應用介紹

先進超臨界電站的腐蝕

“摩擦學的挑戰，包括侵蝕腐蝕，是實現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的產能，在2030年之前將溫室氣體排放量減少35%，以實現COP21的目標。先進的超超臨界發電廠（AUSC）是一項關鍵技術，其效率可達到47-50%，比現有的常規發電廠高出近35%。這直接轉化為二氧化碳減排20億噸。該國正在開發的其他技術包括在現有發電廠和廢物發電廠混合燃燒生物質衍生燃料，以便對農業和城市廢物進行再利用，以促進循環經濟。

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境中由于金屬表面的機械和化學相互作用而導致換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）開發的。鍋爐環境不存在此類地圖。

 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。這種侵蝕-氧化圖與已確定的侵蝕-氧化圖的區別是，腐蝕包括氧化、硫化和氯化，而侵蝕可以包括物質沉積和清除

圖1b高溫金屬損耗圖取決于溫度和腐蝕速度，可實現精確的材料識別和穩健的設計

 不同的區域可以根據降解機理和金屬損耗率來劃分。

區域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。反復沖擊最終導致水壁過薄和潛在破裂。

區域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）發生反應，使其多孔并增強腐蝕。速率以指數形式取決于溫度。

區域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，協同作用可以加速金屬損耗的數量級‘純凈的’ 機制。這也是最不了解的機制，因為復雜的表面化學，相，厚度，侵蝕，散裂和沉積。（圖2）

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

在一個極端（區域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。其他區域4和5表示侵蝕和熱腐蝕導致的材料去除率與保護性氧化導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？

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

一個先進的實驗室設施，可以模擬鍋爐的環境，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場測試的過渡，以及高溫侵蝕腐蝕設施的缺失環節，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煙氣環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，可再現粉煤灰和煙氣的氣氛。

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