熔融鹽對(duì)吸熱器基體材料的腐蝕特性研究*

□段 洋 □丁柳柳 □張艷梅 □顧清之 □廖文俊 □謝文韜上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院 上海 00070上海電氣電站集團(tuán) 上海 099

熔融鹽對(duì)吸熱器基體材料的腐蝕特性研究*

□段 洋1□丁柳柳1□張艷梅1□顧清之1□廖文俊1□謝文韜2
1上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院 上海 200070
2上海電氣電站集團(tuán) 上海 201199

為研究熔融鹽對(duì)吸熱器基體材料的腐蝕特性，選取了3種金屬材料，在熔融鹽中經(jīng)過(guò)3 000 h靜態(tài)浸泡，對(duì)材料的失重率進(jìn)行了測(cè)試，得到了材料的年腐蝕厚度，并利用掃描電鏡（SEM）和能譜儀（EDS）對(duì)其表面形貌及腐蝕產(chǎn)物成分進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Inconel600和Incoloy825兩種材料的耐腐蝕性能相近，均明顯優(yōu)于321不銹鋼；3種材料的耐腐蝕性能排序?yàn)?21

太陽(yáng)能熱發(fā)電作為一種清潔、可持續(xù)的發(fā)電技術(shù)，近年來(lái)受到了越來(lái)越多的關(guān)注［1-5］。作為太陽(yáng)能熱發(fā)電的四大基本類型之一，塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)因其工作溫度較高，在發(fā)電島端可與常規(guī)火電超臨界機(jī)組相匹配，特別是采用熔融鹽作為傳熱介質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)吸熱、傳熱、儲(chǔ)熱的一體化，為電網(wǎng)提供穩(wěn)定的電能，是今后可再生能源發(fā)展的重要方向。

在熔融鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站中，熔融鹽吸熱器是吸收太陽(yáng)能的核心部件，因其工作原理與常規(guī)火電廠的鍋爐有一定的類似，因此又被稱為太陽(yáng)能鍋爐。由于吸熱器工作溫度較高（290～565℃），熔融鹽作為傳熱介質(zhì)在吸熱器內(nèi)流動(dòng)時(shí)，對(duì)吸熱器基體材料具有一定的腐蝕性，尤其在使用含有一定量氯離子工業(yè)鹽的情況下，對(duì)于金屬材料的腐蝕性不可忽視。高溫熔融鹽對(duì)吸熱器部件的腐蝕，造成了吸熱器管材減薄破裂、傳熱介質(zhì)泄漏、關(guān)鍵部件損壞等。國(guó)內(nèi)外雖然已有眾多研究者對(duì)金屬材料的腐蝕特性進(jìn)行了研究［6-10］，但很少有熔融鹽對(duì)吸熱器基體材料腐蝕的研究報(bào)道。因此研究高溫環(huán)境下熔融鹽對(duì)吸熱器基體材料的腐蝕情況，對(duì)于指導(dǎo)塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電吸熱器選材具有非常重要的意義。

1 實(shí)驗(yàn)材料及熔融鹽介質(zhì)

實(shí)驗(yàn)對(duì)象包括3種材料，分別是321不銹鋼、Inconel600和Incoloy825。各種材料的化學(xué)成分見(jiàn)表1。腐蝕介質(zhì)為二元熔融鹽：60%NaNO3+40%KNO3。

2 熔融鹽熱腐蝕動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

筆者根據(jù)吸熱器工況，選擇了321、Inconel600 和Incoloy825作為吸熱器的候選材料進(jìn)行靜態(tài)腐蝕研究。熔融鹽熱腐蝕動(dòng)力學(xué)測(cè)試主要是在530℃條件下，比較3種材料在熔融鹽中的耐腐蝕性能，得到其年腐蝕率，從而為熔融鹽吸熱器的選材提供依據(jù)。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

分別選取3種金屬材料，經(jīng)切割、打磨、清洗、稱量后浸泡于相應(yīng)熔融腐蝕介質(zhì)中，熔融鹽溫度保持在530℃，浸泡時(shí)長(zhǎng)3 000 h。浸泡結(jié)束后，去除表面腐蝕產(chǎn)物后稱量，計(jì)算其失重率、年腐蝕率和年腐蝕厚度，通過(guò)比較失重率，得到不同材料耐高溫熔融鹽的腐蝕性能。

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）樣品預(yù)處理：先將試樣切割成：長(zhǎng)約30 mm、寬約20 mm、高約3 mm、中間穿孔、孔徑約5 mm的樣品，并對(duì)其進(jìn)行打磨，然后用酒精超聲清洗約10 min，再用去離子水沖洗后干燥待用。將干燥后的樣品進(jìn)行排序，稱量后穿于石英棒上，放置在石英管中。

（2）按照比例配得相應(yīng)硝酸鹽體系，將其裝入對(duì)應(yīng)的石英管內(nèi)，充入氮?dú)獠⒎饪?，如圖1所示，最后將石英管放在高溫爐中加熱并保持恒溫。

（3）分別選取3個(gè)時(shí)間點(diǎn)（浸泡180 h、1 440 h、3 000 h后）取出樣品，每組樣品準(zhǔn)備2個(gè)樣品，按照GB/T 16545-1996清洗樣品表面腐蝕產(chǎn)物，稱量樣品質(zhì)量，計(jì)算失重率、年腐蝕速率和年腐蝕厚度。

