CN110261287B - 一种燃烧气氛下耐热材料抗热腐蚀性能评估装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃烧气氛下耐热材料抗热腐蚀性能评估装置及其方法，结构简单，设计合理，能够模拟真实气氛下各种条件的腐蚀情况；操作简便，结论精确。所述装置包括燃烧气氛模拟装置和换热模拟装置；所述的燃烧气氛模拟装置包括依次连接的燃烧器、炉膛和引风机；炉膛轴线呈竖直设置；所述的换热模拟装置包括同轴设置在炉膛内的空心圆管；空心圆管由若干不同耐热材料的扇形柱状试样通过母线焊接密封而成；空心圆管两端外侧分别与炉膛密封连接；空心圆管外部与炉膛内部形成的环形柱状空间，环形柱状空间的两端分别设置有伸出炉膛的入口段和出口段，环形柱状空间内通过入口段和出口段通入单向流动的换热介质。

Description

一种燃烧气氛下耐热材料抗热腐蚀性能评估装置及其方法

技术领域

本发明涉及耐热材料热腐蚀性能测试领域，具体为一种燃烧气氛下耐热材料抗热腐蚀性能评估装置及其方法。

背景技术

以固体燃料燃烧提供热能供应的工业设备均工作在高温、含灰气流的腐蚀性复杂环境之中，随着的电站锅炉向着更高蒸汽参数和更大容量的方向发展，锅炉炉膛截面热负荷和含尘气流的旋转动量流力矩不断增加，加重了炉膛结渣和热腐蚀倾向，特别是煤粉燃烧器区域由于燃烧工况不断变化，加之低氮氧化物燃烧技术的采用，使得燃烧器区域出现了十分复杂的腐蚀性气氛；另外，超临界发电机组的电站锅炉的主蒸汽温度已经从过去的543℃和566℃不断提高到630℃，使得高温过热器金属壁温处于650℃左右，进入气相和熔盐多相介质腐蚀的严重温度区间，近年来，超超临界电站锅炉频繁发生炉膛水冷壁和过热器的热腐蚀事故，直接威胁发电机组的长周期安全运行。

耐热材料热腐蚀机理及其腐蚀性动力学的研究一直受到密切关注，最直接的方法就是进行模拟气氛下耐热材料的热腐蚀试验。根据文献检索，目前没有发现固体燃料燃烧复杂腐蚀气氛下的热腐蚀试验设备，使得多数单一气氛下获得的腐蚀实验数据无法反映动力设备真实的腐蚀状况，不能指导工程实践。因此，迫切需要设计燃烧气氛下对耐热材料抗热腐蚀性能评估的装置。

对于抗热腐蚀性能的评估方法，过去一般的方法是对腐蚀前后的试样进行称重，得到试样的腐蚀增重，用单位时间内的腐蚀增重来表示热腐蚀速率，该方法无法直观地表示热腐蚀的进行情况；另一种方法是运用金相显微镜或扫描电镜等手段测量试样腐蚀后腐蚀层生成厚度，用单位时间内的腐蚀层生成厚度来表征热腐蚀速率，该方法只是从宏观的角度考虑腐蚀的程度，并不能准确的表征耐热材料实际热腐蚀速率。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种燃烧气氛下耐热材料抗热腐蚀性能评估装置及其方法，结构简单，设计合理，能够模拟真实气氛下各种条件的腐蚀情况；操作简便，结论精确。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种燃烧气氛下耐热材料抗热腐蚀性能评估装置，包括燃烧气氛模拟装置和换热模拟装置；

所述的燃烧气氛模拟装置包括依次连接的燃烧器、炉膛和引风机；炉膛轴线呈竖直设置；

所述的换热模拟装置包括同轴设置在炉膛内的空心圆管；空心圆管由若干不同耐热材料的扇形柱状试样通过母线焊接密封而成；空心圆管两端外侧分别与炉膛密封连接；空心圆管外部与炉膛内部形成的环形柱状空间，环形柱状空间的两端分别设置有伸出炉膛的入口段和出口段，环形柱状空间内通过入口段和出口段通入单向流动的换热介质。

