本發(fā)明涉及一種材料腐蝕實驗裝置，具體涉及一種超臨界二氧化碳腐蝕實驗裝置。

背景技術(shù)：

超臨界二氧化碳(S-CO₂)布雷頓循環(huán)以處于超臨界狀態(tài)的二氧化碳(臨界壓力7.38MPa，臨界溫度30.98℃)為工質(zhì)，采用布雷頓循環(huán)原理實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。相比當(dāng)前大規(guī)模使用的蒸汽動力循環(huán)，S-CO₂布雷頓循環(huán)高溫(一般高于400℃)下的能量轉(zhuǎn)換效率更高，且渦輪系統(tǒng)和冷卻設(shè)備的體積僅相當(dāng)于蒸汽系統(tǒng)對應(yīng)設(shè)備體積的十分之一；相比于常規(guī)氣體布雷頓循環(huán)，其壓縮過程參數(shù)位于工質(zhì)臨界點附近的特點使得壓縮功耗顯著降低，循環(huán)效率明顯提高。超臨界二氧化碳(S-CO₂)布雷頓循環(huán)因其自身的技術(shù)優(yōu)勢在新型燃機、第四代核電、火電以及太陽能發(fā)電機組中具有潛在的應(yīng)用。相對于系統(tǒng)設(shè)計，S-CO₂布雷頓循環(huán)系統(tǒng)中關(guān)鍵部件，如渦輪、熱交換器、管道等，合金腐蝕行為將是決定系統(tǒng)安全和部件壽命的重要因素之一。

一般認(rèn)為，較低溫度下(<400℃)干燥的、純S-CO₂流體是穩(wěn)定的，與接觸的金屬部件(壓力容器、管道、動力部件等)發(fā)生反應(yīng)的速率極低。而在CO₂捕捉和存儲、CO₂運輸、超臨界CO₂布雷頓循環(huán)系統(tǒng)中，摻雜水蒸氣、含硫氣體(1mg/L量級)、空氣等是不可避免的，也是導(dǎo)致腐蝕現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。在更高的溫度下，如超臨界CO₂布雷頓循環(huán)火電機組中CO₂的溫度和壓力可達到650℃/25MPa或更高，即便以超純的CO₂作為流動介質(zhì)，系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件仍會出現(xiàn)一定的腐蝕現(xiàn)象。腐蝕程度與合金材質(zhì)、溫度和壓力等環(huán)境參數(shù)有密切的關(guān)系。

因此，將超臨界二氧化碳(S-CO₂)布雷頓循環(huán)應(yīng)用到發(fā)電機組時，很有必要對合金的超臨界二氧化碳腐蝕行為進行考察，對合金在服役環(huán)境中的腐蝕機制進行剖析。但是考慮到電廠發(fā)電效率問題，很難在電廠開展實測實驗，因此，有必要開發(fā)一種能夠有效模擬鍋爐運行條件的實驗室測試設(shè)備。目前有關(guān)合金在S-CO₂環(huán)境中的腐蝕行為研究報道相對較少，所用腐蝕實驗裝置不具備高壓條件，其實驗參數(shù)遠低于超臨界二氧化碳循環(huán)火力發(fā)電系統(tǒng)目標(biāo)參數(shù)(750℃，30MPa)，且無法模擬高溫高壓動態(tài)腐蝕的實驗需求。因此，考慮到合金耐超臨界二氧化碳腐蝕性對研發(fā)超臨界二氧化碳(S-CO₂)布雷頓循環(huán)發(fā)電機組的重要性，設(shè)計一種有效模擬鍋爐運行條件的超臨界二氧化碳高溫高壓耐蝕性實驗室測試設(shè)備迫在眉睫，解決超臨界二氧化碳腐蝕問題，為高參數(shù)超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)提供理論基礎(chǔ)和新思路。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于，針對超臨界二氧化碳(S-CO₂)布雷頓循環(huán)，提供一種能夠在實驗室條件下，簡單有效的實現(xiàn)測試材料在高溫高壓超臨界二氧化碳(S-CO₂)條件下腐蝕行為的動態(tài)循環(huán)超臨界二氧化碳腐蝕實驗裝置。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種超臨界二氧化碳腐蝕實驗裝置，包括二氧化碳?xì)庠础㈩A(yù)熱爐和用于放置試樣的腐蝕反應(yīng)釜，二氧化碳?xì)庠吹某隹诮?jīng)增壓泵、定量注入容器與預(yù)熱爐入口相連通，預(yù)熱爐出口與腐蝕反應(yīng)釜入口相連通，腐蝕反應(yīng)釜的出口連接有冷卻系統(tǒng)；所述預(yù)熱爐上安裝有用于控制預(yù)熱爐溫度的控溫?zé)犭娕肌?/p>

