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一種高溫水蒸汽氧化與氧化皮剝落模擬裝置的制作方法

文檔序號(hào):6227089閱讀:342來源:國知局
專利名稱:一種高溫水蒸汽氧化與氧化皮剝落模擬裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及金屬材料水蒸氣氧化模擬裝置,具體的說是一種高溫水蒸汽氧化與氧化皮剝落模擬裝置。
背景技術(shù)
隨著電力工業(yè)的飛速發(fā)展,追求單機(jī)高效率、大容量和低污染物排放量的潮流使得超臨界和超超臨界機(jī)組已經(jīng)成為我國發(fā)電行業(yè)新建、擴(kuò)建和籌建電廠的主流設(shè)備,新投運(yùn)和正在籌建、擬建的亞臨界和超臨界鍋爐過熱器和再熱器都設(shè)計(jì)和使用了大量的18-8系列粗晶奧氏體不銹鋼管材,超超臨界鍋爐除二級(jí)過熱器、三級(jí)過熱器和低溫段再熱器使用了大量的18-8系列粗晶奧氏體不銹鋼外,其末級(jí)過熱器和末級(jí)再熱器還使用了大量的TP347HFG和Super304細(xì)晶奧氏體不銹鋼管材。由于這類準(zhǔn)奧氏體不銹鋼管含Cr量偏低,在高溫蒸汽環(huán)境中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的蒸汽氧化以及隨后的氧化皮大面積剝落問題,從而導(dǎo)致過熱器和再熱器管因氧化皮堆積堵塞而引起的過熱爆管事故發(fā)生或由于蒸汽中攜帶的氧化皮顆粒對(duì)汽室部件沖刷而引起的噴嘴、葉片、葉輪隔板等異常磨損。因而這類鋼的氧化問題的研究對(duì)實(shí)際運(yùn)行有著十分重要的指導(dǎo)意義。國內(nèi)關(guān)于這一類型的鋼的研究起步相對(duì)較晚,專題研究相對(duì)較少,研究主要手段一般是采取電廠氧化皮引起的爆管管道的失效分析,也有少部分的研究院和高校在自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的前提之下,國外也有部分自行設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備供參考。另外氧化皮的剝落問題,也正在引起廣大電廠工作人員的注意,已有的對(duì)于該過程的研究很少,模擬也是剛剛起步,一方面是起步晚,另一方面是不具備非常好的實(shí)驗(yàn)設(shè)備,這兩個(gè)條件同時(shí)限制這一問題研究的進(jìn)行。國內(nèi)外科研院所以及電廠相關(guān)材料研究院對(duì)于氧化剝落的研究主要是利用運(yùn)行中形成的氧化膜層以及剝落的氧化膜的堆積檢測來進(jìn)行,在氧化膜形成機(jī)理與膜層結(jié)構(gòu)成分分析上做出了很大的努力,也有著一定效果,但是如何完全模擬氧化與剝落情況,豐富氧化設(shè)備,免受設(shè)備不足的影響。最初開始使用的氧化模擬設(shè)備為高壓釜,在最初廣為使用,主要原因在于該設(shè)備很好解決了壓力和溫度可同時(shí)存在的問題,所以在一定溫度范圍內(nèi)能夠很好的研究氧化的過程和一定壓力溫度之下的氧化過程,能夠?yàn)榉治鲅趸そY(jié)構(gòu)的形成機(jī)理和成分研究提供指導(dǎo)。但是在使用一段時(shí)間之后也為大家所拋棄,其缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面:1、溫度在500 °C以下;2、高壓釜的溫度一般會(huì)在500°C以下,這一溫度低于研究所需要的溫度;研究表明利用現(xiàn)有的500°C以下的氧化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行外推是不科學(xué)的做法;如今超臨界機(jī)組的蒸氣在25MPa、570°C左右,而高壓釜不能夠提供高溫的蒸氣溫度,使得利用該裝置的模擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)際運(yùn)行環(huán)境有差異,因而利用這一裝置進(jìn)行氧化模擬實(shí)驗(yàn)是不能為實(shí)際運(yùn)行提供可靠的指導(dǎo)的‘

