CN109030331B - 一种高温流动水蒸汽腐蚀环境箱及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属材料结构材料服役行为研究领域，尤其涉及一种高温流动水蒸汽腐蚀环境箱，该高温流动水蒸汽腐蚀环境箱在电阻丝加热炉内配置流动水蒸汽腐蚀环境釜，以及与之匹配的水蒸汽发生装置、水蒸汽再热器和水蒸汽加速系统，利用水蒸汽发生装置和水蒸汽再热器，生成预设温度和氢氧等气体含量的过热水蒸汽，过热水蒸汽进入环境釜后采用拉瓦尔喷管加速原理，在试验区形成高速流动水蒸汽环境，实现该环境下金属结构材料的腐蚀或力学性能测试分析。该高温流动水蒸汽腐蚀环境箱设计原理简单，方法简便易行，在金属材料腐蚀或力学性能测试等领域容易实现，可以实现工业化生产。
Description
技术领域
本发明属于金属结构材料服役行为研究领域，尤其涉及一种高温流动水蒸汽腐蚀环境箱及其测试方法。
背景技术
水电、核电、石油化工等领域汽水传输过程中，当蒸汽过热温度超过450℃时，蒸汽与其接触的碳钢等结构材料会发生反应，生成Fe的氧化物，使结构管壁减薄。汽水腐蚀是汽水传输系统中管道、阀门、压力容器等部件材料的主要腐蚀过程，属于均匀腐蚀，一般不很强烈。但是，当汽水腐蚀生成的氧化皮生长到一定厚度，在流动水蒸汽的冲刷或冷热交替的情况下，外层会发生剥落，并堆积在管道、阀门或压力容器的弯曲部位，阻塞了蒸汽回路，极易发生因过热而引起的喷泄事故，造成严重的伤亡。多年以来，水蒸汽流动加速腐蚀已经导致了多起电厂管道以及热力发电设备的失效，设计并研发高温流动水蒸汽环境模拟系统，开展汽水传输系统用结构材料近服役条件下实验室加速试验，进行其高温流动水蒸汽环境中的腐蚀、力学等性能测试分析，开展材料腐蚀行为、高温流动水蒸汽加速腐蚀研究机理及其抑制方法研究，对于我国超（超）临界机组的发展具有重要的意义。
发明内容
本发明提出一种高温流动水蒸汽腐蚀环境箱，该环境箱在传统的电阻丝加热炉内配置高温流动水蒸汽腐蚀环境釜，以及与之匹配的水蒸汽发生装置、水蒸汽再热器和水蒸汽加速系统，利用水蒸汽发生装置和水蒸汽再热器，生成预设氢氧等气体含量的过热水蒸汽，过热水蒸汽进入环境釜后采用拉瓦尔喷管加速原理，在试验区形成高速流动水蒸汽环境，实现材料高温流动水蒸汽环境下的腐蚀或力学性能测试分析。
本发明的技术方案是：一种高温流动水蒸汽腐蚀环境箱，该高温流动水蒸汽腐蚀环境箱包括：高温加热炉、腐蚀环境釜、样品夹持机构和流动水蒸汽模拟系统；
所述高温加热炉用于对所述腐蚀环境釜加热，所述高温加热炉为筒式结构，所述高温加热炉设置在所述腐蚀环境釜的外侧；
所述腐蚀环境釜作为环境模拟实验单元，用于提供材料高温流动水蒸汽腐蚀环境性能测试所需的实验空间，环境釜内安装所述样品夹持机构和所述流动水蒸汽模拟系统中的水蒸汽加速单元，所述腐蚀环境釜为筒式结构；
所述样品夹持机构用于固定测试样品；
所述流动水蒸汽模拟系统用于形成腐蚀釜内测试样品（4）所在实验区的高温流动水蒸汽环境。
进一步，所述样品夹持机构采用五段式挂钩设计，所述样品夹持机构包括上夹具、上夹具过渡段、下夹具过渡段、下夹具和波纹管；
其中，所述上夹具穿过所述腐蚀环境釜上端盖法兰延伸到所述腐蚀环境釜外部，通过所述波纹管实现动态密封，所述上夹具过渡段以挂钩式连接在所述上夹具的下端，所述下夹具穿过所述腐蚀环境釜下端盖法兰端的延伸到所述腐蚀环境釜外部，通过所述下端盖法兰实现静态密封，所述下夹具过渡段以挂钩式连接在所述下夹具的上端，测试样品采用挂钩式连接在所述上夹具过渡段、下夹具过渡段之间。
