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火電廠(chǎng)鍋爐水冷壁管防腐耐磨研究



摘要:火力發(fā)電廠(chǎng)鍋爐水冷壁管高溫腐蝕和磨損的機理復雜,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(lèi),即非表面防護方法和表面防護方法。本文針對廣東沙角 B 電廠(chǎng) 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,認為積極采用熱噴涂技術(shù)是火電廠(chǎng)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普遍存在的嚴重問(wèn)題,它的直接危害主要表現在以下兩個(gè)方面:

(1)使管壁減薄,據統計一般每年減薄量約為 1mm 左右,嚴重的可達 5~6mm 年,形成安全運行的嚴重隱患,增加了電廠(chǎng)的臨時(shí)性檢修和大修工作量,給電廠(chǎng)造成很大的經(jīng)濟損失。
(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(chǎng)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)強度和額外的檢修費用,直接影響企業(yè)效益,同時(shí)也干擾了地區電網(wǎng)的正常調度,影響當地工農業(yè)生產(chǎn),由此也造成了很大的社會(huì )影響。

鍋爐運行過(guò)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成腐蝕。這種現象在各個(gè)燃煤鍋爐中普遍存在,我們在各火電廠(chǎng)的鍋爐定期檢驗中經(jīng)常遇到,只是程度不同而已。廣東沙角 B 電廠(chǎng)由于其燃煤含硫量大,水冷壁遭受的高溫腐蝕特別嚴重,由此帶來(lái)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,在鍋爐內部燃燒的復雜動(dòng)態(tài)過(guò)程中,猛烈撞擊水冷壁,對水冷壁工作面產(chǎn)生嚴重切削,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,容易導致水冷壁管在高溫下強度不夠而爆管,其危害作用同高溫腐蝕一樣嚴重。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(cháng)水冷壁的使用壽命。

二、水冷壁管高溫腐蝕和磨損的機理。

水冷壁管高溫腐蝕和磨損的機理是很復雜的,簡(jiǎn)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。鍋爐運行過(guò)程中,爐溫可高達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(guò)程中產(chǎn)生的SO2 、SO3 、H2S 、HC 1 、堿金屬鹽及釩鹽類(lèi),是多種化學(xué)物在各種溫度下共同對管壁進(jìn)行的復雜的動(dòng)態(tài)腐蝕過(guò)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械性能,實(shí)際上導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,高溫煙氣裹著(zhù)可以大于8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(huì )造成較大的經(jīng)濟損失,電廠(chǎng)為減少爆管,投入了大量人力、物力加強對水冷壁的監測和更換,但是監測未取得任何實(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(lái)進(jìn)行防止,常用方法可以分為兩類(lèi),即非表面防護方法和表面防護方法。非表面防護方法有:

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)及強化爐內的湍流混合。
D. 控制適當的煤粉細度。
E. 避免出現受熱面壁溫局部過(guò)熱。
F. 在壁面附近噴空氣保護膜。
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. 對受熱面的設計布置合理,以避開(kāi)高煙溫區和高壁溫區出現。
L. 對易腐蝕區加爐襯防護。

非表面防護法的共同之處在于,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)際運行中會(huì )因為各種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,不但影響燃燒室吸熱能力,還會(huì )使腐蝕復雜化。故有必要尋求其它效果更好的表面防護方法。

對受腐蝕構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方法,主要

(1)涂刷法:涂刷的涂層塑性、熱膨脹性等不能適應鍋爐內環(huán)境及脫硫裝置,使用中易產(chǎn)生脫層,難于實(shí)際應用。
(2)電鍍、熱滲鍍:鍍層的覆蓋性及結合度較好,但受工件尺寸限制,鍍件在現場(chǎng)拼焊中鍍層也會(huì )出現薄弱環(huán)節,降低使用性能。無(wú)法對已有設施進(jìn)行再次防腐。
(3)熱噴涂:適合現場(chǎng)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,對已有設施的未防護部分進(jìn)行追加防護,已防護部分進(jìn)行再次防護。

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(guò)了音速。我們通過(guò)對該技術(shù)的引進(jìn),特別是針對噴涂設備笨重、龐大、不利于現場(chǎng)施工的缺點(diǎn),進(jìn)行大膽的設備結構改造和功能完善,達到的突出特點(diǎn)是現場(chǎng)實(shí)用性強、噴涂性能好、涂層質(zhì)量顯著(zhù)提高。與普通電弧噴涂和火焰噴涂比較,其技術(shù)指標有如下區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、結合強度等性能,增加了涂層厚度調節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用范圍。

但原有超音速電弧噴涂的應用還幾乎停留在普通電弧噴涂技術(shù)的基礎上,只是簡(jiǎn)單地利用其性能的提高,基本上處于一種被動(dòng)應用的狀況。比如噴涂材料,仍然沿用原有電弧噴涂用絲材,沒(méi)有針對超音速電弧噴涂技術(shù)的先進(jìn)性專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)新型涂層材料,我們投入了大量人力、物力、財力對其進(jìn)行了進(jìn)一步研究,開(kāi)發(fā)出了MC鍋爐四管專(zhuān)用涂層、 NiCr/Cr 3 C 2 、 NiCrAiFe/Cr 3 C 2 、 45CT 系列噴涂材料,增加其在電力系統的現場(chǎng)實(shí)用性,最大限度地利用該技術(shù)的先進(jìn)性,實(shí)現良好的表面涂層。

