CN203376244U - 抗高温水蒸气氧化性能模拟和加速测试装置 - Google Patents

抗高温水蒸气氧化性能模拟和加速测试装置 Download PDF

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李茂东
倪进飞
马括
黎华
陈洪君
卢忠铭
王小聪
杨波
薛峰
张辉
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Abstract

本实用新型涉及一种抗高温水蒸气氧化性能模拟和加速测试装置，包括蒸气产生机构和高温反应炉，蒸气产生机构包括装有去离子水的密封容器和用于密封容器的加热装置，密封容器设有进气口、出气口和进水口，进气口通过进气管接有氩气瓶且进气管伸至液面以下，进水口接有自动补水机构，出气口通过管道与高温反应炉的入口连接。由于本装置氩气脱氧、水蒸气的形成均在一个密封容器内实现，而金属试样的测试仅在高温反应炉中，因此采用了少量的实验室设备即能达到准确实验的目的，极大的提高了实验的便利性。本实用新型可应用于高温氧化试验装置。

Description

抗高温水蒸气氧化性能模拟和加速测试装置
技术领域
本实用新型涉及一种抗高温水蒸气氧化性能模拟和加速测试装置。
背景技术
水或者水蒸气广泛存在于工业环境中，如核反应堆、发电和航天领域、石油石化领域和固体燃料电池等。而湿空气对材料具有很大的腐蚀性，严重影响着合金材料的力学性能和寿命，诱发生产事故，危害人身安全，造成巨大的经济损失。如何使金属材料在含水蒸气的高温腐蚀环境下保持优异的性能是目前工业中面临的一个重要的问题。
在缓解全球能源紧张、减少环境污染的迫切要求下，发展清洁煤发电技术已经成为了世界各国的当务之急，作为清洁煤发电主要技术之一的超临界和超超临界发电技术就是利用进一步提升锅炉蒸汽压力和温度参数来达到提高机组效率和节能降耗的目的。鉴于我国的电力结构以燃煤火电机组为主，故大力发展和推广超临界和超超临界发电技术不但十分重要而且非常必要。总结近年来的运行经验可知，虽然过热器、再热器选用的钢已从G102 发展到T22、T91、P91 和奥氏体不锈钢TP304H、TP347H等，但由于恶劣服役环境造成管材内壁的严重的水蒸气氧化腐蚀而引发锅炉爆管失效以及过热器、再热器管壁剥离下来的坚硬氧化铁粒子造成汽轮机固体颗粒侵蚀(SPE)事故还是时有发生，严重影响了发电机组运行的安全性和经济性。
因此，很有必要深入研究这类材料的蒸汽氧化机理，以便从锅炉管选材、运行参数控制和材料表面防护等方面提出一些控制氧化皮生长速度和剥落总量的有效措施，为工业生产提供有效的技术依据。但是，如果将相关研究建立在工业生产上，所需实验周期过长，投入人力、物力大，维护成本也较高，特别是过长的实验周期限制了实验数据对新材料开发指导的时效性，不能满足研发需求，因此，寻求能反映金属材料抗高温水蒸气氧化性能的实验室快速评价方法十分必要。
实用新型内容
为了克服上述技术问题，本实用新型的目的在于提供一种抗高温水蒸气氧化性能模拟和加速测试装置，通过本装置可以在实验室中快速、方便的获取金属在高温、水蒸气环境下的氧化性能。
本实用新型所采用的技术方案是：
一种抗高温水蒸气氧化性能模拟和加速测试装置，包括蒸气产生机构和高温反应炉，所述蒸气产生机构包括装有去离子水的密封容器和用于密封容器的加热装置，所述密封容器设有进气口、出气口和进水口，所述进气口通过进气管接有氩气瓶且所述进气管伸至液面以下，所述进水口接有自动补水机构，所述出气口通过管道与高温反应炉的入口连接。
作为上述技术方案的进一步改进，所述连接出气口和高温反应炉的管道上设有用于检测流过气体的流量计。
作为上述技术方案的进一步改进，所述密封容器内设置有温度监测机构，所述温度监测机构包括位于液面以上、用于监测出气口温度的第一温度计和位于液面以下、用于监测去离子水温度的第二温度计。
作为上述技术方案的进一步改进，所述连接出气口和高温反应炉的管道上设有用于检测流过气体的湿度计和温度计。
作为上述技术方案的进一步改进，所述蒸气产生机构包括设置在密封容器内的超声波加湿装置。
作为上述技术方案的进一步改进，所述加热装置包括包覆于密封容器外壁的加热护套。
作为上述技术方案的进一步改进，所述高温反应炉的出口接有真空泵。
本实用新型的有益效果是：密封容器中的去离子水变成水蒸气后与经过去离子水脱氧的氩气混合并通入高温反应炉中形成实验氛围，金属试样在高温反应炉中加热至合适的温度并持续设定的时间后即能开展其氧化性能模拟和加速的测试，由于本装置和方法中氩气脱氧、水蒸气的形成均在一个密封容器内实现，而金属试样的测试仅在高温反应炉中，因此采用了少量的实验室设备即能达到准确实验的目的，极大的提高了实验的便利性。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本实用新型进一步说明。
图1是本实用新型的结构示意图；
图2是T91钢在650℃~800℃温度下(Ar+10vol.%H2O)气氛中氧化动力学曲线。
具体实施方式
如图1所示，一种抗高温水蒸气氧化性能模拟和加速测试装置，包括蒸气产生机构和高温反应炉1。蒸气产生机构包括装有去离子水的密封容器2和用于密封容器2的加热装置。加热装置为包覆于密封容器2外壁的加热护套10，一方面可以对密封容器2加热，另一方面也起了隔热的作用，防止对操作人员的误伤。
