專利名稱：多相介質(zhì)高溫腐蝕速率實(shí)驗(yàn)裝置及表征方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高溫腐蝕速率表征方法及實(shí)驗(yàn)裝置技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及多相介質(zhì)高溫腐蝕速率實(shí)驗(yàn)裝置及表征方法。
背景技術(shù)：
以煤燃燒提供熱能供應(yīng)的エ業(yè)設(shè)備均工作在高溫、含灰氣流的腐蝕性復(fù)雜環(huán)境之中，隨著的電站鍋爐向著超(超)臨界更高蒸汽參數(shù)和更大容量的方向發(fā)展，鍋爐爐膛截面熱負(fù)荷和含塵氣流的旋轉(zhuǎn)動(dòng)量流カ矩不斷増加，加重了爐膛結(jié)渣和高溫腐蝕傾向，特別是煤粉燃燒器區(qū)域由于燃燒エ況不斷變化，加之低氮氧化物燃燒技術(shù)的采用，使得燃燒器區(qū)域出現(xiàn)了氧化-還原交替的腐蝕性氣氛，加劇了多相介質(zhì)高溫腐蝕傾向；另外，超臨界發(fā)電機(jī)組的電站鍋爐的主蒸汽溫度已經(jīng)從過(guò)去的543°C和566°C不斷提高到605°C，使得高溫過(guò)熱器金屬壁溫處于650°C左右，進(jìn)入氣相和熔鹽多相介質(zhì)腐蝕的嚴(yán)重區(qū)域，近年來(lái)，較多的超超臨界電站鍋爐發(fā)生爐膛水冷壁和過(guò)熱器的多相介質(zhì)高溫腐蝕事故，直接威脅著發(fā)電機(jī)組的長(zhǎng)周期安全運(yùn)行。高溫腐蝕機(jī)理及其腐蝕性動(dòng)力學(xué)的研究一直受到密切關(guān)注，最直接的方法就是進(jìn)行高溫腐蝕試驗(yàn)。高溫腐蝕實(shí)驗(yàn)最早的方法是在特定的溫度下，將一定尺寸試驗(yàn)材料制成一定質(zhì)量的試樣放入加熱爐中，在特定溫度和腐蝕性環(huán)境中保持一定時(shí)間，通過(guò)稱量試樣腐蝕前后的質(zhì)量變化來(lái)定量分析材料在特定溫度和腐蝕性環(huán)境中的腐蝕速率并判定腐蝕程度，后來(lái)，隨著材料檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，逐漸發(fā)展到目前對(duì)腐蝕后的試樣進(jìn)行金相分析、X射線衍射(XRD)分析以及電鏡掃描等深入研究腐蝕機(jī)理的處理手段，也相繼出現(xiàn)了熱天平測(cè)量法，通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)過(guò)程中金屬材料質(zhì)量的連續(xù)變化和反應(yīng)系統(tǒng)氣體的消耗量來(lái)研究金屬的腐蝕機(jī)理。但是，目前的研究方法中，實(shí)驗(yàn)裝置只能提供単一的腐蝕氣氛，實(shí)際情況下由于燃燒狀況的不穩(wěn)定和局部燃燒的不充分性，除了氧化性的腐蝕氣氛外，也會(huì)出現(xiàn)還原腐蝕氣氛，以及氧化-還原交替的腐蝕氣氛，加劇了腐蝕性環(huán)境對(duì)金屬的腐蝕速率，根據(jù)文獻(xiàn)檢索，目前還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)能夠模擬動(dòng)カ設(shè)備真實(shí)工作條件下復(fù)雜腐蝕氣氛的高溫腐蝕試驗(yàn)設(shè)備，使得多數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不符合動(dòng)カ設(shè)備真實(shí)的腐蝕狀況，高溫腐蝕實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不能指導(dǎo)工程實(shí)踐。直至目前的研究方法中，一般只考慮了煙氣對(duì)金屬的腐蝕，沒(méi)有考慮煙氣中所攜帶灰分對(duì)腐蝕的影響。但在實(shí)際情況下，當(dāng)工作環(huán)境溫度超過(guò)550°C，灰分中的鉀鹽和鈉鹽以及硫的化合物會(huì)反應(yīng)生成溶點(diǎn)較低的鉀鈉硫酸鹽，熔鹽粘附著在金屬表面，對(duì)金屬形成氣相-熔鹽兩相腐蝕。