电厂金属材料在超临界水环境下氧化试验研究

论文摘要

“以煤炭为主体,电力为中心”是我国未来能源发展的战略,在能源紧缺和环境保护双重压力的作用下,超（超）临界发电技术成为我国清洁煤发电技术的主要发展方向。超（超）临界机组温度、压力的提升导致在水工质在机组高温段转变为超临界水,超临界水物性如密度、氢键、扩散系数、粘度和溶解性等的变化导致金属在超临界水环境下氧化腐蚀的输运过程、化学反应都发生了很大的改变。随着超临界机组参数的提高及超临界水物性的改变,金属材料在超临界水环境下的氧化成为制约超（超）临界机组发展的关键问题。目前,很多电厂的水化学处理都采用加氧处理技术,因此,研究电站金属材料在溶氧超临界水中的氧化腐蚀问题具有重要的意义。本文研究了低合金耐热钢T24、铁马氏体钢P92和奥氏体钢Super304H在550℃、25MPa超临界水中的氧化腐蚀行为,溶氧浓度分别为100ppb、300ppb和2000ppb,试验间分别为200h、400h、600h、800h和1000h。试验结束后对所有试样进行了氧化增重测量、微观表面形貌观察（SEM）、横截面微观形貌观察及元素分析（SEM-EDS）及X射线衍射（XRD）分析。试验结果表明,T24和P92氧化增重接近,都形成了双层氧化膜结构,外层为疏松多孔的Fe3O4层,内层为含Fe、富Cr氧化物混合形成的致密尖晶石结构层,并且这两种钢在高溶氧浓度（2000ppb）时发生了剥落,在基体和内层之间出现了一个沟,可能形成了多层结构。Super304H钢氧化增重明显小于T24和P92,也形成了双层结构的氧化层,外层为疏松的瘤状结构,主要成分为Fe3O4,内层为尖晶石（（Fe,Cr,Ni）3O4）结构,内层与基体分界线不规则,发生了晶间腐蚀。超临界水能够促进氧化腐蚀的进行,金属Cr含量的提升能够提高抗氧化性,但在本试验的环境下,Cr含量从2.51%提升到8.63%金属材料的抗氧化性虽然得到了提高,却未得到根本的改变。溶氧对氧化增重和裂纹的产生有明显的影响。氧化腐蚀过程开始阶段受到超临界水和氧与金属的反应所控制,之后受到水携带氧气向基体扩散和金属离子的向外扩散所控制,反应过程和金属化学成分、晶体结构及溶氧量有关。试验所选三种金属材料中Super304H在550℃、25MPa溶氧超临界水中的氧化性最好,P92次之,T24最差。T24不能适用于550℃及以上溶氧超临界水环境；P92适用于550℃低溶解氧环境,高溶解氧环境不适用；Super304H在550℃溶氧超临界水环境具有良好的抗氧化性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 超临界机组及发展现状
• 1.1.1 超临界机组概念
• 1.1.2 超临界机组发展现状
• 1.2 超临界水特性
• 1.2.1 密度
• 1.2.2 氢键
• 1.2.3 粘度
• 1.2.4 扩散系数
• 1.2.5 溶解性
• 1.2.6 其他性质
• 1.3 超临界机组加氧处理简介
• 1.4 超临界水环境下电厂金属材料研究进展
• 1.4.1 蒸汽环境下的氧化
• 1.4.2 超临界水环境下的氧化
• 1.4.3 金属在超临界水环境氧化腐蚀研究的意义
• 1.5 本文主要研究内容
• 第2章 试验方法
• 2.1 试验材料
• 2.1.1 低合金耐热钢T24
• 2.1.2 铁马氏体钢P92
• 2.1.3 奥氏体钢Super304H
• 2.2 试验方法及过程
• 2.3 检测方法
• 2.4 本章小结
• 第3章 超临界水环境氧化试验研究
• 3.1 低合金耐热钢T24
• 3.1.1 氧化增重
• 3.1.2 表面形貌及微观结构
• 3.1.3 XRD分析
• 3.1.4 横截面分析
• 3.2 铁马氏体钢P92
• 3.2.1 氧化增重
• 3.2.2 表面形貌及微观结构
• 3.2.3 XRD分析
• 3.2.4 横截面分析
• 3.3 奥氏体钢Super304H
• 3.3.1 氧化增重
• 3.3.2 表面形貌及微观结构
• 3.3.3 XRD分析
• 3.3.4 横截面分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 腐蚀机理探讨
• 4.1 超临界水环境金属氧化腐蚀主要影响因素
• 4.1.1 水对氧化腐蚀的促进作用
• 4.1.2 Cr含量对氧化腐蚀的影响
• 4.1.3 氧含量对氧化腐蚀的影响
• 4.2 超临界水环境金属氧化腐蚀过程机理研究
• 4.2.1 蒸汽环境下已形成的氧化机理
• 4.2.2 低合金钢T24和铁马氏体钢P92氧化腐蚀过程
• 4.2.3 Super304H氧化腐蚀过程
• 4.3 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果
• 致谢