一种微尺度分析合金高温蒸汽腐蚀机理的方法技术

本发明专利技术属于电站机组蒸汽腐蚀技术领域，具体涉及一种微尺度分析合金高温蒸汽腐蚀机理的方法，包括建立FeCr合金模型；基于FeCr合金模型建立FeCr合金‑超临界水模型；对FeCr合金‑超临界水模型进行动力学仿真，统计动力学仿真过程中Fe原子、Cr原子、H原子和O原子的坐标以及FeCr合金外层和次外层的Fe原子和Cr原子的电荷；基于动力学仿真过程中Fe原子、Cr原子、H原子和O原子的坐标以及FeCr合金外层和次外层的Fe原子和Cr原子的电荷得出FeCr合金氧化初期反应机理和FeCr合金氧化后期反应机理。本发明专利技术从微观尺度揭示了在高温蒸汽环境下，FeCr合金氧化初期及氧化后期的反应机理，有益于建立氧化膜生长预测模型，预防氧化膜剥落对电厂安全运行的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种微尺度分析合金高温蒸汽腐蚀机理的方法
本专利技术属于电站机组蒸汽腐蚀
，具体涉及一种微尺度分析合金高温蒸汽腐蚀机理的方法。
技术介绍
超临界机组是我国火电机组建设的主导方向。适当增大主蒸汽温度，可以提高发电机组的效率，降低污染物排放。但提高蒸汽温度会导致过热器管内发生高温蒸汽氧化腐蚀，对发电机组造成十分严重的影响。在高温条件下，过热器金属管壁与环境介质中的高温蒸汽发生化学反应，生成结构致密的氧化膜。由高温蒸汽氧化形成的氧化膜会消耗金属管壁，从而降低了金属管的有效壁厚，进而导致管壁局部工作压力提高，温度上升。这些因素使得管壁应力和温度同时升高，给电站的安全运行带来隐患。已有分析手段基于高温氧化膜实验，在高温蒸汽环境氧化合金材料，采用金相实验法测量氧化膜厚度，建立奥体合金(TP347H、TP347HFG、HR3C、Super304H)、铁素体合金(T91、T23)的氧化膜生长预测模型。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱仪(EDS)观察氧化膜元素组成，观察氧化膜内部的物理缺陷。但是，现有的实验分析方法难以解释氧化膜生长、以及缺陷形成的机理。全面了解金属管高温蒸汽氧化膜的生长机理对于减少现役火电机组的安全隐患，提高新建电站的机组效率至关重要。
技术实现思路
为解决现有技术的不足，本专利技术提供一种微尺度分析合金高温蒸汽腐蚀机理的方法，能够揭示金属管在高温蒸汽环境下的氧化腐蚀机理。为解决现有技术的不足，本专利技术提供的技术方案为：本专利技术提供一种微尺度分析合金高温蒸汽腐蚀机理的方法，包括，建立FeCr合金模型；基于FeCr合金模型建立FeCr合金-超临界水模型；对FeCr合金-超临界水模型进行动力学仿真，统计动力学仿真过程中Fe原子、Cr原子、H原子和O原子的坐标以及FeCr合金外层和次外层的Fe原子和Cr原子的电荷；基于动力学仿真过程中Fe原子、Cr原子、H原子和O原子的坐标以及FeCr合金外层和次外层的Fe原子和Cr原子的电荷得出FeCr合金氧化初期反应机理和FeCr合金氧化后期反应机理。优选的，所述建立FeCr合金模型，包括，采用MaterialsStudio或LAMMPS软件建立铁基体模型，将铁基体模型中的部分Fe原子随机替换为Cr原子，建立呈面心立方的FeCr合金模型。优选的，所述建立FeCr合金模型，包括，采用MaterialsStudio软件建立铁基体模型，按7:1的比例将铁基体模型中的Fe原子随机替换为Cr原子，建立呈面心立方的FeCr合金模型。优选的，所述基于FeCr合金模型建立FeCr合金-超临界水模型，包括，采用LAMMPS软件，在FeCr合金模型表面添加预定数量的水蒸气分子，建立FeCr合金-超临界水模型。优选的，采用ReaxFF势函数和LAMMPS软件，利用NVT系统、NVP系统和NVE系统中的一种进行动力学仿真。优选的，在动力学仿真过程中，温度为600℃，压力为25MPa；时间补偿为0.2fs；在FeCr合金-超临界水模型的x和y方向上，采用对称边界条件；在FeCr合金-超临界水模型的上边界设置了反射壁；FeCr合金-超临界水模型最底层的Fe原子和Cr原子被冻结到初始位置，而其余的层被允许放松。