进一步，所述流动水蒸汽模拟系统包括水蒸汽发生单元和水蒸汽加速单元；
其中，所述水蒸汽发生单元由水蒸汽发生装置，水蒸汽再加热器构成，水蒸汽加速单元由拉瓦尔喷管、扩散器、真空机组构成；
所述水蒸汽发生装置通过管道与所述过热水蒸汽接口连接，所述过热水蒸汽接口另一端与所述水蒸汽管道的一端连接，所述水蒸汽管道一部分位于所述腐蚀环境釜外部，另一部分通过水蒸汽管道下法兰接口进入腐蚀环境釜内部并与所述拉瓦尔喷管进气口连接；
所述水蒸汽再加热器套接在所述水蒸汽管道腐蚀环境釜外部分的外侧壁上；
所述扩散器出气口通过所述真空管道与所述真空机组连接，所述真空管道通过真空管道下法兰接口穿出腐蚀环境釜；
所述拉瓦尔喷管和扩散器分别位于所述测试样品的两侧，在所述拉瓦尔喷管与所述扩散器之间形成测试空间。
进一步，所述水蒸汽发生装置包括水箱、氧气氢气气源和水蒸汽发生器构成，氧气氢气气源通过管道与水箱连接，管道上设计有减压阀、电磁阀和手动微调阀，上述阀门与水箱上内置的水溶氢和水溶氧检测仪配合，调节高温水蒸汽中的氢、氧含量。水箱经过蠕动泵与水蒸汽发生器入口连接，以流速为0-2000Am3/h向水蒸汽发生器中输送一定氢氧含量≤10ppb的常温纯净水，常温纯净水经水蒸汽发生器生产出过热水蒸汽，过热水蒸汽经水蒸汽发生器出口以管道形式与过热水蒸汽接口连接。
进一步，所述高温加热炉采用三段式电阻丝加热方式，加热温度为100-750℃。
本发明的另一目的是提供一种采用上述的高温流动水蒸汽腐蚀环境箱的测试方法，该方法具体包括以下步骤：
首先，先按照测试样品尺寸、测试环境需求，进行拉瓦尔喷管和扩散器设计加工，按照装配顺序完成高温流动水蒸汽腐蚀环境各个部件的安装以及使用前的功能检测；
其次，开启高温加热炉，设定试验温度为目标温度，开启水蒸汽发生装置，调节水箱中的氢、氧含量到目标值；
再次，待测试样品温度到达目标温度后，打开水蒸汽再热器，并设定目标温度，随后开启过热水蒸汽接口阀门及真空机组，将过热水蒸汽通入过热水汽蒸汽管道，经水蒸汽发生器生产出过热水蒸汽并经拉瓦尔喷管加速后在样品处形成高速流动水蒸汽环境，完成测试样品高温流动水蒸汽环境下的测试分析。
本发明的有益效果是：由于采用上述技术方案是，本发明采用拉瓦尔喷管加速原理，通过高温加热炉、水蒸汽发生装置、水蒸汽再加热器的配合，以及拉瓦尔喷管和扩散器的设计，可在试验区形成预设温度、氢氧含量和流动速度的水蒸汽腐蚀环境，实现火电、核电等领域高温结服役环境的模拟，完成上述结构材料高温流动水蒸汽服役环境下的腐蚀及力学行为研究。
附图说明
图1 为本发明一种高温流动水蒸汽腐蚀环境箱的结构示意图。
图2为本发明中的水蒸汽发生器的结构示意图。
图中：
1.高温加热炉，2.腐蚀环境釜，31.上夹具，32.上夹具过渡段，33.下夹具过渡段，34.下夹具，35.上端盖法兰，36.波纹管，37.下端盖法兰，4.测试样品，51.水蒸汽发生器，52.过热水蒸汽接口，53.水蒸汽再热器，54.过热水蒸汽管道下法兰接口，55.过热水蒸汽管道，56.拉瓦尔喷管，57.扩散器，58.真空管道，59.真空管道下法兰接口，60.真空机组。
具体实施方式
下面结合具体实施对本发明的技术方案做经一步说明。
如图1-2所示，本发明一种高温流动水蒸汽腐蚀环境箱，该高温流动水蒸汽腐蚀环境箱包括：高温加热炉、腐蚀环境釜、样品夹持机构和流动水蒸汽模拟系统；
所述高温加热炉用于对所述腐蚀环境釜加热，所述高温加热炉为筒式结构，所述高温加热炉设置在所述腐蚀环境釜的外侧；
所述腐蚀环境釜作为环境模拟实验单元，用于提供材料高温流动水蒸汽腐蚀环境性能测试所需的实验空间，环境釜内安装所述样品夹持机构和所述流动水蒸汽模拟系统中的水蒸汽加速单元，所述腐蚀环境釜为筒式结构；