3、高壓釜蒸氣狀態(tài)為靜止?fàn)顟B(tài);
高壓釜為密閉系統(tǒng)設(shè)置,其中的蒸氣無法進(jìn)行補(bǔ)給,同時(shí)內(nèi)部氧化的蒸氣多處于汽水混合狀態(tài),而實(shí)際運(yùn)行中電廠蒸氣是流動(dòng)的且為汽水分離的,對(duì)氧化膜層有沖擊力的作用,在一定程度上會(huì)對(duì)氧化膜的形成中的元素?cái)U(kuò)散和易揮發(fā)成分的揮發(fā)以及氧化膜的剝落有明顯的影響;研究表明氣體流速對(duì)鐵素體鉻鋼和奧氏體鋼的氧化速度影響很大;在不同流速之下鋼的剝落的區(qū)域和面積比例不同從而改變鋼的后期氧化的速率;顯然高壓釜無法實(shí)現(xiàn)流動(dòng)蒸氣環(huán)境模擬,在一定程度上影響在研究中的使用;4、蒸汽品質(zhì)(氧含量、氫含量)的影響;由于高壓釜處于完全密封狀態(tài),在使用蒸汽進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程之中是不能夠補(bǔ)充氧的,因而隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行,蒸汽中的氧含量將會(huì)處于一個(gè)變化的狀態(tài),A.N.Hansson等人的研究表明在較水蒸汽含量時(shí),載氣體將會(huì)對(duì)氧化的內(nèi)層氧化膜產(chǎn)生很大的影響,另外W.JQuadakkers的研究表明易揮發(fā)的鉻的氫氧化物和氧分壓水蒸氣分壓之間有著很緊密的聯(lián)系,具體公式如下:
3戶[(>2((W)產(chǎn))]=K P(C),(s))4 p(H,0'g))其中P為分壓,K為常量,g為氣體。公式表明氧分壓會(huì)影響鉻的氫氧化物的分壓,從而影響其揮發(fā),影響氧化膜的完整性;可見使用高壓釜設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)不能夠滿足單一實(shí)驗(yàn)變量的要求,那么使得研究單一變量對(duì)于氧化的影響無法進(jìn)行。另外有一些單 位自行設(shè)計(jì)的氧化模擬設(shè)備,如浙江工業(yè)大學(xué)的超臨界水氧化裝置、西北工業(yè)大學(xué)自制設(shè)備,這些設(shè)備大多由供氣裝置、脫氧裝置、反應(yīng)室組成,但是這些氧化設(shè)備在蒸汽品質(zhì)、流速控制以及持續(xù)長時(shí)間的實(shí)驗(yàn)方面存在一定不足,而且大多數(shù)只是單純模擬鋼材試樣在流動(dòng)氣流無壓力狀態(tài)之下的氧化過程。由于是制作試樣進(jìn)入反應(yīng)室氧化,因而在模擬溫度上有一定局限,同時(shí)不能在研究的氧化的基礎(chǔ)之上模擬電廠停機(jī)以及啟動(dòng)狀態(tài)下的較厚氧化皮層脫落。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明高溫水蒸汽氧化與氧化皮剝落模擬裝置的目的在于克服已有自行設(shè)計(jì)氧化模擬設(shè)備氧化不能長時(shí)間持續(xù)實(shí)驗(yàn),以及高壓釜蒸汽流速不夠、溫度太低的缺陷;在除氧的同時(shí)實(shí)現(xiàn)控氧,可以對(duì)載氣與水蒸氣進(jìn)行任意配比,實(shí)現(xiàn)蒸汽品質(zhì)控制;能夠更加真實(shí)地模擬電廠管道氧化狀態(tài),升高模擬溫度,而且本發(fā)明能夠彌補(bǔ)以上常見氧化設(shè)備中缺少剝落模擬設(shè)備的不足,實(shí)現(xiàn)氧化皮生成和剝落模擬一體化。