生物质锅炉过热器钢管在高温碱金属盐环境下的疲劳--蠕变行为研究

摘要

生物质在燃烧时会释放大量的碱金属、氯和硫等无机元素，生成碱金属化合物随烟气进入过热器管道在其表面上形成碱金属盐沉积，造成钢管的热腐蚀破坏。同时，生物质过热器管在运行时既承受着启动、停机这样的循环载荷疲劳作用，也承受着稳定运行中的稳定载荷的蠕变作用，导致结构发生腐蚀疲劳/蠕变损伤，从而造成管道的爆裂与失效。为了研究生物质钢管在高温碱金属盐环境下的疲劳-蠕变性能以及失效断裂机制，本文利用RDL05电子蠕变疲劳试验机，扫描电镜、能谱分析、金相显微镜等辅助工具，分别开展了不同循环载荷、碱金属盐种类和蠕变保载时间下的12Cr1MoV合金疲劳-蠕变实验，研究的主要内容及结果如下: (1)开展了不同种类的碱金属盐环境下的高温疲劳-蠕变实验，研究在不同高温碱金属盐腐蚀环境下12Cr1MoV合金疲劳-蠕变性能的变化关系。结果表明，不同的热腐蚀环境对疲劳-蠕变性能的影响较大，高温纯氯盐环境下疲劳-蠕变循环寿命均低于混合硫氯盐环境下，加入的硫酸盐对氯盐的活化氧化有一定的抑制作用，然而，随着K2SO4含量的增加，KCl-75％K2SO4环境中合金表面出现KCl-K2SO4低温共溶体引起硫酸盐的晶界腐蚀，为KCl腐蚀基体开辟了通道，导致腐蚀加剧，造成合金表面缺陷、裂纹萌生，循环寿命降低，合金疲劳-蠕变性能弱于K2SO4含量少的混合硫氯盐环境下。 (2)开展了高温碱金属盐环境中不同循环应力作用下12Cr1MoV合金的疲劳-蠕变实验。结果表明，12Cr1MoV在600℃、KCl-25％K2SO4环境中，蠕变保载时间7.2s，试样的失效断裂主要由疲劳损伤导致，随应力增大，热腐蚀对材料的破坏程度加深，裂纹扩展深度加深。循环应力较低时，晶界上析出物均匀细化，一定程度上增强了抗疲劳性能，应力增大，晶界上析出物呈不连续状粗化分布，弱化了疲劳-蠕变性能。 (3)开展了不同蠕变保载时间下高温碱金属盐环境中12Cr1MoV合金的疲劳-蠕变性能，研究蠕变对疲劳-蠕变性能的影响。蠕变保载时间7.2s，疲劳-蠕变主要是疲劳损伤，未发现蠕变损伤，随着保载时间增加到36s，失效断裂转为蠕变损伤主导，可观察到明显的蠕变颈缩断口形貌，呈韧性穿晶断裂，循环周次显著降低，疲劳-蠕变性能大幅度退化。 (4)研究分析了不同蠕变保载时间的基体显微组织的变化。结果表明，循环应力为273.7MPa的疲劳-蠕变交互作用时，蠕变保载时间短，损伤由疲劳性能主导时，塑性变形较小，晶界析出物均匀分布，可增强晶界结合力，抵抗变形能力增强，随保载时间增长，蠕变产生的塑性变形增大，损伤主要是蠕变损伤引起的，晶界析出物呈不连续粗化分布，珠光体和渗碳体球化加速，降低晶界与晶粒、晶界与晶界之间的结合力，弱化了合金材料的抗蠕变能，整体性能大幅度退化。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1研究背景

1．2生物质锅炉过热器管材料的发展

1．2．1生物质锅炉过热器管材料

1．2．2过热器管损伤失效

1．3生物质电厂锅炉过热器管材料高温碱金属腐蚀

1．3．1过热器管道表面碱金属混合盐沉积

1．3．2生物质锅炉过热器管碱金属盐腐蚀

1．4疲劳-蠕变的研究进展

1．4．1疲劳、蠕变及其交互作用

1．4．2疲劳-蠕变行为的主要研究方法

1．5腐蚀环境下材料的疲劳／蠕变研究现状

1．6论文课题来源、研究意义及主要内容

1．6．1课题研究意义

1．6．2课题研究内容

第二章研究方法

2．1实验材料与设备

2．1．1实验材料

2．1．2实验设备

2．2疲劳蠕变实验方法

2．2．1加载波形

2．2．2实验方案

2．3实验过程

2．3．1试样制备

2．3．2试样涂盐方法

2．3．3疲劳-蠕变实验

2．4实验结果检测

第三章高温硫氯盐腐蚀对12Cr1MoV合金疲劳-蠕变性能的影响

3．1．1不同配比碱金属混合盐环境下ε-Nf曲线

3．1．2不同配比碱金属混合盐环境下迟滞回线

3．2高温混合硫氯盐环境下试样疲劳-蠕变断裂机制

3．2．1高温混合盐环境下试样断裂的宏观断口形貌

3．2．2高温混合盐环境下试样裂纹萌生

3．2．3高温混合盐环境下试样裂纹扩展

3．3．4高温混合盐环境下试样失稳断裂

3．3高温碱金属盐腐蚀对12Cr1MoV合金显微组织结构的影响

3．4疲劳-蠕变载荷下的基体的组织变化

3．5结果分析与讨论

3．6本章小结

第四章载荷及蠕变时间对12Cr1MoV合金疲劳-蠕变性能的影响

4．1．1不同循环应力下的ε-Nf曲线

4．1．2不同循环应力对迟滞回线的影响

4．1．3不同循环应力下试样截面的微观形貌

4．1．4应力对试样微观组织的影响

4．2蠕变保载时间对12Cr1MoV合金疲劳-蠕变性能的影响

4．2．1不同保载时间下的ε-Nf曲线

4．2．2不同保载时间下的迟滞回线

4．2．3保载时间对疲劳-蠕变断裂的影响

4．2．4保载时间对12Cr1MoV合金基体组织的影响

4．3本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录