一种受力作用下超临界二氧化碳腐蚀实验装置及方法与流程

本发明涉及材料腐蚀性能实验装置，具体涉及一种测试受力条件耐热管超临界二氧化碳腐蚀性能的实验装置及方法。

背景技术：

超临界流体指温度与压力处于其临界点以上的兼具液体和气体性质的流体。二氧化碳的临界温度是30.98℃，临界压力是7.38mpa。超临界二氧化碳具有良好的传递性和快速移动能力，其密度与液体接近，高密度增加了流体的压强；超临界循环利用二氧化碳在临界附近的物性，减小压缩功，大幅度提高回热效率。超临界二氧化碳循环发电系统具有能量转化效率高、关键部件和系统所占空间小和经济性显著等优点。相对于传统蒸汽工质的朗肯循环，超临界二氧化碳循环发电技术优势显著，被认为是新兴能源领域最具应用前景的能量转换系统之一，该技术在新型燃气轮机、核电、火力发电以及太阳能发电等方面应用前景广阔。华能集团赵毅提出超临界二氧化碳布雷顿循环600℃条件下可以达到传统超超临界蒸汽朗肯循环700℃的效率，有效地避免开发高温合金，同时具有极佳的节水作用，并能利用捕集的温室气体二氧化碳，进一步实现煤炭清洁高效利用。

超临界二氧化碳循环发电技术不仅减少了二氧化碳的捕捉及封存带来的成本及威胁，而且大幅度提高化石燃料能源利用效率，具有颠覆性的意义。虽然目前国内外没有商业化运行的发电机组，但在超临界二氧化碳循环体系中，二氧化碳工质与关键部件直接接触，系统的高效安全运行依赖于工质与材料间的稳定性。同时，与现役发电机组水蒸气工质的腐蚀行为相似，为保证新型发电循环系统的高效安全运行，系统关键部位材料的腐蚀成为关键因素之一。基于超临界火电机组蒸汽侧氧化皮严重剥落的前车之鉴，研究超临界二氧化碳中耐热材料的腐蚀行为可有效避免由腐蚀引起的非计划停炉，具有重要科学意义。目前研究耐热材料抗超临界二氧化碳腐蚀性能停留在挂片研究，挂片实验在材料遴选方面具有一定的意义，但是忽略了超临界流体对耐热钢管的力学作用，无法真正评估耐热材料的抗腐蚀性能。因此，迫切需要设计和搭建真实受力条件下超临界二氧化碳腐蚀性能测试的实验装置。

技术实现要素：

针对目前超临界二氧化碳腐蚀装置中试样缺乏力学作用的问题，本发明提出了一种受力作用下超临界二氧化碳腐蚀实验装置及方法，是一套模拟耐热管受力条件下其腐蚀性能测试的实验装置；本发明选用真实耐热管作为管式反应器，利用超临界流体泵和预热器获得超临界二氧化碳流体，进而进行真实受力条件下耐热材料腐蚀性能测试。

为了达到上述目的，本发明所采取的技术方案如下：

一种受力作用下超临界二氧化碳腐蚀实验装置，包括通过耐腐蚀管路依次连接的二氧化碳气路系统、超临界流体泵3、预热器5、管式反应器18、冷凝器15和尾气处理装置19；所述二氧化碳气路系统包括二氧化碳气源1和控制流速的质量流量计2；二氧化碳气源1经质量流量计2后与超临界流体泵3相连接；超临界流体泵3经过第一球阀4后与预热器5入口连通；预热器5出口与管式反应器18入口连通；管式反应器18出口与冷凝器15入口连通，冷凝器15出口通过背压阀16和第二球阀17连通尾气处理装置19，反应后的二氧化碳经背压阀16和球阀17后进入尾气处理装置19；预热器5上安装有用于监测控制预热器加热温度的第一热电偶6和预热器管内温度的第二热电偶7；管式反应器18中的实验管段采用真实耐热管段，采用管式加热炉13加热管式反应器18；管式反应器18上安装有用于控制管式反应器18管壁温度的第三热电偶11和第四热电偶12以及管式反应器18内部温度的第五热电偶10；管式反应器18入口和出口安装测定管内压力的第一压力表8和第二压力表14。

所述管式反应器18入口和出口采用卡扣式法兰9密封连接，提高系统安全性与稳定性。

所述二氧化碳气路系统中，二氧化碳气源1为99.9999％超纯二氧化碳，用于研究理想条件下超临界二氧化碳腐蚀；或为含有微量0.0001％～0.01％杂质气体的高纯二氧化碳，用于研究含杂质条件下超临界二氧化碳的腐蚀。

通过超临界流体泵3和第二压力表14调节管式反应器18的压力，获得超临界二氧化碳腐蚀气氛。

通过管式加热炉13和管式反应器18内置的第五热电偶10控制管式反应器18温度，使得管式反应器18内气体参数达到超临界状态，温度和压力同时处于31.1℃～750℃和7.38mpa～25mpa范围内。

