超临界水环境中汽轮机阀门材料氧化特性研究

doi:10.11902/1005.4537.2024.393

中国腐蚀与防护学报

2025, Vol. 45

Issue (5): 1219-1232 CSTR: 32134.14.1005.4537.2024.393 DOI: 10.11902/1005.4537.2024.393

研究报告

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超临界水环境中汽轮机阀门材料氧化特性研究

王芬玲¹, 尚丽梅¹, 张乃强², 朱忠亮²(

)

1 东方电气集团东方汽轮机有限公司清洁高效透平动力装备全国重点实验室德阳 618000
2 华北电力大学电站能量传递转化与系统教育部重点实验室北京 102206

Oxidation Behavior of Valve Materials Used in Steam Turbine in Supercritical Water Environment

WANG Fenling¹, SHANG Limei¹, ZHANG Naiqiang², ZHU Zhongliang²(

)

1 State Key Laboratory of Clean & Efficient Turbomachinery Power Equipment-High Temperature Materials Research Institute, Dongfang Electric Corporation, Dongfang Turbing Corporation Limited, Deyang 618000, China
2 Key Laboratory of Power Station Energy Transfer, Conversion and System, Ministry of Education, North China Electric Power University, Beijing 102206, China

引用本文:

王芬玲, 尚丽梅, 张乃强, 朱忠亮. 超临界水环境中汽轮机阀门材料氧化特性研究[J]. 中国腐蚀与防护学报, 2025, 45(5): 1219-1232.
Fenling WANG, Limei SHANG, Naiqiang ZHANG, Zhongliang ZHU. Oxidation Behavior of Valve Materials Used in Steam Turbine in Supercritical Water Environment[J]. Journal of Chinese Society for Corrosion and protection, 2025, 45(5): 1219-1232.

全文: PDF(47991 KB) HTML

摘要:

对F91、渗氮F91及F92钢在600~620 ℃/25 MPa超临界水(SCW)中的氧化特性进行研究。利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射谱(XRD)以及X射线光电子能谱(XPS)分析阀门材料的氧化动力学、氧化膜微观形貌以及物相组成。结果表明：F91、渗氮F91及F92钢氧化动力学偏离抛物线规律。阀门材料的氧化膜为典型的双层结构，外层富Fe，由Fe₃O₄或Fe₂O₃组成，内层由富Cr尖晶石组成，氧化膜表面有少量MoO₃、Ni(OH)₂以及Cr₂O₃。此外，随着氧化时间的延长和温度的升高，氧化膜发生严重的翘曲型剥落。也对F91、渗氮F91及F92钢在超临界水中的氧化及剥落机理进行了讨论。

关键词 ：渗氮, 氧化, 超临界水, 生长机理, 氧化膜

Abstract：

The oxidation behavior of F91, nitrided F91 and F92 steels were performed in supercritical water (SCW) at 600-620 ℃/25 MPa. The oxidation kinetics, microstructure and phase composition of the oxide scale were analyzed using an electronic balance, SEM, XRD and XPS. The results show that the oxidation kinetics of F91, nitrided F91 and F92 steels deviate from the parabolic law. The oxide scale formed on the steels were a typical double-layer structure, consisting of an Fe-rich outer layer Fe₃O₄, Fe₂O₃, and a Cr-rich inner layer. Furthermore, MoO₃, Ni(OH)₂ and Cr₂O₃were also detected on the surface of the oxide scale. In addition, with the increase of oxidation time and temperature, the oxide scale undergoes severe warping-type peeling. The oxidation and peeling mechanisms of F91, nitrided F91 and F92 steels in supercritical water were also discussed.

Key words： nitridation oxidation supercritical water oxidation mechanism oxide film

收稿日期: 2024-12-10 32134.14.1005.4537.2024.393

ZTFLH:

TK245

基金资助:国家重点研发计划(2022YFB4100403)

通讯作者: 朱忠亮，E-mail：zhzl@ncepu.edu.cn，研究方向为超临界水和超临界CO₂环境下的金属材料腐蚀

Corresponding author: ZHU Zhongliang, E-mail: zhzl@ncepu.edu.cn

作者简介: 王芬玲，女，1989年生，硕士，高级工程师

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图1 3种材料在超临界水中增重与氧化时间之间的关系曲线

图2 600 ℃/25 MPa超临界水中F91钢氧化不同时间后的表面形貌

图3 620 ℃/25 MPa超临界水中F91钢氧化不同时间后的表面形貌

图4 600 ℃超临界水中渗氮F91钢氧化不同时间后的表面形貌

图5 620 ℃超临界水中渗氮F91钢氧化不同时间后的表面形貌

图6 600 ℃超临界水中F92钢氧化不同时间后的表面形貌

图7 620 ℃超临界水中F92钢氧化不同时间后的表面形貌

图8 600 ℃超临界水中F91钢氧化不同时间后的横截面形貌

图9 620 ℃超临界水中F91钢氧化不同时间后的横截面形貌

图10 600和620 ℃超临界水中F91钢氧化不同时间后氧化膜内元素分布

图11 600 ℃超临界水中渗氮F91钢氧化不同时间后的横截面形貌

图12 620 ℃超临界水中渗氮F91钢氧化不同时间后的横截面形貌

图13 600和620 ℃超临界水中渗氮F91钢氧化不同时间后氧化膜内元素分布

图14 600 ℃超临界水中F92钢氧化不同时间后的横截面形貌

图15 620 ℃超临界水中F92钢氧化不同时间后的横截面形貌

图16 600和620 ℃超临界水中F92钢氧化不同时间后氧化膜元素分布

图17 600和620 ℃超临界水中F91钢、渗氮F91及F92钢氧化不同时间后表面XRD谱图

图18 600 ℃超临界水中F91钢氧化3000 h后表面氧化物的XPS谱

图19 620 ℃超临界水环境F91钢氧化3000 h后表面氧化物的XPS谱

图20 600 ℃超临界水环境渗氮F91钢氧化3000 h后表面氧化物的XPS谱

图21 620 ℃超临界水环境渗氮F91钢氧化3000 h后表面氧化物的XPS谱

图22 600 ℃超临界水环境F92钢氧化3000 h后表面氧化物的XPS谱

图23 620 ℃超临界水环境F92钢氧化3000 h后表面氧化物的XPS谱

表1 不同元素XPS特征峰对应的结合能 (eV)

表2 F91钢经不同温度和不同时间氧化后表面氧化膜厚度

表3 渗氮F91钢经不同温度和不同时间氧化后表面氧化膜厚度 (μm)

表4 F92钢经不同温度和不同时间氧化后表面氧化膜厚度 (μm)

图24 渗氮F91钢的 XRD 图谱

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