一种防腐蚀性能的测试装置及测试方法与流程

本发明涉及一种防腐蚀性能的测试装置及测试方法。

背景技术：

在化工、冶金、核工业等行业中，某些高温化学过程由于液体物料介质的腐蚀性，使得反应容器需要承受强烈的热腐蚀及化学腐蚀，这样就会影响反应容器的长期安全运行，使得一些工艺流程的发展面临很大的挑战和困难。例如干法后处理技术，是在高温、无水状态下处理辐照核燃料的分离工艺过程，由于高温氟化物熔盐介质的腐蚀性，对工艺设备长期稳定运行带来了挑战，尤其是在以气液反应为主的氟化挥发工艺中，其利用氟气与乏燃料盐中的uf4反应生成易挥发的uf6实现u的分离，反应过程中强氧化性氟气和高温氟盐共存，对材料的腐蚀非常严重。美国橡树岭国家实验室曾经采用氟化挥发法在回收msre(moltensaltreactorexperiment，熔盐反应堆实验)燃料盐过程中，由于f2和熔融的燃料盐双重作用，燃料处理罐的腐蚀速率达到了2.54μm/h。另外由于乏燃料具有放射性，如果设备腐蚀泄漏还会带来安全性问题。

针对这一问题，通过开发性能更优的结构材料来解决是一种方式，但通常需要耗费大量人力物力，并且周期较长，而采用中国专利cn103143308b公开的冷冻熔盐保护层解决腐蚀问题是一种更有效的方式，即利用熔盐低温(低于熔点)凝固的特点，通过传热控制在容器内壁形成冷冻盐层，避免气体、液体与金属壁直接接触。熔盐冷冻壁实质是利用物理隔绝达到防腐蚀目的，但该方法的防腐蚀效果目前尚未在真实环境中验证，因此在熔盐冷冻壁应用于干法后处理工艺前进行防腐蚀效果测试评价很有必要，但在高温熔盐密封体系中开展测试存在一些困难，例如熔盐加载、样品的放置及取出等，为保证操作安全高效，需设计一种合理的测试装置及方法。

技术实现要素：

本发明旨在解决的技术问题在于克服了现有技术中缺乏安全有效、操作方便的评估熔盐冷冻壁对金属器壁的保护效果的方法的缺陷，而提供了一种防腐蚀性能的测试装置及测试方法。

本发明提供了一种防腐蚀性能的测试装置，其包括一加热釜、一冷却棒、一四通连接头、一伸缩波纹管、一探底通气管、一热电偶束、一样品支架和一第一样品固定环，所述加热釜包括配合连接的一釜体和一釜盖，所述釜体的内表面上还设有一加热器，所述冷却棒垂直穿设于所述釜盖的中心处并伸入所述釜体内，所述釜盖将所述冷却棒分为上、下两段，所述冷却棒的顶部还设有一冷却棒升降器，所述冷却棒升降器用于对所述冷却棒及其相连件进行整体上下升降；所述釜盖上还开设有一出气口和一釜盖升降器，所述釜盖升降器用于对所述釜盖及其相连件进行整体上下升降；

所述四通连接头具有上、下、左、右四个通道，所述冷却棒的上段穿设于所述四通连接头的上、下通道内，所述四通连接头的下通道经所述伸缩波纹管与所述釜盖连接，所述伸缩波纹管用于实现所述冷却棒、所述四通连接头相对于所述釜盖的动密封连接；所述探底通气管从所述四通连接头的左通道进入，经弯折后由所述四通连接头的下通道伸至所述釜体的底部，所述热电偶束从所述四通连接头的右通道进入，经弯折后由所述四通连接头的下通道伸入所述釜体内，所述热电偶束包括若干根热电偶；

所述样品支架和所述第一样品固定环依次从所述冷却棒的底部可拆卸地穿设于所述冷却棒的下段，所述样品支架包括一第二样品固定环，所述第二样品固定环环设于所述冷却棒上，所述第二样品固定环还引伸出两个呈中心对称的水平臂，两个水平臂的末端各垂直向下连接一垂直臂，所述垂直臂的末端设有一环形样品台。

较佳地，所述釜体为向上开口的空腔结构，所述釜盖可拆卸地盖合于所述釜体的顶部，所述冷却棒升降器的底端固定于所述釜盖上。

较佳地，所述冷却棒包括一套管式的换热通道、一冷却介质入口和一冷却介质出口，所述套管式的换热通道包括一外管和一平行设于所述外管中的内管，所述外管为上端开口、下端封闭的直管，所述内管为上下端均开口的直管，且所述内管的底部悬设于所述外管的底部上方，以形成一个供冷却介质流通的空间，所述冷却介质入口与所述外管的顶部相连通，所述冷却介质出口与所述内管的顶部相连通，从而实现外管进入的冷却介质从底部进入内管，然后从内管顶部的冷却介质出口流出。

