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火电厂锅炉水冷壁管防腐耐磨研究
发布时间:2013-10-12
 摘要:火力发电厂锅炉水冷壁管高温腐蚀和磨损的机理复杂,它与炉膛火焰温度、燃煤的含硫量、烟气与灰分颗粒的冲蚀密切相关。防止水冷壁高温腐蚀和磨损的常用方法有两类,即非表面防护方法和表面防护方法。本文针对广东沙角  B  电厂  3#  炉,本公司采用超音速电弧喷涂  45CT  合金涂层工作寿命已近四年,认为积极采用热喷涂技术是火电厂锅炉水冷壁高温防腐耐磨涂层最可靠的解决方法。 
关键词:锅炉水冷壁  高温腐蚀和磨损  超音速电弧喷涂 
一、引言  锅炉水冷壁管高温腐蚀和磨损一直是电力系统普遍存在的严重问题,它的直接危害主要表现在以下两个方面: 
(1)使管壁减薄,据统计一般每年减薄量约为  1mm  左右,严重的可达  5~6mm  年,形成安全运行的严重隐患,增加了电厂的临时性检修和大修工作量,给电厂造成很大的经济损失。 
(2)发生水冷壁突发性爆管事故,造成紧急停炉抢修,不仅打乱了电厂的正常发电秩序,减少发电产值,而且增加了工人劳动强度和额外的检修费用,直接影响企业效益,同时也干扰了地区电网的正常调度,影响当地工农业生产,由此也造成了很大的社会影响。 
锅炉运行过程中,由于燃烧煤中硫及其它有害杂质的存在,在高温下对水冷壁构成腐蚀。这种现象在各个燃煤锅炉中普遍存在,我们在各火电厂的锅炉定期检验中经常遇到,只是程度不同而已。广东沙角  B  电厂由于其燃煤含硫量大,水冷壁遭受的高温腐蚀特别严重,由此带来的爆管、换管损失惨重。同时,煤燃烧时产生的大量灰粉,在锅炉内部燃烧的复杂动态过程中,猛烈撞击水冷壁,对水冷壁工作面产生严重切削,使水冷壁管工作面被磨损成不同程度的小平台,造成水冷壁壁厚的实际减薄,容易导致水冷壁管在高温下强度不够而爆管,其危害作用同高温腐蚀一样严重。因此,需要我们寻求一种解决的技术方法,增加水冷壁的抗磨损能力,以延长水冷壁的使用寿命。 
二、水冷壁管高温腐蚀和磨损的机理。 
水冷壁管高温腐蚀和磨损的机理是很复杂的,简言之,与下列因素有关:(1)炉膛火焰温度;??????????  (2)燃煤的含硫量;(3)烟气与灰分颗的冲蚀。锅炉运行过程中,炉温可高达1600℃以上,由于燃烧煤中硫及其它有害杂质的存在,水冷壁普遍遭受高温腐蚀。参与高温腐蚀的危害物有燃烧过程中产生的SO2  、SO3  、H2S  、HC  1  、碱金属盐及钒盐类,是多种化学物在各种温度下共同对管壁进行的复杂的动态腐蚀过程。其中,硫化物是锅炉高温腐蚀的主要因素,一是烟气中的硫化氢与管壁金属作用产生的腐蚀,含硫物在金属高温下产生单原子硫,硫与管道中的铁反应生成硫化铁(Fe+S  →  FeS);二是由不可燃硫在高温作用下生成硫酸盐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种良好的高温机械性能,实际上导致水冷壁管有用壁厚的减薄,从而其有效承载能力不断下降,由此形成腐蚀。另外,高温烟气裹着可以大于8米/秒的速度冲击管壁,烟气的腐蚀和灰分颗粒的冲刷在金属表面交替进行,造成管壁减薄。 
三、防止水冷壁高温腐蚀和磨损的途径。 
意外的爆管则会造成较大的经济损失,电厂为减少爆管,投入了大量人力、物力加强对水冷壁的监测和更换,但是监测未取得任何实质性的效果,换管则将大大增加生产成本和维修费用。只有防患于未然才是最好的办法。  分析清楚了水冷壁高温腐蚀的产生原因,就可采用有效的方法来进行防止,常用方法可以分为两类,即非表面防护方法和表面防护方法。非表面防护方法有: 
A.  采用低氧燃烧技术。 
B.  尽可能使各燃烧间的煤粉浓度均匀。 
C.  合理的配风及强化炉内的湍流混合。 
D.  控制适当的煤粉细度。 
E.  避免出现受热面壁温局部过热。 
F.  在壁面附近喷空气保护膜。 