蒸气产生机构还包括设置在密封容器2内的超声波加湿装置9，根据超声波加湿的原理，采用超声波产生水蒸气，使得水蒸气发生量可控，而且也无需将水加热到沸点也能产生水蒸气，保证了所需的实验温度。
密封容器2设有进气口、出气口和进水口。进气口通过进气管接有氩气瓶3，进气管上还安装有进气调节阀门12和进气流量计，进气流量计用于统计使用的氩气流量。进气管伸至液面以下，使得氩气进入去离子水内脱氧后才排入下一工艺环节。
密封容器2的进水口接有自动补水机构。该自动补水机构由电动阀13、液位计14、控制器15和水箱16组成。其中，电动阀13安装在连接进水口和水箱16的管道中，液位计14安装在密封容器2内，电动阀13、液位计14分别与控制器15电连接。其工作原理是，液位计14检测到密封容器2内水位不足的信号后由控制器15发出开启电动阀13的指令，水箱16为密封容器2补水直到液位计14检测到水位达到设定值，电动阀13关闭。
密封容器2的出气口通过管道与高温反应炉1的入口连接。密封容器2内产生的混合气体从上述管道中进入高温反应炉1，以营造水蒸气—氩气的实验气氛。同时，在实验开始之前，也可通入氩气将高温反应炉1内的空气排出。
连接出气口和高温反应炉1的管道上依次装有减压阀17、混合气体控制阀18、温度计8、湿度计7和流量计4。通过流量计4进一步精确控制进入高温反应炉1中的水蒸气量，而湿度计7和温度计8对管内混合气体的检测使所需实验条件得到精确控制，从而提高实验的准确性和可靠度。管内气体实验条件可以由密封容器2加热温度、水蒸气发生量、氩气供应量和混合气体控制阀18的开度同时调节。
密封容器2内设置有温度监测机构，包括位于液面以上、用于监测出气口温度的第一温度计5和位于液面以下、用于监测去离子水温度的第二温度计6，用于温度的精确控制。
高温反应炉1内装有高温丝挂钩19，试样20放置在高温丝挂钩19上进行反应。高温反应炉1的出口接有真空泵11，由真空泵11将水蒸气和氩气吸入高温反应炉1后排出。
抗高温水蒸气氧化性能模拟和加速测试方法，按下列步骤进行：
首先将试样机械切割至规定尺寸，经砂纸打磨后，采用脱脂剂表面除油，无水酒精清洗后用吹风机吹干试样，采用电子数显卡尺测量试样尺寸，用电子分析天平称量原始重量后置入干燥皿中保存备用；
实验开始前，启动真空泵11，使用水箱16往密封容器2中加去离子水至规定液面，打开进气调节阀门12，启动超声波加湿装置9，并加热密封容器2中的去离子水至工作温度，通过流量计4、温度计8、湿度计7精确控制气体流量、温度及湿度以达到实验条件，确保装置内部形成水蒸气-氩气实验气氛，持续通气约30分钟。
将试样挂在高温丝挂钩19上，并密封好高温反应炉1，对高温反应炉1加热至工作温度后开始实验。自动补水机构自动控制密封容器2中去离子水的水位，实验到设定时间点后，取出试样，称重；实验结束后，获得其氧化动力学规律，采用氧化产物分析技术如SED、XRD等对试样进行综合分析，得到相应的结论。
其中，水蒸气—氩气的温度由温度计8控制在80～90℃。
实施例1：650℃~800℃, Ar+10vol.%H2O条件下T91钢的抗高温水蒸气氧化性能检测。
以T91钢为检测对象，测试了T91钢在650℃、700℃、750℃、800℃下的抗高温水蒸气氧化性能。
首先将待评价样品通过机械切割至10mm×10mm×2mm，表面脱脂处理，最后用酒精清洗后吹干备用。
具体操作如下：
1）启动真空泵11；
2）打开电动阀13往密封容器2中加去离子水至规定液面，关闭电动阀13；
3）打开进气调节阀门12，启动超声波加湿装置9，并加热密封容器2的去离子水至工作温度；
4）检查温度计8、第一温度计5及第二温度计6，控制水蒸气—氩气温度在85℃；检查湿度计7、流量计4，控制实验气氛为Ar+10vol.%H2O，持续通气约30分钟。
5）将试样20挂在高温丝挂钩19上，并密封好高温反应炉1，对高温反应炉1加热至650℃、700℃、750℃、800℃后开始实验。
6）每隔10h取出试样20称重一次，氧化总时间为160h，获得其氧化动力学规律。
从图2可以看出，在650℃~800℃温度范围内，T91钢的高温水蒸气氧化动力学基本服从抛物线规律。
实施例2：650℃，Ar+5vol.%H2O/Ar和Ar+10vol.%H2O条件下T91钢的抗高温水蒸气氧化性能检测。
以T91钢作为评价对象，氧化温度为650℃，比较钢在Ar+5vol.%H2O、Ar+10vol.%H2O下的抗高温水蒸气氧化性能。
首先将待评价样品通过机械切割至10mm×10mm×2mm，表面脱脂处理，最后用酒精清洗后吹干备用。
具体操作如下：
1）启动真空泵11；
2）打开电动阀13往密封容器2中加去离子水至规定液面，关闭电动阀13；
3）打开进气调节阀门12，启动超声波加湿装置9，并加热密封容器2的去离子水至工作温度；
4）检查温度计8、第一温度计5及第二温度计6，控制水蒸气—氩气温度在85℃；检查湿度计7、流量计4，控制实验气氛为Ar+10vol.%H2O和Ar+5vol.%H2O，持续通气约30分钟。
5）将试样20挂在高温丝挂钩19上，并密封好高温反应炉1，对高温反应炉1加热至650℃后开始实验。
6）每隔2h取出试样20称重一次，氧化总时间10h，获得其氧化动力学规律。
结果表明，T91钢在650℃下Ar+5vol.%H2O气氛中氧化时，动力学基本符合抛物线规律，在Ar+10vol.%H2O气氛中符合分段抛物线规律。
以上所述只是本实用新型优选的实施方式，其并不构成对本实用新型保护范围的限制。

