[发明专利]一种锅炉水冷壁高温腐蚀预测及寿命评估方法

权利要求书

1.一种锅炉水冷壁高温腐蚀预测及寿命评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：建立水冷壁高温腐蚀反应模型，确定腐蚀反应的化学反应以及影响反应速率的影响因素；

S2：根据步骤S1中建立的反应模型，结合腐蚀反应的反应机理，确定H₂S在反应界面的扩散速率和化学反应速率；

S3：通过守恒原理计算腐蚀过程中锅炉水冷壁的金属基体厚度的变化规律，建立腐蚀物理量与时间之间的函数关系；

S4：根据电站锅炉水冷壁的安全运行要求，建立腐蚀寿命评估准则，计算出指定情况下水冷壁金属基体的最大寿命；

步骤S1中，所述建立水冷壁高温腐蚀反应模型，确定腐蚀反应的化学反应以及影响反应速率的影响因素的过程包括以下步骤：

基于硫化氢与金属铁发生的化学反应：H₂S+Fe→FeS+H₂建立水冷壁高温腐蚀反应模型，其中，设整个腐蚀周期内，生成的腐蚀产物FeS不脱落，一直附着在金属基体的表面，并且腐蚀产物FeS同时向气体方向和金属基体方向生长，L_b为水冷壁的金属基体的初始厚度，L_i为t时刻未被腐蚀的金属基体厚度，L₀为t时刻经过腐蚀后的锅炉水冷壁的整体厚度，所述经过腐蚀后的锅炉水冷壁包括未被腐蚀的金属基体和已生长的腐蚀产物层；

所述影响反应速率的影响因素包括：腐蚀性气体H₂S通过固相腐蚀产物层向金属基体方向的扩散速度，硫化氢与金属铁在反应界面的化学反应速率；

步骤S2中，所述根据步骤S1中建立的反应模型，结合腐蚀反应的反应机理，确定H₂S在反应界面的扩散速率和化学反应速率的过程包括以下步骤：

S21：结合下述公式计算H₂S在反应界面上的扩散速率：

其中，J为H₂S气体扩散通量，单位为mg/(m²·s)；D为H₂S气体在腐蚀产物FeS层的扩散系数，单位为m²/s；C为H₂S气体浓度，单位为mg/Nm³；dC/dL为H₂S气体沿金属层厚度方向的浓度梯度；

取边界条件：(a)L＝L_i，C＝C_i；(b)L＝L₀，C＝C₀，对上式积分可得：

S22：结合下述公式计算H₂S在反应界面上的化学反应速率：

其中，m_H2S为参与化学反应的H₂S气体的质量，单位为mg；K为化学反应本征速度，单位为m/s；S为金属暴露于腐蚀性气氛中的表面积，单位为m²；

S23：在腐蚀过程中，将扩散通量J表示为：

S24：联立前述所有公式，将C_i消去得：

步骤S3中，所述通过守恒原理计算腐蚀过程中锅炉水冷壁的金属基体厚度的变化规律，建立腐蚀物理量与时间之间的函数关系的过程包括以下步骤：

S31：根据主要化学反应方程式可知，参加反应的H₂S和Fe的摩尔数相同，结合下述公式计算未被腐蚀的金属基体厚度的变化情况：

其中，M_H2S为H₂S的摩尔质量，单位为g/mol；ρ_Fe为金属Fe的密度，单位为kg/m³；M_Fe为Fe的摩尔质量，单位为g/mol；

S32：根据主要反应方程式可知，参与反应的Fe的摩尔量等于生成FeS的摩尔量，即：

n_Fe＝n_FeS

等价于：

化简得：

S33：建立腐蚀物理量与时间之间的函数关系，可得：

积分得到：

采用边界条件：t＝0，Li＝Lb代入解得C＝0；

S34：将已腐蚀层占初始金属厚度值定义成金属的平均腐蚀率X：

计算金属平均腐蚀率X与时间t的函数关系：

其中，V_Fe为Fe的摩尔体积，m³/mol×10³；V_FeS为FeS的摩尔体积，m³/mol×10³；

步骤S4中，所述根据电站锅炉水冷壁的安全运行要求，建立腐蚀寿命评估准则，计算出指定情况下水冷壁金属基体的最大寿命的过程包括以下步骤：

根据电站锅炉水冷壁的安全运行要求，计算得到对应的高温腐蚀的评估准则阈值Φ，当金属的平均腐蚀率X大于Φ时，认为锅炉水冷壁金属已超过使用寿命，面临水冷壁爆管的风险；

令X＝Φ，计算得到对应安全运行要求下，锅炉水冷壁金属安全使用的最大寿命值。