一種用于電站鍋爐過熱器管高溫腐蝕實(shí)驗及表征的方法
【專利摘要】一種用于電站鍋爐過熱器管高溫腐蝕實(shí)驗及表征的方法，屬于高溫應(yīng)力腐蝕【技術(shù)領(lǐng)域】。選擇用于鍋爐過熱器管的同種金屬材料，根據(jù)材料所受應(yīng)力大小確定試樣尺寸及精度，通過精加工制備具有一定公差范圍的圓筒和圓棒，將圓筒和圓棒裝配在一起時產(chǎn)生一定的過盈配合，能保證產(chǎn)生所需要的應(yīng)力。對試樣進(jìn)行高溫腐蝕后，統(tǒng)計一定腐蝕條件下試樣的非均勻腐蝕深度，然后通過矩估計法估算出最大腐蝕深度，以此為依據(jù)表征非均勻腐蝕的程度,對高溫腐蝕后的試樣進(jìn)行非均勻腐蝕程度的評價。根據(jù)實(shí)驗結(jié)果對過熱器管材料在高溫腐蝕環(huán)境及應(yīng)力狀態(tài)下的適用性進(jìn)行評價。本發(fā)明的制備方法簡單，成本低，適用于鍋爐過熱器管的高溫應(yīng)力腐蝕實(shí)驗。
【專利說明】一種用于電站鍋爐過熱器管高溫腐蝕實(shí)驗及表征的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于高溫應(yīng)力腐蝕【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種用于電站鍋爐過熱器管高溫腐 蝕實(shí)驗及表征的方法，用于電廠鍋爐過熱器管在高溫腐蝕環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕實(shí)驗方法及非 均勻腐蝕程度的評價方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 在電廠中，電站鍋爐四管（過熱器管、再熱器管、省煤器管、水冷壁管）的安全運(yùn) 行，是保證電站正常運(yùn)行的先決條件。這些管道長期處于高溫水或水蒸氣的壓力和煤燃燒 環(huán)境中，因此需要有較好的高溫組織穩(wěn)定性，同時具有較高的持久強(qiáng)度和耐高溫腐蝕性能， 尤其是過熱器和再熱器管道。過熱器管是在一定的應(yīng)力狀態(tài)、一定的溫度和一定的腐蝕環(huán) 境中服役的。常用的過熱器管一般為珠光體耐熱鋼、馬氏體耐熱鋼和奧氏體耐熱鋼，如新 型9%?12%〇、了91、了92、冊3(：、了？304!^?347!1和5即61304!1，以及一些鎳基高溫合金如 Inconel617、Inconel690、Inconel671 等。
[0003] 過熱器管外壁長期暴露在煤燃燒環(huán)境中，受到煤灰和煙氣腐蝕。管道材料在使用 前通常要進(jìn)行一定腐蝕條件下的模擬實(shí)驗，從而對材料的適用性進(jìn)行評價。實(shí)驗室中，通 常是對煤粉鍋爐中的成灰條件進(jìn)行還原，但高溫腐蝕與金屬管所受的應(yīng)力及壁溫的關(guān)系密 切，應(yīng)力越大、壁溫升高，腐蝕加重，這些在實(shí)驗室模擬時都不能得到充分的還原，使評價結(jié) 果與實(shí)際工況不符。
[0004] 過熱器管的高溫腐蝕，是管內(nèi)蒸汽壓力和管外向火側(cè)的煤灰/煙氣腐蝕的共同作 用。現(xiàn)有的高溫腐蝕實(shí)驗，是在沒有應(yīng)力下的純高溫腐蝕，或通過應(yīng)力環(huán)對金屬材料進(jìn)行加 載的腐蝕；這些無法保證載荷的精確度及高溫時應(yīng)力的恒定。所用的煤灰也是模擬的合成 煤灰，與實(shí)際煤灰有一定的差距。
[0005] 另外，高溫腐蝕動力學(xué)研究中，通常采用氧化增重或增厚作為評定腐蝕程度的指 標(biāo)，忽視了高溫腐蝕存在點(diǎn)蝕或沿晶界腐蝕的現(xiàn)實(shí)。因此高溫腐蝕程度的表征需要把不均 勻腐蝕的局部性和嚴(yán)重性表示出來。
[0006] 目前，常規(guī)的應(yīng)力腐蝕實(shí)驗方法存在以下不足：
