鍋爐,水冷壁,管道,腐蝕,磨損,電弧噴涂,防護(hù)新技術(shù)應(yīng)用

【摘要】 循環(huán)流化床鍋爐受熱面熱腐蝕磨損中突出的問(wèn)題是鍋爐水冷壁管磨損?，F(xiàn)在主要講解一下水冷壁管道的熱腐蝕磨損情況及其危害，主要講述鍋爐腐蝕防磨中在實(shí)際應(yīng)用中突出的超音速電弧熱噴涂技術(shù)，在電站循環(huán)流化床鍋爐管道防熱腐蝕磨損上的應(yīng)用效果及其特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】 鍋爐管道 防磨 防腐 電弧噴涂

CFB循環(huán)流化床鍋爐具有對(duì)燃料適應(yīng)性特別好、燃燒效率高、氣體污染物排放低、負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大和灰渣可綜合利用等優(yōu)點(diǎn)，近20年來(lái)在我國(guó)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。目前，我國(guó)在役的10t/t以上蒸發(fā)量的循環(huán)流化鍋爐近300臺(tái)，35t/h以上的有2000余臺(tái)，220～480t/h的近260臺(tái)；蒸發(fā)量為1025t/h的大型循環(huán)流化鍋爐已投運(yùn)20臺(tái)，在建的也超過(guò)30臺(tái)。此外，我國(guó)600MW超臨界CFB鍋爐研制項(xiàng)目進(jìn)展順利，我國(guó)循環(huán)流化床鍋爐的總臺(tái)數(shù)，總蒸發(fā)量為世界前列。

隨著循環(huán)流化床鍋爐的迅猛發(fā)展，積累了豐富的設(shè)計(jì)、制造、安裝、調(diào)試和運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，但也暴露了一些問(wèn)題。CFB鍋爐機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，由于金屬材料磨損和耐火耐磨材料脫落等原因造成機(jī)組停機(jī)占停機(jī)次數(shù)的40%，主要問(wèn)題為：鍋爐受熱面的高溫腐蝕磨損、爆管、耐火防磨內(nèi)襯磨損、開(kāi)裂、脫落；風(fēng)帽漏渣和磨損；燃燒熄火、結(jié)渣等。這些問(wèn)題的存在影響CFB鍋爐的連續(xù)、安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，還帶來(lái)了維修工作量大、運(yùn)行費(fèi)用高等問(wèn)題。

CFB鍋爐的燃燒方式?jīng)Q定了其水冷壁受熱面的磨損比煤粉爐嚴(yán)重，具體磨損程度與爐型 、燃燒煤種、燃燒調(diào)整等因素有關(guān)。人們?cè)噲D采取合理方式對(duì)磨損進(jìn)行有效控制，以提高CFB鍋爐運(yùn)行的安全穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。近年來(lái)，熱噴涂技術(shù)在我國(guó)發(fā)展迅速，防熱腐蝕和防磨噴涂在各個(gè)行業(yè)應(yīng)用非常廣，電站鍋爐受熱面四管防磨也得到了關(guān)注。采用在爐膛內(nèi)直接對(duì)水冷壁管進(jìn)行熱噴涂的防磨維護(hù)工藝，施工靈活，省時(shí)方便，耗費(fèi)小，給發(fā)電企業(yè)帶來(lái)了極大的便利。

1電站鍋爐水冷壁管道腐蝕機(jī)理分析

CFB鍋爐爐膛水冷壁等受熱面部位，失效的主要原因是受到高速高濃度含床料、燃料氣流的強(qiáng)烈沖刷磨損，局部區(qū)域存在嚴(yán)重的渦流效應(yīng)和切割效應(yīng)，其次還伴有煙氣的高溫腐蝕。

