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电站锅炉管氧化层在溶氧超临界水中生长机理的研究

作　者: 张乃强
导　师: 徐鸿
学　校: 华北电力大学
专　业: 热能工程
关键词: 锅炉管氧化超临界水溶解氧生长机理
分类号: TM621.2
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

超超临界发电是国际上先进的洁净煤燃烧技术之一,主要是通过提高主蒸汽温度和压力来提高转换效率,进而实现节能减排。超临界水处于临界点以上,其密度、扩散系数、粘度、介电常数、溶解度等物性较亚临界发生了明显变化。加氧处理是国内外超临界电站广泛采用的给水处理方式之一,因此锅炉管材料处于溶氧超临界水中。近年来锅炉管氧化层生长过快出现剥落现象较为普遍,导致爆管事故频发,原因复杂。溶解氧对超临界水中金属氧化机理影响的研究将有助于揭示氧化层生成机理,进而为预防锅炉管爆管提供理论依据。因此开展电站锅炉管氧化层在溶氧超临界水中生长机理的研究,意义重大。论文对铁素体钢T24、铁马氏体钢P92和奥氏体钢Super304H、TP347HFG、HR3C五种钢种在550℃和600℃,25MPa超临界水中进行了氧化试验研究。为了研究溶解氧对氧化过程的影响,溶解氧浓度分别控制为无氧、100ppb、300ppb和2000ppb。氧化时间分别为200h、400h、600h、800h和1000h。得到了不同温度和不同溶解氧浓度超临界水环境中五种材料的氧化动力学曲线。分析了氧化物表面形貌和成份,观察了氧化层横截面结构和元素分布。分析研究了温度、溶解氧、铬含量、水环境等因素对氧化过程的影响,其中溶解氧对氧化增重和裂纹有明显影响。研究中发现加氧处理抑制腐蚀的作用机理在超临界水环境中是不适用的。分析了水的扩散系数、溶解度等对氧化过程的影响。基于溶解氧在不同工况下对电站系统管道的作用不同,提出了一种针对火力发电机组给水处理新工艺。该工艺在精处理后母管或除氧器下降管加氧气,在高压加热器后、省煤器前加联胺,除掉氧气。该给水处理工艺既可以抑制低压加热器和高压加热器中的流动加速腐蚀,又可降低溶解氧对超临界水中金属氧化的加速影响。铁素体钢和铁马氏体钢在超临界水中生成均匀的双层结构的氧化层,由于超声波在两层中的传播速度不同,因此提出了一种超声波测量氧化层厚度的修正方法,该方法可以更准确的测量锅炉管内壁氧化层厚度。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-14
第1章绪论  14-23
  1.1 研究背景及意义  14-15
    1.1.1 超超临界机组的发展  14-15
    1.1.2 超临界水中氧化层生长机制研究的必要性  15
  1.2 金属高温氧化的研究现状  15-21
    1.2.1 金属在高温水蒸汽环境中氧化的研究  16-19
    1.2.2 金属在超临界水环境中氧化的研究  19-20
    1.2.3 提高金属抗氧化性的方法  20-21
  1.3 氧化层在超临界水中生长机理研究的问题和挑战  21-22
  1.4 主要研究内容  22-23
第2章超临界水物性及氧化机理  23-40
  2.1 超临界水物性研究  23-30
    2.1.1 分子动力学模拟过程  24-26
    2.1.2 超临界水分子结构  26-29
    2.1.3 超临界水物性  29-30
  2.2 氧化热力学  30-36
    2.2.1 金属氧化的自由能和反应物的稳定性  30-32
    2.2.2 合金元素的氧化反应  32-33
    2.2.3 合金氧化反应的吉布斯自由能分析  33-36
    2.2.4 热力学平衡相图  36
  2.3 氧化动力学  36-40
第3章超临界水腐蚀试验研究  40-67
  3.1 试验方法  40-42
  3.2 试验材料  42-44
    3.2.1 低合金钢  42-43
    3.2.2 铁马氏体钢  43
    3.2.3 奥氏体钢  43-44
  3.3 低合金钢T24氧化试验  44-49
    3.3.1 氧化增重  45
    3.3.2 氧化物表面形貌及相结构  45-47
    3.3.3 横截面分析  47-49
  3.4 铁马氏体钢P92氧化试验  49-55
    3.4.1 氧化增重  49-50
    3.4.2 氧化物表面形貌及相结构  50-52
    3.4.3 横截面分析  52-55
  3.5 奥氏体钢SUPER304H氧化试验  55-58
    3.5.1 氧化增重  55-56
    3.5.2 氧化物表面形貌及相结构  56-57
    3.5.3 横截面分析  57-58
  3.6 奥氏体钢TP347HFG氧化试验  58-62
    3.6.1 氧化增重  59
    3.6.2 氧化物表面形貌及相结构  59-61
    3.6.3 横截面分析  61-62
  3.7 奥氏体钢HR3C氧化试验  62-65
    3.7.1 氧化增重  62-63
    3.7.2 氧化物表面形貌及相结构  63-65
    3.7.3 横截面分析  65
  3.8 小结  65-67
第4章超临界水中氧化层生长机制  67-84
  4.1 铬含量的影响  67-69
  4.2 温度的影响  69-71
  4.3 溶解氧浓度的影响  71-74
  4.4 水环境对氧化的作用  74-79
    4.4.1 水对内氧化的促进作用  74-75
    4.4.2 水的扩散系数对氧化的影响  75-76
    4.4.3 水密度对氧化的影响  76-78
    4.4.4 溶解度对腐蚀的影响  78-79
  4.5 氧化速率控制机制  79-83
  4.6 小结  83-84
第5章电站汽水系统腐蚀应用研究  84-95
  5.1 流动加速腐蚀和加氧处理  84-88
    5.1.1 流动加速腐蚀机理  85-87
    5.1.2 加氧处理机理  87-88
  5.2 火电机组给水处理新方法  88-91
    5.2.1 高压加还原剂装置设计  89-91
  5.3 超声波测量锅炉管内壁氧化层厚度的修正方法  91-94
  5.4 小结  94-95
第6章结论与展望  95-98
  6.1 主要结论  95-96
  6.2 创新性成果  96
  6.3 展望  96-98
参考文献  98-107
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果  107-109
攻读博士学位期间参加的科研工作  109-110
致谢  110-111
作者简介  111

电站锅炉管氧化层在溶氧超临界水中生长机理的研究

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