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摘要：火力發(fā)電廠鍋爐水冷壁管高溫腐蝕和磨損的機(jī)理復(fù)雜，它與爐膛火焰溫度、燃煤的含硫量、煙氣與灰分顆粒的沖蝕密切相關(guān)。防止水冷壁高溫腐蝕和磨損的常用方法有兩類，即非表面防護(hù)方法和表面防護(hù)方法。本文針對廣東沙角 B 電廠 3# 爐，本公司采用超音速電弧噴涂 45CT 合金涂層工作壽命已近四年，認(rèn)為積極采用熱噴涂技術(shù)是火電廠鍋爐水冷壁高溫防腐耐磨涂層最可靠的解決方法。
關(guān)鍵詞：鍋爐水冷壁 高溫腐蝕和磨損 超音速電弧噴涂
一、引言
鍋爐水冷壁管高溫腐蝕和磨損一直是電力系統(tǒng)普遍存在的嚴(yán)重問題，它的直接危害主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：
(1)使管壁減薄，據(jù)統(tǒng)計(jì)一般每年減薄量約為 1mm 左右，嚴(yán)重的可達(dá) 5~6mm 年，形成安全運(yùn)行的嚴(yán)重隱患，增加了電廠的臨時(shí)性檢修和大修工作量，給電廠造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。
(2)發(fā)生水冷壁突發(fā)性爆管事故，造成緊急停爐搶修，不僅打亂了電廠的正常發(fā)電秩序，減少發(fā)電產(chǎn)值，而且增加了工人勞動(dòng)強(qiáng)度和額外的檢修費(fèi)用，直接影響企業(yè)效益，同時(shí)也干擾了地區(qū)電網(wǎng)的正常調(diào)度，影響當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)，由此也造成了很大的社會影響。
鍋爐運(yùn)行過程中，由于燃燒煤中硫及其它有害雜質(zhì)的存在，在高溫下對水冷壁構(gòu)成腐蝕。這種現(xiàn)象在各個(gè)燃煤鍋爐中普遍存在，我們在各火電廠的鍋爐定期檢驗(yàn)中經(jīng)常遇到，只是程度不同而已。廣東沙角 B 電廠由于其燃煤含硫量大，水冷壁遭受的高溫腐蝕特別嚴(yán)重，由此帶來的爆管、換管損失慘重。同時(shí)，煤燃燒時(shí)產(chǎn)生的大量灰粉，在鍋爐內(nèi)部燃燒的復(fù)雜動(dòng)態(tài)過程中，猛烈撞擊水冷壁，對水冷壁工作面產(chǎn)生嚴(yán)重切削，使水冷壁管工作面被磨損成不同程度的小平臺，造成水冷壁壁厚的實(shí)際減薄，容易導(dǎo)致水冷壁管在高溫下強(qiáng)度不夠而爆管，其危害作用同高溫腐蝕一樣嚴(yán)重。因此，需要我們尋求一種解決的技術(shù)方法，增加水冷壁的抗磨損能力，以延長水冷壁的使用壽命。
二、水冷壁管高溫腐蝕和磨損的機(jī)理。
水冷壁管高溫腐蝕和磨損的機(jī)理是很復(fù)雜的，簡言之，與下列因素有關(guān)：(1)爐膛火焰溫度；(2)燃煤的含硫量；(3)煙氣與灰分顆的沖蝕。鍋爐運(yùn)行過程中，爐溫可高達(dá)1600℃以上，由于燃燒煤中硫及其它有害雜質(zhì)的存在，水冷壁普遍遭受高溫腐蝕。參與高溫腐蝕的危害物有燃燒過程中產(chǎn)生的SO2 、SO3 、H2S 、HC 1 、堿金屬鹽及釩鹽類，是多種化學(xué)物在各種溫度下共同對管壁進(jìn)行的復(fù)雜的動(dòng)態(tài)腐蝕過程。其中，硫化物是鍋爐高溫腐蝕的主要因素，一是煙氣中的硫化氫與管壁金屬作用產(chǎn)生的腐蝕，含硫物在金屬高溫下產(chǎn)生單原子硫，硫與管道中的鐵反應(yīng)生成硫化鐵(Fe+S → FeS)；二是由不可燃硫在高溫作用下生成硫酸鹽混入灰分熔敷于管壁表面，但不再具有水冷壁管所要求的各種良好的高溫機(jī)械性能，實(shí)際上導(dǎo)致水冷壁管有用壁厚的減薄，從而其有效承載能力不斷下降，由此形成腐蝕。另外，高溫?zé)煔夤梢源笥?米/秒的速度沖擊管壁，煙氣的腐蝕和灰分顆粒的沖刷在金屬表面交替進(jìn)行，造成管壁減薄。