圖1 腐蝕裝置

表1 各種材料化學(xué)成分 wt/%

3 熔融鹽熱腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 失重率、年腐蝕速率及年腐蝕厚度

在530℃的熔融鹽中浸泡后，3種材料的失重率、年腐蝕速率和年腐蝕厚度分別如圖2～圖4所示，由圖得知，3種材的失重率隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸變大。在熔融鹽介質(zhì)中浸泡3 000 h后，3種材料的失重率分別為19.79 g/mm2、8.81 g/mm2和 6.70 g/mm2。321的失重率明顯高于另外兩種材料，321、Inconel600和Incoloy825的耐腐蝕性能排序?yàn)?21< Inconel600

表2中列出了530℃環(huán)境下在熔融鹽中浸泡3000h后，3種材料經(jīng)推算得到的年腐蝕厚度。由表3金屬耐蝕性10級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可知，321在熔融鹽中的耐蝕等級(jí)為3級(jí)，很耐蝕；而Inconel600和Incoloy825在熔融鹽中的耐蝕等級(jí)為2級(jí)，很耐蝕。

3.2 腐蝕形貌及產(chǎn)物分析

為分析3種材料的腐蝕情況，利用掃描電鏡（SEM）對(duì)其腐蝕后的材料表面形貌進(jìn)行觀測(cè)。圖5中列出了3種材料在熔融鹽中浸泡3 000 h后表面和截面的微觀形貌，從圖中可以看到，經(jīng)過(guò)3 000 h的浸泡后，Inconel600和Incoloy825樣品表面的腐蝕程度明顯輕于321，與之前的失重率結(jié)果一致。321在熔融鹽中浸泡3 000 h后，樣品表面出現(xiàn)明顯的腐蝕凹陷，這主要是由于材料表面發(fā)生點(diǎn)腐蝕而引起的；Inconel600和Incoloy825樣品表面則較均勻，無(wú)明顯的腐蝕坑。比較3種材料在熔融鹽中浸泡3 000 h后的截面形貌可以發(fā)現(xiàn)，321表面的腐蝕產(chǎn)物層厚度大于Inconel600和Incoloy825，321表面腐蝕厚度約為5～9 μm，Inconel600表面腐蝕厚度約為2～4 μm，Incoloy825表面則未發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕層。在3種材料組成元素中，對(duì)防腐蝕較有利的主要是Cr、Ni、Ti、Mo等元素，它們能在材料表面形成一層致密且具有一定自我修復(fù)能力的鈍化膜，可抵御外界環(huán)境對(duì)其腐蝕。在熔融鹽中，具有腐蝕作用的主要是氯離子和硝酸根離子，其中氯離子主要是由在熔融鹽制備過(guò)程中帶入微量的雜質(zhì)而引入的。這兩種離子與金屬材料接觸時(shí)，會(huì)破壞材料表面的鈍化膜，隨后與內(nèi)部基體材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)一步腐蝕。對(duì)于Inconel600和Incoloy825兩種鎳基合金，因Incoloy825中含有少量穩(wěn)定化元素Ti，以及可提高金屬耐局部腐蝕和應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的Mo，其耐腐蝕性能比Inconel600更好。

圖2 熔融鹽中浸泡不同時(shí)間后3種材料的失重率

圖3 熔融鹽中浸泡不同時(shí)間后3種材料的年腐蝕速率

圖4 熔融鹽中浸泡不同時(shí)間后3種材料的年腐蝕厚度

表2 熔融鹽中浸泡3 000 h后各種材料的年腐蝕厚度 mm/y

表3 金屬耐蝕性10級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

為分析樣品表面腐蝕產(chǎn)物，利用能譜儀（EDS）對(duì)3種試樣表面進(jìn)行了元素成分的分析。圖6～圖8列出了3種材料在熔融鹽中浸泡3 000 h后各個(gè)樣品的EDS能譜分析圖譜，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，3種材料樣品表面的腐蝕產(chǎn)物大致相同，主要為Fe的氧化物，如FeO、Fe3O4等。

4 結(jié)論

在高溫靜態(tài)環(huán)境下（530℃）經(jīng)熔融鹽浸泡后，Inconel 600和Incoloy825兩種材料的耐腐蝕性能相近，均明顯優(yōu)于321不銹鋼。3種材料的耐蝕性排序?yàn)?21

圖5 熔融鹽中浸泡3 000 h后各種材料的表面和截面形貌

圖6 321表面腐蝕產(chǎn)物EDS譜圖

圖7 Inconel600表面腐蝕產(chǎn)物的EDS譜圖

圖8 Incoloy825表面腐蝕產(chǎn)物的EDS譜圖

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In order to examine the corrosive characteristics of molten salt to the base material of heat absorber，three kinds of metal materials：321 stainless steel，Inconel600 and Incoloy825 were selected for 3 000 h static immersion in molten salt followed by a test of weight loss of the materials to give the annual corrosion thickness of the materials.While their surface morphology and the composition of the corrosion products were analyzed by the use of scanning electron microscopy（SEM）and energy dispersive spectroscopy（EDS）.Experimental results show that，corrosion resistance of two materials，i.e.Inconel600 and Incoloy825 are similar，but significantly better than that of 321 stainless steel，corrosion resistance of three materials can be sorted to 321< Inconel600

熔融鹽；吸熱器；高溫腐蝕；太陽(yáng)能

Molten Salt；Heat Absorber；High Temperature Corrosion；Solar Energy

TK514

A

1672-0555（2015）04-001-05

*上海市重大技術(shù)裝備研制專項(xiàng)（編號(hào)：ZB-ZBYZ-02-14-1049）

2015年7月

段洋（1980-），男，碩士，工程師，主要從事太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)的研究