CN113049483B - 一种适用于非恒温流动介质环境中材料腐蚀研究的实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于非恒温流动介质环境中材料腐蚀研究的实验装置，其包括回形循环管道，加热段和冷却段彼此间隔开地设置，第一过渡段和第二过渡段被设置在加热段和冷却段之间并连接加热段和冷却段；实验装置还包括外围的控温系统，其分别控制加热段、第一过渡段的温度以驱动回形循环管道中的液态介质在温差下进行自然循环流动。本发明还涉及一种适用于非恒温流动介质环境中材料腐蚀研究的实验方法，其包括提供上述的实验装置；向实验装置中添加介质；通过控温系统调节回形循环管道的温差以驱动介质形成循环回路。根据本发明的实验装置及方法，可以实现高温、非恒温、流动介质环境以及在这个环境中开展腐蚀研究。

Description

一种适用于非恒温流动介质环境中材料腐蚀研究的实验装置 及方法

技术领域

本发明涉及材料腐蚀，更具体地涉及一种适用于非恒温流动介质环境中材料腐蚀研究的实验装置及方法。

背景技术

腐蚀是影响系统安全、新材料应用、核心技术发展的关键因素。在熔盐堆、聚变堆、熔盐储能太阳能发电等能源系统中采用高温氟化物、氯化物、硝酸盐、碳酸盐等高温熔盐作为燃料或/和冷却剂；在钠冷快堆与铅冷快堆中分别采用液态钠、铅或铅/铋等低熔点液态金属作为冷却剂；在水堆中采用水作为慢化剂和冷却剂。高温熔盐(氟化物、氯化物、碳酸盐、硝酸盐等)、液态金属(钠、铅、铋)、高温水等具有一定的腐蚀性。材料在高温熔盐、液态金属、高温水中发生腐蚀是影响反应堆和熔盐储能太阳能发电系统安全和使用寿命的关键因素。因此国内外研究了材料在高温熔盐、液态金属、高温水等高温液态介质中的腐蚀。这些研究主要是采用了静态腐蚀的方法。这种方法主要是在实验坩埚中将金属试样浸泡在固态盐/金属中，将坩埚焊接密封，然后再放置在设定腐蚀温度的高温炉中。固态盐/金属在高温熔化形成熔盐/液态金属，金属试样在熔盐/液态金属浸泡一定的腐蚀时间后，再将坩埚从高温炉中取出，待坩埚冷却后切割坩埚并取出金属试样，再评估金属材料的腐蚀。这种静态腐蚀的方法只能定性研究金属材料在单一恒定温度的熔盐/液态金属中的腐蚀，可以用于材料筛选、腐蚀形态研究、腐蚀影响因素研究等。

熔盐堆、聚变堆、快堆、熔盐储能太阳能发电等能源系统都属于高温、非恒温、流动熔盐体系。金属材料在高温熔盐/液态金属中的腐蚀与温度有关，温度越高腐蚀速率越快。静态腐蚀只能研究材料在单一恒定温度下的腐蚀。相关研究表明，在单一恒定温度下，材料腐蚀反应最终会达到平衡，因此材料在单一温度下的腐蚀也会趋于稳态。在流动熔盐/液态金属体系中较热位置和较冷位置的腐蚀反应速率、腐蚀产物浓度、元素扩散速率不同，在热端产生的腐蚀产物向冷端迁移并在冷端沉积或向冷端材料内部扩散。因此非恒温体系的腐蚀反应比单一温度下的腐蚀反应复杂，需要较长时间才能趋于稳态。显然，已知的静态腐蚀介质环境下的单一恒定温度下的静态腐蚀的方法无法实现非恒温和流动熔盐的实验环境，无法用于金属材料在非恒温、流动熔盐体系下的腐蚀研究/评估，即无法科学、可靠的预测在反应堆和熔盐储能太阳能发电等能源系统中的腐蚀。