一種高溫水蒸汽氧化與氧化皮剝落模擬裝置,包括:載荷氣體源1、脫氧儲(chǔ)水器3、溶氧計(jì)量表4、蒸汽發(fā)生組件5、第一氣體流量計(jì)6、氣體增壓組件7、管式爐8、模擬發(fā)生器9,所述載荷氣體源1、脫氧儲(chǔ)水器3、蒸汽發(fā)生組件5、第一氣體流量計(jì)6、氣體增壓組件7和模擬發(fā)生器9通過管道依次連接,所述第一氣體流量計(jì)6和模擬發(fā)生器9之間還通過帶有第一閥門10的管道相連;所述脫氧儲(chǔ)水器3出水端的管道上設(shè)有溶氧計(jì)量表4,所述模擬發(fā)生器9位于管式爐8內(nèi)。所述載荷氣體源I和脫氧儲(chǔ)水器3之間還設(shè)有第二氣體流量計(jì)2。所述蒸汽發(fā)生組件5為兩個(gè)以上蒸汽發(fā)生器并聯(lián)而成,用于連續(xù)供氣;所述脫氧儲(chǔ)水器3的出水口通過管道分別和每個(gè)蒸汽發(fā)生器的進(jìn)水口相連,每個(gè)蒸汽發(fā)生器的出氣口通過管道和第一氣體流量計(jì)6相連。所述氣體增壓組件7包括氣體增壓泵、空氣壓縮機(jī)和第二閥門11,所述氣體增壓泵進(jìn)口端通過帶有第二閥門11的管道與第一氣體流量計(jì)6相連,氣體增壓泵出口端通過管道與模擬發(fā)生器9相連,空氣壓縮機(jī)和氣體增壓泵的驅(qū)動(dòng)氣連接口相連。所述管式爐8加熱長度為120cm-180cm,加熱溫度為700°C -1100°C。所述模擬發(fā)生器9為不銹鋼管試樣,所述不銹鋼管試樣外壁為管式爐8,內(nèi)壁為高溫水蒸氣,用于模擬氧化過程和氧化皮剝落過程。本發(fā)明高溫水蒸汽氧化與氧化皮剝落模擬裝置的優(yōu)點(diǎn)是:第一、能夠計(jì)算蒸汽溶氧含量,實(shí)時(shí)調(diào)整蒸汽中的氧含量,實(shí)現(xiàn)氧含量對(duì)于氧化膜生長的影響分析;第二、本發(fā)明利用兩個(gè)以上蒸汽發(fā)生器,保證供氣的連續(xù)性,避免蒸汽發(fā)生器在加水以及重新啟動(dòng)的停機(jī)狀態(tài),也方便蒸汽流量的調(diào)節(jié),節(jié)省試驗(yàn)時(shí)間同時(shí)保證滿足大流量實(shí)驗(yàn)連續(xù)性,防止試驗(yàn)中的樣品降溫現(xiàn)象的出現(xiàn);可以很好地利用蒸汽發(fā)生器持續(xù)長時(shí)間實(shí)驗(yàn),同時(shí)雙蒸汽發(fā)生器能夠配合閥門幫助調(diào)節(jié)氣體流量,使得實(shí)驗(yàn)具有足夠的時(shí)長,得到氧化從開始到剝落的全部過程;第三、本發(fā)明方便接入氬氣、氫氣等作為載荷氣體,研究混合氣氛的氧化問題;第四、利用本發(fā)明的氣體增壓設(shè)備,可實(shí)現(xiàn)氣體流速的增大,模擬電廠的停機(jī)啟動(dòng)等過程; 第五、本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了氧化與剝落模擬的一體化過程,實(shí)現(xiàn)氧化和剝落的同時(shí)進(jìn)行,不用間斷、分開,使得模擬過程更接近于實(shí)際電廠運(yùn)行的氧化剝落。


圖1為本發(fā)明高溫水蒸汽氧化與氧化皮剝落模擬裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中,I為載荷氣體源,2為第二氣體流量計(jì),3為脫氧儲(chǔ)水器,4為溶氧計(jì)量表,5為蒸汽發(fā)生組件,6為第一氣體流量計(jì),7為氣體增壓組件,8為管式爐,9為模擬發(fā)生器,10為第一閥門,11為第二閥門。