用过程中通过熔盐回路主体部分上方的密封法兰27分多次加入固态盐，具体操作时，加入适量固态盐，待熔盐融化后将系统冷却至室温，再继续添加固态盐，直至液态熔盐可以充满U型管路的第一恒温段21和第二恒温段24。之后通过密封组件4将电化学测量用电极分别置于高温和低温试验段熔盐上方，待熔盐融化后且高温和低温试验段温度均恒定至设定温度时，通过调节密封组件4将电极向下插入至高温和低温试验段的恒温段内。整个过程中控制熔盐液面上方为惰性气体保护或真空环境中。利用电化学工作站，测量金属材料在具有温度梯度的氟盐和氯盐体系中的腐蚀电位、腐蚀电偶、极化曲线以及电化学阻抗谱等电化学腐蚀特征。试验结束后调节密封组件4将电极提升至熔盐液面上方，关闭电炉，待熔盐冷却至室温后，取出电极，再对电化学腐蚀试样进行微观形貌及元素分析。

本发明的实施例1和实施例2所提供的熔盐温差腐蚀试验装置中，熔盐回路主体部分分别采用平行四边形和U型两种结构设计。其中平行四边形回路利用高温和低温试验段熔盐密度差和重力作用即可有效实现熔盐自然对流，同时利用CFD仿真模拟可获得已知温度下熔盐回路系统中熔盐流速。因此本发明的平行四边形回路装置不需要额外使用熔盐泵和监测熔盐流速的情况下即可实现熔盐流动并获取熔盐流速。利用本发明可开展具有温度梯度的动态熔盐体系中的腐蚀挂片试验，同时回路也可作为试验管道，在运行足够时间后，可以对管路分段切割取样，分析不同区域管路腐蚀情况。而U型回路设计更为简单，管路左右两侧可独立控温，利用两侧熔盐温度差导致活性金属离子浓度差而实现离子的迁移。且U型管上部设有电极密封组件4，便于电化学测量用电极的安装，可有效开展具有温度梯度的熔盐体系中腐蚀电化学研究。采用上述两种设计不仅能有效模拟材料服役的温差环境，而且具有结构简单，加工制造周期短，成本低等诸多优点。本发明的熔盐温差腐蚀试验装置还可满足高温600～800℃、温差20～200℃的熔盐体系中的腐蚀挂片和电化学腐蚀研究需求。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种熔盐温差腐蚀试验装置，其特征在于，其包括有：

一加热炉；

一试验管路；

一送气管路；

所述试验管路包括一第一恒温段、一第一恒温段延伸管路、一温度补偿段、一第二恒温段和一第二恒温段延伸管路，所述第一恒温段、所述温度补偿段和所述第二恒温段依次串联设置在所述加热炉中，所述第一恒温段延伸管路自所述第一恒温段延伸出所述加热炉，所述第二恒温段延伸管路自所述第二恒温段延伸出所述加热炉；

所述第一恒温段用于将熔盐维持在一第一温度，所述第二恒温段用于将熔盐维持在高于所述第一温度的一第二温度，所述温度补偿段用于将熔盐从所述第一温度加热至所述第二温度；

所述送气管路分别与所述第一恒温段延伸管路、所述第二恒温段延伸管路连接，所述送气管路分别为所述第一恒温段延伸管路和所述第二恒温段延伸管路输送惰性气体或对所述试验管路抽真空。

2.如权利要求1所述的熔盐温差腐蚀试验装置，其特征在于，所述试验管路还包括一冷却段，所述冷却段的一端连接于所述第一恒温段与所述第一恒温段延伸管路之间，所述冷却段的另一端连接于所述第二恒温段与所述第二恒温段延伸管路之间。

3.如权利要求2所述的熔盐温差腐蚀试验装置，其特征在于，所述第一恒温段、所述温度补偿段、所述第二恒温段、所述冷却段的首尾相连形成一平行四边形的熔盐回路，所述第一恒温段与所述第二恒温段平行，所述冷却段与所述温度补偿段平行。

4.如权利要求2所述的熔盐温差腐蚀试验装置，其特征在于，所述冷却段外围设置有一冷却通道，所述冷却通道中通入压缩空气或低温熔融盐，所述压缩空气或所述低温熔融盐冷却所述冷却段的外壁。

5.如权利要求1所述的熔盐温差腐蚀试验装置，其特征在于，所述第一恒温段、所述温度补偿段、所述第二恒温段串联形成一U型的熔盐回路，所述第一恒温段与所述第二恒温段平行。

6.如权利要求1所述的熔盐温差腐蚀试验装置，其特征在于，所述第一恒温段延伸管路上位于所述加热炉外的一端以及所述第二恒温段延伸管路上位于所述加热炉外的一端分别设有一密封法兰。

7.如权利要求6所述的熔盐温差腐蚀试验装置，其特征在于，每一所述密封法兰上还分别设有一密封组件，所述密封组件包括一主管路、一第一螺母、一第二螺母、一橡胶塞、一垫片，所述送气管路连接于所述主管路上，所述主管路的一端连接于所述密封法兰，所述主管路的另一端套有所述第一螺母，所述第一螺母外套有所述第二螺母，所述橡胶塞设置于所述第一螺母中用于密封所述主管路，所述垫片设置于所述第一螺母和所述第二螺母之间。

8.如权利要求1所述的熔盐温差腐蚀试验装置，其特征在于，所述第一恒温段、所述第二恒温段、所述温度补偿段的外部均设有一对加热元件。

9.如权利要求1所述的熔盐温差腐蚀试验装置，其特征在于，所述加热炉包括一第一炉体和一第二炉体，所述第一炉体和所述第二炉体通过铰链连接，所述试验管路设置于所述第一炉体和所述第二炉体之间。

10.如权利要求1所述的熔盐温差腐蚀试验装置，其特征在于，所述加热炉中填充有保温材料。