一种研究钢在高温流动铅铋合金中腐蚀行为的实验系统技术方案

一种研究钢在高温流动铅铋合金中腐蚀行为的实验系统，涉及铅铋冷却快中子反应堆，包括铅铋合金贮存及供应系统、铅铋合金溶氧预处理系统、铅铋合金净化系统、实验主回路系统；实验主回路系统包括电磁泵，流量计，固相氧控装置，样品放置盒，杂质过滤器和三段不同直径的管道以及供气系统，加热保温系统；实验主回路系统能实时控制回路内流体的温度和氧含量，能同时开展钢在不同攻角及不同铅铋合金流速下的腐蚀实验；实验结束进行铅铋合金净化复位，将样品放置盒内的样品进行处理后通过多手段表征钢在不同攻角及不同铅铋合金流速下的腐蚀行为特性；本发明专利技术为铅铋冷却快中子反应堆钢在铅铋合金中的腐蚀行为研究提供重要的实验装置。装置。装置。

【技术实现步骤摘要】
一种研究钢在高温流动铅铋合金中腐蚀行为的实验系统


[0001]本专利技术涉及铅铋合金冷却快中子反应堆钢材料在铅铋合金冷却剂中的腐蚀行为特性研究
，具体涉及一种研究钢在高温流动铅铋合金中腐蚀行为的实验系统。

技术介绍

[0002]铅铋合金是第四代快中子反应堆的候选冷却剂之一，因其优异的物理化学性能，有望大幅度提高核反应堆的运行安全性；然而该冷却剂与核反应堆内结构钢的相容性问题依然制约着其在核能领域的大规模工业化应用；氧化和溶解是两种不同溶解氧浓度的静态铅铋合金中的材料腐蚀失效机制；尽管国内外已经开展了不少关于结构钢在流动铅铋中的腐蚀行为研究，但受制于动态腐蚀实验设备的搭建和维护难度，铅铋动态腐蚀实验依然主要局限于层流环境下，极端冲刷条件下材料冲蚀行为的相关研究极为罕见；而探讨冲刷、氧化与溶解等多种传统腐蚀失效模式相互作用的机制目前更鲜有报道；
[0003]一般来讲，在静止的液态铅铋合金中，钢材料存在氧化与溶解两种腐蚀失效模式，这两种腐蚀行为与液态铅铋合金中溶解的氧含量密切相关；为了避免钢材料基体与铅铋合金直接接触后发生溶解腐蚀，最常见的方式是在钢材料表面生成连续的外氧化层，这可以通过适当提高铅铋合金中溶解氧的浓度达成；但需要注意的是，过高的氧浓度会导致钢材料表面氧化层增长过快，甚至可能导致液态铅铋合金自身被氧化；过厚的氧化层不但会影响表面传热，还可能存在氧化层局部脱落后堵塞管道的隐患；一旦铅铋合金中的氧化物颗粒随液态铅铋合金一起流动，固液两相流对叶轮、管道和阀门等部件表面的磨损力度也会加剧；因此，研究人员寄希望于将铅铋合金中的溶解氧浓度控制在一个确保结构钢表面氧化层连续且缓慢生长的氧浓度范围；目前，德国卡尔斯鲁厄理工学院在CORRIDA铅铋回路借助气相氧控和氧泵技术实现了铅铋动态腐蚀全过程氧浓度的精确控制；华北电力大学核科学与工程学院牛风雷教授团队、中科院安徽光机所、中科院核安全所以及中广核研究院等国内研究单位均报道了自主研发的静态或动态铅铋腐蚀装置中氧含量实时在线监测或控制技术；
[0004]在实际设备运行中，钢材料在铅铋合金中的溶解、氧化两种腐蚀行为的发生不仅与氧浓度有关，也与腐蚀时间、温度以及材料的具体成分、热处理和机械加工工艺有关；如果温度高于500℃～550℃，或者腐蚀时间较长(超过10000小时)，即便是在高于上述氧化反应临界氧分压值的静态铅铋合金中，也曾有局部氧化膜失去保护作用后，钢材料元素被溶解腐蚀的相关研究报道；
[0005]铅铋合金快中子反应堆钢材料在高温流动铅铋合金中的腐蚀行为机理研究十分重要并且必要，有助于明确冲刷、氧化、溶解等多种腐蚀行为交互作用下，处于不同冲刷角度的钢材料表面或经过防腐蚀处理的钢材料表面的腐蚀行为，对铅铋合金冷却快中子反应堆内长期在极端铅铋流动状态下服役的各种钢材料的选型及腐蚀防护具有重要参考价值。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是克服现有技术的不足，提供一种研究钢在高温流动铅铋合金中腐蚀行为的实验系统，能够研究钢材料在高温流动铅铋合金的冲刷、氧化与溶解等多种腐蚀行为交互作用下的腐蚀机制，揭示其规律。