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖,對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明:如圖1所示,一種高溫水蒸汽氧化與氧化皮剝落模擬裝置,包括載荷氣體源1、脫氧儲(chǔ)水器3、溶氧計(jì)量表4、蒸汽發(fā)生組件5、第一氣體流量計(jì)6、氣體增壓組件7、管式爐8、模擬發(fā)生器9,所述載荷氣體源1、脫氧儲(chǔ)水器3、蒸汽發(fā)生組件5、第一氣體流量計(jì)6、氣體增壓組件7和模擬發(fā)生器9通過管道依次連接,所述第一氣體流量計(jì)6和模擬發(fā)生器9之間還通過帶有第一閥門10的管道相連;所述脫氧儲(chǔ)水器3出水端的管道上設(shè)有溶氧計(jì)量表4,所述模擬發(fā)生器9位于管式爐8內(nèi),出口端采用小徑管,擋板保護(hù)。所述載荷氣體源I和脫氧儲(chǔ)水器3之間還設(shè)有第二氣體流量計(jì)2。所述蒸汽發(fā)生組件5為兩個(gè)蒸汽發(fā)生器并聯(lián)而成,用于連續(xù)供氣;所述脫氧儲(chǔ)水器3的出水口通過三通管分別和兩個(gè)蒸汽發(fā)生器的進(jìn)水口相連,兩個(gè)蒸汽發(fā)生器的出氣口通過三通管和第一氣體流量計(jì)6相連,繼而第一氣體流量計(jì)6再接三通分別和氣體增壓組件7、第一閥門10相連。所述氣體增壓組件7包括氣體增壓泵、空氣壓縮機(jī)和第二閥門11,所述氣體增壓泵進(jìn)口端通過帶有第二閥門11的管道與第一氣體流量計(jì)6相連,氣體增壓泵出口端通過管道與模擬發(fā)生器9相連,空氣壓縮機(jī)和氣體增壓泵的驅(qū)動(dòng)氣連接口相連。所述管式爐8加熱長度為120cm-180cm,加熱溫度為700°C _1100°C。一方面保證足夠的加熱時(shí)間,能使得蒸氣到達(dá)預(yù)計(jì)溫度,也使得獲得一個(gè)較高的范圍氧化蒸氣流速成為可能。另一方面,爐子的足夠長度也使得氣體溫度穩(wěn)定,實(shí)驗(yàn)溫控范圍在10°C范圍之內(nèi)。
所述模擬發(fā)生器9為不銹鋼管試樣,便于模擬電廠管道的存在方式,所述不銹鋼管試樣外壁為管式爐8,內(nèi)壁為高溫水蒸氣,用于模擬氧化過程和氧化皮剝落過程。所述模擬發(fā)生器9尾部還可置入熱電偶,直接測定蒸汽溫度,控制管式爐8工作狀態(tài)。所述載荷氣體源I可為高純氬,由脫氧儲(chǔ)水器3底部通入裝有去離子水的脫氧儲(chǔ)水器3中。出口設(shè)置在脫氧儲(chǔ)水器3頂部,并在出口處增設(shè)閥門一個(gè),利用閥門開關(guān)保證氣體能夠很好的充滿水中,實(shí)現(xiàn)深度充分脫氧。脫氧儲(chǔ)水器3放置于高處,利用壓差和閥門直接開關(guān)供水。設(shè)置第一氣體流量計(jì)6,使得進(jìn)入實(shí)驗(yàn)之前會(huì)有流量測定,方便調(diào)節(jié)閥門控制蒸汽數(shù)量,節(jié)省去離子水和電量,同時(shí)也方便計(jì)算氣體進(jìn)入剝落模擬器之前的流速。本發(fā)明的氧化模擬是這樣實(shí)現(xiàn)的:將要模擬的鋼材制作為合適大小的管道(即模擬發(fā)生器9本身為試樣),放入管式爐8中,與蒸汽發(fā)生器相連,完成如圖組裝之后。打開第一閥門10,關(guān)閉第二閥門11,打開管式爐8進(jìn)行升溫,同時(shí)將去離子水加入脫氧儲(chǔ)水器3中,打開載荷氣體源1,開啟溶氧計(jì)量表4,監(jiān)測去離子水中氧含量,到達(dá)要求之后,將去離子水導(dǎo)入蒸汽發(fā)生組件5中。待水蒸汽達(dá)到一定壓力(壓力范圍可根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行設(shè)計(jì))之后且管式爐8溫度升到設(shè)定值,開啟閥門,進(jìn)行氧化模擬實(shí)驗(yàn)。本發(fā)明的氧化皮剝落模擬是這樣實(shí)現(xiàn)的:在氧化到達(dá)一定時(shí)間之后,如果有剝落模擬要求,這可以在該裝置上進(jìn)行。具體步驟如下:關(guān)閉第一閥門10,打開第二閥門11,讓蒸汽進(jìn)入氣體增壓泵,開啟空氣壓縮機(jī),將水蒸氣增壓之后進(jìn)入模擬發(fā)生器9中,對(duì)形成的氧化皮進(jìn)行吹掃。