优选的，入口段的伸出端连接风机或水泵，出口段对应的与外部环境或水箱连通。

优选的，扇形柱状试样焊接组成的空心圆管的两端外部通过金属橡胶密封圈密封固定在炉膛中。

优选的，入口段和出口段分别垂直伸出炉膛轴线设置。

优选的，所述空心圆管管壁埋有若干测温热电偶。

一种燃烧气氛下耐热材料抗热腐蚀性能评估方法，基于上述任意一项所述的装置，包括以下步骤：

步骤1，首先对热腐蚀试验的每个扇形柱状试样进行厚度测量并记录，将所有扇形柱状试样通过母线焊接密封连接后组成空心圆管；

步骤2，将空心圆管密封同轴设置于炉膛内，冷却介质由入口段引入，沿空心圆管与炉膛形成的环形柱状空间流动，最后由出口段排出；

步骤3，通过冷却介质流速来控制空心圆管的壁温，由燃烧器产生烟气并控制烟气温度，通过引风机控制烟气流速；根据实验要求实现不同温度不同流速下耐热材料试样在燃烧气氛下的抗热腐蚀模拟；设定时间后，将空心圆管取出拆下各试样进行厚度测量、切割、浇注、镶嵌和抛光处理；

步骤4，对腐蚀后的试样沿腐蚀层厚度方向进行能谱仪线扫描实验，得到熔盐与腐蚀层界面到Cr含量与基体一致界面处的垂直深度，即腐蚀退化深度，通过对腐蚀退化深度分析评估不同耐热材料试样的抗热腐蚀性能。

优选的，扇形柱状试样焊接组成的空心圆管的两端通过金属橡胶密封圈密封固定在炉膛中。

优选的，冷却介质采用空气，则冷却空气由风机引入，先后流经入口段、空心圆管与炉膛形成的环形柱状空间、以及出口段，最后直接排入环境大气中。

优选的，冷却介质采用水，则冷却水由水泵引入，先后流经入口段、空心圆管与炉膛形成的环形柱状空间、以及出口段，最后直接排入水箱中冷却后供水泵使用。

优选的，将空心圆管分别设置在烟道内的氧化性、还原性或氧化-还原交替气氛的对应位置处，实现对试样段不同气氛下的抗热腐蚀模拟。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明的一种燃烧气氛下耐热材料抗热腐蚀性能评估装置以空心圆管为主体，通过风机和测试位置来控制空心圆管壁温，通过燃烧器产生烟气并控制烟气温度，通过引风机控制烟气流速。可以实现不同温度不同流速下耐热材料试样的抗热腐蚀性能评估检测。

进一步的，空心圆管由若干不同耐热材料的扇形柱状试样通过焊接密封组成，空心圆管的两端通过金属橡胶密封圈密封固定在炉膛中，可以实现几个不同试样同时试验，易于更换，操作简单，且金属橡胶密封圈具有密封强度高、效果好、可重复使用等优点，适用于固体燃料燃烧气氛下的高温烟气环境，结构简单，便于安装和拆卸。

本发明的一种燃烧气氛下耐热材料抗热腐蚀性能评估方法，对腐蚀后的耐热材料试样进行沿腐蚀层厚度方向的断面进行能谱仪(EDS)线扫描实验，分析试样腐蚀层与基体之间的贫Cr区，得到熔盐与腐蚀层界面Cr含量与基体一致界面处的垂直深度，进而提出腐蚀退化深度的概念以评估耐热材料抗热腐蚀性能，从而实现通过对腐蚀退化深度分析评估不同耐热材料试样的抗热腐蚀性能。