本發(fā)明進一步的改進在于，所述增壓泵連接有空氣壓縮機。

本發(fā)明進一步的改進在于，所述增壓泵的出口經(jīng)高壓儲罐與定量注入容器相連通。

本發(fā)明進一步的改進在于，所述定量注入容器連接有高壓平流泵。

本發(fā)明進一步的改進在于，所述腐蝕反應(yīng)釜設(shè)置在釜體加熱爐內(nèi)。

本發(fā)明進一步的改進在于，所述腐蝕反應(yīng)釜頂部和底部設(shè)置有快開閥門，腐蝕反應(yīng)釜上還設(shè)置有釜體測溫?zé)犭娕肌?/p>

本發(fā)明進一步的改進在于，所述冷卻系統(tǒng)包括冷凝器和氣液分離器，高壓反應(yīng)釜的出口經(jīng)管路、背壓閥及冷凝器后與氣液分離器連接。

本發(fā)明進一步的改進在于，所述氣液分離器的出口經(jīng)管路、閥門與干燥器的入口相連通，干燥器的出口與二氧化碳?xì)庠聪噙B。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明通過設(shè)置二氧化碳?xì)庠?、增壓泵、定量注入容器、腐蝕反應(yīng)釜以及冷卻系統(tǒng)，將二氧化碳?xì)庠唇?jīng)過增壓泵增壓后，通過定量注入容器，能夠按照實驗所需向預(yù)熱爐內(nèi)注入一定量的二氧化碳，并且通過在預(yù)熱爐內(nèi)設(shè)置控溫?zé)犭娕紒韺崟r的控制預(yù)熱爐內(nèi)的溫度，然后二氧化碳進入腐蝕反應(yīng)釜，在腐蝕反應(yīng)釜后設(shè)置冷凝系統(tǒng)，能夠提高氣體的冷凝速率，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。本裝置結(jié)構(gòu)簡單，能夠在實驗室條件下，簡單有效的實現(xiàn)測試材料在高溫超臨界二氧化碳(S-CO₂)條件下腐蝕行為。

進一步的，本發(fā)明通過將冷卻系統(tǒng)與二氧化碳?xì)庠聪噙B，形成介質(zhì)流動回路，實現(xiàn)二氧化碳的動態(tài)循環(huán)，能夠真實模擬鍋爐運行條件，有效節(jié)約成本。

進一步的，通過設(shè)置釜體加熱爐，能夠?qū)Χ趸荚俅渭訜徇_到腐蝕實驗所需的溫度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

其中：1、二氧化碳?xì)庠矗?、干燥器；3、空氣壓縮機；4、增壓泵；5、高壓儲罐；6、定量注入容器；7、高壓平流泵；8、預(yù)熱爐；9、腐蝕反應(yīng)釜；10、冷凝器；11、氣液分離器；12、背壓閥；13、測溫?zé)犭娕迹?4、控溫?zé)犭娕迹?5、閥門。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細(xì)說明。