优选的，在动力学仿真过程中，采用阻尼参数为25fs的Nose-Hoover温控器控制温度。优选的，所述基于动力学仿真过程中Fe原子、Cr原子、H原子和O原子的坐标以及FeCr合金外层和次外层的Fe原子和Cr原子的电荷得出FeCr合金氧化初期反应机理和FeCr合金氧化后期反应机理，包括，基于FeCr合金外层和次外层的Fe原子和Cr原子的电荷得出氧化初期FeCr合金外层和次外层的Fe原子和Cr原子的电荷变化；基于Fe原子、Cr原子、H原子和O原子的坐标得出氧化初期FeCr合金-超临界水模型的形貌以及氧化后期FeCr合金表面氧化膜形貌；基于Fe原子、Cr原子、H原子和O原子的坐标得出氧化初期Fe原子、Cr原子和O原子的迁移机制以及氧化后期Fe原子、Cr原子和O原子的迁移机制；基于氧化初期FeCr合金外层和次外层的Fe原子和Cr原子的电荷变化、氧化初期FeCr合金-超临界水模型的形貌以及氧化初期Fe原子、Cr原子和O原子的迁移机制得出FeCr合金氧化初期反应机理；基于氧化后期Fe原子、Cr原子和O原子的迁移机制以及氧化后期FeCr合金表面氧化膜形貌得出FeCr合金氧化后期反应机理。优选的，采用LAMMPS软件计算FeCr合金氧化初期外层和次外层的Fe原子和Cr原子的电荷变化、氧化初期FeCr合金-超临界水模型的形貌、氧化后期FeCr合金表面氧化膜形貌、氧化初期Fe原子、Cr原子和O原子的迁移机制以及氧化后期Fe原子、Cr原子和O原子的迁移机制；采用ovito软件显示氧化初期FeCr合金-超临界水模型的形貌和氧化后期FeCr合金表面氧化膜形貌。优选的，还包括对FeCr合金模型进行几何优化，所述对FeCr合金模型进行几何优化，包括，采用LAMMPS软件使FeCr合金模型在600℃弛豫，弛豫时间为1ns。本专利技术的有益效果：1)本专利技术从微观尺度分析氧化初期合金在蒸汽环境的氧化机理，能够描述氧化初期H2O分子与FeCr表面Cr原子的反应过程，水分子在FeCr表面分解成OH离子、H离子和O离子。H离子和O离子迁移到FeCr合金内部，并在FeCr合金表面形成Fe-Cr-O内氧化物和Cr-(OH)n-(H2O)m；(2)本专利技术从微观尺度分析氧化后期合金在蒸汽环境的氧化机理，在Fe-Cr-O内氧化物表面形成了Fe-O外氧化物，最终形成了双层结构的氧化膜，并且，在Fe-Cr-O内氧化物中富含Cr，在Fe-O外氧化物中只能发现稀有的Cr原子；(3)本专利技术有益于建立氧化膜生长预测模型，预防氧化膜剥落对电厂安全运行的影响。附图说明图1为本专利技术提供的FeCr合金-超临界水模型的示意图；图2为实施例1中氧化初期FeCr合金外层和次外层金属原子的电荷变化图；图3(a)为实施例1中氧化初期第一阶段FeCr合金-超临界水模型的形貌图；图3(b)为实施例1中氧化初期第二阶段FeCr合金-超临界水模型的形貌图；图3(c)为实施例1中氧化初期第三阶段FeCr合金-超临界水模型的形貌图；图3(d)为实施例1中氧化初期第四阶段FeCr合金-超临界水模型的形貌图；图4为实施例1中FeCr合金表面Cr原子、O原子和Fe原子迁移距离变化图；图5(a)为实施例1中FeCr合金表面O原子向内迁移的形貌图；图5(b)为实施例1中FeCr合金表面Fe原子和Cr原子向外迁移的形貌图；图5(c)为实施例1中FeCr合金-Fe-Cr-O内氧化物交界面处O原子向内迁移的形貌图；图5(d)为实施例1中Fe-Cr-O内氧化物-水蒸汽交界面Fe原子向外迁本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微尺度分析合金高温蒸汽腐蚀机理的方法，其特征在于，包括，/n建立FeCr合金模型；/n基于FeCr合金模型建立FeCr合金-超临界水模型；/n对FeCr合金-超临界水模型进行动力学仿真，统计动力学仿真过程中Fe原子、Cr原子、H原子和O原子的坐标以及FeCr合金外层和次外层的Fe原子和Cr原子的电荷；/n基于动力学仿真过程中Fe原子、Cr原子、H原子和O原子的坐标以及FeCr合金外层和次外层的Fe原子和Cr原子的电荷得出FeCr合金氧化初期反应机理和FeCr合金氧化后期反应机理。/n

