耐热钢在高温高压(PPT).ppt

耐热钢在高温高压水蒸汽中氧化脱落分析 动力与机械学院 李海洋 2010202080101 应用化学 耐热钢在高温高压水蒸汽中氧化脱落分析 1、定义 在高温条件下，没有液相水存在时，钢材与环境介质中的气相或凝聚相物质发生化学反应而被破坏的过程 。 2、举例 过热器和再热器的腐蚀 航空发动机叶片腐蚀 飞船外壳金属材料腐蚀 水蒸气高温氧化机理 1 水蒸汽高温氧化机理 1、化学反应方程式 水蒸汽高温氧化机理 2、水蒸气在氧化过程中的作用 ①水蒸气可能促进合金形成挥发性的氢氧化物，从而加速氧化。 ②水蒸气中的H+可溶于氧化物晶界，影响反应物质通过氧化物晶界扩散，从而影响氧化动力学。 ③水蒸气通过氧化膜内部的孔洞迁移到氧化层/基体界面处，氧化基体中的Fe或Cr。 水蒸汽高温氧化机理 3、水蒸气高温氧化的氧化层结构 ⑴304钢在600℃水蒸气中氧化的氧化层结构，外层由Fe2O3锈层和Fe3O4锈层组成。 ⑵ 304钢在600℃水蒸气中氧化的氧化层结构，内层由含Fe、Ni、Cr的尖晶石型氧化物组成。 水蒸汽高温氧化机理 4、高温氧化皮的生长的原因 ①氧化初期，水蒸气分子在氧化膜表面吸附分解为和H+。分解出的H+以比快得多的扩散速度向氧化膜中溶解渗入，导致次表层中的尖晶石氧化物发生分解 。 ②生成的Fe3＋和Fe2＋向氧化膜／气体界面扩散，与扩散途中或表面的O2-相遇而生成Fe3O4。 ③与铁离子相比，Cr3+在氧化膜中的扩散速度慢得多，在基体／氧化膜界面附近区域形成了富集。 高温氧化皮的生长的原因 ④扩散进入基体／氧化膜界面的水也在发生分解，氧离子和氢离子扩散进入基体内部，Fe以晶内扩散方式向外层氧化膜／内层氧化膜界面扩散，并在界面附近氧化，形成Fe-Cr氧化物。 ⑤Cr尽管产生了较大幅度的富集，但仍然不能有效阻止Fe离子向外和O2-向内扩散，因而表现出较快的氧化膜生长速率。 水蒸汽氧化机理物理模型 1、离子扩散示意图 2、物理模型描述 （1）水蒸气氧化的最开始阶段发生表面氧化反应，生成表层的Fe3O4/Fe2O3和次表层即内层的尖晶石氧化物(Fe，Cr)3O4，水蒸气吸附分解的H+往次表层扩散使(Fe，Cr)3O4分解生成Fe3+和Fe2+，Fe3+和Fe2+氧化膜／气体界面扩散，与扩散途中或表面的O2-遇而生成Fe3O4，外氧化膜长大。 水蒸汽氧化机理物理模型 （2）由于氧化物自身的点缺陷及由于生长应力的增长导致氧化膜变形和开裂而产生界面孔洞或孔隙，同时，氧化物晶粒生长和塑性变形及热变形也会在其中产生有利于反应物质穿透的微小通道。 （3）在钢的氧化层表面由水分解产生的氢渗入氧化层内部，还原氧化亚铁并形成水蒸气。形成的水蒸气通过氧化膜内部的孔洞迁移到氧化层/基体界面处，氧化新鲜的Fe或Cr。外氧化膜继续长大，外氧化膜的长大规律按抛物线规律长大。 水蒸汽氧化机理物理模型 （5）在外氧化膜长大的同时，通过短路扩散穿过外氧化膜的水蒸气扩散进入基体／氧化膜界面并发生分解，氧离子和氢离子扩散进入基体内部，氧向基体内部扩散与Cr反应，发生内氧化。可以认为氧化的初始阶段和稳态阶段同时发生外氧化和内氧化，由扩散控制氧化过程，其氧化规律服从抛物线规律。 氧化皮破裂剥落机理分析 1、氧化皮破裂剥落机理分析 ①在超温或温度压力波动等不利的运行条件下，超(超)临界锅炉高温受热面管内金属表面的2层氧化膜就会变成3层氧化膜，由金属基体表面起向外依次为FeO、Fe3O4、Fe2O3。 ②与金属基体相连的是内层层，由于内层结构疏松，晶格缺陷多，不稳定。当温度骤变时，内层层会分解为Fe3O4和Fe，使得Fe3O4层变得疏松。 氧化皮破裂剥落机理分析 ③温度降低后内层氧化膜将发生分解，在内层氧化皮的分解过程中将出现缺陷，使得中间层氧化皮与(Fe，Cr)3O4类尖晶石结构内层氧化物之间多孔疏松，也就为氧化皮的剥落创造了前提条件。 ④在启停炉或变负荷等温度改变的情况下，将在氧化皮与金属界面间产生热应力。当应力超出氧化皮裂纹萌生所需临界值，便会产生开裂和剥落。 氧化皮破裂剥落机理分析 2、影响金属氧化皮剥落的因素 ①金属氧化皮厚度 当金属氧化皮厚度上升时，氧化皮发生剥落所需的弹性应变将会下降，即氧化皮容易剥落。 ② 温度变化的影响 国外在一台600MW超临界机组主蒸汽管道中，采用一种等速采样系统对这台机组满荷和启停期间进行了测试，分析了300多个蒸汽试样。结果表明，蒸汽管道内同体颗粒的浓度在启停阶段比正常运行阶段高2～3个数量级，这充分说明了在机组启停机阶段容易发生氧化皮剥落的问题。 电站高温氧化的危害 1、导致锅炉受热面超温爆管