管壁的磨損是與氣流中固體物料濃度、煙氣速度、顆粒的特性硬度和流道幾何形狀等密切相關(guān)。據(jù)有關(guān)研究資料表明，磨損與煙氣流速的3.6次方成正比，與含塵濃度成正比，而在CFB鍋爐中，固體物料的濃度很大，通?？蛇_(dá)煤粉爐的幾十倍到上百倍，并且，顆粒硬且棱角尖銳，因而在高速煙氣的帶動(dòng)下，對(duì)水冷壁等受熱面部位的沖刷磨損極為嚴(yán)重；渦流效應(yīng)是在爐膛四角和密相區(qū)出口2米內(nèi)、爐膛出口兩側(cè)等水冷壁管因受一次流態(tài)風(fēng)和二次干擾風(fēng)復(fù)合作用所致，導(dǎo)致對(duì)管壁的局部磨損尤為明顯；切割效應(yīng)體現(xiàn)在密相區(qū)上方水冷壁處，當(dāng)焦渣等固體顆粒以較高速度下降到該平臺(tái)時(shí)，產(chǎn)生反彈，其中往水冷壁側(cè)反彈部分對(duì)水冷壁管產(chǎn)生切割效應(yīng)而導(dǎo)致嚴(yán)重磨損。煙道出口水冷壁部位則受到了煙氣拐向時(shí)，由于固體顆粒的慣性作用而引起強(qiáng)烈的沖刷、磨損。

其次還易受到高溫氧化和硫酸鹽及硫、硫化物的熱腐蝕。水冷壁管具備了高溫氧化和高溫腐蝕條件，其煙氣溫度高，且是富氧燃燒，實(shí)踐證明，在300℃以上，管外表溫度每升高50℃腐蝕速度增加1倍。鍋爐在運(yùn)行過(guò)程中受熱面管表面首先發(fā)生高溫氧化，表面生成Fe2O3，其次燃料灰中的Na2O和K2O與煙所中的SO3化合生成硫酸鹽，其捕捉飛灰形成結(jié)渣和流渣，此時(shí)煙氣中SO3和M2SO4同管壁上的Fe2O3反應(yīng)生成復(fù)合硫酸鹽MFe(SO4)2或 M3Fe(SO4)3，此復(fù)合硫酸鹽受高溫又分解為疏松狀氧化鐵和硫酸鹽沉積層，易被飛灰氣流沖蝕帶走，氧化腐蝕繼續(xù)向管壁縱深進(jìn)行；另外燃料中硫份，經(jīng)燃燒生成S和H2S也對(duì)管壁會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的腐蝕，與Fe反應(yīng)生成FeS。

通過(guò)以上分析可以確定，CFB鍋爐水冷壁的腐蝕情況比較復(fù)雜，主要是氧化和硫酸鹽熱腐蝕，還有硫化物和硫化氫引起的腐蝕。此外，燃燒形成的飛灰在氣流的作用下高速?zèng)_刷爐管表面造成的沖蝕磨損。

2.電弧噴涂在CFB鍋爐管道抗磨耐腐蝕防護(hù)中的應(yīng)用鍋爐噴涂

2.1國(guó)內(nèi)外對(duì)CFB鍋爐管道熱噴涂防護(hù)情況

對(duì)于鍋爐管道的防護(hù)，國(guó)外一般采用氧乙炔粉末噴涂、線材火焰噴涂，電弧噴涂和等離子工藝。前2 種施工因火焰溫度低，材料熔化不充分，且噴涂粒子速度低，顆粒撞擊速度低，使涂層表面形成較多的氧化物，孔隙率較高，結(jié)合強(qiáng)度降低。后2種噴涂工藝都能形成結(jié)合強(qiáng)度高、孔隙率低和極少氧化物涂層，因而應(yīng)用較為廣。

美國(guó)近期推出以Ni-Cr合金為基礎(chǔ)，加入Cr2C3金屬陶瓷的復(fù)合材料，用超音速火焰噴涂工藝，用于鍋爐高溫沖蝕嚴(yán)重的部位。日本、英國(guó)采用了等離子噴涂技術(shù)，火焰噴涂鐵基鉻鋁和鎳鉻合金。瑞士和瑞典也采用了電弧和火焰噴涂。美國(guó)Metalspray公司近期還用電弧噴涂Fe19Cr15W7Ti6Ni合金來(lái)防止鍋爐燃燒室管壁的沖蝕。