进一步的，本发明在固体燃料燃烧气氛下进行试验，填补了耐热材料在固体燃料燃烧气氛下抗热腐蚀性能研究的空缺。

附图说明

图1是本发明实例中所述评估装置的结构示意图。

图2为图1之中试样段的结构放大俯视图。

图3是试样基体、腐蚀层和贫Cr区的位置关系以及腐蚀退化深度示意图。

其中：1-空心圆管，2-金属橡胶密封圈，3-炉膛，4-燃烧器，5-螺旋式给粉机，6-入口段，7-风机，8-测温热电偶，9-引风机，10-出口段。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明所述的装置的主体为一根空心圆管1，通过金属橡胶密封圈2纵向固定在炉膛3中；若干不同耐热材料的扇形柱状试样通过焊接密封组成空心圆管1；固体燃料燃烧后的高温烟气通过空气冷却的空心圆管壁，一段时间后对试样段进行取样分析；对试样断面进行能谱仪线扫描，通过腐蚀退化深度评估试样抗热腐蚀性能。本发明解决了燃烧气氛下高温烟气侧耐热材料抗热腐蚀性能检测的根本问题，促进了发电设备高温烟气侧探测腐蚀技术的发展。

具体的，如图1所示，本发明一种燃烧气氛下耐热材料抗热腐蚀性能评估装置，包括一根空心圆管1作为装置的主体；所述空心圆管1由若干不同耐热材料的扇形柱状试样通过焊接密封而成，通过金属橡胶密封圈2置于炉膛3内，入口段6和出口段10分别垂直伸出炉膛3设置；冷却介质采用空气，则冷却空气由风机7引入，先后流经入口段6、空心圆管1与炉膛3形成的环形柱状空间、出口段10，最后直接排入环境大气中；如图2所示，所述空心圆管1由若干不同耐热材料的扇形柱状试样通过焊接密封组成，管壁上埋有测温热电偶8，能够设置在不同扇形柱状试样之间，也可以分别设置在每个扇形柱状试样上，或者是至少设置在一个扇形柱状试样上；所述空心圆管1通过金属橡胶密封圈2置于炉膛3内；所述空心圆管1竖直放置，与烟气流动方向平行。

如图1所示，所述燃烧气氛由以下装置实现：螺旋式给粉机5供给煤粉、生物质颗粒等燃料，进入燃烧器4中燃烧，产生高温烟气流经炉膛3，动力循环由引风机9提供。由燃烧器4获得高温烟气，由引风机9控制高温烟气流速。

一种燃烧气氛下耐热材料抗热腐蚀性能评估方法，包括以下步骤：

步骤1，首先对热腐蚀试验的每个试样进行厚度测量并记录，将所有试样通过焊接密封连接后组成空心圆管1；

步骤2，将空心圆管1通过金属橡胶密封圈2置于炉膛3内，冷却介质由入口段6引入，沿空心圆管1与炉膛3形成的环形柱状空间流动，最后由出口段10排出；

步骤3，通过冷却介质流速来控制空心圆管1的壁温，由燃烧器4产生烟气并控制烟气温度，通过引风机9控制烟气流速；根据实验要求实现不同温度不同流速下耐热材料试样在燃烧气氛下的抗热腐蚀模拟；设定时间后，将空心圆管1取出拆下各试样进行厚度测量、切割、浇注、镶嵌和抛光处理；

步骤4，对腐蚀后的试样沿腐蚀层厚度方向进行能谱仪线扫描实验，得到熔盐与腐蚀层界面到Cr含量与基体一致界面处的垂直深度，即腐蚀退化深度，通过对腐蚀退化深度分析评估不同耐热材料试样的抗热腐蚀性能。

本优选实例中所得到的试样经上述处理后的结果如图3所示，对试样基体、腐蚀层和贫Cr区的位置关系以及腐蚀退化深度进行示意，试样经过高温烟气腐蚀后，最外层是腐蚀层的熔盐层，接着是氧化物层和硫化物层，中间层为贫Cr区，内层为基体部分。腐蚀层疏松多孔，容易剥落，如图3中虚线所示；贫Cr区Cr元素匮乏，腐蚀退化深度为熔盐与腐蚀层界面到Cr含量与基体一致界面处的垂直深度。

Claims (9)