對(duì)于高溫腐蝕速率的判定，過(guò)去一般的方法就是對(duì)腐蝕前后的試樣進(jìn)行稱重，得到試樣的腐蝕增重，用単位時(shí)間內(nèi)的腐蝕增重來(lái)表示高溫腐蝕速率，這種方法不能直觀地表示高溫腐蝕的進(jìn)行情況；另ー種方法就是用金相顯微鏡或掃描電鏡等手段測(cè)量試樣腐蝕后腐蝕層生成厚度，用単位時(shí)間內(nèi)的腐蝕層生成厚度來(lái)表征高溫腐蝕速率，該方法只是從宏觀的角度考慮腐蝕的程度，不能反映微觀腐蝕因素的影響，因此有時(shí)候并不能準(zhǔn)確的表征金屬實(shí)際高溫腐蝕速率。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供ー種多相介質(zhì)高溫腐蝕速率實(shí)驗(yàn)裝置及表征方法，采用本發(fā)明實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和表征方法能夠從宏觀和微觀兩個(gè)方面真實(shí)反映腐蝕性因子對(duì)材料及試樣的高溫腐蝕速率和腐蝕程度。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案ー種多相介質(zhì)高溫腐蝕速率的試驗(yàn)裝置，包括配氣裝置，和配氣裝置相連通的加熱裝置，以及和加熱裝置相連通的尾氣處理裝置7。所述配氣裝置包括混合器3，和混合器3相連通的至少兩個(gè)氣瓶1，所述混合器3 和每個(gè)氣瓶1之間設(shè)置質(zhì)量流量計(jì)2，所述質(zhì)量流量計(jì)2和計(jì)算機(jī)4相連接。所述質(zhì)量流量計(jì)2包括氣體質(zhì)量控制器和氣體質(zhì)量流量計(jì)。 所述加熱裝置包括真空管式加熱爐5和設(shè)置在真空管式加熱爐5內(nèi)的石英管反應(yīng)器6o所述真空管式加熱爐5具有自動(dòng)控溫儀和自動(dòng)顯示系統(tǒng)。所述石英管反應(yīng)器6兩端均設(shè)置有均流裝置，均流裝置是ー小段帶有多個(gè)軸向通孔的實(shí)心圓柱體，其直徑比石英管反應(yīng)器6內(nèi)徑小0. 5-1. 5cm，均流裝置插入石英管反應(yīng)器 6內(nèi)，所述通孔呈環(huán)狀分布。在所述加熱裝置和尾氣處理裝置7間設(shè)置煙氣分析儀8。本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)ー套裝置提供氧化性、還原性、以及氧化-還原交替變化的多種腐蝕氣氛。ー種多相介質(zhì)高溫腐蝕速率的表征方法包括如下步驟步驟1 首先對(duì)欲進(jìn)行高溫腐蝕試驗(yàn)的試樣進(jìn)行打磨和拋光，然后對(duì)試樣進(jìn)行稱重；若同時(shí)對(duì)試樣進(jìn)行熔鹽腐蝕試驗(yàn)，先稱重，然后在試樣的表面均勻的涂上ー層接近于灰分成分的氧化物和鉀鹽或鉀和鈉鹽的混合物溶液，反復(fù)涂刷，直至完成反應(yīng)所需要的量；步驟2 將試樣放入多相介質(zhì)高溫腐蝕速率的試驗(yàn)裝置中進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)首先將試樣放入石英管反應(yīng)器6中，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)所需的氣氛條件，由計(jì)算機(jī)4設(shè)定和控制每個(gè)質(zhì)量流量計(jì)2來(lái)控制從相應(yīng)氣瓶1進(jìn)入混合器3中的氣體流量，隨后氣體經(jīng)過(guò)混合器3混合均勻后從真空管式加熱爐5的一端通入石英管反應(yīng)器6中，在試驗(yàn)溫度下，在反應(yīng)器中對(duì)試樣進(jìn)行高溫腐蝕試驗(yàn)，最后從石英管反應(yīng)器6中流出的尾氣經(jīng)尾氣處理裝置7后排入大氣；步驟3 對(duì)進(jìn)行高溫腐蝕后的試樣進(jìn)行清洗和處理以去掉氧化層后，然后進(jìn)行稱重；步驟4 用步驟1稱取的腐蝕前試樣的重量減去步驟3稱取的腐蝕后試樣的重量， 得到腐蝕前后試樣重量的減少量；步驟5 把步驟3計(jì)算的重量減少量換算成試樣厚度的減少量，作為試樣在試驗(yàn)時(shí)間段內(nèi)的腐蝕層生成厚度；步驟6 對(duì)腐蝕后的試樣進(jìn)行沿腐蝕層厚度方向的線能譜線掃描實(shí)驗(yàn)，得到各種腐蝕性元素深入到基體內(nèi)部最遠(yuǎn)的地方到基體與腐蝕層交界面的垂直距離，將其中最大的垂直距離作為試樣在腐蝕時(shí)間段內(nèi)腐蝕性元素最大遷移深度；然后按照下式計(jì)算得到高溫
5腐蝕速率；
