[实用新型]提高耐热材料抗蒸汽氧化性能的表面预氧化装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及材料工艺技术领域，具体涉及一种提高耐热钢及合金材料抗高温蒸汽氧化的低温臭氧表面预氧化装置。

背景技术

目前提高化石燃料发电机组蒸汽参数是提高化石能源利用率和降低污染物排放的最为有效的方法之一。在燃用化石燃料的超超临界发电机组的实际应用中，其主蒸汽压力和主蒸汽温度分别可达到26～31MPa和605～623℃。但是，高温高压条件下使得机组高温部件的抗蒸汽氧化问题愈显突出。例如，电站锅炉及蒸汽发生器中高温高压蒸汽流经的管束、管道由于高温蒸汽氧化作用产生的氧化皮生成及剥落引起的爆管失效可能造成巨大的经济损失。耐热钢及合金材料高温蒸汽氧化的危害主要有2个方面：首先，由于高温蒸汽氧化产生的氧化层达到一定厚度时会从金属表面脱落，滞留在过热器或再热器管束的U型弯头处，减少流通截面，引起局部高温过热，严重时导致爆管；其次，氧化层的生成会引起管壁导热系数降低而使管壁温度升高，造成超温爆管失效，降低电站锅炉或蒸汽发生器运行寿命，严重影响发电机组的长周期安全高效运行。

耐热钢及合金作为电站锅炉高温蒸汽段的建造材料，寻找其高效抗蒸汽氧化的工艺与方法已成为确保超超临界电站机组长周期安全高效运行的迫切需要。

为了提高耐热材料的抗高温蒸汽氧化性能，降低蒸汽氧化带来的各种问题，已有研究提出方法中主要有三种方法可较好降低氧化速率：(1)对材料表面进行镀Cr处理；(2)通过表面喷丸处理获得滑移带等特殊微观结构；(3)提高合金材料中Cr、Si、Al等元素的含量。

这些方法虽能在一定程度上提高材料的抗蒸汽氧化性能，但每种方法均有一定局限性，如：方法(1)中镀Cr处理形成的镀Cr层在高温热循环的工况下容易从表面脱落，从而使基底材料直接暴露在高温蒸汽中，进一步加速氧化过程；(2)喷丸工艺需要庞大的表面处理设备，处理成本高；(3)Cr、Si、Al等元素的联合添加会引起材料其他性能发生变化。因此，需开发一种简单高效的方法提高耐热钢及合金的抗蒸汽氧化性能，以上是本实用新型的直接背景。

发明内容

针对耐热钢抗蒸汽氧化技术的问题，本实用新型提出了一种提高耐热材料抗蒸汽氧化性能的表面预氧化装置，本实用新型选用臭氧作氧化剂，利用臭氧强氧化性的特性，通过在惰性气体中加入微量臭氧形成特殊的氧化剂，利用臭氧在常温或较低温度下的强氧化性与低分解率，其在较低温度下使耐热钢及合金表面形成一层连续且致密的富铬保护膜，有效阻止氧离子或氢氧根离子向耐热钢及合金基体以及金属铁离子向氧化物与蒸汽界面扩散。

为了达到上述目的，本实用新型所采取的技术方案如下：

一种提高耐热材料抗蒸汽氧化性能的表面预氧化装置，包括气体混合器5，与气体混合器5入口连通的臭氧发生器1和惰性气体存储罐2，分别设置在气体混合器5与臭氧发生器1和惰性气体存储罐2连通的管路上的一号流量计3和二号流量计4，与气体混合器5出口通过循环管道8连通的耐热钢或合金管屏6，设置在耐热钢或合金管屏6出口处的臭氧检测器7，所述气体混合器5的出口与耐热钢或合金管屏6的入口通过循环管道8连通为回路。

所述臭氧发生器1中直接得到的以氧气为氧源产生的臭氧，满足其新鲜程度且保证所产生臭氧的半衰期不少于表面预氧化装置运行时间的2～3倍。

所述耐热钢或合金管屏6为过热器或再热器的耐热钢或合金管屏。

所述的提高耐热材料抗蒸汽氧化性能的表面预氧化装置进行表面预氧化的方法，包括如下步骤：

步骤1：来自臭氧发生器1中的臭氧经一号流量计3进入气体混合器5中，同时，惰性气体存储罐2中的惰性气体经二号流量计4进入气体混合器中与臭氧进行混合，通过一号流量计3和二号流量计4调节流量，使臭氧和惰性气体按照质量比0.001～0.5：99.5～99.999混合，形成含有微量臭氧的特殊氧化剂；

步骤2：含有微量臭氧的特殊氧化剂从气体混合器5中流出进入耐热钢或合金管屏6中对其内表面进行氧化；氧化时间为5～10min；耐热钢或合金管屏6中的反应温度为0～40℃；

步骤3：反应后的特殊氧化剂由循环管路8回到气体混合器5中继续参与反应，保证耐热钢或合金管屏6表面生成氧化膜的均匀性，同时，实现惰性气体的循环利用；臭氧检测器(7)所检测的臭氧浓度范围变化不超过5％时即认为氧化过程完全，循环操作结束。

所述反应温度为0～40℃，该温度对耐热钢或合金管屏6高温性能无损伤且无需外部加热，同时在该温度范围内，臭氧作为氧化剂时半衰期长，能够保证臭氧与耐热钢管表面的Cr元素充分反应形成致密的富Cr氧化膜，同时，不氧化其他金属元素。