所述冷却棒可通入水、导热油或气体等换热介质在所述冷却棒内与釜体内的高温熔盐进行热交换，降低冷却棒表面温度，让试样表面的熔盐凝固并形成保护层。

较佳地，所述釜盖升降器和所述冷却棒升降器的动力为电动或气动。

较佳地，所述探底通气管为不锈钢管。

较佳地，所述热电偶束包括4根等距间隔设置的热电偶。

较佳地，所述热电偶包括一温度感应端和一连接端，所述温度感应端伸入所述釜体内，并贴设在测试样品的表面，所述连接端还与用于显示温度的仪表连接，用于将测得的熔盐温度反馈至显示仪表，以判断冷冻盐层厚度及对样品的保护状态。

较佳地，所述四通连接头的上、下、左、右四个通道对应设有上、下、左、右四个法兰，所述伸缩波纹管为一中空管状的弹性结构，所述伸缩波纹管设有上、下两个法兰，所述伸缩波纹管的下法兰固定连接在所述釜盖上，所述伸缩波纹管的上法兰与所述四通连接头的下法兰连接，从而使冷却棒、四通连接头、探底通气管、热电偶束、样品支架、第一样品固定环及伸缩波纹管的上法兰形成为一个整体，可通过冷却棒升降器实现整体上下升降，实现在不开启釜盖的情况下使冷却棒浸入或脱离熔盐液面，升降过程依靠伸缩波纹管的伸缩以保证系统动密封，比传统的油封或填料密封的动密封结构效果更好。

较佳地，釜盖升降器与釜盖连接，用于对釜盖及其相连件进行整体上下升降，所述相连件包括所述冷却棒、所述伸缩波纹管、所述四通连接头和所述热电偶束。

本发明还提供了一种防腐蚀性能的测试方法，其采用上述测试装置进行，所述测试方法包括以下步骤：

s1、将釜盖升降器向上升起打开釜盖，将固体盐装载入加热釜内；

s2、将伸缩波纹管、四通连接头及冷却棒安装固定在釜盖上，冷却棒升降器升至最高位置，安装好样品支架和第一样品固定环，并在第一样品固定环、第二样品固定环和两个环形样品台上各放置一测试样品，并将热电偶分别贴设在该些测试样品的表面；

s3、将釜盖升降器下降使釜盖与釜体盖合并密封，开启加热器将固体盐全部熔融；

s4、将冷却棒升降器下降至使两个环形样品台和第一样品固定环上的测试样品均浸泡在熔盐液面以下；

s5、保持加热釜壁面温度恒定，在冷却棒中通入冷却介质，使第一样品固定环上的测试样品的温度降至熔盐熔点之下，而两个环形样品台和第二样品固定环的测试样品的表面温度均高于熔盐熔点；

s6、向熔盐中采用探底通气管通入工艺气进行气液鼓泡反应，尾气从出气口排出；

s7、达到测试时间后，停止通入工艺气，停止向冷却棒中通入冷却介质，维持加热釜的加热温度；

s8、待熔盐中所有热电偶的温度均高于熔盐熔点之后，将冷却棒升降器升至最高位置，使所有测试样品均脱离熔盐液面，关闭加热器，使加热釜自然冷却至室温；

s9、将釜盖升降器升起，打开釜盖，取出所有测试样品，清洗干净后进行腐蚀性能分析。

步骤s5中，所述冷却介质较佳地为水、导热油或空气。

经过步骤s5处理后，测试样品分为三种，第一种为冷冻壁保护状态下的环形待测样品，其悬挂于所述第一样品固定环上，通过冷却棒内冷却介质作用在环形测试样品的表面形成凝固熔盐，获得熔盐冷冻壁对样品的保护状态；第二种为两个浸泡在熔盐中的液相对比样品，其分别悬挂于两个所述环形样品台上；第三种为暴露于液面上部气相中的气相对比样品，其悬挂于所述第二样品固定环上。

较佳地，三个测试样品均为环形金属块或均为环形石墨块，例如ss316l不锈钢。

步骤s6的气液鼓泡反应的目的是在高温熔盐及工艺气氛围中进行腐蚀实验。

步骤s9中，腐蚀性能分析一般是指采用重量、表面形态等表征手段，从而分析对比各个试样的腐蚀程度。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明的积极进步效果在于：本发明将为评估熔盐冷冻壁这种依靠物理隔绝方式所能达到的防腐蚀效果提供一种准确的实验测试方法，并较好解决高温密闭熔盐环境下实验操作困难，实现冷态放样，冷态取样，确保测试安全高效。

(1)利用中心冷却棒的方式获得测试样品被熔盐冷冻壁保护状态，与液相、气相中的对比样品同时在相同腐蚀环境中测试，为评估熔盐冷冻壁这种依靠物理隔绝方式所能达到的防腐蚀效果提供了一种准确的实验测试方法；