腐蝕層生成厚度(毫米)+腐蝕性元素遷移深度(毫米)
高溫腐蝕速率(毫米/年)=-
腐蝕時(shí)間(年)G)與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明中的實(shí)驗(yàn)裝置能實(shí)現(xiàn)在ー套裝置中模擬多種不同的腐蝕氣氛，如氧化性氣氛、還原性氣氛、氧化還原交替氣氛等；2、本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)裝置考慮了煙氣中灰分對(duì)腐蝕的影響，能模擬氣相-熔鹽多相介質(zhì)的腐蝕實(shí)驗(yàn)環(huán)境；3、本發(fā)明的高溫腐蝕速率表征方法不僅體現(xiàn)了宏觀腐蝕進(jìn)行的程度，即腐蝕層的生成，而且考慮了微觀腐蝕因子的活動(dòng)范圍，即腐蝕性原子向金屬基體內(nèi)部的遷移，首次從宏觀和微觀綜合考慮了腐蝕的進(jìn)行，準(zhǔn)確的反映了腐蝕的進(jìn)行。


圖1是本發(fā)明試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是腐蝕層生成厚度和腐蝕性元素最大遷移深度和試樣基體的位置關(guān)系示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理和工作原理作更詳細(xì)說(shuō)明。如圖1所示，本發(fā)明是ー種多相介質(zhì)高溫腐蝕速率的試驗(yàn)裝置，包括配氣裝置，和配氣裝置相連通的加熱裝置，以及和加熱裝置相連通的尾氣處理裝置，所述配氣裝置包括混合器3，和混合器3相連通的至少兩個(gè)氣瓶1 ；所述混合器3和每個(gè)氣瓶1之間設(shè)置質(zhì)量流量計(jì)2，所述質(zhì)量流量計(jì)2和計(jì)算機(jī)4相連接，各氣瓶1中分別裝有實(shí)驗(yàn)所需的氣體隊(duì)，CO2, O2, H2S和SO2,每個(gè)氣瓶1都與単獨(dú)的質(zhì)量流量計(jì)2相連接，質(zhì)量流量計(jì)2包括氣體質(zhì)量控制器和氣體質(zhì)量流量計(jì)，其與計(jì)算機(jī)4連接，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)定，能獨(dú)立精確控制每個(gè)氣瓶1中氣體進(jìn)入混合器3的氣體質(zhì)量流量，氣體進(jìn)入混合器3充分混合均勻后就能形成實(shí)驗(yàn)所需的各種反應(yīng)氣氛，包括氧化性氣氛、還原性氣氛以及氧化-還原交替變化氣氛； 加熱裝置為真空管式加熱爐5，真空管式加熱爐5具有自動(dòng)控溫儀，并配有自動(dòng)顯示系統(tǒng)， 通過(guò)自動(dòng)控溫儀顯示屏可預(yù)先設(shè)定實(shí)驗(yàn)溫度、試驗(yàn)時(shí)間、升溫速率以及保溫時(shí)間等，最高加熱溫度可達(dá)1100°C。加熱爐內(nèi)嵌石英管反應(yīng)器6，試驗(yàn)試樣置于石英管反應(yīng)器6內(nèi)加熱段， 為了使腐蝕氣流能均勻的流過(guò)石英管，石英管反應(yīng)器6兩端均設(shè)置有均流裝置；尾氣處理裝置7布置在石英管反應(yīng)器6之后，對(duì)反應(yīng)后的尾氣進(jìn)行吸收處理，清潔后排入大氣；在所述加熱裝置和尾氣處理裝置7間設(shè)置煙氣分析儀8，煙氣分析儀8可對(duì)腐蝕后的氣體成分進(jìn)行分析，檢測(cè)腐蝕前后氣體的變化情況，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。本發(fā)明ー種多相介質(zhì)高溫腐蝕速率的表征方法包括如下步驟步驟1 首先對(duì)欲進(jìn)行高溫腐蝕試驗(yàn)的試樣進(jìn)行打磨和拋光，然后對(duì)試樣進(jìn)行稱重；若同時(shí)對(duì)試樣進(jìn)行熔鹽腐蝕試驗(yàn)，先稱重，然后在試樣的表面均勻的涂上ー層接近于灰分成分的氧化物和鉀鹽或鉀和鈉鹽的混合物溶液，反復(fù)涂刷，直至完成反應(yīng)所需要的量；步驟2 