应用介绍

先进超临界电站的腐蚀

“摩擦学的挑战，包括侵蚀腐蚀，是实现世界上第一个旨在减少碳排放的AUSC工厂的瓶颈。”

印度致力于通过提高风能、太阳能以及清洁煤技术的产能，在2030年之前将温室气体排放量减少35%，以实现COP21的目标。先进的超超临界发电厂（AUSC）是一项关键技术，其效率可达到47-50%，比现有的常规发电厂高出近35%。这直接转化为二氧化碳减排20亿吨。该国正在开发的其他技术包括在现有发电厂和废物发电厂混合燃烧生物质衍生燃料，以便对农业和城市废物进行再利用，以促进循环经济。

为了达到50%的效率，AUSC电厂必须在30巴的蒸汽压力和700摄氏度的温度下运行。需要先进的镍基合金和涂层来承受锅炉的高温和恶劣环境，尤其是高温侵蚀腐蚀，如果要防止锅炉爆炸和人员伤亡，确保安全（参考2020年6月，印度3000 MW Neyveli发电厂爆炸）。

这些失效机制是什么影响了AUSC核电站的安全和效率？

锅炉部件的炉边侵蚀腐蚀是飞灰烟气环境中由于金属表面的机械和化学相互作用而导致换热器金属损失的主要问题。可视化这些相互作用的一个有用方法是通过侵蚀腐蚀和金属损耗图，这是以前为侵蚀氧化（图1a）和（图1b）开发的。锅炉环境不存在此类地图。

 图1 a 高温侵蚀腐蚀图显示了侵蚀为主、腐蚀为主和混合区。这种侵蚀-氧化图与已确定的侵蚀-氧化图的区别是，腐蚀包括氧化、硫化和氯化，而侵蚀可以包括物质沉积和清除

图1b高温金属损耗图取决于温度和腐蚀速度，可实现精确的材料识别和稳健的设计

 不同的区域可以根据降解机理和金属损耗率来划分。

区域1（侵蚀为主）——印度煤中石英含量高，是一种硬材料，在燃烧或吹灰过程中，燃烧器和锅炉部件的侵蚀率较高，速度也会增加。反复冲击最终导致水壁过薄和潜在破裂。

区域2（腐蚀为主）-含碱盐（硫酸和钾和钠氯化物）的粉煤灰形成共晶，在700℃下熔化并沉积在管上。然后，这些保护层可以在烟气（含腐蚀性SO2）的情况下与保护氧化物层（Cr2O3、Al2O3和NiO）发生反应，使其多孔并增强腐蚀。速率以指数形式取决于温度。

区域3-6（侵蚀腐蚀相互作用）在AUSC锅炉中可能最重要，因为与之相比，协同作用可以加速金属损耗的数量级‘纯净的’ 机制。这也是最不了解的机制，因为复杂的表面化学，相，厚度，侵蚀，散裂和沉积。（图2）

图2 粉煤灰、烟气环境与氧化皮的侵蚀腐蚀沉积相互作用导致金属损耗。显示了穿过表面层的温度梯度。

在一个极端（区域6）上，这些可能会剥落并使底层基底暴露于加速的侵蚀性降解中。另一方面（区域3），沉淀物可以附着在管子上，随着时间的推移形成一个绝缘的热障。当这种情况发生时，到水的热传递显著减少，效率降低，需要吹灰维护步骤。其他区域4和5表示侵蚀和热腐蚀导致的材料去除率与保护性氧化导致的材料生长率之间的竞争。

如何评估侵蚀腐蚀性能和材料耐久性？

科学界的研究主要集中在热腐蚀（用飞灰模拟烟气环境）或空气中的高温侵蚀。这些都没有捕捉到区域3到6中潜在的侵蚀-腐蚀相互作用（图2）和相关的高金属损耗率（图1b）。

一个先进的实验室设施，可以模拟锅炉的环境，将桥梁之间的差距，目前正在进行的简单的实验室测试和最终的试点工厂测试回路。这将使AUSC材料技术的准确验证成为可能（图3）。

图3测试金字塔显示了从实验室测试到现场测试的过渡，以及高温侵蚀腐蚀设施的缺失环节，以可靠地捕捉相互作用和金属损耗率。

带有“腐蚀试验台”的Ducom喷气式侵蚀试验机可以同时再现烟气环境中飞灰侵蚀沉积腐蚀增强的情况（图4气流喷砂冲蚀试验机）。它建立在杜科姆AJT成熟的1000摄氏度和200米/秒固体颗粒侵蚀平台上。附加的设计特点提供了在试件上直接使用合成粉煤灰或电厂粉煤灰的灵活性。颗粒速度可以在烟气环境中控制，以模拟新材料和涂层的低速沉积和高速冲蚀腐蚀。

图4 Ducom高温侵蚀腐蚀试验台，可再现粉煤灰和烟气的气氛。

这样一个设施将是一个强大的平台，用于评估由于高温侵蚀腐蚀而导致的材料退化，不仅适用于澳大利亚航天中心的任务，也适用于存在类似问题的其他行业，如垃圾发电厂、燃气轮机、油气钻井和炼油厂。