[发明专利]一种超临界水蒸汽氧化试验装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属材料水蒸汽氧化试验装置，该装置的主要功能是：可在实验室条件下实现模拟超（超）临界参数锅炉元件内的高温高压水蒸汽环境，用于研究金属材料在超临界水蒸汽环境中的氧化行为以及评价材料的抗水蒸汽氧化性能。

背景技术

由于超临界水蒸汽具有比空气更强的氧化性，电站锅炉过热器、再热器、蒸汽管道等部件在运行过程中往往发生内壁严重氧化。在机组启停过程中剥落的氧化皮会堵塞弯头、阻碍气流流动导致锅炉超温爆管，汽流携带的氧化物颗粒进入汽轮机会引起汽轮机喷嘴、前级叶片固体颗粒冲蚀等问题，危害锅炉安全运行。为提高发电效率，机组设计参数还在不断提高，水蒸汽氧化问题今后会变得更加突出，在当前广泛运行的超（超）临界电站中，水蒸汽氧化导致的事故大量发生。为研究和解决水蒸汽氧化问题，国内外的科研工作者开展了大量的实验室试验和分析工作，但是普遍受到试验设备条件的制约，主要困难是如何同时达到超（超）临界锅炉水蒸汽的高压(>22.5MPa)、高温（566～620℃）、流动三方面的热工条件，以及给水溶氧量控制的要求。经过调研，总结现有设备有如下缺点：

（1）实验室中常用的高温反应釜工作压力往往较低，达不到超临界水蒸汽压力，并且反应釜为封闭结构，可认为是静止气氛，其中水蒸汽品质会由于反应产物积聚而发生破坏。

（2）实验室中较多的是运行于低压条件下循环流动的水蒸汽氧化试验装置，例如：专利CN 101118211 B《高温蒸汽氧化试验装置》，去离子水经除氧由计量泵传输，经预热炉加热成为高温蒸汽，送往反应炉，排出的蒸汽经冷凝器，再回收处理，由于系统压力不高，技术上易于实现。专利CN 10162661 B《金属材料高温水蒸汽氧化实验装置》也基本类似，只是通过蒸汽发生器产生蒸汽，依靠水不断汽化膨胀产生的压力推动蒸汽流动。这些工作对于试验研究带来不少帮助，但是不具备高压条件，试验工艺无法模拟实际工况，试验结果说服力不够。

（3）国外只有个别实验室建立可以实现超（超）临界蒸汽条件的试验设备，例如：美国NETL实验室的蒸汽氧化装置（I. Wright, Clean Coal Technology Advanced Materials Program-Overview of Steam Oxidation Task, Presentation at 23rd Annual Conference on Fossil Energy Materials, NETL, 2009.）；美国Wisconsin–Madison大学超临界水氧化装置（L. Tan, X. Ren, K. Sridharan, T.R. Allen, Corrosion Behavior of Ni-base Alloys for Advanced High Temperature Water-Cooled Nuclear Plants, Corrosion Science, 50(2008) 3056–3062.）；日本Nippon Steel公司（Y. Otoguro, M.Sakakibara, T. Saito, H. Ito, Y. Inoue, Oxidation Behavior of Austenitic Heat-resisting Steels in a High Temperature and High Pressure Steam Environment, Transactions ISIJ, Vol. 28, 1988, pp. 761-768.）的实验台。国内见于报道的有浙江工业大学研制了用于废水处理的超临界水氧化实验装置（王保峰，卢建树，张九渊，超临界水氧化实验装置的建立，浙江工业大学学报，Vol.29, No.1, 2001, pp.1-4.），但其工作参数只能达到25MPa/450℃，远低于电站锅炉的超（超）临界蒸汽条件。上述装置在过程实现上的基本特征是：依靠高压泵和背压阀组合实现高压条件、试样置于反应釜中、水通过多个加热炉（或加热套）分级加热至规定温度、排出的蒸汽经水冷排出或用于预热给水管路之后再水冷。但是，上述装置要普遍适用于常规实验室，还是存在不少技术问题需要解决，如：

1）高温高压反应容器采用耐热钢或合金锻件制造难度大且造价昂贵；

2）介质多个加热器加热效率不高；

3）排出的高温高压蒸汽直接水冷需要较纯净的去离子水使成本增加（自来水冷却容易导致高压管道应力腐蚀）；

4）排出的高温高压蒸汽直接进入背压阀则要求选用特殊的耐高温背压阀，成本高，可靠性下降；