三、防止水冷壁高溫腐蝕和磨損的途徑。
意外的爆管則會造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，電廠為減少爆管，投入了大量人力、物力加強(qiáng)對水冷壁的監(jiān)測和更換，但是監(jiān)測未取得任何實(shí)質(zhì)性的效果，換管則將大大增加生產(chǎn)成本和維修費(fèi)用。只有防患于未然才是最好的辦法。 分析清楚了水冷壁高溫腐蝕的產(chǎn)生原因，就可采用有效的方法來進(jìn)行防止，常用方法可以分為兩類，即非表面防護(hù)方法和表面防護(hù)方法。非表面防護(hù)方法有：
A. 采用低氧燃燒技術(shù)。
B. 盡可能使各燃燒間的煤粉濃度均勻。
C. 合理的配風(fēng)及強(qiáng)化爐內(nèi)的湍流混合。
D. 控制適當(dāng)?shù)拿悍奂?xì)度。
E. 避免出現(xiàn)受熱面壁溫局部過熱。
F. 在壁面附近噴空氣保護(hù)膜。
G. 加添加劑。
H. 控制合理的爐膛出口煙溫。
I. 對易產(chǎn)生高溫腐蝕的煤種采用抗腐蝕高溫合金。
J. 采用煙氣再循環(huán)。
K. 對受熱面的設(shè)計(jì)布置合理，以避開高煙溫區(qū)和高壁溫區(qū)出現(xiàn)。
L. 對易腐蝕區(qū)加爐襯防護(hù)。
非表面防護(hù)法的共同之處在于，一定程度上可以減輕水冷壁的腐蝕，但并不能真正做到防止其腐蝕。而且有些方法在實(shí)際運(yùn)行中會因?yàn)楦鞣N原因而不能有效地實(shí)施，甚至個(gè)別方法還存在爭議，如爐襯防護(hù)，不但影響燃燒室吸熱能力，還會使腐蝕復(fù)雜化。故有必要尋求其它效果更好的表面防護(hù)方法。
對受腐蝕構(gòu)件表面覆蓋耐腐蝕的隔離層，是最直接有效的防腐措施，屬于高溫腐蝕的表面防護(hù)方法，主要
(1)涂刷法：涂刷的涂層塑性、熱膨脹性等不能適應(yīng)鍋爐內(nèi)環(huán)境及脫硫裝置，使用中易產(chǎn)生脫層，難于實(shí)際應(yīng)用。
(2)電鍍、熱滲鍍：鍍層的覆蓋性及結(jié)合度較好，但受工件尺寸限制，鍍件在現(xiàn)場拼焊中鍍層也會出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，降低使用性能。無法對已有設(shè)施進(jìn)行再次防腐。
(3)熱噴涂：適合現(xiàn)場操作，涂層材料選擇范圍寬，組合方式多，能提供多種性能涂層，對已有設(shè)施的未防護(hù)部分進(jìn)行追加防護(hù)，已防護(hù)部分進(jìn)行再次防護(hù)。
超 音速電弧噴涂技術(shù)利用了流體力學(xué)中的“拉瓦爾原理”，使噴涂時(shí)的粒子速度真正超過了音速。我們通過對該技術(shù)的引進(jìn)，特別是針對噴涂設(shè)備笨重、龐大、不利于現(xiàn)場施工的缺點(diǎn)，進(jìn)行大膽的設(shè)備結(jié)構(gòu)改造和功能完善，達(dá)到的突出特點(diǎn)是現(xiàn)場實(shí)用性強(qiáng)、噴涂性能好、涂層質(zhì)量顯著提高。與普通電弧噴涂和火焰噴涂比較，其技術(shù)指標(biāo)有如下區(qū)別于超音速電弧噴涂技術(shù)的先進(jìn)性——離子噴射速度快(比普通電弧噴涂快4倍)，其技術(shù)性能比普通電弧噴涂有本質(zhì)的提高，改善了涂層的孔隙率、顆粒度、結(jié)合強(qiáng)度等性能，增加了涂層厚度調(diào)節(jié)范圍及可利用的涂層材料選擇范圍，可以大大拓展電弧噴涂的應(yīng)用范圍。