G.  加添加剂。 
H.  控制合理的炉膛出口烟温。 
I.  对易产生高温腐蚀的煤种采用抗腐蚀高温合金。 
J.  采用烟气再循环。 
K.  对受热面的设计布置合理,以避开高烟温区和高壁温区出现。 
L.  对易腐蚀区加炉衬防护。 
非表面防护法的共同之处在于,一定程度上可以减轻水冷壁的腐蚀,但并不能真正做到防止其腐蚀。而且有些方法在实际运行中会因为各种原因而不能有效地实施,甚至个别方法还存在争议,如炉衬防护,不但影响燃烧室吸热能力,还会使腐蚀复杂化。故有必要寻求其它效果更好的表面防护方法。 
对受腐蚀构件表面覆盖耐腐蚀的隔离层,是最直接有效的防腐措施,属于高温腐蚀的表面防护方法,主要 
(1)涂刷法:涂刷的涂层塑性、热膨胀性等不能适应锅炉内环境及脱硫装置,使用中易产生脱层,难于实际应用。 
(2)电镀、热渗镀:镀层的覆盖性及结合度较好,但受工件尺寸限制,镀件在现场拼焊中镀层也会出现薄弱环节,降低使用性能。无法对已有设施进行再次防腐。 
(3)热喷涂:适合现场操作,涂层材料选择范围宽,组合方式多,能提供多种性能涂层,对已有设施的未防护部分进行追加防护,已防护部分进行再次防护。 
超  音速电弧喷涂技术利用了流体力学中的“拉瓦尔原理”,使喷涂时的粒子速度真正超过了音速。我们通过对该技术的引进,特别是针对喷涂设备笨重、庞大、不利于现场施工的缺点,进行大胆的设备结构改造和功能完善,达到的突出特点是现场实用性强、喷涂性能好、涂层质量显著提高。 
由于超音速电弧喷涂技术的先进性——离子喷射速度快(比普通电弧喷涂快4倍),其技术性能比普通电弧喷涂有本质的提高,改善了涂层的孔隙率、颗粒度、结合强度等性能,增加了涂层厚度调节范围及可利用的涂层材料选择范围,可以大大拓展电弧喷涂的应用范围。 
但原有超音速电弧喷涂的应用还几乎停留在普通电弧喷涂技术的基础上,只是简单地利用其性能的提高,基本上处于一种被动应用的状况。比如喷涂材料,仍然沿用原有电弧喷涂用丝材,没有针对超音速电弧喷涂技术的先进性专门开发新型涂层材料,我们投入了大量人力、物力、财力对其进行了进一步研究,开发出了MC锅炉四管专用涂层、  NiCr/Cr  3  C  2  、  NiCrAiFe/Cr  3  C  2  、  45CT  系列喷涂材料,增加其在电力系统的现场实用性,最大限度地利用该技术的先进性,实现良好的表面涂层。 
四、超音速电弧喷涂45CT合金的应用 
对水冷壁的防高温腐蚀和磨损各种方法综合考虑,我们认为,比较理想的方法是采用热喷涂技术。
经过一系列的准备工作,于1999年5月广东沙角B电厂3#  炉大修期间,我们对其水冷壁进行了防腐耐磨超音速电弧喷涂。  钢铁材料的表面防护涂层分两大类。一类是隔离涂层,如电镀铬、油漆及有机涂料;另一类是阳极涂层,如电镀锌、热浸或喷涂45CT合金作为牺牲阳板仍对该处表面钢铁具有防腐蚀保护作用,避免孔隙腐蚀、保护层下腐蚀及由此引起涂层的脱落,阳极涂层还兼有隔离涂层作用。 
选择防腐蚀涂层材料除考虑其阳极性外(即选择阳极电位低于钢铁的金属成份),还应要求其热膨胀系数接近钢铁材料,具有良好的塑性,以避免脱层,材料还应具有一定的抗冲蚀能力。对选择的一种或几种材料应进行喷涂试验、性能试验和对比试验等。 
对于水冷壁防高温腐蚀和磨损喷涂,我们开发的喷涂材料是自发放热型材料45CT,喷涂后涂层与基体金属表面产生原子扩散,形成冶金结合,涂层又形成粗糙表面,便于与工作层连接,提高涂层的结合强度。喷涂层材料的膨胀系数与水冷壁管材料接近,使涂层在交变热应力作用下不会脱落,它具有抗腐蚀、抗氧化、耐高温、延展性好、抗冲蚀能力强且价格便宜等特点,涂层厚度  0.8~1.0mm。喷涂工艺如下: 
A.  喷砂打磨: 