將試樣放入多相介質(zhì)高溫腐蝕速率的試驗(yàn)裝置中進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)如圖1所示，首先將試樣放入石英管反應(yīng)器6中，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)所需的氣氛條件，由計(jì)算機(jī)4設(shè)定和控制每個(gè)質(zhì)量流量計(jì)2來(lái)控制從相應(yīng)氣瓶1進(jìn)入混合器3中的氣體流量，隨后氣體經(jīng)過(guò)混合器3混合均勻后從真空管式加熱爐5的一端通入石英管反應(yīng)器6中，在試驗(yàn)溫度下，在反應(yīng)器中對(duì)試樣進(jìn)行高溫腐蝕試驗(yàn)，最后從石英管反應(yīng)器6中流出的尾氣經(jīng)尾氣處理裝置后排入大氣；步驟3 對(duì)進(jìn)行高溫腐蝕后的試樣進(jìn)行清洗和處理以去掉氧化層后，然后進(jìn)行稱重；步驟4 用步驟1稱取的腐蝕前試樣的重量減去步驟3稱取的腐蝕后試樣的重量， 得到腐蝕前后試樣重量的減少量；步驟5 把步驟3計(jì)算的重量減少量換算成試樣厚度的減少量，作為試樣在試驗(yàn)時(shí)間段內(nèi)的腐蝕層生成厚度；步驟6 對(duì)腐蝕后的試樣進(jìn)行沿腐蝕層厚度方向的線能譜線掃描實(shí)驗(yàn)，得到各種腐蝕性元素深入到基體內(nèi)部最遠(yuǎn)的地方到基體與腐蝕層交界面的垂直距離，將其中最大的垂直距離作為試樣在腐蝕時(shí)間段內(nèi)腐蝕性元素最大遷移深度；然后按照下式計(jì)算得到高溫腐蝕速率；
腐蝕層生成厚度(毫米)+腐蝕性元素遷移深度(毫米)
高溫腐蝕速率(毫米/年)=-
腐蝕時(shí)間(年)G)圖2所示是腐蝕層生成厚度和腐蝕性元素最大遷移深度和試樣基體的位置關(guān)系示意圖，試樣經(jīng)過(guò)腐蝕后，可以分為三層，最外層是腐蝕層，中間層為腐蝕性元素遷移層，內(nèi)層為基體部分。腐蝕層疏松多孔，容易剝落，如圖中虛線方框所示；腐蝕元素除了存在于腐蝕層內(nèi)，還會(huì)沿厚度方向向基體內(nèi)部遷移，造成腐蝕，形成圖中所示的腐蝕性元素遷移層， 不同種類的腐蝕元素遷移能力不一樣，腐蝕性元素遷移層中曲線表示的是不同腐蝕元素能到達(dá)基體內(nèi)部的位置，其中把腐蝕性元素到達(dá)基體內(nèi)部最遠(yuǎn)地方到基體與腐蝕層交界面的最大距離作為腐蝕性元素最大遷移深度?；w部分結(jié)構(gòu)和元素含量與試樣腐蝕前保持一致。
權(quán)利要求
1.ー種多相介質(zhì)高溫腐蝕速率的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于包括配氣裝置，和配氣裝置相連通的加熱裝置，以及和加熱裝置相連通的尾氣處理裝置(7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述配氣裝置包括混合器(3)，和混合器( 相連通的至少兩個(gè)氣瓶(1)，所述混合器( 和每個(gè)氣瓶(1)之間設(shè)置質(zhì)量流量計(jì) O)，所述質(zhì)量流量計(jì)( 和計(jì)算機(jī)(4)相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述質(zhì)量流量計(jì)( 包括氣體質(zhì)量控制器和氣體質(zhì)量流量計(jì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述加熱裝置包括真空管式加熱爐 (5)和設(shè)置在真空管式加熱爐(5)內(nèi)的石英管反應(yīng)器(6)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4述的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在干所述真空管式加熱爐(5)具有自動(dòng)控溫儀和自動(dòng)顯示系統(tǒng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4述的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在干所述石英管反應(yīng)器(6)兩端均設(shè)置有均流裝置，均流裝置是ー小段帶有多個(gè)軸向通孔的實(shí)心圓柱體，其直徑比石英管反應(yīng)器(6) 內(nèi)徑小0.5-1. 5cm，均流裝置插入石英管反應(yīng)器(6)內(nèi)，所述通孔呈環(huán)狀分布。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于在所述加熱裝置和尾氣處理裝置7間設(shè)置煙氣分析儀(8)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于能實(shí)現(xiàn)ー套裝置提供氧化性、還原性、以及氧化-還原交替變化的多種腐蝕氣氛。