所述样品夹持机构用于固定测试样品；
所述流动水蒸汽模拟系统用于形成腐蚀釜内测试样品4所在实验区的高温流动水蒸汽环境。
进一步，所述样品夹持机构采用五段式挂钩设计，所述样品夹持机构包括上夹具、上夹具过渡段、下夹具过渡段、下夹具和波纹管；
其中，所述上夹具穿过所述腐蚀环境釜上端盖法兰延伸到所述腐蚀环境釜外部，通过所述波纹管实现动态密封，所述上夹具过渡段以挂钩式连接在所述上夹具的末端，所述下夹具穿过所述腐蚀环境釜下端盖法兰延伸到所述腐蚀环境釜外部，通过所述下端盖法兰实现静态密封，所述下夹具过渡段以挂钩式连接在所述下夹具的末端，测试样品以挂钩式连接在在所述上夹具过渡段、下夹具过渡段之间。
进一步，所述流动水蒸汽模拟系统包括水蒸汽发生单元和水蒸汽加速单元；
其中，所述水蒸汽发生单元由水蒸汽发生装置51，水蒸汽再加热器53构成，水蒸汽加速单元由拉瓦尔喷管56、扩散器57、真空机组60构成；
所述水蒸汽发生装置51通过管道与所述过热水蒸汽接口52连接，所述过热水蒸汽接口52另一端与所述水蒸汽管道55的一端连接，所述水蒸汽管道55一部分位于所述腐蚀环境釜2外部，另一部分通过水蒸汽管道下法兰接口54进入腐蚀环境釜2内部并与所述拉瓦尔喷管进气口56连接；
所述水蒸汽再加热器53套接在所述水蒸汽管道55腐蚀环境釜55外部分的外侧壁上；
所述扩散器57出气口通过所述真空管道58与所述真空机组60连接，所述真空管道58通过真空管道下法兰接口59穿出腐蚀环境釜；
所述拉瓦尔喷管56和扩散器57分别位于所述测试样品4的两侧，在所述拉瓦尔喷管56与所述扩散器57之间形成的测试空间。
所述流动水蒸汽模拟系统所能提供的蒸汽范围（Ф5-100）mm×（10-100）mm圆柱形空间，蒸汽流速0-2马赫，蒸汽温度500-700℃，相应的所述拉瓦尔喷管56喷嘴直径设计范围为Ф5-100mm，所述拉瓦尔喷管56长度设计范围为10-500mm。
进一步，所述水蒸汽发生装置包括水箱、氧气氢气气源和水蒸汽发生器构成，氧气氢气气源通过管道与水箱连接，管道上设计有减压阀、电磁阀和手动微调阀，上述阀门与水箱上内置的水溶氢和水溶氧检测仪配合，调节高温水蒸汽中的氢、氧含量。水箱经过蠕动泵与水蒸汽发生器入口连接，以流速为0-2000Am3/h向水蒸汽发生器中输送一定氢氧含量≤10ppb的常温纯净水，常温纯净水经水蒸汽发生器生产出过热水蒸汽，过热水蒸汽经水蒸汽发生器出口以管道形式与过热水蒸汽接口连接。
进一步，所述高温加热炉采用三段式电阻丝加热方式，加热温度为100-750℃。
本发明的另一目的是提供一种采用上述的高温流动水蒸汽腐蚀环境箱的测试方法，该方法具体包括以下步骤：
首先，先按照测试样品尺寸、测试环境需求，进行拉瓦尔喷管和扩散器设计加工，按照装配顺序完成高温流动水蒸汽腐蚀环境各个部件的安装以及使用前的功能检测；
其次，开启高温加热炉，设定试验温度为目标温度，开启水蒸汽发生装置，调节水箱中的氢、氧含量到目标值；
再次，待测试样品温度到达目标温度后，打开水蒸汽再热器，并设定目标温度，随后开启过热水蒸汽接口阀门及真空机组，将过热水蒸汽通入过热水汽蒸汽管道，经水蒸汽发生器生产出过热水蒸汽并经拉瓦尔喷管加速后在样品处形成高速流动水蒸汽环境，完成测试样品高温流动水蒸汽环境下的测试分析。
本发明主要针对金属材料高温流动水蒸汽环境下腐蚀、力学行为研究，其详细设计及结构体现如下：
1）高温流动水蒸汽腐蚀环境箱包括：高温加热炉，腐蚀环境釜，样品夹持机构，流动水蒸汽模拟系统，其中流动水蒸汽模拟系统为环境箱核心部分。