发明内容

为了解决上述现有技术中的静态腐蚀无法满足要求的问题，本发明提供一种适用于非恒温流动介质环境中材料腐蚀研究的实验装置及方法，其针对熔盐堆、聚变堆、液态金属快堆、水堆、高温熔盐储能太阳能光热发电等能源系统中温度差异对材料腐蚀的影响，基于动态熔盐来模拟能源系统中液态介质流动环境、温度差异的特性，解决材料在高温流动液态介质环境中腐蚀研究方法的难题。

根据本发明的适用于非恒温流动介质环境中材料腐蚀研究的实验装置，其包括由依次连通的加热段、第一过渡段、冷却段和第二过渡段组成的回形循环管道，加热段和冷却段彼此间隔开地设置，第一过渡段和第二过渡段被设置在加热段和冷却段之间并连接加热段和冷却段；实验装置还包括外围的控温系统，其分别控制加热段和第一过渡段的温度以驱动回形循环管道中的介质在温差下进行自然循环流动。

优选地，实验装置还包括与回形循环管道连通的罐体，罐体的顶端通过法兰与外界连通，金属丝固定连接在法兰上，罐体的底端与加热段和/或冷却段连通，待腐蚀样品悬挂在金属丝上并浸入加热段和/或冷却段的介质中进行腐蚀实验。特别地，多个待腐蚀样品彼此间隔开地悬挂在金属丝上。

优选地，控温系统通过至少两个温度点分别对加热段、第一过渡段、冷却段和第二过渡段进行加热和控温。

根据本发明——适用于非恒温流动介质环境中材料腐蚀研究的实验方法，其包括以下步骤：S1，提供上述的实验装置；S2，向实验装置中添加介质；S3，通过控温系统调节回形循环管道的温差以驱动介质从加热段经过第一过渡段、冷却段和第二过渡段后流回加热段以自然流动形成循环回路。

优选地，在所述步骤S2中，在向实验装置中添加介质之前，先将回形循环管道加热至高于介质熔点的温度。

优选地，加热段包括第一温度点T1、第二温度点T2和第三温度点T3，第一过渡段包括第四温度点T4和第五温度点T5，冷却段包括第六温度点T6和第七温度点T7，第二过渡段包括第八温度点T8和第九温度点T9，在所述步骤S3中，T8≤T9≤T1≤T2≤T3>T4>T5>T6>T7。

优选地，在所述步骤S3中，回形循环管道的温差介于0-300℃之间。特别地，回形循环管道的最高温度取决于管道材料使用的最高温度，例如采用GH3535镍基合金，回形循环管道的最高温度≤800℃。

优选地，介质是高温熔盐(例如氟化物、氯化物、碳酸盐、硝酸盐等)、液态金属(例如钠、铅、铅/铋等)和/或高温水。

优选地，该实验方法还包括步骤S4，将待腐蚀样品悬挂在金属丝上并浸入回形循环管道的加热段和/或冷却段的介质中进行腐蚀实验。

优选地，待腐蚀样品是金属材料(例如钼基合金、镍基合金、不锈钢、金属单质等)和/或非金属材料(例如石英、碳化硅、C/C复合材料、SiC/SiC复合材料、MAX相等)。

根据本发明——适用于非恒温流动介质环境中材料腐蚀研究的实验装置及方法，可以实现高温、非恒温、流动介质环境以及在这个环境中开展腐蚀研究，用于研究金属材料和非金属材料在高温熔盐、液态金属、高温水等高温液态介质中的动态腐蚀。总之，本发明提供的试验装置造价低廉、运行稳定、易操作、易维护等，本发明提供的方法可以模拟熔盐堆、聚变堆、金属冷却快堆、熔盐储能太阳能发电等能源系统中非恒温环境。

附图说明

图1是根据本发明的一个优选实施例的适用于非恒温流动介质环境中材料腐蚀研究的实验装置的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

如图1所示，根据本发明的一个优选实施例的适用于非恒温流动介质环境中材料腐蚀研究的实验装置包括回形循环管道1，其包括加热段11、冷却段12、第一过渡段13和第二过渡段14，其中，加热段11和冷却段12彼此平行地间隔开地设置，第一过渡段13和第二过渡段14被设置在加热段11和冷却段12之间并连接加热段11和冷却段12，介质(即腐蚀介质，例如高温熔盐)沿着图示的箭头方向在回形循环管道1中从加热段11经过第一过渡段13流入冷却段12，然后经过第二过渡段14流回加热段11，从而形成循环回路。

