高溫鹽浴爐測溫熱電偶的陰極保護

摘要：針對高溫鹽浴爐熱電偶直接測溫的腐蝕問題,進行了陰極保護試驗,分析了腐蝕速度隨保護電流密度的變化關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，確定了最佳保護電流密度,使保護管的使用壽命提高了8~10倍,從而較好地解決了金屬保護管的腐蝕問題。
　　高溫鹽浴爐常在1000~1300℃下使用。所采用的測溫元件以輻射式高溫計居多,部分單位采用熱電偶直接測溫，前者由于受液面的浮渣、煙霧以及外部輻射源等的影響，測溫誤差較大;后者雖然測溫精度較高,但因高溫熔鹽對許多材料均具有強烈的腐蝕性，嚴重影響熱電偶的使用壽命。因此,如何對熱電偶保護管進行保護.延長其使用壽命,是人們期待解決的問題。
1試驗方法
　　金屬保護管在高溫熔鹽中的腐蝕主要為電化學腐蝕。在高溫狀態(tài)下,BaCl2熔鹽離解成B++和C1-離子成為電解質(zhì),由于金屬表面的物理化學不均一性構(gòu)成化學微電池,其電極反應如下:
 
　　由于陰極反應，從陽極流過來的電子被氧化性物質(zhì)吸收。在與陰極接收電子的還原過程;平行地進行的情況下.陽極反應可不斷地繼續(xù)下去,故金屬便不斷地受到腐蝕口。
　　根據(jù)電化學腐蝕原理，若以被保護金屬為陰極,另用一金屬作輔助陽極,在兩電極之間施加一個足夠大的直流電場,即構(gòu)成陰極保護系統(tǒng),從而可增加被保護金屬的抗腐蝕能力。圖1為陰極保護試驗裝置原理圖。
 
　　試驗中以尺寸約為08X25mm的低碳鋼試樣作為陰極,通過改變外加電流值和試驗時間，進行陰極保護試驗。表1和表2給出了試驗時間為30分鐘和120分鐘的兩組試驗結(jié)果。現(xiàn)場指示溫度均為1240℃。
 
2試驗結(jié)果分析
　　根據(jù)表1、表2的試驗結(jié)果,畫出了腐蝕速度隨電流密度的變化關(guān)系曲線,見圖2。其中，腐蝕速度按式1計算
 
式中
V----平均腐蝕速度,mm/h;
△W---試件失重量,mg;
g-----低碳鋼比重,取7.833mg/mm³;
S-----試件表面積;mm²;
t-----試驗時間,h;
電流密度按下式計算:
 
　　由圖2可以看出,無論時間長短,腐蝕速度V隨電流密度J的變化均存在著同樣的趨勢，即:當J較小時，圖中小于0.7mA/mm²時，隨著電流密度的增加,腐蝕速度急劇下降;在0.7~0.9mA/mm²的范圍內(nèi),腐蝕速度出現(xiàn)-個較低值;當J大于0.9mA/mm²時,V又有所上升;此后,隨著J的繼續(xù).增大,V又開始緩慢地下降。出現(xiàn)這種趨勢的原因,主要是由陰極過程，即氧和H+離子的還原反應以及它們之間的相互作用造成的。
 