2）高温加热炉1为筒式结构，采用三段式电阻丝加热方式。
3）腐蚀环境釜2为筒式结构，环境釜上下端盖为样品夹持机构中上夹具31和下夹具34出入通道。
3）样品夹持机构采用五段式挂钩设计，在上夹具31、下夹具34和测试样品4之间设计上夹具过渡段32和下夹具过渡段33，测试样品4采用挂钩式连接在上夹具过渡段32和下夹具过渡段33之间。上夹具31穿过环境釜上端盖法兰35与环境釜2以波纹管36动态密封，下夹具34穿过环境釜下端盖法兰37与环境釜2静态密封。
4）需要时，上夹具31与下夹具34可在腐蚀环境釜外与力学性能试验机的上下拉杆连接，完成测试样品高温流动水蒸汽环境下力学性能测试分析。
5）水蒸汽发生装置51，过热水蒸汽接口52，水蒸汽再加热器53，水蒸汽管道下法兰接口54、水蒸汽管道55、拉瓦尔喷管56、扩散器57、真空管道58、真空管道下法兰接口59、真空机组60构成流动水蒸汽模拟系统。
7）水蒸汽发生装置51由水箱、氧气氢气气源和水蒸汽发生器构成，氧气氢气气源通过管道与水箱连接，管道上设计有减压阀、电磁阀和手动微调阀，上述阀门与水箱上内置的水溶氢和水溶氧检测仪配合，调节高温水蒸汽中的氢、氧含量。水箱经过蠕动泵与水蒸汽发生器入口连接，以一定速度向水蒸汽发生器中输送一定氢氧含量的常温纯净水，常温纯净水经水蒸汽发生器生产出过热水蒸汽，过热水蒸汽经水蒸汽发生器出口以管道形式与过热水蒸汽接口52连接。
8）为保证过热水蒸汽进入环境箱前的温度，水蒸汽接口52后端配备有水蒸汽再加热器53。
9）拉瓦尔喷管56、扩散器57、真空机组60构成过热水蒸气加速系统。真空机组在拉瓦尔喷管56和扩散器57之间形成压差，在该压差的作用下，过热水蒸汽经再加热器53加热到预设温度，进入过热水蒸汽管道55，经拉瓦尔喷管56加速，在样品4处形成流动水蒸汽环境。
10）过热水蒸汽管道55经下法兰接口54进入腐蚀环境釜，并与下法兰密封连接。
11）真空管道57经下法兰接口59进入腐蚀环境釜，并与下法兰密封连接。
试验过程中，先按照装配顺序完成高温流动水蒸汽腐蚀环境各个部件的安装以及使用前的功能检测。安装检测完成后，开启高温加热炉，设定试验温度为目标温度；开启水蒸汽发生装置，调节水箱中的氢、氧含量到目标值；待测试样品温度到达目标温度后，打开水蒸汽再热器，并设定目标温度，随后开启过热水蒸汽接口阀门及真空机组，将过热水蒸汽通入过热水汽蒸汽管道，并经拉瓦尔喷管加速后在样品处形成高速流动水蒸汽环境，完成测试样品高温流动水蒸汽环境下的腐蚀、力学等性能测试分析。
Claims (3)
1.一种高温流动水蒸汽腐蚀环境箱，其特征在于，所述高温流动水蒸汽腐蚀环境箱用于火电、核电、石油化工领域金属结构材料在高温流动水蒸汽环境下的腐蚀及力学行为研究；
该高温流动水蒸汽腐蚀环境箱具体包括：高温加热炉（1）、腐蚀环境釜（2）、样品夹持机构和流动水蒸汽模拟系统；
所述高温加热炉（1）用于对所述腐蚀环境釜（2）加热，所述高温加热炉（1）为筒式结构，所述高温加热炉（1）设置在所述腐蚀环境釜（2）的外侧；
所述腐蚀环境釜（2）作为环境模拟实验单元，用于提供材料高温流动水蒸汽腐蚀环境性能测试所需的实验空间，腐蚀环境釜（2）内安装所述样品夹持机构和所述流动水蒸汽模拟系统中的水蒸汽加速单元，所述腐蚀环境釜（2）为筒式结构；
所述样品夹持机构用于固定测试样品（4）；
所述流动水蒸汽模拟系统用于形成腐蚀环境釜内测试样品（4）所在实验区的高温流动水蒸汽环境；
所述样品夹持机构采用五段式挂钩设计，所述样品夹持机构包括上夹具（31）、上夹具过渡段（32）、下夹具过渡段（33）、下夹具（34）和波纹管；