如图1所示，实验装置还包括与回形循环管道1连通的第一罐体21和第二罐体22，以便于通过第一罐体21和第二罐体22向回形循环管道1内通入介质。具体地，第一罐体21的顶端通过第一法兰31与外界连通，第一金属丝41的顶端固定连接在第一法兰31上，第一罐体21的底端与加热段11连通，五个待腐蚀样品51(即发明主题中的材料，例如金属试样)彼此间隔开地悬挂在第一金属丝41的底端以浸入加热段11的介质中进行腐蚀实验；第二罐体22的顶端通过第二法兰32与外界连通，第二金属丝42的顶端固定连接在第二法兰32上，第二罐体22的底端与冷却段12连通，五个待腐蚀样品52(即样品，例如金属试样)彼此间隔开地悬挂在第二金属丝42的底端以浸入冷却段12的介质中进行腐蚀实验。

应该理解，回形循环管道1、第一罐体21和第二罐体22的材料取决于需要研究的介质和待腐蚀样品，通常选择与待腐蚀样品相同的材料，或者选择不影响待腐蚀样品腐蚀的材料。

另外，该实验装置还包括用于对回形循环管道1、第一罐体21和第二罐体22进行控温的外围的控温系统，其包括热电偶、加热组件和保温组件，用于驱动回形循环管道1中的介质在温差下进行自然循环流动。应该理解，加热组件的加热形式不限，选择能达到实验温度的加热方式即可；保温组件的材质和厚度不限，选择能耐实验温度的保温材料即可。

如图1所示，加热段11包括第一温度点T1、第二温度点T2和第三温度点T3，第一过渡段13包括第四温度点T4和第五温度点T5，冷却段12包括第六温度点T6和第七温度点T7，第二过渡段14包括第八温度点T8和第九温度点T9，另外，冷却段12的上方还包括第十温度点T10，控温系统可以将回形循环管道1对各温度点T1，T2，T3，T4，T5，T6，T7，T8，T9，T10的温度进行控制调节。应该理解，为了满足回形循环管道1内的温度和温差调节的需要，该控温系统分别通过至少两个温度点对加热段11和冷却段12进行加热和控温，例如通过三个温度点对加热段11进行加热和控温，分别通过至少两个温度点对过渡段13，14进行加热和控温。

根据本实施例的适用于非恒温流动介质环境中材料腐蚀研究的实验方法首先包括按照图1的示意图加工好回形循环管道1、第一罐体21和第二罐体22，将它们焊接起来并通过第一法兰31和第二法兰32进行密封等，再将组装好的装置固定在不锈钢支架上，然后再在外围焊接或安装热电偶，依次在外围安装加热组件和保温组件，从而提供温控系统以便于及时反馈与控制温度。

根据本实施例的实验方法接下来包括对实验装置进行调试。整套实验装置组装好以后可能出现系统密封不严、加热与控温故障等问题，这些问题会影响动态腐蚀实验结果以及实验过程中系统安全等。因此在进行实验前需要对系统进行密封调试、温度调试和校温、高温烘烤、保压测试。按照实验要求，有时需要对回形循环管道1、第一罐体21和第二罐体22进行更加严格的清洗，例如采用腐蚀性气氛、与腐蚀实验相同的液态介质对系统进行一定时间的清洗，以去除材料表面和焊接处表面的氧化物。

根据本实施例的实验方法接下来包括对向实验装置中添加介质。添加介质的方法有两种，一种是添加固态介质，另外一种是填加液态介质。如果添加固态介质，可以通过打开第一法兰31和/或第二法兰32向第一罐体21和/或第二罐体22中添加，添加足量的介质后启动加热组件使第一罐体21和/或第二罐体22中的固态介质熔化后流向回形循环管道1，从而使熔化后的介质充满回形循环管道1。如果添加液态介质，需要先将回形循环管道1加热至高于介质熔点的温度(例如500℃)，再将液态介质通过气压的方式压入第一罐体21和/或第二罐体22中后压入回形循环管道1，从而使液态介质充满回形循环管道1。

