鍋爐,水冷壁,管道,腐蝕,磨損,電弧噴涂,防護新技術(shù)應用

【摘要】 循環(huán)流化床鍋爐受熱面熱腐蝕磨損中突出的問題是鍋爐水冷壁管磨損。現(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際應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用效果及其特點。

【關(guān)鍵詞】 鍋爐管道 防磨 防腐 電弧噴涂

CFB循環(huán)流化床鍋爐具有對燃料適應性特別好、燃燒效率高、氣體污染物排放低、負荷調(diào)節(jié)范圍大和灰渣可綜合利用等優(yōu)點，近20年來在我國得到了突飛猛進的發(fā)展。目前，我國在役的10t/t以上蒸發(fā)量的循環(huán)流化鍋爐近300臺，35t/h以上的有2000余臺，220～480t/h的近260臺；蒸發(fā)量為1025t/h的大型循環(huán)流化鍋爐已投運20臺，在建的也超過30臺。此外，我國600MW超臨界CFB鍋爐研制項目進展順利，我國循環(huán)流化床鍋爐的總臺數(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，積累了豐富的設計、制造、安裝、調(diào)試和運行維護經(jīng)驗，但也暴露了一些問題。CFB鍋爐機組運行過程中，由于金屬材料磨損和耐火耐磨材料脫落等原因造成機組停機占停機次數(shù)的40%，主要問題為：鍋爐受熱面的高溫腐蝕磨損、爆管、耐火防磨內(nèi)襯磨損、開裂、脫落；風帽漏渣和磨損；燃燒熄火、結(jié)渣等。這些問題的存在影響CFB鍋爐的連續(xù)、安全、經(jīng)濟運行，還帶來了維修工作量大、運行費用高等問題。

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)。人們試圖采取合理方式對磨損進行有效控制，以提高CFB鍋爐運行的安全穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。近年來，熱噴涂技術(shù)在我國發(fā)展迅速，防熱腐蝕和防磨噴涂在各個行業(yè)應用非常廣，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)直接對水冷壁管進行熱噴涂的防磨維護工藝，施工靈活，省時方便，耗費小，給發(fā)電企業(yè)帶來了極大的便利。

1電站鍋爐水冷壁管道腐蝕機理分析

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、燃料氣流的強烈沖刷磨損，局部區(qū)域存在嚴重的渦流效應和切割效應，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，通常可達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下，對水冷壁等受熱面部位的沖刷磨損極為嚴重；渦流效應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)風和二次干擾風復合作用所致，導致對管壁的局部磨損尤為明顯；切割效應體現(xiàn)在密相區(qū)上方水冷壁處，當焦渣等固體顆粒以較高速度下降到該平臺時，產(chǎn)生反彈，其中往水冷壁側(cè)反彈部分對水冷壁管產(chǎn)生切割效應而導致嚴重磨損。煙道出口水冷壁部位則受到了煙氣拐向時，由于固體顆粒的慣性作用而引起強烈的沖刷、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。鍋爐在運行過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，此時煙氣中SO3和M2SO4同管壁上的Fe2O3反應生成復合硫酸鹽MFe(SO4)2或 M3Fe(SO4)3，此復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)向管壁縱深進行；另外燃料中硫份，經(jīng)燃燒生成S和H2S也對管壁會產(chǎn)生強烈的腐蝕，與Fe反應生成FeS。

通過以上分析可以確定，CFB鍋爐水冷壁的腐蝕情況比較復雜，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沖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中的應用鍋爐噴涂

2.1國內(nèi)外對CFB鍋爐管道熱噴涂防護情況

對于鍋爐管道的防護，國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)合強度降低。后2種噴涂工藝都能形成結(jié)合強度高、孔隙率低和極少氧化物涂層，因而應用較為廣。

美國近期推出以Ni-Cr合金為基礎，加入Cr2C3金屬陶瓷的復合材料，用超音速火焰噴涂工藝，用于鍋爐高溫沖蝕嚴重的部位。日本、英國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Metalspray公司近期還用電弧噴涂Fe19Cr15W7Ti6Ni合金來防止鍋爐燃燒室管壁的沖蝕。

我國電力行業(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用進行了研究均取得了明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。

2.2電弧噴涂技術(shù)及其特點

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)合強度，結(jié)合強度可達20MPa，電弧噴涂層的結(jié)合強度是火焰噴涂層的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，而能源費用降低50%以上，除它的能源利用率很高外，加之電能的價格又遠低于氧氣和乙炔，其費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、乙炔等易燃氣體，安全性高。

由于電弧噴涂具有上述特點，使它在近20年間獲得迅速發(fā)展，在國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計和改進噴涂，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，從而可進一步降低維修保養(yǎng)費用。

2.3高速電弧噴涂技術(shù)在CFB鍋爐水冷壁管腐蝕防護中的應用。

我廠使用2臺YG-240/9.8-M8型循環(huán)流化床鍋爐，針對上述受熱面部位熱腐蝕磨損失效機理及大多數(shù)CFB鍋爐實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行封孔，在涂層邊緣設置過渡區(qū)域，過渡區(qū)域?qū)挾葹?/span>100～150mm，平滑過渡。由此制得的復合涂層能滿足涂層邊緣帶結(jié)合強度要求。

CFB鍋爐管防磨噴涂運行若干時間后，有的涂層已被磨掉，但有的部位還有殘留涂層。為了保護鍋爐安全運行，需要再次進行噴涂施工，但噴砂時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高溫復噴打底絲能很好地解決在殘留層上繼續(xù)噴的問題。CNB-955打底噴涂絲在飛行粒子到達基體時會釋放熱能，產(chǎn)生微冶金結(jié)合，能大幅度提高與基體的結(jié)合強度。同時該材料制出的過渡層與鍋爐管材的熱膨脹系數(shù)相近，在高溫運行中不會出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。CNB-955高溫復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)合強度可達65MPa以上。

CNB-TB鍋爐用電弧噴涂絲主要化學成分為：氧化物和硼化物金屬復合陶瓷、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重的部位大面積制作防磨涂層。

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

金屬熱噴涂層一般都會有毛細孔，如果毛細孔沒有封閉，煙氣的腐蝕性成分就會滲入而破壞基體，甚至會沿涂層與基體交界處滲透，以致使涂層剝落。該材料主要成分為無機非金屬陶瓷和三元膠粘劑組成，因而有滲透力強、耐高溫、結(jié)合強度高等特點。

涂層主要技術(shù)指標：

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

噴涂粒子速度：≥380m/s；結(jié)合強度：≥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、機油、水中浸泡30天與不銹鋼進行對比）。

高溫耐磨防腐用封孔層技術(shù)指標：

工作溫度1000℃以上；

耐磨性：≤8mg/1000r；

結(jié)合強度：≥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2臺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，可以對水冷壁管表面實施有效保護，使其外表面基本不受損傷，可大量節(jié)省材料更換費用及維修費，縮短檢修時間，減少或避免非計劃停爐，有著明顯的經(jīng)濟和社會效益。該技術(shù)工藝既可用于新建電廠鍋爐的預防性維護，也可用于在役鍋爐檢修現(xiàn)場的維護。

高速電弧噴涂技術(shù)是鍋爐管道熱腐蝕磨損防護中一項高效、低成本的表面技術(shù)，符合我國國情，并在發(fā)電、機械、冶金裝備等領(lǐng)域有重要價值，具有廣闊的應用前景和極大的潛在市場。