[0007]为了达到上述目的，本专利技术采取如下技术方案：
[0008]一种研究钢在高温流动铅铋合金中腐蚀行为的实验系统，包括铅铋合金贮存及供应系统，铅铋合金溶氧预处理系统，实验主回路系统；所述铅铋合金贮存及供应系统包括第一氩气瓶，第一阀门，铅铋合金贮存及加热罐，第二阀门，第一热电偶温度计和第三阀门；所述第一氩气瓶通过第一阀门和铅铋合金贮存及加热罐连通提供气压；所述第一热电偶温度计和铅铋合金贮存及加热罐连接检测其内的铅铋合金温度，以及一第三阀门为铅铋合金贮存及加热罐的进气阀门；
[0009]所述的铅铋合金溶氧预处理系统包括第二氩气瓶，第四阀门，铅铋合金溶氧预处理罐，第五阀门，第二热电偶温度计，第六阀门，以及提供氩气和氧气的混合气体瓶，第七阀门，所述铅铋合金贮存及供应系统通过第三阀门和铅铋合金溶氧预处理罐连通，所述第二氩气瓶通过第四阀门和铅铋合金溶氧预处理罐连通提供气压，所述第二热电偶温度计和铅铋合金溶氧预处理罐连接检测其内铅铋合金的温度，所述第七阀门和实验主回路系统连通；
[0010]所述的实验主回路系统包括，包含三段不同直径的第一、二、三圆管道，所述第一、二、三圆管道分别放置有第一、二、三样品放置盒，所述第一、二、三圆管道之间通过第一、二、三圆管连接头相互连接，第三热电偶温度计、第四热电偶温度计、第五热电偶温度计分别设置于第一、二、三圆管道上监测其内的铅铋合金温度，还包括一带PID控制的电加热系统，所述第三氩气瓶通过第八阀门和电磁泵连通提供气压。
[0011]其中，优选方案，还包括一铅铋合金净化系统，所述铅铋合金净化系统包括依次串接有第九阀门﹑铅铋合金净化装置，以及第十阀门，所述第九阀门的一端和铅铋合金贮存及加热罐连通，所述第十阀门的一端和铅铋合金溶氧预处理罐连通。
[0012]其中，优选方案为：所述混合气体瓶内的氩气和氧气体积分数分别为95％和5％。
[0013]其中，优选方案为：所述的铅铋合金贮存及供应系统与铅铋合金溶氧预处理系统分开设置，并在两个系统中设置铅铋合金净化系统，以保证每次实验结束后返回铅铋合金贮存及加热罐内铅铋合金的纯度。
[0014]其中，优选方案为：所述实验主回路系统的不同直径的所述第一、二、三圆管道，整个系统在恒定液态铅铋合金流量下能提供三个不同流速的铅铋合金流动环境。
[0015]其中，优选方案为：所述实验主回路系统还包括电磁泵﹑电磁流量计以及固相氧控装置，所述电磁泵﹑电磁流量计以及固相氧控装置串联置于第十一阀门和第一圆管道之间，通过调节电磁泵的功率大小使电磁流量计的示数达到开展实验所需的数值，固相氧控装置实时调节回路内铅铋合金氧含量的大小
[0016]其中，优选方案为：所述实验主回路系统中的第一、二、三样品放置盒分别放置经过处理的钢片样品，每个样品放置盒内可放置多个钢片样品，样品放置时可按实验需求放置并固定钢片样品表面与铅铋合金来流速度方向的夹角，每次实验结束后可将样品放置盒拆卸并取出钢片样品进行分析。
[0017]其中，优选方案为：所述的实验主回路系统中的第一、二、三样品放置盒所处的第一、二、三圆管道应有足够的直管长度，以保证初始进入样品放置盒内的液态铅铋合金的流场的稳定性。
[0018]其中，优选方案为：所述实验主回路系统中的杂质过滤器可进行选择性开启，开启时可避免液态铅铋合金中的杂质对第一、二、三样品放置盒内的钢片样品产生冲刷磨损影响，未开启杂质过滤器时可研究液态铅铋合金中杂质对钢片样品的磨损影响。