根据本实施例的实验方法接下来包括调节温差。为了防止出现介质冷凝堵塞管道，从而影响介质在回形循环管道1中的流动，启动加热组件首先将冷却段12和过渡段13的温度设置至高于介质熔点的温度，然后调节加热段11和/或过渡段14的温度。在本实施例中，加热段11在第一温度点T1按照设定温度被加热至580℃，在第二温度点T2和第三温度点T3按照设定温度被加热至600℃；第一过渡段13在第四温度点T4和第五温度点T5以及冷却段12在第六温度点T6和第七温度点T7按照设定温度被加热至500℃；第二过渡段14在第八温度点T8按照设定温度被加热至520℃，在第九温度点T9按照设定温度被加热至560℃，冷却段12上方的管路在第十温度点T10按照设定温度被加热至500℃。

液态介质的密度与温度密切相关，通过合理地设置高温段(加热段11)和第二过渡段(冷却段14)的温度，由密度差异产生重位压头驱动液态介质在回形循环管道1中循环流动。一旦介质在回形循环管道1中流动，将在冷却段12和第一过渡段13形成一定的温度分布，从而在整个回路区域形成温差。待温差稳定后调节加热段11和/或第二过渡段14的温度达到预期的最高温度和温差(最大温差＝最高温度-最低温度)。在本实施例中，介质流动获得温度分布和温差：第一温度点T1实际获得580℃，第二温度点T2和第三温度点T3实际获得600℃，第四温度点T4的温度为556℃，第五温度点T5的温度为540℃，第六温度点T6的温度为526℃，第七温度点T7的温度为517℃，第八温度点T8实际获得520℃，第九温度点T9实际获得560℃，第十温度点T10实际获得500℃。显然，第四温度点T4、第五温度点T5、第六温度点T6和第七温度点T7并没有启动加热程序，其对应的556℃、540℃、526℃、517℃是由介质流动形成的温度分布，高于相应的设定温度500℃。由于介质流动使冷却段12和过渡段13形成一定的温度分布，最终在回形循环管道1中形成温差。通过改变加热段11和过渡段14的温度可以形成需要的最大温差。

根据本实施例的实验方法接下来包括确定介质在回形循环管道1中是流动的。通过改变加热段11的温度，通过温度分布确定介质是流动的。按照实验结果，一旦温差驱动介质流动，回形循环管道1的温度分布规律为：T8≤T9≤T1≤T2≤T3>T4>T5>T6>T7>T10。如果回形循环管道1中的介质没有流动，那么将不会形成以上规律分布的温度。此外，通过另外两种方法也可以验证以上温度分布的介质确实是流动的。第一，结合热工水利计算和温度场分布、回形管道区域的设计参数、腐蚀介质物化性质等进行计算获得与图1温度分布对应的流速分布，确定该温度分布下的介质确实是流动的：最高温度600℃，最低温度517℃，NaCl-KCl-MgCl₂熔盐的平均流速为6.4cm/s。第二，加工一套透明的实验装置，在冷却段12的中间位置约7cm长区域的保温材料被设置为可以拆卸，可以在实验的过程中观察介质流动状态。以NaCl-KCl-MgCl₂介质为例，这种三元盐在熔化时的状态是透明的，在透明窗口的位置很难观察到腐蚀介质的流动状态，因此可以选择与介质密度接近的碳基材料球(黑色)作为参照物观察熔盐的流动状态，测量小球通过观察窗口的距离和时间，通过计算得出小球的流速(近似等于腐蚀介质的流速)。通过观察窗发现小球的流动轨迹不是直线运动，通过实验计算得到小球的流速为5-7cm/s，与热工水利计算结果一致，进一步证实温差驱动介质流动。

