熔融盐对吸热器基体材料的腐蚀特性研究*

□段 洋 □丁柳柳 □张艳梅 □顾清之 □廖文俊 □谢文韬上海电气集团股份有限公司 中央研究院 上海 00070上海电气电站集团 上海 099

熔融盐对吸热器基体材料的腐蚀特性研究*

□段 洋1□丁柳柳1□张艳梅1□顾清之1□廖文俊1□谢文韬2
1上海电气集团股份有限公司 中央研究院 上海 200070
2上海电气电站集团 上海 201199

为研究熔融盐对吸热器基体材料的腐蚀特性，选取了3种金属材料，在熔融盐中经过3 000 h静态浸泡，对材料的失重率进行了测试，得到了材料的年腐蚀厚度，并利用扫描电镜（SEM）和能谱仪（EDS）对其表面形貌及腐蚀产物成分进行了分析。实验结果表明，Inconel600和Incoloy825两种材料的耐腐蚀性能相近，均明显优于321不锈钢；3种材料的耐腐蚀性能排序为321

太阳能热发电作为一种清洁、可持续的发电技术，近年来受到了越来越多的关注［1-5］。作为太阳能热发电的四大基本类型之一，塔式太阳能热发电技术因其工作温度较高，在发电岛端可与常规火电超临界机组相匹配，特别是采用熔融盐作为传热介质，可实现吸热、传热、储热的一体化，为电网提供稳定的电能，是今后可再生能源发展的重要方向。

在熔融盐塔式太阳能热发电站中，熔融盐吸热器是吸收太阳能的核心部件，因其工作原理与常规火电厂的锅炉有一定的类似，因此又被称为太阳能锅炉。由于吸热器工作温度较高（290～565℃），熔融盐作为传热介质在吸热器内流动时，对吸热器基体材料具有一定的腐蚀性，尤其在使用含有一定量氯离子工业盐的情况下，对于金属材料的腐蚀性不可忽视。高温熔融盐对吸热器部件的腐蚀，造成了吸热器管材减薄破裂、传热介质泄漏、关键部件损坏等。国内外虽然已有众多研究者对金属材料的腐蚀特性进行了研究［6-10］，但很少有熔融盐对吸热器基体材料腐蚀的研究报道。因此研究高温环境下熔融盐对吸热器基体材料的腐蚀情况，对于指导塔式太阳能热发电吸热器选材具有非常重要的意义。

1 实验材料及熔融盐介质

实验对象包括3种材料，分别是321不锈钢、Inconel600和Incoloy825。各种材料的化学成分见表1。腐蚀介质为二元熔融盐：60%NaNO3+40%KNO3。

2 熔融盐热腐蚀动力学实验

2.1 实验目标

笔者根据吸热器工况，选择了321、Inconel600 和Incoloy825作为吸热器的候选材料进行静态腐蚀研究。熔融盐热腐蚀动力学测试主要是在530℃条件下，比较3种材料在熔融盐中的耐腐蚀性能，得到其年腐蚀率，从而为熔融盐吸热器的选材提供依据。

2.2 实验方案

分别选取3种金属材料，经切割、打磨、清洗、称量后浸泡于相应熔融腐蚀介质中，熔融盐温度保持在530℃，浸泡时长3 000 h。浸泡结束后，去除表面腐蚀产物后称量，计算其失重率、年腐蚀率和年腐蚀厚度，通过比较失重率，得到不同材料耐高温熔融盐的腐蚀性能。

2.3 实验步骤

（1）样品预处理：先将试样切割成：长约30 mm、宽约20 mm、高约3 mm、中间穿孔、孔径约5 mm的样品，并对其进行打磨，然后用酒精超声清洗约10 min，再用去离子水冲洗后干燥待用。将干燥后的样品进行排序，称量后穿于石英棒上，放置在石英管中。

（2）按照比例配得相应硝酸盐体系，将其装入对应的石英管内，充入氮气并封口，如图1所示，最后将石英管放在高温炉中加热并保持恒温。

（3）分别选取3个时间点（浸泡180 h、1 440 h、3 000 h后）取出样品，每组样品准备2个样品，按照GB/T 16545-1996清洗样品表面腐蚀产物，称量样品质量，计算失重率、年腐蚀速率和年腐蚀厚度。