但原有超音速電弧噴涂的應(yīng)用還幾乎停留在普通電弧噴涂技術(shù)的基礎(chǔ)上，只是簡單地利用其性能的提高，基本上處于一種被動(dòng)應(yīng)用的狀況。比如噴涂材料，仍然沿用原有電弧噴涂用絲材，沒有針對超音速電弧噴涂技術(shù)的先進(jìn)性專門開發(fā)新型涂層材料，我們投入了大量人力、物力、財(cái)力對其進(jìn)行了進(jìn)一步研究，開發(fā)出了MC鍋爐四管專用涂層、 NiCr/Cr 3 C 2 、 NiCrAiFe/Cr 3 C 2 、 45CT 系列噴涂材料，增加其在電力系統(tǒng)的現(xiàn)場實(shí)用性，最大限度地利用該技術(shù)的先進(jìn)性，實(shí)現(xiàn)良好的表面涂層。
四、超音速電弧噴涂45CT合金的應(yīng)用
對水冷壁的防高溫腐蝕和磨損各種方法綜合考慮，我們認(rèn)為，比較理想的方法是采用熱噴涂技術(shù)。經(jīng)過一系列的準(zhǔn)備工作，于1999年5月廣東沙角B電廠3# 爐大修期間，我們對其水冷壁進(jìn)行了防腐耐磨超音速電弧噴涂。 鋼鐵材料的表面防護(hù)涂層分兩大類。一類是隔離涂層，如電鍍鉻、油漆及有機(jī)涂料；另一類是陽極涂層，如電鍍鋅、熱浸或噴涂45CT合金作為犧牲陽板仍對該處表面鋼鐵具有防腐蝕保護(hù)作用，避免孔隙腐蝕、保護(hù)層下腐蝕及由此引起涂層的脫落，陽極涂層還兼有隔離涂層作用。
選擇防腐蝕涂層材料除考慮其陽極性外(即選擇陽極電位低于鋼鐵的金屬成份)，還應(yīng)要求其熱膨脹系數(shù)接近鋼鐵材料，具有良好的塑性，以避免脫層，材料還應(yīng)具有一定的抗沖蝕能力。對選擇的一種或幾種材料應(yīng)進(jìn)行噴涂試驗(yàn)、性能試驗(yàn)和對比試驗(yàn)等。
對于水冷壁防高溫腐蝕和磨損噴涂，我們開發(fā)的噴涂材料是自發(fā)放熱型材料45CT，噴涂后涂層與基體金屬表面產(chǎn)生原子擴(kuò)散，形成冶金結(jié)合，涂層又形成粗糙表面，便于與工作層連接，提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度。噴涂層材料的膨脹系數(shù)與水冷壁管材料接近，使涂層在交變熱應(yīng)力作用下不會脫落，它具有抗腐蝕、抗氧化、耐高溫、延展性好、抗沖蝕能力強(qiáng)且價(jià)格便宜等特點(diǎn)，涂層厚度 0.8~1.0mm。噴涂工藝如下：
A. 噴砂打磨：
噴涂前的基體表面必須清潔、無油污、且須達(dá)到清潔和毛化要求。噴砂打磨的目的是使水冷壁管表面呈灰白色的金屬外觀和均勻粗化。噴砂后，基體表面粗糙度應(yīng)達(dá)到 Rz40~80um。且干燥、無灰塵、無油污、無氧化皮、無銹跡。選擇磨料時(shí)，根據(jù)基體金屬的種類和涂層的厚度而定，磨料必須清潔、有棱角，才能保證涂層與基體結(jié)合良好。我們選擇棕剛玉和冷硬鑄鐵砂等符合有關(guān)規(guī)定的磨料進(jìn)行打磨，磨料有棱角，清潔、干燥、沒有油污、可溶性鹽的游離物和長石，以對表面進(jìn)行仔細(xì)的清理及有效的表面毛化，達(dá)到提高噴涂結(jié)合強(qiáng)度的目的。
B. 防腐蝕噴涂：
使用超音速電弧噴涂技術(shù)對水冷壁進(jìn)行噴涂，噴涂材料為專用 45CT，設(shè)計(jì)噴涂厚度 0.8~1.0mm。噴涂表面達(dá)到均勻、致密。噴砂后的水冷壁管，應(yīng)盡快進(jìn)行噴涂，其間隔時(shí)間越短越好，在晴天或不潮濕的天氣，間隔時(shí)間不可超過12小時(shí)，在雨天、潮濕或含鹽霧氣氛下，間隔時(shí)間不超過 2 小時(shí)。噴涂必須在如下條件下實(shí)施：環(huán)境大氣高于5℃或基體金屬的溫度至少比大氣露點(diǎn)高 3 ℃，在雨天、潮濕或含霧的氣氛中，噴涂操作必須在室內(nèi)或工棚棚中進(jìn)行。
C. 后處理：
對于防腐噴涂，必須加封孔劑，以避免腐蝕物質(zhì)通過涂層的孔隙往里面滲入，直接腐蝕母材，或間接減少防腐涂層的有效厚度。封孔劑選擇有機(jī)硅加鋁粉，噴涂后采用噴涂方法覆蓋在涂層上面。