(2)测试过程避免了高温操作，实现冷态放样，冷态取样，测试时全密闭体系防止了系统内有毒有害气体溢出对污染环境以及对操作人员的伤害。

附图说明

图1为本发明实施例1的测试装置的结构示意图。

图2为实施例1中冷却棒的结构示意图。

图3为实施例1中样品支架的结构示意图。

图4为实施例1中四通连接头处的结构示意图

图5为实施例1中伸缩波纹管的结构示意图。

图6为实施例1中的冷却棒在测试过程中的结构示意图。

图7为实施例1中冷却棒、四通连接头、伸缩波纹管、样品支架和第一样品固定环的组装示意图。

附图标记说明如下：

加热釜1

釜体101

加热器102

釜盖103

伸缩波纹管104

四通连接头105

出气口106

熔盐液面107

冷却棒2

换热通道201

冷却介质入口202

冷却介质出口203

环形待测样品204

第一样品固定环205

熔盐冷冻层206

样品支架3

液相对比样品301

气相对比样品302

第二样品固定环303

环形样品台304

热电偶束4

探底通气管5

釜盖升降器6

冷却棒升降器7

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1

如图1～7所示，本实施例提供了一种测试装置，该测试装置包括一加热釜1、一冷却棒2、一四通连接头105、一伸缩波纹管104、一探底通气管5、一热电偶束4、一样品支架3和一第一样品固定环205，所述加热釜1包括配合连接的一釜体101和一釜盖103，所述釜体101的内表面上还设有一加热器102，所述冷却棒2垂直穿设于所述釜盖103的中心处并伸入所述釜体101内，所述釜盖103将所述冷却棒2分为上、下两段，所述冷却棒2的顶部还设有一冷却棒升降器7，所述冷却棒升降器7用于对所述冷却棒2及其相连件进行整体上下升降；所述釜盖103上还开设有一出气口106和一釜盖升降器6，所述釜盖升降器6用于对所述釜盖103及其相连件进行整体上下升降。

所述四通连接头105具有上、下、左、右四个通道，所述冷却棒2的上段穿设于所述四通连接头105的上、下通道内，所述四通连接头105的下通道经所述伸缩波纹管104与所述釜盖103连接，所述伸缩波纹管104用于实现所述冷却棒2、所述四通连接头105相对于所述釜盖103的动密封连接；所述探底通气管5从所述四通连接头105的左通道进入，经弯折后由所述四通连接头105的下通道伸至所述釜体101的底部，所述热电偶束4从所述四通连接头105的右通道进入，经弯折后由所述四通连接头105的下通道伸入所述釜体101内，所述热电偶束4包括4根等距间隔设置的热电偶。

所述样品支架3和所述第一样品固定环205依次从所述冷却棒2的底部可拆卸地穿设于所述冷却棒2的下段，所述样品支架3包括一第二样品固定环303，所述第二样品固定环303环设于所述冷却棒2上，所述第二样品固定环303还引伸出两个呈中心对称的水平臂，两个水平臂的末端各垂直向下连接一垂直臂，所述垂直臂的末端设有一环形样品台304。

所述釜体101为向上开口的空腔结构，所述釜盖103可拆卸地盖合于所述釜体101的顶部，所述冷却棒升降器7的底端固定于所述釜盖103上。

所述冷却棒2包括一套管式的换热通道201、一冷却介质入口202和一冷却介质出口203，所述套管式的换热通道201包括一外管和一平行设于所述外管中的内管，所述外管为上端开口、下端封闭的直管，所述内管为上下端均开口的直管，且所述内管的底部悬设于所述外管的底部上方，以形成一个供冷却介质流通的空间，所述冷却介质入口202与所述外管的顶部相连通，所述冷却介质出口203与所述内管的顶部相连通，从而实现外管进入的冷却介质从底部进入内管，然后从内管顶部的冷却介质出口203流出。

所述冷却棒2可通入水、导热油或气体等换热介质在所述冷却棒2内与釜体101内的高温熔盐进行热交换，降低冷却棒2表面温度，让环形待测样品204的表面熔盐凝固并形成保护层。

所述釜盖升降器6和所述冷却棒升降器7的动力为电动。所述探底通气管5为不锈钢管。所述热电偶束4包括4根等距间隔设置的热电偶。

所述热电偶包括一温度感应端和一连接端，所述温度感应端伸入所述釜体101内，并贴设在测试样品的表面，所述连接端还与用于显示温度的仪表连接，用于将测得的熔盐温度反馈至显示仪表，以判断冷冻盐层厚度及对样品的保护状态。