Claims (7)

1.一种抗高温水蒸气氧化性能模拟和加速测试装置，其特征在于：包括蒸气产生机构和高温反应炉(1)，所述蒸气产生机构包括装有去离子水的密封容器(2)和用于密封容器(2)的加热装置，所述密封容器(2)设有进气口、出气口和进水口，所述进气口通过进气管接有氩气瓶(3)且所述进气管伸至液面以下，所述进水口接有自动补水机构，所述出气口通过管道与高温反应炉(1)的入口连接。
2.根据权利要求1所述的抗高温水蒸气氧化性能模拟和加速测试装置，其特征在于：所述连接出气口和高温反应炉(1)的管道上设有用于检测流过气体的流量计(4)。
3.根据权利要求1或2所述的抗高温水蒸气氧化性能模拟和加速测试装置，其特征在于：所述密封容器(2)内设置有温度监测机构，所述温度监测机构包括位于液面以上、用于监测出气口温度的第一温度计(5)和位于液面以下、用于监测去离子水温度的第二温度计(6)。
4.根据权利要求1或2所述的抗高温水蒸气氧化性能模拟和加速测试装置，其特征在于：所述连接出气口和高温反应炉(1)的管道上设有用于检测流过气体的湿度计(7)和温度计(8)。
5.根据权利要求1所述的抗高温水蒸气氧化性能模拟和加速测试装置，其特征在于：所述蒸气产生机构包括设置在密封容器(2)内的超声波加湿装置(9)。
6.根据权利要求1或5所述的抗高温水蒸气氧化性能模拟和加速测试装置，其特征在于：所述加热装置包括包覆于密封容器(2)外壁的加热护套(10)。
7.根据权利要求1所述的抗高温水蒸气氧化性能模拟和加速测试装置，其特征在于：所述高温反应炉(1)的出口接有真空泵(11)。
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