新型高溫防腐電噴涂技術在鍋爐上的應用

楊國謀

(中海石油惠州煉油分公司，廣東惠州 516086)

新型高溫防腐電噴涂技術在鍋爐上的應用

楊國謀

(中海石油惠州煉油分公司，廣東惠州 516086)

為解決蒸汽鍋爐過熱器管在使用過程中存在高溫腐蝕和磨損的問題，煉化公司熱電廠對鍋爐過熱器管采用超音速電弧噴涂45CT合金，過熱器管增加涂層后運行近兩年效果良好，大大延長了使用壽命。該技術方法可靠，在行業(yè)內(nèi)具有較大的推廣價值。

鍋爐;過熱器;高溫腐蝕和磨損;超音速電弧噴涂

火力發(fā)電廠中鍋爐過熱器是工作條件最惡劣的地方，管內(nèi)溫度最高、煙氣沖刷最嚴重。煉化公司熱電廠的鍋爐投用時間較長，加上近幾年煤炭市場緊張，入廠原煤得不到設計煤種保證，入廠原煤中灰分含量較多，加速了過熱器管壁的磨損減薄，每年都會有三到四次由于過熱器管壁減薄爆管而引起的非計劃停爐。停爐不但造成啟、停爐費用增加，而且嚴重影響供熱質(zhì)量。因此，如何有效防止鍋爐爐管磨損減薄，已經(jīng)成為一個刻不容緩的課題。

1 過熱器管高溫腐蝕和磨損的機理

過熱器管高溫腐蝕和磨損的機理較復雜的，一般與下列因素有關:1)爐膛火焰溫度;2)燃煤的含硫量;3)煙氣與灰分顆粒的沖蝕。鍋爐運行過程中，爐膛內(nèi)溫度可高達1 600℃以上，由于燃燒煤中硫及其它有害雜質(zhì)的存在，過熱器普遍遭受高溫腐蝕。參與高溫腐蝕的危害物有燃燒過程中產(chǎn)生的SO2、SO3、H2S、堿金屬鹽及釩鹽類，是多種化學物在各種溫度下共同對管壁進行的復雜的動態(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生成硫化亞鐵;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，使過熱器管不再具有所要求的各種良好的高溫機械性能，實際上導致過熱器管壁厚的減薄，從而使其有效承載能力不斷下降，由于導熱效果下降、局部過熱由此形成腐蝕。另外，高溫煙氣裹著粉塵顆粒以大于8 m/s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行，造成管壁減薄。

2 防止過熱器高溫腐蝕和磨損的途徑

意外的爆管則會造成較大的經(jīng)濟損失，電廠為減少爆管，投入了大量人力、物力加強對過熱器的檢測和更換，但是監(jiān)測未取得任何實質(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，分析清楚了過熱器高溫腐蝕的產(chǎn)生原因，就可采用有效的方法來進行防止，常用方法可以分為兩類，即非表面防護方法和表面防護方法。

2.1 非表面防護法

不對腐蝕磨損表面進行直接處理，而采用運行中的有效控制調(diào)整手段對管壁進行保護的方法，叫做非表面防護法。

非表面防護方法有:1)采用低氧燃燒技術;2)盡可能使各燃燒間的煤粉濃度均勻;3)合理的配風及強化爐內(nèi)的湍流混合;4)控制適當?shù)拿悍奂毝?5)避免出現(xiàn)受熱面壁溫局部過熱;6)在壁面附近噴空氣保護膜;7)加添加劑;8)控制合理的爐膛出口煙溫;9)對易產(chǎn)生高溫腐蝕的煤種采用抗腐蝕高溫合金;10)采用煙氣再循環(huán);11)對受熱面的設計布置合理，以避開高煙溫區(qū)和高壁溫區(qū)出現(xiàn);12)對易腐蝕區(qū)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過熱器的腐蝕，但并不能真正做到防止其腐蝕。熱電廠的鍋爐在設計時通過在燃料中加入一定比例的石灰石的方法，減少硫產(chǎn)生的危害同時也降低了過熱器處的煙氣溫度。多年的實際運行證明有些方法在實際運行中會因為各種原因而不能有效地實施，甚至個別方法還在探討，如爐襯防護，不但影響燃燒室吸熱能力，還會使腐蝕更加復雜化，雖然已經(jīng)在吹灰噴口處得到了應用，但實際效果如何各方面的說法還不統(tǒng)一，有待實際運行一段時間以后再下定論;并且更換過熱器管的采購費用和工作量都較大，故有必要尋求其它效果更好的表面防護方法。

2.2 表面防護法

對受腐蝕嚴重構件表面覆蓋耐腐蝕的隔離層，是最直接有效的防腐措施，叫做高溫腐蝕的表面防護方法。

表面防護法主要有:1)涂刷法:涂刷的涂層塑性、熱膨脹性等不能適應鍋爐內(nèi)環(huán)境及脫硫裝置的需要，使用中易產(chǎn)生脫層，實際應用較少;2)電鍍、熱滲鍍:鍍層的覆蓋性及結合度較好，但受工件尺寸及實際安裝后爐內(nèi)空間的限制，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，無法對安裝運行現(xiàn)有設施進行再次防腐;3)熱噴涂:適合現(xiàn)場操作，涂層材料選擇范圍廣泛，組合方式多樣，能提供多種性能涂層，可以對已有設施的未防護部分進行追加防護，已防護部分進行再次防護。