根据本实施例的实验方法接下来包括挂样进行腐蚀实验。待温差稳定后进行挂样，在挂样之前，需要按照研究要求将待腐蚀样品51，52加工成合适尺寸的样片(样片尺寸小于加热段11和冷却段12的内径和长度)，在样片上打孔，按要求对样品进行试验前的磨抛、清洗等处理，用金属丝41，42将样片悬挂起来。打开法兰31，32，将悬挂样片的金属丝41，42固定在法兰31，32的环形孔中，将样片浸入加热段11和冷却段12中，将法兰31，32用螺钉和螺帽密封，之后对整个系统进行至少3次抽真空/充保护气，关闭进出气口，进行预期的腐蚀实验。

根据本实施例的实验方法最后包括进行腐蚀评估。按照实验要求进行一定时间的腐蚀实验后，打开顶部的法兰31，32将待腐蚀样品51，52取出，待腐蚀样品51，52冷却后进行样片处理和腐蚀评估。按照实验要求评估加热段11和冷却段12中腐蚀样品51，52，例如腐蚀重量变化、腐蚀形态、腐蚀深度、腐蚀速率、腐蚀时间规律曲线等。

显然，根据本发明的非恒温流动介质环境中材料腐蚀研究的实验装置及方法突破了传统静态腐蚀研究方法的缺点，采用温度差异驱动介质流动，可以实现流动介质、高温、非恒温的实验环境，可以用于研究金属材料、非金属材料在高温、非恒温、流动介质环境中的腐蚀。

应该理解，本发明的介质可以是包含氟化物、氯化物、碳酸盐、硝酸盐等高温熔盐，钠、铅、铅/铋等液态金属，高温水等液态介质；本发明的待腐蚀样品可以是包含钼基合金、镍基合金、不锈钢、金属单质等金属材料，石英、碳化硅、C/C复合材料、SiC/SiC复合材料、MAX相等非金属材料；本发明的介质在回形循环管道1中的流动是由温差驱动的自然循环流动，可以实现：最高温度：≤800℃(取决于回形循环管道的最高使用温度)；温差范围：0-300℃，温度差异包含由全部加热、部分加热等产生的温差，加热方式包含电加热、电磁感应加热、太阳光聚焦加热等。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (4)

1.一种适用于非恒温流动介质环境中材料腐蚀研究的实验方法，其特征在于，该实验方法包括以下步骤：

S1，提供实验装置，该实验装置包括由依次连通的加热段、第一过渡段、冷却段和第二过渡段组成的回形循环管道，加热段和冷却段彼此间隔开地设置，第一过渡段和第二过渡段被设置在加热段和冷却段之间并连接加热段和冷却段；实验装置还包括外围的控温系统，其分别控制加热段、第一过渡段的温度以驱动回形循环管道中的介质在温差下进行自然循环流动，加热段包括第一温度点T1、第二温度点T2和第三温度点T3，第一过渡段包括第四温度点T4和第五温度点T5，冷却段包括第六温度点T6和第七温度点T7，第二过渡段包括第八温度点T8和第九温度点T9，实验装置还包括与回形循环管道连通的罐体，罐体的顶端通过法兰与外界连通，金属丝固定连接在法兰上，罐体的底端与加热段和/或冷却段连通，待腐蚀样品悬挂在金属丝上并浸入加热段和/或冷却段的介质中进行腐蚀实验；

S2，控温系统分别将加热段、第一过渡段、冷却段和第二过渡段加热至高于介质熔点的温度，向实验装置中添加介质；

S3，通过控温系统调节回形循环管道的温差以驱动介质从加热段经过第一过渡段、冷却段和第二过渡段后流回加热段以自然流动形成循环回路，自然流动形成的温度分布为T8≤T9≤T1≤T2≤T3>T4>T5>T6>T7，此时的第一过渡段和冷却段的控温系统没有启动。

2.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于，介质是高温熔盐、液态金属和/或高温水。

3.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于，该实验方法还包括步骤S4，将待腐蚀样品悬挂在金属丝上并浸入回形循环管道的加热段和/或冷却段的介质中进行腐蚀实验。

4.根据权利要求3所述的实验方法，其特征在于，待腐蚀样品是金属材料和/或非金属材料。

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