图1 腐蚀装置

表1 各种材料化学成分 wt/%

3 熔融盐热腐蚀实验结果分析

3.1 失重率、年腐蚀速率及年腐蚀厚度

在530℃的熔融盐中浸泡后，3种材料的失重率、年腐蚀速率和年腐蚀厚度分别如图2～图4所示，由图得知，3种材的失重率随着时间的延长而逐渐变大。在熔融盐介质中浸泡3 000 h后，3种材料的失重率分别为19.79 g/mm2、8.81 g/mm2和 6.70 g/mm2。321的失重率明显高于另外两种材料，321、Inconel600和Incoloy825的耐腐蚀性能排序为321< Inconel600

表2中列出了530℃环境下在熔融盐中浸泡3000h后，3种材料经推算得到的年腐蚀厚度。由表3金属耐蚀性10级标准可知，321在熔融盐中的耐蚀等级为3级，很耐蚀；而Inconel600和Incoloy825在熔融盐中的耐蚀等级为2级，很耐蚀。

3.2 腐蚀形貌及产物分析

为分析3种材料的腐蚀情况，利用扫描电镜（SEM）对其腐蚀后的材料表面形貌进行观测。图5中列出了3种材料在熔融盐中浸泡3 000 h后表面和截面的微观形貌，从图中可以看到，经过3 000 h的浸泡后，Inconel600和Incoloy825样品表面的腐蚀程度明显轻于321，与之前的失重率结果一致。321在熔融盐中浸泡3 000 h后，样品表面出现明显的腐蚀凹陷，这主要是由于材料表面发生点腐蚀而引起的；Inconel600和Incoloy825样品表面则较均匀，无明显的腐蚀坑。比较3种材料在熔融盐中浸泡3 000 h后的截面形貌可以发现，321表面的腐蚀产物层厚度大于Inconel600和Incoloy825，321表面腐蚀厚度约为5～9 μm，Inconel600表面腐蚀厚度约为2～4 μm，Incoloy825表面则未发现明显的腐蚀层。在3种材料组成元素中，对防腐蚀较有利的主要是Cr、Ni、Ti、Mo等元素，它们能在材料表面形成一层致密且具有一定自我修复能力的钝化膜，可抵御外界环境对其腐蚀。在熔融盐中，具有腐蚀作用的主要是氯离子和硝酸根离子，其中氯离子主要是由在熔融盐制备过程中带入微量的杂质而引入的。这两种离子与金属材料接触时，会破坏材料表面的钝化膜，随后与内部基体材料发生化学反应，进一步腐蚀。对于Inconel600和Incoloy825两种镍基合金，因Incoloy825中含有少量稳定化元素Ti，以及可提高金属耐局部腐蚀和应力腐蚀开裂的Mo，其耐腐蚀性能比Inconel600更好。

图2 熔融盐中浸泡不同时间后3种材料的失重率

图3 熔融盐中浸泡不同时间后3种材料的年腐蚀速率

图4 熔融盐中浸泡不同时间后3种材料的年腐蚀厚度

表2 熔融盐中浸泡3 000 h后各种材料的年腐蚀厚度 mm/y

表3 金属耐蚀性10级标准

为分析样品表面腐蚀产物，利用能谱仪（EDS）对3种试样表面进行了元素成分的分析。图6～图8列出了3种材料在熔融盐中浸泡3 000 h后各个样品的EDS能谱分析图谱，从图中可以发现，3种材料样品表面的腐蚀产物大致相同，主要为Fe的氧化物，如FeO、Fe3O4等。

4 结论

在高温静态环境下（530℃）经熔融盐浸泡后，Inconel 600和Incoloy825两种材料的耐腐蚀性能相近，均明显优于321不锈钢。3种材料的耐蚀性排序为321

图5 熔融盐中浸泡3 000 h后各种材料的表面和截面形貌

图6 321表面腐蚀产物EDS谱图

图7 Inconel600表面腐蚀产物的EDS谱图

图8 Incoloy825表面腐蚀产物的EDS谱图

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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

熔融盐；吸热器；高温腐蚀；太阳能

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

TK514

A

1672-0555（2015）04-001-05

*上海市重大技术装备研制专项（编号：ZB-ZBYZ-02-14-1049）

2015年7月

段洋（1980-），男，硕士，工程师，主要从事太阳能热发电技术的研究