[0019]本专利技术实验系统涉及铅铋合金冷却快中子反应堆，包括铅铋合金贮存及供应系统、铅铋合金溶氧预处理系统、铅铋合金净化系统、实验主回路系统；实验主回路系统包括电磁泵，流量计，固相氧控装置，样品放置盒，杂质过滤器和三段不同直径的管道以及供气系统，加热保温系统；实验主回路系统能实时控制回路内流体的温度和氧含量，能同时开展钢在不同攻角本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种研究钢在高温流动铅铋合金中腐蚀行为的实验系统，其特征在于：实验系统包括铅铋合金贮存及供应系统(1)，铅铋合金溶氧预处理系统(2)，实验主回路系统(4)；所述铅铋合金贮存及供应系统(1)包括第一氩气瓶(101)，第一阀门(103
‑
1)，铅铋合金贮存及加热罐(104)，第二阀门(103
‑
2)，第一热电偶温度计(105)和第三阀门(103
‑
3)；所述第一氩气瓶(101)通过第一阀门(103
‑
1)和铅铋合金贮存及加热罐(104)连通提供气压；所述第一热电偶温度计(105)和铅铋合金贮存及加热罐(104)连接检测其内的铅铋合金温度，以及一第三阀门(103
‑
3)为铅铋合金贮存及加热罐(104)的进气阀门；所述的铅铋合金溶氧预处理系统(2)包括第二氩气瓶(201)，第四阀门(203
‑
1)，铅铋合金溶氧预处理罐(204)，第五阀门(203
‑
2)，第二热电偶温度计(205)，第六阀门(203
‑
3)，以及提供氩气和氧气的混合气体瓶(206)，第七阀门(203
‑
4)，所述铅铋合金贮存及供应系统(1)通过第三阀门(103
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3)和铅铋合金溶氧预处理罐(204)连通，所述第二氩气瓶(201)通过第四阀门(203
‑
1)和铅铋合金溶氧预处理罐(204)连通提供气压，所述第二热电偶温度计(205)和铅铋合金溶氧预处理罐(204)连接检测其内铅铋合金的温度，所述第七阀门(203
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4)和实验主回路系统(4)连通；所述的实验主回路系统(4)包括，包含三段不同直径的第一、二、三圆管道(408
‑
1、408
‑
2、408
‑
3)，所述第一、二、三圆管道(408
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1、408
‑
2、408
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3)分别放置有第一、二、三样品放置盒(407
‑
1、407
‑
2、407
‑
3)，所述第一、二、三圆管道(408
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1、408
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2、408
‑
3)之间通过第一、二、三圆管连接头(409
‑
1、409
‑
2、409
‑
2相互连接，第三热电偶温度计(406
‑
1)、第四热电偶温度计(406
‑
2)、第五热电偶温度计(406
‑
3)分别设置于第一、二、三圆管道(408
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1、408
‑
2、408
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3)上监测其内的铅铋合金温度，还包括一带PID控制的电加热系统(410)，所述第三氩气瓶(412)通过第八阀门(402
‑
3)和电磁泵(403)连通提供气压。2.根据权利要求1所述的一种研究钢在高温流动铅铋合金中腐蚀行为的实验系统，其特征在于：还包括一铅铋合金净化系统(3)，所述铅铋合金净化系统(3)包括依次串接有第九阀...

【专利技术属性】
技术研发人员：李勇霖，蔡幸福，黎素芬，霍勇刚，张全虎，
申请(专利权)人：中国人民解放军火箭军工程大学，
类型：发明
国别省市：