碱金属熔盐环境下生物质锅炉热管组织变化特征及选择性腐蚀和疲劳损伤机理研究

The pipe explosion is an important factor in restricting biomass fuel power generation development. For the high contents of the chlorine and alkali metal in biomass fuel, lots of alkali compounds can be produced in the burning process to power generation. The fatigue and corrosion of the alkali metal compounds on the heat pipe steel of the biomass fuel boiler are the main factors for their rapid failure..The corrosion-fatigue test will be taken in the alkali metal molten salt conditions which simulate the biomass burning boiler. The research works include the microstructure variation of the heat pipes under the different biomass burning conditions, selective corrosion mechanism of various microstructure characteristics in alkali metal molten salt condition, and the influence mechanism of the selective corrosion on fatigue crack initiation and propagation. Through the study of the relationship between fatigue damage and electrochemical characteristic parameters,the heat pipe steel corrosion-fatigue damage behavior with microstructures variation in alkali metal molten salt condition will be studied. Therefore, the variation of alloy structure in Alkali metal molten salt environment, corrosion mechanism and fatigue damage mechanism are to be revealed in this project. The researches may provide theoretical foundation to solve the heat pipe biomass fuel boiler rapid failure problem, and offer the scientific basis for scientific material selecting of the heat pipe and optimizing operation process, at the same time, the research results can enrich the metal corrosion fatigue crack propagation theory.

生物质发电锅炉爆管是制约生物质燃料发电发展的重要因素。生物质燃料含有大量的氯和碱金属，在燃烧发电过程中产生的大量碱金属化合物，碱金属化合物对热管的选择性腐蚀和疲劳损伤是影响生物质燃料锅炉热管快速失效的主要原因。.本项目在模拟生物质燃烧发电的碱金属熔盐条件下进行腐蚀疲劳试验，开展生物质燃烧环境对热管组织结构变化的影响、不同组织特征的碱金属熔盐选择性腐蚀机理、选择性腐蚀对疲劳裂纹萌生和扩展的影响机制研究。通过研究疲劳损伤与电化学特征参量之间关系，探索碱金属熔盐环境下合金组织变化过程中合金的热管腐蚀－疲劳损伤行为，从本质上揭示碱金属熔盐环境下合金的组织变化、腐蚀机理和疲劳损伤机理。为解决生物质燃料锅炉的热管快速失效问题提供理论基础，为锅炉热管的科学选材及优化运行工艺提供科学依据，同时为丰富金属腐蚀疲劳裂纹扩展理论提供基础研究。

生物质燃烧过程中形成的大量的碱金属化合物，生物质燃料锅炉热管的碱金属熔盐腐蚀、热疲劳和腐蚀疲劳造成的失效爆管是急需解决的重要课题。本项目研究了锅炉过热器钢管12Cr1MoV合金在NaCl、KCl、K2SO4、K2SO4 、Na2SO4等碱金属熔盐环境中的选择性腐蚀特征、电化学腐蚀行为、蠕变变形行为、疲劳行为、疲劳寿命、疲劳裂纹扩展以及熔盐环境和疲劳载荷之间的交互作用。. 研究结果表明，碱金属氯盐KCl对12Cr1MoV钢的腐蚀性大于NaCl，在600oC后，熔盐的浓度对材料的腐蚀作用大于温度提高对钢的腐蚀。电化学阻抗谱表现出双容抗特征，当温度升高及熔盐中KCl混合含量浓度上升，腐蚀速率更快；材料基体在KCl+NaCl混合熔盐条件下的腐蚀速率比在KCl+K2SO4、KCl+Na2SO4混合熔盐中小，而在KCl+NaCl混合熔盐条件下，金属氧化物缓慢腐蚀区部分腐蚀速率大于KCl+K2SO4、KCl+Na2SO4混合熔盐，在碱金属氯盐中的腐蚀速率快于硫酸盐。700℃以上且腐蚀较长时热腐蚀增大材料的稳态蠕变速率并促进其变形。热腐蚀环境中材料蠕变变形速率规律为 。随混合盐中Na2SO4比例的增加，蠕变试样进入稳态阶段的时间变长。在650℃、NaCl-30%KCl环境中的变形机制主要为位错粘滞滑移所控制，随应力增大，热腐蚀对材料的破坏程度加深。在恒应力载荷的作用下，晶界裂纹沿加载压应力方向扩展产生断层，而被腐蚀后的晶粒造成材料内部疏松多孔，进一步扩大层间裂纹，该现象导致热腐蚀环境下的蠕变变形速率大于空气中试样。在Na2SO4、K2SO4混合高温碱金属盐环境下，随着总应变幅值的增大，疲劳寿命显著减小，在±0.5%、±0.4%应变幅值下的疲劳试验中，合金钢循环稳定，而在±0.3%、±0.2%应变幅值下，循环硬化率更高。应变疲劳寿命损伤中存在一个弹性应变对材料所造成的疲劳损伤与塑性应变对材料所造成的疲劳损伤相等的结点。在较大应力幅值区间内，应力幅值的变化对材料疲劳循环周次的影响较大，总应力幅值越小循环周次降低幅度越大。碱金属腐蚀疲劳裂纹起源于试样表面缺陷处，裂纹的扩展方向为垂直试样切线方向，呈放射状传播。. 研究结果为解决生物质燃料锅炉的热管快速失效问题提供理论基础，为锅炉热管的科学选材及优化运行工艺提供科学依据，同时为丰富金属腐蚀疲劳裂纹扩展理论提供基础研究。