權(quán)利要求
1.一種高溫水蒸汽氧化與氧化皮剝落模擬裝置,包括載荷氣體源⑴、脫氧儲(chǔ)水器⑶、溶氧計(jì)量表⑷、蒸汽發(fā)生組件(5)、第一氣體流量計(jì)(6)、氣體增壓組件(7)、管式爐(8)、模擬發(fā)生器⑶,其特征在于:所述載荷氣體源⑴、脫氧儲(chǔ)水器⑶、蒸汽發(fā)生組件(5)、第一氣體流量計(jì)(6)、氣體增壓組件(7)和模擬發(fā)生器(9)通過管道依次連接,所述第一氣體流量計(jì)(6)和模擬發(fā)生器(9)之間還通過帶有第一閥門(10)的管道相連;所述脫氧儲(chǔ)水器⑶出水端的管道上設(shè)有溶氧計(jì)量表⑷,所述模擬發(fā)生器⑶位于管式爐⑶內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的高溫水蒸汽氧化與氧化皮剝落模擬裝置,其特征在于:所述載荷氣體源⑴和脫氧儲(chǔ)水器⑶之間還設(shè)有第二氣體流量計(jì)⑵。
3.如權(quán)利要求1所述的高溫水蒸汽氧化與氧化皮剝落模擬裝置,其特征在于:所述蒸汽發(fā)生組件(5)為兩個(gè)以上蒸汽發(fā)生器并聯(lián)而成,所述脫氧儲(chǔ)水器⑶的出水口通過管道分別和每個(gè)蒸汽發(fā)生器的進(jìn)水口相連,每個(gè)蒸汽發(fā)生器的出氣口通過管道和第一氣體流量計(jì)(6)相連。
4.如權(quán)利要求1所述的高溫水蒸汽氧化與氧化皮剝落模擬裝置,其特征在于:所述氣體增壓組件(7)包括氣體增壓泵、空氣壓縮機(jī)和第二閥門(11),所述氣體增壓泵進(jìn)口端通過帶有第二閥門(11)的管道與第一氣體流量計(jì)(6)相連,氣體增壓泵出口端通過管道與模擬發(fā)生器⑶相連,空氣壓縮機(jī)和氣體增壓泵的驅(qū)動(dòng)氣連接口相連。
5.如權(quán)利要求1所述的高溫水蒸汽氧化與氧化皮剝落模擬裝置,其特征在于:所述管式爐⑶加熱長度為120 cm-180cm,加熱溫度為700°C -1100°C。
全文摘要
一種高溫水蒸汽氧化與氧化皮剝落模擬裝置,包括載荷氣體源⑴、脫氧儲(chǔ)水器⑶、溶氧計(jì)量表⑷、蒸汽發(fā)生組件⑸、第一氣體流量計(jì)⑹、氣體增壓組件⑺、管式爐⑻、模擬發(fā)生器⑼,所述載荷氣體源⑴、脫氧儲(chǔ)水器⑶、蒸汽發(fā)生組件⑸、第一氣體流量計(jì)⑹、氣體增壓組件⑺和模擬發(fā)生器⑼通過管道依次連接,所述第一氣體流量計(jì)⑹和模擬發(fā)生器⑼之間還通過帶有第一閥門⑽的管道相連;所述脫氧儲(chǔ)水器⑶出水端的管道上設(shè)有溶氧計(jì)量表⑷,所述模擬發(fā)生器⑼位于管式爐⑻內(nèi)。其優(yōu)點(diǎn)是在除氧的同時(shí)實(shí)現(xiàn)控氧,可以對(duì)載氣與水蒸氣進(jìn)行任意配比,實(shí)現(xiàn)蒸汽品質(zhì)控制;能夠更加真實(shí)地模擬電廠管道氧化狀態(tài),升高模擬溫度,實(shí)現(xiàn)氧化皮生成和剝落模擬一體化。
文檔編號(hào)G01N17/02GK103234895SQ20131012717
公開日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2013年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月12日
發(fā)明者萬強(qiáng), 楊兵, 王如意, 劉輝東 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)
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