[0007] 1、利用應(yīng)力環(huán)加載，無法保證載荷的精確度及高溫時應(yīng)力的恒定；
[0008] 2、不同材料間常溫下產(chǎn)生的應(yīng)力，高溫時會發(fā)生變化，常溫下的應(yīng)力腐蝕實(shí)驗結(jié) 果，與高溫下的應(yīng)力腐蝕環(huán)境相差很多，不能有效地評價材料的適用性，導(dǎo)致實(shí)驗結(jié)果產(chǎn)生 誤差；
[0009] 3、過熱器管材的高溫腐蝕，是在管內(nèi)蒸汽壓力作用下的高溫應(yīng)力腐蝕，現(xiàn)有的高 溫腐蝕評價是在沒有應(yīng)力下的純高溫腐蝕或利用應(yīng)力環(huán)加載；
[0010] 4、鍋爐管的高溫腐蝕實(shí)驗中，所用的煤灰是模擬的合成煤灰，與實(shí)際煤灰有一定 的差距；
[0011] 5、目前對鍋爐管候選材料高溫腐蝕的評價，采用均勻腐蝕的方法進(jìn)行評價，與實(shí) 際嚴(yán)重的非均勻腐蝕不符。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明的目的在于提供一種用于電站鍋爐過熱器管高溫腐蝕實(shí)驗及表征的方法， 解決了常規(guī)高溫腐蝕實(shí)驗與實(shí)際工況不符、實(shí)驗缺少應(yīng)力的問題。在實(shí)際煤灰和模擬煙氣 環(huán)境中，對超超臨界鍋爐過熱器管材料進(jìn)行高溫應(yīng)力腐蝕環(huán)境的模擬，并對金屬的非均勻 腐蝕程度進(jìn)行表征。
[0013] 本發(fā)明是對所選擇的過熱器管材料施加應(yīng)力，選擇取自電廠過熱器管的煤灰以及 合成煙氣進(jìn)行高溫腐蝕實(shí)驗。在對試樣進(jìn)行高溫腐蝕后，統(tǒng)計腐蝕深度，然后借助概率論和 數(shù)理統(tǒng)計的相關(guān)知識，獲得通過矩估計法估算出最大腐蝕深度的定量表征非均勻腐蝕程度 的方法。
[0014] 金屬材料的熱膨脹系數(shù)隨著溫度的變化而發(fā)生變化，所以不同材料的零件或工件 在室溫下配合時所產(chǎn)生的應(yīng)力，隨著溫度的升高會發(fā)生變化，導(dǎo)致實(shí)驗數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確。同種 材料從室溫到高溫的熱膨脹系數(shù)變化一致，能使產(chǎn)生的應(yīng)力盡量保持恒定。本發(fā)明充分考 慮了超超臨界鍋爐過熱器管的實(shí)際應(yīng)用狀態(tài)，用相同材料的試樣施加一定的應(yīng)力，利用實(shí) 際使用的煤灰和合成煙氣環(huán)境模擬應(yīng)力腐蝕行為，使實(shí)驗更接近于實(shí)際工況。具體工藝步 驟如下：
[0015] (1)選擇用于鍋爐過熱器管的同種金屬材料，設(shè)計成圓棒和圓筒耦合試樣，圓棒的 尺寸范圍為Φ5?Φ60πιπι，與之配合的圓筒厚度范圍為3?10mm;形狀如圖1和圖2所示； 計算500?800°C范圍內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力所需的過盈量，精加工后裝配，如圖3所示。使500? 800°C圓棒和圓筒間產(chǎn)生徑向應(yīng)力P的范圍為22MPa〈P〈材料的屈服強(qiáng)度（水的臨界壓力是 22. 115MPa)。采用熱脹法裝配試樣。
[0016] 采用熱脹法裝配時，理論過盈量δ t ( μ m)計算公式：
[0017]

【權(quán)利要求】
1. 一種用于電站鍋爐過熱器管高溫腐蝕實(shí)驗及表征的方法，其特征在于，實(shí)驗工藝步 驟如下： (1) 選擇用于鍋爐過熱器管的同種金屬材料，設(shè)計成圓棒和圓筒耦合試樣，圓棒的尺寸 范圍為Φ5?Φ60πιπι，與之配合的圓筒厚度范圍為3?10mm ;計算500?800°C范圍內(nèi)產(chǎn) 生應(yīng)力所需的過盈量，精加工后裝配；使500?800°C圓棒和圓筒間產(chǎn)生徑向應(yīng)力P的范圍 為22MPa〈P〈材料的屈服強(qiáng)度，采用熱脹法裝配試樣； 采用熱脹法裝配時，過盈量S t計算公式：
