奧氏體耐熱鋼水蒸氣氧化機理研究

發(fā)展先進超超臨界發(fā)電技術(shù)是我國的重大戰(zhàn)略需求，電站鍋爐蒸汽參數(shù)的不斷提高對高等級耐熱鋼和高溫合金綜合性能提出新的挑戰(zhàn)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)：多數(shù)已投運超超臨界電站鍋爐的典型耐熱鋼發(fā)生了日益嚴重的氧化皮快速生成及剝落現(xiàn)象，而且，未來先進超超臨界電站鍋爐候選的典型高溫合金的蒸汽氧化行為也亟待研究，以現(xiàn)役和先進超超臨界電站鍋爐典型耐熱鋼為研究材料，以可持續(xù)運行的高溫蒸汽氧化裝置和高精度熱重實驗裝置為實驗平臺，研究耐熱鋼蒸汽氧化機理。 （1） 在高溫蒸汽中耐熱鋼的氧化動力學(xué)均符合拋物線氧化規(guī)律，說明耐熱鋼的氧化過程受擴散控制，且氧化速率隨著耐熱鋼中Cr含量的增加而降低，在同等條件下馬氏體耐熱鋼的氧化增重比奧氏體耐熱鋼高一個數(shù)量級。蒸汽氧化初期奧氏體耐熱鋼表面氧化物主要由(Fe、Mn) Cr2O4、Cr2O3和偏析元素Nb的氧化物構(gòu)成，突破了奧氏體耐熱鋼早期氧化生成Cr2O3的傳統(tǒng)理念，發(fā)現(xiàn)了合金元素Mn和Nb積極參與奧氏體耐熱鋼早期氧化行為的事實。最后，在X射線光電子能譜深度分析Fe、Cr、Mn和Nb元素的分布規(guī)律和熱力學(xué)吉布斯反應(yīng)自由能理論計算的基礎(chǔ)上，提出了奧氏體耐熱鋼在高溫蒸汽中的早期氧化模型。 （2） 奧氏體耐熱鋼長時氧化后表面氧化物主要包含以Fe的氧化物為主的氧化外層和以Fe-Cr-Ni復(fù)合氧化物為主的復(fù)雜的氧化內(nèi)層。奧氏體耐熱鋼早期形成的富Cr保護膜的局部失效誘發(fā)了耐熱鋼的快速氧化過程。同時發(fā)現(xiàn)奧氏體耐熱鋼中Nb(C, N)沉淀相與金屬基體的界面處為富Cr保護膜的薄弱點。 （3）通過氧化物微觀表征和擴散理論計算發(fā)現(xiàn)以晶界為Cr離子主要擴散途徑的增多利于快速形成富Cr氧化層，并且提出了TP347HFG和TP347H在高溫蒸汽中的氧化模型。經(jīng)冷加工處理的TP347H通過減小有效擴散距離和晶界附近增多的位錯提高Cr離子的向外擴散速度，從而在氧化早期形成富Cr的氧化保護膜。 （4）通過對運行管微觀表征，發(fā)現(xiàn)蒸汽側(cè)氧化皮外層為鐵的氧化物，內(nèi)層為復(fù)雜的Fe-Cr-Ni的氧化物，與實驗室研究結(jié)果一致，進一步研究發(fā)現(xiàn)：氧化物層與基體前沿發(fā)現(xiàn)大量微裂紋，這可能是電站鍋爐實際運行過程中負荷變動引起的疲勞開裂。氧化外層與內(nèi)層之間的氧化物尺寸差異、孔洞長大聚集及氧化層與基體之間不同的熱膨脹系數(shù)的耦合作用導(dǎo)致了氧化外層的開裂與剝落。 2100433B

本項目采用理論分析和實驗研究相結(jié)合的方法對超臨界、超超臨界電站鍋爐高溫部件的水蒸氣氧化機理進行系統(tǒng)的研究。首先，在理論分析的基礎(chǔ)上建立了水蒸氣、合金元素及氧化產(chǎn)物等物質(zhì)的輸運模型；然后，選取3種奧氏體耐熱鋼進行真實模擬的超臨界壓力和溫度環(huán)境氧化實驗，借助材料微觀研究和分析的手段研究水蒸氣和合金元素，離子，電子遷徙或傳輸規(guī)律,結(jié)合理論分析、熱力學(xué)模擬和實驗研究，研究水蒸氣溫度、壓力、氧化時間等外因?qū)Σ牧涎趸ど?、剝離的影響機理。通過以上多學(xué)科交叉、多層次驗證的研究方案，揭示水蒸氣加速奧氏體耐熱鋼氧化進程的機理，提出控制奧氏體耐熱鋼和水蒸氣界面氧化速率的評價指標(biāo)，建立一套預(yù)測氧化速率和抑制氧化進程的方法。本研究將豐富奧氏體耐熱鋼水蒸氣氧化過程的理論體系，為我國超臨界火電機組長周期運行安全保障提供理論和技術(shù)支持。

奧氏體耐熱鋼(austenitic heat-resisting steel)

水蒸氣透過率實際上包含了水蒸氣透過量和水蒸氣透過系數(shù)兩個含義，這兩個含義所表達的意思也有一定的區(qū)別，但都可以用來表示水蒸氣透過某種材料的能力。水蒸氣透過量表示在一定的時間，一定的溫度和濕度條件下，水蒸氣透過材料的重量。水蒸氣透過率則是通過系數(shù)換算的水蒸氣透過量的標(biāo)準(zhǔn)值，并對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)單位，用于不同測試結(jié)果之間的比較。

水蒸氣透過量測試儀別名透濕儀、水蒸氣透過率測試儀、水蒸氣透過率測定儀、透水汽實驗儀。是一款專業(yè)用于薄膜試樣的水蒸氣透過率測試系統(tǒng)，適用于塑料薄膜、復(fù)合膜等膜、片狀材料與醫(yī)療、建材領(lǐng)域等多種材料的水蒸氣透過率的測定。通過水蒸氣透過率的測定，達到控制與調(diào)節(jié)材料的技術(shù)指標(biāo)，以此滿足產(chǎn)品應(yīng)用的不同需求。