我國(guó)電力行業(yè)的一些單位采用電弧噴涂鎳鉻合金及鎳鉻鋁合金在電站鍋爐管壁防磨抗腐蝕的應(yīng)用進(jìn)行了研究均取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2.2電弧噴涂技術(shù)及其特點(diǎn)

電弧噴涂是以電弧為熱源，將金屬絲熔化并用氣流霧化，使熔融粒子高速噴涂到工件表面形成涂層的一種工藝。

電弧噴涂技術(shù)的主要特點(diǎn)如下：

 ⑴可以在不提高工件溫度、不使用貴重底層材料的情況下獲得高的涂層結(jié)合強(qiáng)度，結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)20MPa，電弧噴涂層的結(jié)合強(qiáng)度是火焰噴涂層的2.5倍。

⑵電弧噴涂的高效率表現(xiàn)在單位時(shí)間內(nèi)噴涂金屬的質(zhì)量大。電弧噴涂的生產(chǎn)效率正比于電弧電流，比火焰噴涂提高2～6倍。

⑶電弧噴涂的節(jié)能效果十分突出，能源利用率高于其它噴涂方法，而能源費(fèi)用降低50%以上，除它的能源利用率很高外，加之電能的價(jià)格又遠(yuǎn)低于氧氣和乙炔，其費(fèi)用通常為火焰噴涂的1/10。  ⑷電弧噴涂技術(shù)使用電和壓縮空氣，不用氧氣、乙炔等易燃?xì)怏w，安全性高。

由于電弧噴涂具有上述特點(diǎn)，使它在近20年間獲得迅速發(fā)展，在國(guó)際上已逐步部分取代火焰噴涂和等離子噴涂。

高速射流電弧噴涂系利用新型的噴管設(shè)計(jì)和改進(jìn)噴涂，采用高壓空氣流或燃料燃燒產(chǎn)生的高速射流作霧化氣流，可加速熔滴的脫離，使粒子加速度增加，并提高電弧的穩(wěn)定性。

采用高速射流電弧噴涂技術(shù)，可以得到更優(yōu)異的噴涂質(zhì)量，使噴涂層使用壽命會(huì)明顯高于普通電弧噴涂層，零件的使用壽命得到更有效地延長(zhǎng)，從而可進(jìn)一步降低維修保養(yǎng)費(fèi)用。

2.3高速電弧噴涂技術(shù)在CFB鍋爐水冷壁管腐蝕防護(hù)中的應(yīng)用。

我廠使用2臺(tái)YG-240/9.8-M8型循環(huán)流化床鍋爐，針對(duì)上述受熱面部位熱腐蝕磨損失效機(jī)理及大多數(shù)CFB鍋爐實(shí)際使用和腐蝕磨損情況，我們采用超音速電弧噴涂，并選用耐沖擊磨損和抗高溫氧化性俱佳的CNB-955高溫復(fù)噴打底絲作為打底層+CNB-TB作為工作層+高溫耐磨防腐蝕用封孔劑進(jìn)行封孔，在涂層邊緣設(shè)置過(guò)渡區(qū)域，過(guò)渡區(qū)域?qū)挾葹?/span>100～150mm，平滑過(guò)渡。由此制得的復(fù)合涂層能滿足涂層邊緣帶結(jié)合強(qiáng)度要求。

CFB鍋爐管防磨噴涂運(yùn)行若干時(shí)間后，有的涂層已被磨掉，但有的部位還有殘留涂層。為了保護(hù)鍋爐安全運(yùn)行，需要再次進(jìn)行噴涂施工，但噴砂時(shí)難以全部除去殘留涂層和噴出理想的毛面，如果直接噴涂耐磨工作層，則非常容易脫落，因此需要一種能夠在殘留層上繼續(xù)噴涂打底用的材料。CNB-955高溫復(fù)噴打底絲能很好地解決在殘留層上繼續(xù)噴的問(wèn)題。CNB-955打底噴涂絲在飛行粒子到達(dá)基體時(shí)會(huì)釋放熱能，產(chǎn)生微冶金結(jié)合，能大幅度提高與基體的結(jié)合強(qiáng)度。同時(shí)該材料制出的過(guò)渡層與鍋爐管材的熱膨脹系數(shù)相近，在高溫運(yùn)行中不會(huì)出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。CNB-955高溫復(fù)噴打底絲的主要成分為鋁包鎳（Ni95Al5），并有少量稀土元素，與碳鋼結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)65MPa以上。