9.ー種基于權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行多相介質(zhì)高溫腐蝕速率的表征方法，其特征在于包括如下步驟步驟1 首先對(duì)欲進(jìn)行高溫腐蝕試驗(yàn)的試樣進(jìn)行打磨和拋光，然后對(duì)試樣進(jìn)行稱重；若同時(shí)對(duì)試樣進(jìn)行熔鹽腐蝕試驗(yàn)，先稱重，然后在試樣的表面均勻的涂上ー層接近于灰分成分的氧化物和鉀鹽或鉀和鈉鹽的混合物溶液，反復(fù)涂刷，直至完成反應(yīng)所需要的量；步驟2 將試樣放入多相介質(zhì)高溫腐蝕速率的試驗(yàn)裝置中進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)首先將試樣放入石英管反應(yīng)器(6)中，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)所需的氣氛條件，由計(jì)算機(jī)(4)設(shè)定和控制每個(gè)質(zhì)量流量計(jì)( 來(lái)控制從相應(yīng)氣瓶(1)進(jìn)入混合器(3)中的氣體流量，隨后氣體經(jīng)過(guò)混合器 (3)混合均勻后從真空管式加熱爐(5)的一端通入石英管反應(yīng)器(6)中，在試驗(yàn)溫度下，在反應(yīng)器中對(duì)試樣進(jìn)行高溫腐蝕試驗(yàn)，最后從石英管反應(yīng)器(6)中流出的尾氣經(jīng)尾氣處理裝置(7)后排入大氣；步驟3 對(duì)進(jìn)行高溫腐蝕后的試樣進(jìn)行清洗和處理以去掉氧化層后，然后進(jìn)行稱重；步驟4 用步驟1稱取的腐蝕前試樣的重量減去步驟3稱取的腐蝕后試樣的重量，得到腐蝕前后試樣重量的減少量；步驟5 把步驟4計(jì)算的重量減少量換算成試樣厚度的減少量，作為試樣在試驗(yàn)時(shí)間段內(nèi)的腐蝕層生成厚度；步驟6 對(duì)腐蝕后的試樣進(jìn)行沿腐蝕層厚度方向的線能譜線掃描實(shí)驗(yàn)，得到各種腐蝕性元素深入到基體內(nèi)部最深的地方到基體與腐蝕層交界面的垂直距離，將其中最大的垂直距離作為試樣在腐蝕時(shí)間段內(nèi)腐蝕性元素最大遷移深度；然后按照下式計(jì)算得到高溫腐蝕速率；腐蝕層生成厚度(毫米)+腐蝕性元素遷移深度(毫米) 高溫腐蝕速率(毫米/年)=-腐蝕時(shí)間(年)(1)
全文摘要
一種多相介質(zhì)高溫腐蝕速率實(shí)驗(yàn)裝置及表征方法，該實(shí)驗(yàn)裝置包括依次相連通的配氣裝置、加熱裝置及尾氣處理裝置，配氣裝置包括混合器，和混合器相連通的多個(gè)氣瓶，混合器和氣瓶間設(shè)有和計(jì)算機(jī)相連的質(zhì)量流量計(jì)，加熱裝置包括加熱爐和加熱爐內(nèi)的石英管反應(yīng)器；該表征方法為按實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行試樣的氣相或氣-液兩相高溫腐蝕試驗(yàn)，得到試樣腐蝕前后重量的減少量，然后換算成腐蝕的試樣厚度，作為試樣在試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)的腐蝕層生成厚度；隨后對(duì)腐蝕后的試樣進(jìn)行線能譜線掃描實(shí)驗(yàn)，得到腐蝕性元素在試樣厚度中遷移的最大深度，最后計(jì)算高溫腐蝕速率；采用本發(fā)明實(shí)驗(yàn)裝置和表征方法能從宏觀和微觀兩個(gè)方面真實(shí)反映腐蝕性因子對(duì)試樣的高溫腐蝕速率和腐蝕程度。
文檔編號(hào)G01N17/00GK102539272SQ201110456220
公開(kāi)日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2011年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月21日
發(fā)明者周屈蘭, 姜薇薇, 惠世恩, 成丁南, 王云剛, 竇文宇, 趙欽新 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)