其中，所述上夹具（31）穿过所述腐蚀环境釜（2）上端盖法兰（35）延伸到所述腐蚀环境釜（2）外部，通过所述波纹管（36）实现动态密封，所述上夹具过渡段（32）以挂钩式连接在所述上夹具（31）的下端，所述下夹具（34）穿过所述腐蚀环境釜（2）下端盖法兰（35）延伸到所述腐蚀环境釜（2）外部，通过下端盖法兰（35）实现静态密封，所述下夹具过渡段（33）以挂钩式连接在所述下夹具（34）的上端，所述测试样品（4）以挂钩式连接在所述上夹具过渡段（32）、下夹具过渡段（33）之间；所述流动水蒸汽模拟系统包括水蒸汽发生单元和水蒸汽加速单元；
其中，所述水蒸汽发生单元由水蒸汽发生装置（51），水蒸汽再加热器（53）构成，水蒸汽加速单元由拉瓦尔喷管（56）、扩散器（57）、真空机组（60）构成；
所述水蒸汽发生装置（51）通过管道与过热水蒸汽接口（52）连接，所述过热水蒸汽接口（52）另一端与水蒸汽管道（55）的一端连接，所述水蒸汽管道（55）一部分位于所述腐蚀环境釜（2）外部，另一部分通过水蒸汽管道下法兰接口（54）进入腐蚀环境釜（2）内部并与所述拉瓦尔喷管（56）的进气口连接；
所述水蒸汽再加热器（53）套接在所述水蒸汽管道（55）在腐蚀环境釜（2）外部分的外侧壁上；所述扩散器（57）出气口通过真空管道（58）与所述真空机组（60）连接，所述真空管道（58）通过真空管道下法兰接口（59）穿出腐蚀环境釜；
所述拉瓦尔喷管（56）和扩散器（57）分别位于所述测试样品（4）的两侧，在所述拉瓦尔喷管（56）与所述扩散器（57）之间形成测试空间；
所述水蒸汽发生装置（51）包括水箱、氧气气源、氢气气源和水蒸汽发生器构成，所述氧气气源和氢气气源通过管道与水箱连接，管道上依次设有减压阀、电磁阀和手动微调阀，减压阀、电磁阀和手动微调阀与水箱上内置的水溶氢和水溶氧检测仪配合，调节水蒸汽中的氢、氧含量，水箱经过蠕动泵与水蒸汽发生器入口连接，以流速 0-2000Am3/h 向水蒸汽发生器中输送氢氧含量≤10ppb 的常温纯净水，常温纯净水经水蒸汽发生器生产出过热水蒸汽，水蒸汽发生器出口以管道形式与过热水蒸汽接口（52）连接；所述流动水蒸汽模拟系统所能提供的蒸汽范围为（Ф5-100）mm×（10-100）mm圆柱形空间，水蒸汽流速为0-2马赫，水蒸汽温度为500-700℃，所述拉瓦尔喷管（56）喷嘴直径设计范围为Ф5-100mm，所述拉瓦尔喷管（56）长度设计范围为10-500mm。
2.根据权利要求 1 所述的高温流动水蒸汽腐蚀环境箱，其特征在于，所述高温加热炉（1）采用三段式电阻丝加热方式，加热温度为 100-750℃。
3.一种采用如权利要求 1-2 任意一项所述的高温流动水蒸汽腐蚀环境箱的测试方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
首先，先按照测试样品尺寸、测试环境需求，进行拉瓦尔喷管和扩散器设计加工，按照装配顺序完成高温流动水蒸汽腐蚀环境各个部件的安装以及使用前的功能检测；
其次，开启高温加热炉，设定试验温度为目标温度，开启水蒸汽发生装置，调节水箱中的氢、氧含量到目标值；
再次，待测试样品温度到达目标温度后，打开水蒸汽再加热器，并设定目标温度，随后开启过热水蒸汽接口阀门及真空机组，经水蒸汽发生器生产出过热水蒸汽并经拉瓦尔喷管加速后在样品处形成高速流动水蒸汽环境，完成测试样品高温流动水蒸汽环境下的测试分析。
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