管式反应器18中的耐热管段由一种材料或多种材料的多段耐热管对接焊接组成，能够同时对一种或多种耐热管及焊材进行超临界二氧化碳腐蚀试验；耐热管内壁进行喷丸或酸洗表面处理方式，以测试不同表面状态下耐热管抗超临界二氧化碳腐蚀性能。

管式反应器18用于测试超临界二氧化碳流体均匀应力下和非均匀应力下的腐蚀，其中非均匀应力下管式反应器18采用耐热弯管代替耐热直管作为反应器。

实验后气体经冷凝器15后直接排出到尾气处理装置19中，避免了循环超临界腐蚀实验系统中的再处理过程，提高经济性。

所述受力作用下超临界二氧化碳腐蚀实验装置的实验方法，包括如下步骤：

1)实验装置运行前的准备工作：首先检查气源，确保二氧化碳气源1稳定不漏气，然后将管式反应器18安装至管式加热炉13中，之后打开背压阀16和球阀17利用二氧化碳排空实验装置，设置恒压模式的超临界流体泵3；

2)设置质量流量计2的流速，打开第一球阀4、第二球阀17和背压阀16，并打开冷凝装置15，之后打开二氧化碳气源1，使整个装置流通二氧化碳；

3)分别打开预热器5和管式加热炉13，设置实验温度后开始加热，第二热电偶7和第五10分别用于控制预热器5和管式反应器18的温度，使其处于实验设置温度；

4)通过第一压力表8和第二压力表14监控压力，调节超临界流体泵3使压力处于实验设定压力；

5)腐蚀实验结束后，关闭预热器5和管式加热炉13，待温度降至二氧化碳露点左右即3540℃，关闭超临界流体泵3、冷凝装置15、二氧化碳气源1和质量流量计2，关闭第一球阀4、第二球阀17和背压阀16之后取出耐热管并对其进行微观表征。

与现有测试装置相比，本发明具有以下一些显著优点：

(1)本发明受力作用下超临界二氧化碳腐蚀实验装置突破已有的挂片实验方式，将试样悬挂于高温高压釜中，而本发明则采用耐热管作为反应器，能够实现真实受力作用下超临界二氧化碳对耐热材料腐蚀及材料腐蚀性能的测试。

(2)本发明实验装置可同时对耐热材料及其焊接材料进行受力条件下超临界二氧化碳腐蚀试验，且腐蚀受力环境更接近于耐热材料服役环境。

(3)本发明实验装置可同时开展受力作用下耐热管内壁不同表面处理方式的抗二氧化碳腐蚀试验。

(4)本发明中所用的实验装置操作简单，可长时连续运行，从而获得耐热材料长周期运行下的腐蚀数据。

附图说明

图1是本发明实验装置结构示意图。

图2是本发明的u型管管式加热炉结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步地具体详细描述：

如图1所示，本发明一种受力作用下超临界二氧化碳腐蚀实验装置，其特征在于：包括通过耐腐蚀管路依次连接的二氧化碳气路系统、超临界流体泵3、预热器5、管式反应器18、冷凝器15和尾气处理装置19；所述二氧化碳气路系统包括二氧化碳气源1和控制流速的质量流量计2；二氧化碳气源1经质量流量计2后与超临界流体泵3相连接；超临界流体泵3经过第一球阀4后与预热器5入口连通；预热器5出口与管式反应器18入口连通；管式反应器18出口与冷凝器15入口连通，冷凝器15出口通过背压阀16和第二球阀17连通尾气处理装置19，反应后的二氧化碳经背压阀16和球阀17后进入尾气处理装置19；预热器5上安装有用于监测控制预热器加热温度的第一热电偶6和预热器管内温度的第二热电偶7；管式反应器18中的实验管段采用真实耐热管段，采用管式加热炉13加热管式反应器18；管式反应器18上安装有用于控制管式反应器18管壁温度的第三热电偶11和第四热电偶12以及管式反应器18内部温度的第五热电偶10；管式反应器18入口和出口安装测定管内压力的第一压力表8和第二压力表14。

本发明的工作步骤：

1)实验装置运行前的准备工作：首先检查气源，确保二氧化碳气源1稳定不漏气，然后将管式反应器18安装至管式加热炉13中，之后打开背压阀16和球阀17利用二氧化碳排空实验装置，设置恒压模式的超临界流体泵3；

2)设置质量流量计2的流速，打开第一球阀4、第二球阀17和背压阀16，并打开冷凝装置15，之后打开二氧化碳气源1，使整个装置流通二氧化碳；

3)分别打开预热器5和管式加热炉13，设置实验温度后开始加热，第二热电偶7和第五10分别用于控制预热器5和管式反应器18的温度，使其处于实验设置温度；

4)通过第一压力表8和第二压力表14监控压力，调节超临界流体泵3使压力处于实验设定压力；

5)腐蚀实验结束后，关闭预热器5和管式加热炉13，待温度降至二氧化碳露点左右即35—40℃，关闭超临界流体泵3、冷凝装置15、二氧化碳气源1和质量流量计2，关闭第一球阀4、第二球阀17和背压阀16之后取出耐热管并对其进行微观表征。