先進超臨界電站的腐蝕

“摩擦學(xué)的挑戰(zhàn)，包括侵蝕腐蝕，是實現(xiàn)世界上第一個旨在減少碳排放的AUSC工廠的瓶頸?！?/span>

印度致力于通過提高風能、太陽能以及清潔煤技術(shù)的產(chǎn)能，在2030年之前將溫室氣體排放量減少35%，以實現(xiàn)COP21的目標。先進的超超臨界發(fā)電廠（AUSC）是一項關(guān)鍵技術(shù)，其效率可達到47-50%，比現(xiàn)有的常規(guī)發(fā)電廠高出近35%。這直接轉(zhuǎn)化為二氧化碳減排20億噸。該國正在開發(fā)的其他技術(shù)包括在現(xiàn)有發(fā)電廠和廢物發(fā)電廠混合燃燒生物質(zhì)衍生燃料，以便對農(nóng)業(yè)和城市廢物進行再利用，以促進循環(huán)經(jīng)濟。

為了達到50%的效率，AUSC電廠必須在30巴的蒸汽壓力和700攝氏度的溫度下運行。需要先進的鎳基合金和涂層來承受鍋爐的高溫和惡劣環(huán)境，尤其是高溫侵蝕腐蝕，如果要防止鍋爐爆炸和人員傷亡，確保安全（參考2020年6月，印度3000 MW Neyveli發(fā)電廠爆炸）。

這些失效機制是什么影響了AUSC核電站的安全和效率？

鍋爐部件的爐邊侵蝕腐蝕是飛灰煙氣環(huán)境中由于金屬表面的機械和化學(xué)相互作用而導(dǎo)致?lián)Q熱器金屬損失的主要問題?？梢暬@些相互作用的一個有用方法是通過侵蝕腐蝕和金屬損耗圖，這是以前為侵蝕氧化（圖1a）和（圖1b）開發(fā)的。鍋爐環(huán)境不存在此類地圖。

 圖1 a 高溫侵蝕腐蝕圖顯示了侵蝕為主、腐蝕為主和混合區(qū)。這種侵蝕-氧化圖與已確定的侵蝕-氧化圖的區(qū)別是，腐蝕包括氧化、硫化和氯化，而侵蝕可以包括物質(zhì)沉積和清除

圖1b高溫金屬損耗圖取決于溫度和腐蝕速度，可實現(xiàn)精確的材料識別和穩(wěn)健的設(shè)計

 不同的區(qū)域可以根據(jù)降解機理和金屬損耗率來劃分。

區(qū)域1（侵蝕為主）——印度煤中石英含量高，是一種硬材料，在燃燒或吹灰過程中，燃燒器和鍋爐部件的侵蝕率較高，速度也會增加。反復(fù)沖擊最終導(dǎo)致水壁過薄和潛在破裂。

區(qū)域2（腐蝕為主）-含堿鹽（硫酸和鉀和鈉氯化物）的粉煤灰形成共晶，在700℃下熔化并沉積在管上。然后，這些保護層可以在煙氣（含腐蝕性SO2）的情況下與保護氧化物層（Cr2O3、Al2O3和NiO）發(fā)生反應(yīng)，使其多孔并增強腐蝕。速率以指數(shù)形式取決于溫度。

區(qū)域3-6（侵蝕腐蝕相互作用）在AUSC鍋爐中可能最重要，因為與之相比，協(xié)同作用可以加速金屬損耗的數(shù)量級‘純凈的’ 機制。這也是最不了解的機制，因為復(fù)雜的表面化學(xué)，相，厚度，侵蝕，散裂和沉積。（圖2）

圖2 粉煤灰、煙氣環(huán)境與氧化皮的侵蝕腐蝕沉積相互作用導(dǎo)致金屬損耗。顯示了穿過表面層的溫度梯度。

在一個極端（區(qū)域6）上，這些可能會剝落并使底層基底暴露于加速的侵蝕性降解中。另一方面（區(qū)域3），沉淀物可以附著在管子上，隨著時間的推移形成一個絕緣的熱障。當這種情況發(fā)生時，到水的熱傳遞顯著減少，效率降低，需要吹灰維護步驟。其他區(qū)域4和5表示侵蝕和熱腐蝕導(dǎo)致的材料去除率與保護性氧化導(dǎo)致的材料生長率之間的競爭。

如何評估侵蝕腐蝕性能和材料耐久性？

科學(xué)界的研究主要集中在熱腐蝕（用飛灰模擬煙氣環(huán)境）或空氣中的高溫侵蝕。這些都沒有捕捉到區(qū)域3到6中潛在的侵蝕-腐蝕相互作用（圖2）和相關(guān)的高金屬損耗率（圖1b）。

一個先進的實驗室設(shè)施，可以模擬鍋爐的環(huán)境，將橋梁之間的差距，目前正在進行的簡單的實驗室測試和最終的試點工廠測試回路。這將使AUSC材料技術(shù)的準確驗證成為可能（圖3）。

圖3測試金字塔顯示了從實驗室測試到現(xiàn)場測試的過渡，以及高溫侵蝕腐蝕設(shè)施的缺失環(huán)節(jié)，以可靠地捕捉相互作用和金屬損耗率。

帶有“腐蝕試驗臺”的Ducom噴氣式侵蝕試驗機可以同時再現(xiàn)煙氣環(huán)境中飛灰侵蝕沉積腐蝕增強的情況（圖4氣流噴砂沖蝕試驗機）。它建立在杜科姆AJT成熟的1000攝氏度和200米/秒固體顆粒侵蝕平臺上。附加的設(shè)計特點提供了在試件上直接使用合成粉煤灰或電廠粉煤灰的靈活性。顆粒速度可以在煙氣環(huán)境中控制，以模擬新材料和涂層的低速沉積和高速沖蝕腐蝕。

圖4 Ducom高溫侵蝕腐蝕試驗臺，可再現(xiàn)粉煤灰和煙氣的氣氛。

這樣一個設(shè)施將是一個強大的平臺，用于評估由于高溫侵蝕腐蝕而導(dǎo)致的材料退化，不僅適用于澳大利亞航天中心的任務(wù)，也適用于存在類似問題的其他行業(yè)，如垃圾發(fā)電廠、燃氣輪機、油氣鉆井和煉油廠。