喷涂前的基体表面必须清洁、无油污、且须达到清洁和毛化要求。喷砂打磨的目的是使水冷壁管表面呈灰白色的金属外观和均匀粗化。喷砂后,基体表面粗糙度应达到  Rz40~80um。且干燥、无灰尘、无油污、无氧化皮、无锈迹。选择磨料时,根据基体金属的种类和涂层的厚度而定,磨料必须清洁、有棱角,才能保证涂层与基体结合良好。我们选择棕刚玉和冷硬铸铁砂等符合有关规定的磨料进行打磨,磨料有棱角,清洁、干燥、没有油污、可溶性盐的游离物和长石,以对表面进行仔细的清理及有效的表面毛化,达到提高喷涂结合强度的目的。 
B.  防腐蚀喷涂: 
使用超音速电弧喷涂技术对水冷壁进行喷涂,喷涂材料为专用  45CT,设计喷涂厚度  0.8~1.0mm。喷涂表面达到均匀、致密。喷砂后的水冷壁管,应尽快进行喷涂,其间隔时间越短越好,在晴天或不潮湿的天气,间隔时间不可超过12小时,在雨天、潮湿或含盐雾气氛下,间隔时间不超过  2  小时。喷涂必须在如下条件下实施:环境大气高于5℃或基体金属的温度至少比大气露点高  3  ℃,在雨天、潮湿或含雾的气氛中,喷涂操作必须在室内或工棚棚中进行。 
C.  后处理: 
对于防腐喷涂,必须加封孔剂,以避免腐蚀物质通过涂层的孔隙往里面渗入,直接腐蚀母材,或间接减少防腐涂层的有效厚度。封孔剂选择有机硅加铝粉,喷涂后采用喷涂方法覆盖在涂层上面。 
D.  现场检测: 
喷涂完成后,应进行外观检查,涂层表面致密、均匀、颗粒细小,不允许有起皮、鼓泡、大溶滴、裂纹、掉块及其他影响涂层使用的缺陷。使用日本原装进口的磁性涂层测厚仪进行现场实测,厚度达到要求,可以保证工程质量。 
五、喷涂效果分析 
1、与渗铝管防腐效果对比分析 
为了防止高温硫腐蚀,火电厂在水冷壁中设置卫燃带,以前常采用渗铝管,实际上,用喷涂  SCZ16  管代替渗铝管可以取得相同的或更好的效果。 
试验证明,我们使用的  45CT  耐腐蚀效果比渗铝管好得多,使水冷壁管的使用寿命更长;在水冷壁卫燃带采用渗铝管,经常发现焊缝出现严重的硫腐蚀,这是渗铝管无法克服的弊端,而使用超音速电弧喷涂技术,则可在水冷壁管安装完毕后,对焊口及其附近补喷一层  45CT  防腐,防止焊缝腐蚀;另外,喷涂  45CT  可以对长时间运行后的水冷壁管进行再防护,这也是渗铝管无法做到的。 
2、运行后的涂层检测 
广东沙角  B  电厂  3#  炉超音速电弧喷涂  45CT  涂层水冷壁管,经过长期运行外观检查,涂层完好,未见裂纹、起皮、脱落等任何宏观缺陷,也未因腐蚀原因造成爆管等。 
我们将最早实施喷涂的广东沙角  B  电厂  3#  炉水冷壁管中隔墙在停炉时割管取样分析,该样自炉内现场实施喷涂后已连续运行  6800  余小时,根据广州有色金属研究总院出具的检测报告,“试样涂层完整,未发现有剥落现象,涂层约  0.9mm。与基体结合良好,结合部位未发现明显缺陷”。 
为了防止高温腐蚀和磨损,超音速电弧喷涂  45CT  可以取得很好的效果。通过各种性能试验和实践证明,利用超音速电弧喷涂的  45CT  涂层,可以大大延长水冷壁管的使用寿命,同时也可以对长时间运行后的水冷壁管进行再防护,以进一步延长水冷壁管的使用寿命。 
六、结束语 
水冷壁管的可靠性,直接关系到电厂机组是否能安全有效运行,但锅炉运行中对不可避免地对水冷壁管造成腐蚀、冲蚀(磨损),使其有效承载能力下降、安全性降低。超音速电弧喷涂涂层能对水冷壁管表面实施有效保护,使其外表面基本不受损伤,可大量节省材料更换费用及维修费,减少或避免非计划停炉,降低运行成本,直接经济效益和间接经济效益都很高,有极大的开发利用价值。 
另外,涂层的存在,要求对涂层的厚度和覆盖的完整性进行严格监控。而只要保证热喷涂层的完好,就在很大程度上保证了水冷壁管的完好性。在原有对水冷壁管进行监督检查的基础上,对涂层的检查增加了对水冷壁管的监督力度,提高了水冷壁管的安全性。我们认为已经时间证明热喷涂技术能够对锅炉的水冷壁的保护提供一个非常可靠的解决办法。
 

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