【技术特征摘要】
1.一种微尺度分析合金高温蒸汽腐蚀机理的方法，其特征在于，包括，
建立FeCr合金模型；
基于FeCr合金模型建立FeCr合金-超临界水模型；
对FeCr合金-超临界水模型进行动力学仿真，统计动力学仿真过程中Fe原子、Cr原子、H原子和O原子的坐标以及FeCr合金外层和次外层的Fe原子和Cr原子的电荷；
基于动力学仿真过程中Fe原子、Cr原子、H原子和O原子的坐标以及FeCr合金外层和次外层的Fe原子和Cr原子的电荷得出FeCr合金氧化初期反应机理和FeCr合金氧化后期反应机理。


2.根据权利要求1所述的一种微尺度分析合金高温蒸汽腐蚀机理的方法，其特征在于，所述建立FeCr合金模型，包括，
采用MaterialsStudio或LAMMPS软件建立铁基体模型，将铁基体模型中的部分Fe原子随机替换为Cr原子，建立呈面心立方的FeCr合金模型。


3.根据权利要求2所述的一种微尺度分析合金高温蒸汽腐蚀机理的方法，其特征在于，所述建立FeCr合金模型，包括，
采用MaterialsStudio软件建立铁基体模型，按7:1的比例将铁基体模型中的Fe原子随机替换为Cr原子，建立呈面心立方的FeCr合金模型。


4.根据权利要求1所述的一种微尺度分析合金高温蒸汽腐蚀机理的方法，其特征在于，所述基于FeCr合金模型建立FeCr合金-超临界水模型，包括，
采用LAMMPS软件，在FeCr合金模型表面添加预定数量的水蒸气分子，建立FeCr合金-超临界水模型。


5.根据权利要求1所述的一种微尺度分析合金高温蒸汽腐蚀机理的方法，其特征在于，采用ReaxFF势函数和LAMMPS软件，利用NVT系统、NVP系统和NVE系统中的一种进行动力学仿真。


6.根据权利要求1所述的一种微尺度分析合金高温蒸汽腐蚀机理的方法，其特征在于，
在动力学仿真过程中，温度为600℃，压力为25MPa；时间补偿为0.2fs；在FeCr合金-超临界水模型的x和y方向上，采用对称边界条件；在FeCr合金-超临界水模型的上边界设置了反射壁；FeCr合金-超临界水模型最底层的Fe原子和Cr原子被冻结到初始位置，而其余的层被允许放松。

【专利技术属性】
技术研发人员：徐洪，祁晶，张卫庆，
申请(专利权)人：江苏方天电力技术有限公司，南京师范大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32