四、超音速電弧噴涂45CT合金的應用

對水冷壁的防高溫腐蝕和磨損各種方法綜合考慮,我們認為,比較理想的方法是采用熱噴涂技術(shù)。經(jīng)過(guò)一系列的準備工作,于1999年5月廣東沙角B電廠(chǎng)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涂層分兩大類(lèi)。一類(lèi)是隔離涂層,如電鍍鉻、油漆及有機涂料;另一類(lèi)是陽(yáng)極涂層,如電鍍鋅、熱浸或噴涂45CT合金作為犧牲陽(yáng)板仍對該處表面鋼鐵具有防腐蝕保護作用,避免孔隙腐蝕、保護層下腐蝕及由此引起涂層的脫落,陽(yáng)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(yáng)極性外(即選擇陽(yáng)極電位低于鋼鐵的金屬成份),還應要求其熱膨脹系數接近鋼鐵材料,具有良好的塑性,以避免脫層,材料還應具有一定的抗沖蝕能力。對選擇的一種或幾種材料應進(jìn)行噴涂試驗、性能試驗和對比試驗等。

對于水冷壁防高溫腐蝕和磨損噴涂,我們開(kāi)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)生原子擴散,形成冶金結合,涂層又形成粗糙表面,便于與工作層連接,提高涂層的結合強度。噴涂層材料的膨脹系數與水冷壁管材料接近,使涂層在交變熱應力作用下不會(huì )脫落,它具有抗腐蝕、抗氧化、耐高溫、延展性好、抗沖蝕能力強且價(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(wú)油污、且須達到清潔和毛化要求。噴砂打磨的目的是使水冷壁管表面呈灰白色的金屬外觀(guān)和均勻粗化。噴砂后,基體表面粗糙度應達到 Rz40~80um。且干燥、無(wú)灰塵、無(wú)油污、無(wú)氧化皮、無(wú)銹跡。選擇磨料時(shí),根據基體金屬的種類(lèi)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合良好。我們選擇棕剛玉和冷硬鑄鐵砂等符合有關(guān)規定的磨料進(jìn)行打磨,磨料有棱角,清潔、干燥、沒(méi)有油污、可溶性鹽的游離物和長(cháng)石,以對表面進(jìn)行仔細的清理及有效的表面毛化,達到提高噴涂結合強度的目的。

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(zhuān)用 45CT,設計噴涂厚度 0.8~1.0mm。噴涂表面達到均勻、致密。噴砂后的水冷壁管,應盡快進(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(guò)12小時(shí),在雨天、潮濕或含鹽霧氣氛下,間隔時(shí)間不超過(guò) 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(guò)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。封孔劑選擇有機硅加鋁粉,噴涂后采用噴涂方法覆蓋在涂層上面。

D. 現場(chǎng)檢測:

噴涂完成后,應進(jìn)行外觀(guān)檢查,涂層表面致密、均勻、顆粒細小,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)行現場(chǎng)實(shí)測,厚度達到要求,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(chǎng)在水冷壁中設置衛燃帶,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(cháng);在水冷壁衛燃帶采用滲鋁管,經(jīng)常發(fā)現焊縫出現嚴重的硫腐蝕,這是滲鋁管無(wú)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,對焊口及其附近補噴一層 45CT 防腐,防止焊縫腐蝕;另外,噴涂 45CT 可以對長(cháng)時(shí)間運行后的水冷壁管進(jìn)行再防護,這也是滲鋁管無(wú)法做到的。

2、運行后的涂層檢測

廣東沙角 B 電廠(chǎng) 3# 爐超音速電弧噴涂 45CT 涂層水冷壁管,經(jīng)過(guò)長(cháng)期運行外觀(guān)檢查,涂層完好,未見(jiàn)裂紋、起皮、脫落等任何宏觀(guān)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(chǎng) 3# 爐水冷壁管中隔墻在停爐時(shí)割管取樣分析,該樣自爐內現場(chǎng)實(shí)施噴涂后已連續運行 6800 余小時(shí),根據廣州有色金屬研究總院出具的檢測報告,“試樣涂層完整,未發(fā)現有剝落現象,涂層約 0.9mm。與基體結合良好,結合部位未發(fā)現明顯缺陷”。

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(guò)各種性能試驗和實(shí)踐證明,利用超音速電弧噴涂的 45CT 涂層,可以大大延長(cháng)水冷壁管的使用壽命,同時(shí)也可以對長(cháng)時(shí)間運行后的水冷壁管進(jìn)行再防護,以進(jìn)一步延長(cháng)水冷壁管的使用壽命。

六、結束語(yǔ)

水冷壁管的可靠性,直接關(guān)系到電廠(chǎng)機組是否能安全有效運行,但鍋爐運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,使其外表面基本不受損傷,可大量節省材料更換費用及維修費,減少或避免非計劃停爐,降低運行成本,直接經(jīng)濟效益和間接經(jīng)濟效益都很高,有極大的開(kāi)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)行嚴格監控。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)行監督檢查的基礎上,對涂層的檢查增加了對水冷壁管的監督力度,提高了水冷壁管的安全性。我們認為已經(jīng)時(shí)間證明熱噴涂技術(shù)能夠對鍋爐的水冷壁的保護提供一個(gè)非?煽康慕鉀Q辦法。

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