1.一种燃烧气氛下耐热材料抗热腐蚀性能评估装置，其特征在于，包括燃烧气氛模拟装置和换热模拟装置；

所述的燃烧气氛模拟装置包括依次连接的燃烧器(4)、炉膛(3)和引风机(9)；炉膛(3)轴线呈竖直设置；

所述的换热模拟装置包括同轴设置在炉膛(3)内的空心圆管(1)；空心圆管(1)由若干不同耐热材料的扇形柱状试样通过母线焊接密封而成；空心圆管(1)两端外侧分别与炉膛(3)密封连接；空心圆管(1)外部与炉膛(3)内部形成的环形柱状空间，环形柱状空间的两端分别设置有伸出炉膛(3)的入口段(6)和出口段(10)，环形柱状空间内通过入口段(6)和出口段(10)通入单向流动的换热介质；空心圆管(1)竖直放置，与烟气流动方向平行；

扇形柱状试样焊接组成的空心圆管(1)的两端外部通过金属橡胶密封圈(2)密封固定在炉膛(3)中，实现不同试样同时试验。

2.根据权利要求1所述的一种燃烧气氛下耐热材料抗热腐蚀性能评估装置，其特征在于，入口段(6)的伸出端连接风机(7)或水泵，出口段(10)对应的与外部环境或水箱连通。

3.根据权利要求1所述的一种燃烧气氛下耐热材料抗热腐蚀性能评估装置，其特征在于：入口段(6)和出口段(10)分别垂直伸出炉膛(3)轴线设置。

4.根据权利要求1所述的一种燃烧气氛下耐热材料抗热腐蚀性能评估装置，其特征在于，所述空心圆管(1)管壁埋有若干测温热电偶(8)。

5.一种燃烧气氛下耐热材料抗热腐蚀性能评估方法，其特征在于，基于权利要求1-4任意一项所述的装置，包括以下步骤：

步骤1，首先对热腐蚀试验的每个扇形柱状试样进行厚度测量并记录，将所有扇形柱状试样通过母线焊接密封连接后组成空心圆管(1)；

步骤2，将空心圆管(1)密封同轴设置于炉膛(3)内，冷却介质由入口段(6)引入，沿空心圆管(1)与炉膛(3)形成的环形柱状空间流动，最后由出口段(10)排出；

步骤3，通过冷却介质流速来控制空心圆管(1)的壁温，由燃烧器(4)产生烟气并控制烟气温度，通过引风机(9)控制烟气流速；根据实验要求实现不同温度不同流速下耐热材料试样在燃烧气氛下的抗热腐蚀模拟；设定时间后，将空心圆管(1)取出拆下各试样进行厚度测量、切割、浇注、镶嵌和抛光处理；

步骤4，对腐蚀后的试样沿腐蚀层厚度方向进行能谱仪线扫描实验，得到熔盐与腐蚀层界面到Cr含量与基体一致界面处的垂直深度，即腐蚀退化深度，通过对腐蚀退化深度分析评估不同耐热材料试样的抗热腐蚀性能。

6.根据权利要求5所述的一种燃烧气氛下耐热材料抗热腐蚀性能评估方法，其特征在于，扇形柱状试样焊接组成的空心圆管(1)的两端通过金属橡胶密封圈(2)密封固定在炉膛(3)中。

7.根据权利要求5所述的一种燃烧气氛下耐热材料抗热腐蚀性能评估方法，其特征在于，冷却介质采用空气，则冷却空气由风机(7)引入，先后流经入口段(6)、空心圆管(1)与炉膛(3)形成的环形柱状空间、以及出口段(10)，最后直接排入环境大气中。

8.根据权利要求5所述的一种燃烧气氛下耐热材料抗热腐蚀性能评估方法，其特征在于，冷却介质采用水，则冷却水由水泵引入，先后流经入口段(6)、空心圆管(1)与炉膛(3)形成的环形柱状空间、以及出口段(10)，最后直接排入水箱中冷却后供水泵使用。

9.根据权利要求5所述的一种燃烧气氛下耐热材料抗热腐蚀性能评估方法，其特征在于：将空心圆管(1)分别设置在烟道(14)内的氧化性、还原性或氧化-还原交替气氛的对应位置处，实现对试样段不同气氛下的抗热腐蚀模拟。

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