參見圖1，本發(fā)明包括通過管路順次連接的二氧化碳送氣系統(tǒng)、預(yù)熱爐8和腐蝕反應(yīng)釜9，二氧化碳來自于99.9998％二氧化碳?xì)庠?以及經(jīng)過干燥器2干燥后的二氧化碳；二氧化碳送氣系統(tǒng)包括二氧化碳?xì)庠?，二氧化碳?xì)庠?出口經(jīng)閥門與增壓泵4相連，增壓泵4連接有空氣壓縮機3；氣源經(jīng)過增壓泵4增壓后進入高壓儲罐5；高壓儲罐5的出口與定量注入容器6入口相連，定量注入容器6出口與預(yù)熱爐8入口相連通，預(yù)熱爐8出口與腐蝕反應(yīng)釜9入口相連通；定量注入容器6連接有高壓平流泵7，且該定量注入容器6進出口分別設(shè)置閥門來控制氣源流速；通過控制得到合適流速的氣源進入預(yù)熱爐8，預(yù)熱爐8上安裝有用于控制預(yù)熱爐溫度的控溫?zé)犭娕?4，預(yù)熱爐8的出口經(jīng)管道與設(shè)置在釜體加熱爐內(nèi)且用于放置待測部件的高壓反應(yīng)釜9相連通，腐蝕反應(yīng)釜9上設(shè)置有釜體測溫?zé)犭娕?3，并且腐蝕反應(yīng)釜9頂部和底部設(shè)置有快開閥門，高壓反應(yīng)釜9的出口經(jīng)管路、背壓閥12及冷凝器10后與氣液分離器11連接；氣液分離器11的出口經(jīng)管路、閥門15與干燥器2的入口相連通，經(jīng)過氣液分離器11分離后的氣源經(jīng)管路進入干燥器2內(nèi)，干燥器2的出口與二氧化碳?xì)庠?相連通，實現(xiàn)氣體循環(huán)利用。

本發(fā)明的工作過程：裝置運行前的準(zhǔn)備工作包括檢查氣源、試樣安裝、排空系統(tǒng)、設(shè)置增壓泵4和定量注入容器6幾個步驟。首先檢查氣源，確保二氧化碳?xì)庠闯渥恪⒉宦猓缓髮υ嚇舆M行安裝。試樣安裝指將試樣固定在試樣臺架上并放置于腐蝕反應(yīng)釜9內(nèi)。排空系統(tǒng)指關(guān)閉背壓閥12及閥門15，開啟腐蝕反應(yīng)釜9上的閥門向腐蝕反應(yīng)釜9通入試驗所需氣源，排出其他流體。設(shè)置增壓泵4和定量注入容器6，包括壓力和流量的設(shè)置。

正常狀態(tài)：以增壓泵4和定量注入容器6為起點，超臨界二氧化碳在增壓泵4的壓力作用下向前流動，經(jīng)定量注入容器6和高壓平流泵7穩(wěn)定流量及緩沖壓力波動后進入蒸汽預(yù)熱爐8進行加熱，達到指定蒸汽預(yù)熱溫度，約350-650℃；然后流體通過管路進入釜體加熱爐，由釜體加熱爐再次加熱，達到實驗所需溫度，且由爐體底部進入高壓反應(yīng)釜9。出高壓反應(yīng)釜9的氣源首先通過背壓閥12，減壓后由冷凝器10進行冷卻，將流體冷凝、液化。冷凝后的流體通過管路進入氣液分離器11，然后通過管路導(dǎo)入干燥器2，從而實現(xiàn)循環(huán)利用。

實驗結(jié)束時，首先關(guān)閉氣源閥門，關(guān)閉增壓泵4和定量注入容器6，然后關(guān)閉預(yù)熱爐8、腐蝕反應(yīng)釜9，腐蝕反應(yīng)釜9隨爐緩慢冷卻至室溫，開啟快開閥門取出試樣。正常實驗一般不需要實驗人員干預(yù)，系統(tǒng)將自動運行。