　　在高溫熔鹽中,由于電磁的攪拌作用,氧和H+離子可以通過對流方式向試件表面移動。在接近電極表面,通常存在一靜止層,稱為擴散層。氧和H+離子通過這一-擴散層的能力.就決定了陰極過程的快慢,從而也決定了腐蝕速度的大小。-般來講,氧原子半徑較大，擴散速度較慢;氫離子半徑較小，擴散速度相對較快。另外,在電場力的作用下,氫離子還可以通過電遷移方式通過擴散層到達試件表面。所以可以這樣認為,氫原子到達試件表面的多少,是腐蝕速度的主要控制因素。
　　當電流密度較小時,氧和氫離子通過擴散層的速度均較慢。此外，由于電極電位還沒有極化到比析氫和氧離子化反應電位更負的地步,它們與電子的結(jié)合速度也較慢。上述兩個原因,使得外電路輸人的電子在陰極上迅速積累。因此，隨J的增加，陰極迅速極化,腐蝕速度也急劇下降。
　　隨著J的繼續(xù)增大,陰極進一步極化。當電位極化到比析氫反應的電位更負時,試件表面開始析出氫氣。氫的析出對擴散到試件表面的氧原子數(shù)量起到了以下兩種不同性質(zhì)的作用:
①氫析出產(chǎn)生的氫氣泡，起到了攪拌作用,使試件表面的擴散層厚度堿小，并因而減小.了氧向試件表面擴散的阻力,結(jié)果使到達試件表面的氧原子數(shù)量增加。圖2中當電流密度大于0.9mA/mm²時,腐蝕速度的上升,便是由這種原因造成的。
②氫氣泡在試件表面的不斷出現(xiàn),由于機械隔離作用,將阻擋氧向試件表面的擴散,并且析出的氫氣泡還可帶走一部分氧,結(jié)果將使擴散到試件表面的氧數(shù)量減少。由于第二種作用的相反影響，氫氣泡攪拌作用的效應通常不是很大,而且主要表現(xiàn)在氫析出的開始階段。因此,在圖2中,隨著J的進一步增加，腐蝕速度在經(jīng)過-段上升后,又開始出現(xiàn)下降趨勢。從圖2還可以看出,30分鐘的平均腐蝕速度比相同電流密度下120分鐘的腐蝕速度高,且它們之間的差值隨J的增長而減小。這可以從以下兩個方面來解釋:
①陰極極化過程需要一定的時間,在這段時間內(nèi),隨極化過程的進行，瞬時腐蝕速度下降,最后穩(wěn)定在某-~值上。當J不變時,極化時間也為定值.因此,試驗時間愈短,極化時間在整個試驗時間中所占比例也愈大，因而平均腐蝕速度也愈高;反之，平均腐蝕速度就愈低。
②電流密度的大小,代表著外電路輸人電子的速度快慢,從而也決定了極化時間的長短。J愈小，極化時間愈長，反之,極化時間愈短。因此，隨J的增大，極化時間的減小，其占整個試驗時間的比例也減少,圖2中兩條曲線的距離就越來越接近。
3最佳外加電流密度的確定
　　從圖2可以看出，當電流密度在0.7~0.9mA/mm²之間時，腐蝕速度有-一個較低值.另外，當電流密度超過3.5mA/mm²之后,腐蝕速度還有所降低。若單從降低腐蝕速度的角度來看,選取的電流密度應超過3.5mA/mm².但從另一方面來講.選取這樣大的電流密度,必.然會消耗大量的電能，同時由于保護管自身的電阻熱,還會對測溫的準確性帶來一定的影響。此外，與0.7~0.9mA/mm²之間的腐蝕速度相比，保護效果的提高并不是很顯著,因此,電流密度應取0.7~0.9mA/mm²。由圖2所示的兩小時試驗結(jié)果可推出，該電流密度下的腐蝕速度是未加保護的1/8~1/10.
　　上述腐蝕速度是在兩小時試驗基礎(chǔ)上得出的。根據(jù)以上分析,如果試驗時間延長,且在試驗初期采用大電流密度來加速陰極極化，以后再將其降低到0.7~0.9mA/mm²,腐蝕速度還可以進一步降低。
4結(jié)論
4.1采用陰極保護措施,可以顯著提高熱電偶保護管的使用壽命,提高倍數(shù)為8~10倍。
4.21240℃時,低碳鋼在BaCl2熔鹽中的最佳保護電流密度為0.7~0.9mA/mm2。
4.3保護初期采用大電流密度加速陰極極化，此后再將其降低到最佳保護電流密度,可以進一步提高保護效果。