CNB-TB鍋爐用電弧噴涂絲主要化學(xué)成分為：氧化物和硼化物金屬?gòu)?fù)合陶瓷、Ni、Cr、Mo、稀土等，具有很好的高溫硬度和耐磨性，特別適用于高溫磨蝕磨損嚴(yán)重的部位使用，如煤粉爐、CFB鍋爐高溫段等沖蝕磨損和撞擊磨損嚴(yán)重的部位大面積制作防磨涂層。

高溫封孔劑是在金屬防護(hù)熱噴涂結(jié)束后，經(jīng)檢驗(yàn)工作面噴涂質(zhì)量合格后再刷涂的。

金屬熱噴涂層一般都會(huì)有毛細(xì)孔，如果毛細(xì)孔沒(méi)有封閉，煙氣的腐蝕性成分就會(huì)滲入而破壞基體，甚至?xí)赝繉优c基體交界處滲透，以致使涂層剝落。該材料主要成分為無(wú)機(jī)非金屬陶瓷和三元膠粘劑組成，因而有滲透力強(qiáng)、耐高溫、結(jié)合強(qiáng)度高等特點(diǎn)。

涂層主要技術(shù)指標(biāo)：

硬度HRC：≥65；孔 隙 率：≤0.5%；使用溫度：≤1200℃；導(dǎo)熱系數(shù)：60W/M*K

噴涂粒子速度：≥380m/s；結(jié)合強(qiáng)度：≥60Mpa；噴涂溫度：≤120℃；

抗高溫氧化性 1.63×10-4 mg/(mm2.h) (800℃、100h)；基體溫度：≤80℃

熱膨脹系數(shù)：12×10-6 ℃-1（0～700℃）表面粗糙度Rz≤50μm；

粉未顆粒度：10-55μm；涂層的氧化層：＜2%；

涂層總厚度：0.6～0.8mm 使用壽命：≥18個(gè)月

抗沖蝕性：1.09×10￣4cm3/h (900～400℃、1000g200目Al2O3、600s)

耐介質(zhì)性: 優(yōu)（分別在HCl、H2SO4、NaOH、機(jī)油、水中浸泡30天與不銹鋼進(jìn)行對(duì)比）。

高溫耐磨防腐用封孔層技術(shù)指標(biāo)：

工作溫度1000℃以上；

耐磨性：≤8mg/1000r；

結(jié)合強(qiáng)度：≥6MPa；

厚度：0.1～0.2mm

3結(jié)論

我廠采用高速電弧噴涂技術(shù)對(duì)2臺(tái)YG-240/9.8-M8型循環(huán)流化床鍋爐爐膛內(nèi)做熱噴涂的工藝方法，可以對(duì)水冷壁管表面實(shí)施有效保護(hù)，使其外表面基本不受損傷，可大量節(jié)省材料更換費(fèi)用及維修費(fèi)，縮短檢修時(shí)間，減少或避免非計(jì)劃停爐，有著明顯的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。該技術(shù)工藝既可用于新建電廠鍋爐的預(yù)防性維護(hù)，也可用于在役鍋爐檢修現(xiàn)場(chǎng)的維護(hù)。

高速電弧噴涂技術(shù)是鍋爐管道熱腐蝕磨損防護(hù)中一項(xiàng)高效、低成本的表面技術(shù)，符合我國(guó)國(guó)情，并在發(fā)電、機(jī)械、冶金裝備等領(lǐng)域有重要價(jià)值，具有廣闊的應(yīng)用前景和極大的潛在市場(chǎng)。