D. 現(xiàn)場檢測：
噴涂完成后，應(yīng)進(jìn)行外觀檢查，涂層表面致密、均勻、顆粒細(xì)小，不允許有起皮、鼓泡、大溶滴、裂紋、掉塊及其他影響涂層使用的缺陷。使用日本原裝進(jìn)口的磁性涂層測厚儀進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測，厚度達(dá)到要求，可以保證工程質(zhì)量。
五、噴涂效果分析
1、與滲鋁管防腐效果對比分析
為了防止高溫硫腐蝕，火電廠在水冷壁中設(shè)置衛(wèi)燃帶，以前常采用滲鋁管，實(shí)際上，用噴涂 SCZ16 管代替滲鋁管可以取得相同的或更好的效果。
試驗(yàn)證明，我們使用的 45CT 耐腐蝕效果比滲鋁管好得多，使水冷壁管的使用壽命更長；在水冷壁衛(wèi)燃帶采用滲鋁管，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)焊縫出現(xiàn)嚴(yán)重的硫腐蝕，這是滲鋁管無法克服的弊端，而使用超音速電弧噴涂技術(shù)，則可在水冷壁管安裝完畢后，對焊口及其附近補(bǔ)噴一層 45CT 防腐，防止焊縫腐蝕；另外，噴涂 45CT 可以對長時(shí)間運(yùn)行后的水冷壁管進(jìn)行再防護(hù)，這也是滲鋁管無法做到的。
2、運(yùn)行后的涂層檢測
廣東沙角 B 電廠 3# 爐超音速電弧噴涂 45CT 涂層水冷壁管，經(jīng)過長期運(yùn)行外觀檢查，涂層完好，未見裂紋、起皮、脫落等任何宏觀缺陷，也未因腐蝕原因造成爆管等。
我們將最早實(shí)施噴涂的廣東沙角 B 電廠 3# 爐水冷壁管中隔墻在停爐時(shí)割管取樣分析，該樣自爐內(nèi)現(xiàn)場實(shí)施噴涂后已連續(xù)運(yùn)行 6800 余小時(shí)，根據(jù)廣州有色金屬研究總院出具的檢測報(bào)告，“試樣涂層完整，未發(fā)現(xiàn)有剝落現(xiàn)象，涂層約 0.9mm。與基體結(jié)合良好，結(jié)合部位未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷”。
為了防止高溫腐蝕和磨損，超音速電弧噴涂 45CT 可以取得很好的效果。通過各種性能試驗(yàn)和實(shí)踐證明，利用超音速電弧噴涂的 45CT 涂層，可以大大延長水冷壁管的使用壽命，同時(shí)也可以對長時(shí)間運(yùn)行后的水冷壁管進(jìn)行再防護(hù)，以進(jìn)一步延長水冷壁管的使用壽命。
六、結(jié)束語
水冷壁管的可靠性，直接關(guān)系到電廠機(jī)組是否能安全有效運(yùn)行，但鍋爐運(yùn)行中對不可避免地對水冷壁管造成腐蝕、沖蝕（磨損），使其有效承載能力下降、安全性降低。超音速電弧噴涂涂層能對水冷壁管表面實(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)，減少或避免非計(jì)劃停爐，降低運(yùn)行成本，直接經(jīng)濟(jì)效益和間接經(jīng)濟(jì)效益都很高，有極大的開發(fā)利用價(jià)值。
另外，涂層的存在，要求對涂層的厚度和覆蓋的完整性進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)控。而只要保證熱噴涂層的完好，就在很大程度上保證了水冷壁管的完好性。在原有對水冷壁管進(jìn)行監(jiān)督檢查的基礎(chǔ)上，對涂層的檢查增加了對水冷壁管的監(jiān)督力度，提高了水冷壁管的安全性。我們認(rèn)為已經(jīng)時(shí)間證明熱噴涂技術(shù)能夠?qū)﹀仩t的水冷壁的保護(hù)提供一個(gè)非常可靠的解決辦法。 |
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