所述四通连接头105的上、下、左、右四个通道对应设有上、下、左、右四个法兰，所述伸缩波纹管104为一中空管状的弹性结构，其设有上、下两个法兰，下法兰固定连接在所述釜盖103上，上法兰与四通连接头105的下法兰连接，从而使冷却棒2、四通连接头105、探底通气管5、热电偶束4、样品支架3、第一样品固定环205及伸缩波纹管104的上法兰形成为一个整体，可通过冷却棒升降器7实现整体上下升降，实现在不开启釜盖103的情况下使冷却棒2浸入或脱离熔盐液面107，升降过程依靠伸缩波纹管104的伸缩以保证系统动密封，比传统的油封或填料密封的动密封结构效果更好。

釜盖升降器6与釜盖103连接，用于对釜盖103及其相连件进行整体上下升降，所述相连件包括所述冷却棒2、所述伸缩波纹管104、所述四通连接头105和所述热电偶束4。

参考图1、6、7所示，冷却棒2贯穿釜盖103后与四通连接头105的上部连接固定，样品支架3套在冷却棒2上后通过第二样品固定环303的螺丝锁死，将热电偶束4的各支热电偶布局在环形待测样品204、液相对比样品301及气相对比样品302表面。当环形待测样品204及液相对比样品301均处于熔盐液面107之下后，从冷却棒2中的冷却介质入口202通入冷却介质，并由冷却介质出口203连续流出，环形待测样品204表面温度降低，逐渐形成熔盐冷冻层206，环形待测样品204被保护，与液相隔绝，液相对比样品301处于熔盐中，气相对比样品302处于熔盐上部气相中，热电偶束4监控各样品表面温度。通过控制加热釜1温度及冷却棒2中冷却介质，维持以上各样品所处状态，从探底通气管5通入工艺气进行鼓泡，即在高温熔盐气液反应环境中进行腐蚀实验。达到所需测试时间后，停止通入工艺气，停止向冷却棒2中通入冷却介质，保持加热釜1加热温度，当热电偶束4温度均高于熔点之后，将冷却棒升降器7升至最高位，关闭加热釜1加热电源，自然冷却至室温，将釜盖升降器6升起，取出所有测试样品，清洗干净后进行重量、表面形态等表征。

实施例2

本实施例为采用实施例1的测试装置进行防腐蚀性能测试的具体实施例，所用熔盐为flinak熔盐，测试方法包括以下步骤：

s1、将釜盖升降器6向上升起打开釜盖103，将4公斤46.5-11.5-42mol％的lif-naf-kf固体盐(熔点454℃)装载进加热釜1内；

s2、将伸缩波纹管104、四通连接头105及冷却棒2安装固定在釜盖103上，冷却棒升降器7升至最高位，安装好样品支架3及测试样品，测试样品材质均为ss316l不锈钢，将测温热电偶调整至各样品表面；

s3、将釜盖升降器6下降与釜体101安装密封，开启加热器102升温至550℃并保温，使固体盐全部熔融，液体高度约100mm；

s4、将冷却棒升降器7下降，停留在液面之下70mm处，使所有试样浸泡在熔盐之中，达到稳定后各热电偶温度均在550℃左右；

s5、保持加热釜1壁面温度为550℃，向冷却棒2中通入空气，入口温度为25℃，流量为3m³/h，冷却棒2上的环形待测样品204表面温度逐渐下降，经过一段时间冷却，环形待测样品204表面温度降至410℃，表明其表面形成了熔盐冷冻层206，达到保护状态。调整并维持加热釜1壁面温度为540℃，冷却棒2空气温度为25℃，流量为3m³/h，根据温度判断环形待测样品204表面冷冻盐厚度为12mm，此时液相对比样品301的表面温度为500℃，气相对比样品302的表面温度为440℃；

s6、向熔盐中通入f2进行气液鼓泡，流量为0.2l/min，在高温熔盐及f2氛围中进行腐蚀实验，测试过程控制传热确保热电偶束4各温度的稳定，以维持各样品所处状态；

s7、经过24h实验测试后，停止通入f2，停止向冷却棒2中通入空气，保持加热釜1加热温度550℃；

s8、2h后，所有热电偶温度均达到550℃，将冷却棒升降器7升至最高位，使样品支架3、第一样品固定环205及试样均脱离熔盐液面107，关闭加热釜1电源，系统自然冷却至室温；

s9、将釜盖升降器6升起，打开加热釜1，取出所有试样，清洗干净，通过重量变化、表面形态等表征，被熔盐冷冻层206保护的环形待测样品204的腐蚀程度较轻，而液相对比样品301和气相对比样品302的腐蚀较严重。

具体来说，经测试，被冷冻壁保护的环形待测样品204的腐蚀速率为0.01μm/h，气相对比样品302的腐蚀速率为0.18μm/h，液相对比样品301的腐蚀速率为2.5μm/h。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。