式中，P為徑向壓力，MPa ;&、C2分別為被包容件和包容件的剛性系數(shù)；μ ρ μ 2分別為 被包容件和包容件材料的泊松比；Q = 1-μ p
d為配合處的公稱直徑，d2為 包容件的外徑，mm ;Ep E2分別為被包容件和包容件的彈性模量，MPa ; 根據(jù)求得的過盈量St，確定過盈量δ范圍，取δ = St±(l?10) μ m，加工一批試 樣，選擇其中尺寸接近d+δ t的試樣進(jìn)行實(shí)驗研究，此時實(shí)際徑向應(yīng)力為：
裝配后確保一個底面為平面，將該底面依次使用100#、200#、400#、600#砂紙打磨后， 測量試樣重量； (2) 腐蝕性介質(zhì)為模擬鍋爐管工作環(huán)境的煙氣和實(shí)際煤灰，煤灰取自燃煤電廠的高溫 過熱器管的上部積灰和底部結(jié)渣；將灰/渣研成細(xì)粉末，用丙酮溶液調(diào)成均勻的糊狀，涂覆 在試樣表面；放置10?12h，待表面附著灰漁凝固后，將試樣安放到試樣架上，各個試樣間 的距離為5?20mm，試樣架放入管式電阻爐； 氣體（02+C02+S02+N2)通過混氣裝置后，組成配比為（3?10) % 02+(13?18) % C02+(0. 2?2) % S02+N2的合成氣體，進(jìn)入電阻爐的流量在10?60ml/min之間，氣體流出 爐后進(jìn)入尾氣收集裝置；電阻爐升高到500?800°C溫度，保溫100?5000h ;實(shí)現(xiàn)鍋爐過熱 器管材料在應(yīng)力狀態(tài)下，處于高溫、煤灰、煙氣介質(zhì)綜合作用下的腐蝕實(shí)驗；同時放入一組 不加應(yīng)力的試樣，將實(shí)驗結(jié)果進(jìn)行比較； (3) 對試樣高溫腐蝕后，取出試樣，放入丙酮液體中，清凈試樣表面附著的灰渣，然后烘 干，稱重；打磨試樣底面，用掃描電子顯微鏡統(tǒng)計不同腐蝕條件下試樣的腐蝕深度，通過矩 估計法估算出最大腐蝕深度，以此為依據(jù)表征了非均勻腐蝕的程度，比較施加應(yīng)力前后腐 蝕程度的區(qū)別；實(shí)驗中樣本容量>50個，保證樣本的分布狀況與總體的分布趨于一致。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非均勻腐蝕程度的表征方法，其特征在于，用矩估計法對非 均勻腐蝕程度的表征： 假設(shè)用隨機(jī)變量h表示腐蝕的深度，則由h服從均勻分布，表示成h?U[a，b]，其中a 代表腐蝕的最小深度，b表示腐蝕的最大深度； 在樣本容量足夠大時，樣本的分布狀況和總體的分布狀況應(yīng)當(dāng)是相同的，用樣本矩估 計總體矩； 通過實(shí)驗得到的腐蝕深度表示為hi，其中h表示腐蝕的深度，i是測量的序號，即樣本 容量為N，則i = 1、2、3......N。 根據(jù)實(shí)驗得到的數(shù)值，計算樣本均值和樣本的二階中心距； 樣本均值為
根據(jù)均勻分布的相關(guān)知識，其數(shù)學(xué)期望為
令樣本均值等于總體的數(shù)學(xué)期望，得
樣本的二階中心距為
均勻分布的方差為：D(X) = (b-a)2/12 令樣本二階中心距等于總體的方差，得
由以上兩個等式，結(jié)合統(tǒng)計得到的N個h值，可得到總體分布中的a和b的值，最大腐 蝕深度即為
這樣推測出最大腐蝕深度，對非均勻腐蝕的程度進(jìn)行表征。
【文檔編號】G01N17/00GK104142292SQ201410381675
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年8月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月5日
【發(fā)明者】侯世香, 顧威, 劉東雨, 周榮燦 申請人:華北電力大學(xué)