2.3 超音速電弧噴涂技術

超音速電弧噴涂技術利用了流體力學中的“拉瓦爾原理”，使噴涂時的粒子速度真正超過了音速。哈爾濱工大集團金屬科技公司通過對該技術的引進，特別是針對噴涂設備笨重、龐大、不利于現(xiàn)場施工的缺點，進行大膽的設備結構改造和功能完善，達到的突出特點是現(xiàn)場實用性強、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，其技術指標區(qū)別見表1。

表1 噴涂技術對比表

由于超音速電弧噴涂技術的先進性—離子噴射速度快(比普通電弧噴涂快4倍)，其技術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(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的基礎上，只是簡單地利用其性能的提高，基本上處于一種被動應用的狀況。比如噴涂材料，仍然沿用原有電弧噴涂用線材，沒有針對超音速電弧噴涂技術的先進性專門開發(fā)新型涂層材料，哈爾濱工大集團金屬科技公司對其進行了進一步研究，開發(fā)出了MC鍋爐四管專用涂層、NiCr/Cr3C2、NiCrAlFe/Cr3C2、45CT系列噴涂材料，增加其在電力系統(tǒng)的現(xiàn)場實用性，最大限度地利用該技術的先進性，實現(xiàn)良好的表面涂層。

3 超音速電弧噴涂45CT合金的應用

3.1 噴涂材料的選擇

2006年8月熱電廠2#爐大修期間，對其過熱器進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:一類是隔離涂層，如電鍍鉻、油漆及有機涂料;另一類是陽極涂層，是以電鍍鋅、熱浸或噴涂45CT合金作為犧牲陽極板，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，陽極涂層還間接起到隔離涂層的作用。

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)，還應要求其熱膨脹系數(shù)接近過熱器管母材鋼鐵材料特性，要具有良好的塑性，以避免脫層，材料還應具有一定的抗沖蝕能力。哈爾濱工大集團金屬科技公司在施工前對選擇的一種或幾種材料應進行噴涂試驗、性能試驗和對比試驗。

對于過熱器防高溫腐蝕和磨損噴涂材料的選擇，哈爾濱工大集團金屬科技公司最終決定使用自己開發(fā)的自發(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，提高涂層與管的結合強度，以達到原有的傳熱效果。噴涂層材料的膨脹系數(shù)與過熱器管材料接近，使涂層在交變熱應力作用下不會脫落。這種材料具有抗腐蝕、抗氧化、耐高溫、延展性好、抗沖蝕能力強且價格便宜等特點，涂層厚度0.8～1.0 mm。

3.2 噴涂施工工藝

1)噴砂打磨:噴涂前對過熱器的表面進行吹灰、打焦處理，然后進行噴砂處理以達到清潔、無油污、且須達到清潔和毛化要求，噴砂打磨的目的是使過熱器管表面呈灰白色的金屬外觀和均勻粗化。噴砂后，基體表面粗糙度應達到40～80 μm，且干燥、無灰塵、無油污、無氧化皮、無銹跡。選擇磨料時，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合良好。哈爾濱工大集團金屬科技公司選擇了棕剛玉和冷硬鑄鐵砂等符合有關檢修施工規(guī)定的磨料進行打磨，磨料有棱角，清潔、干燥、沒有油污、可溶性鹽的游離物和長石，以對表面進行仔細的清理及有效的表面毛化，達到了提高噴涂結合強度的目的。

2)防腐蝕層噴涂:使用超音速電弧噴涂技術對過熱器進行噴涂，噴涂材料為專用45CT，設計噴涂厚度0.8～1.0 mm。噴涂表面達到均勻、致密。噴砂后的過熱器管，哈爾濱工大集團金屬科技公司連夜進行噴涂，以使其間隔時間越短越好(在晴天或不潮濕的天氣，間隔時間不可超過12 h，在雨天、潮濕或含鹽霧氣氛下，間隔時間不超過2 h，否則會影響使用效果)。

3)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。封孔劑選擇有機硅加鋁粉，噴涂后采用噴涂方法覆蓋在涂層上面。

4)現(xiàn)場檢測:噴涂完成后，進行外觀檢查，涂層表面致密、均勻、顆粒細小，沒有起皮、鼓泡、大溶滴、裂紋、掉塊及其他影響涂層使用的缺陷。噴涂厚度達到要求，使用測厚儀進行現(xiàn)場抽樣實測數(shù)據(jù)見表2。

表2 噴涂厚度抽查表

4 噴涂效果分析

運行后的涂層檢測:熱電廠2#爐用超音速電弧噴涂45CT涂層的過熱器管，經(jīng)過兩年的運行，外觀檢查涂層完好，未見裂紋、起皮、脫落等任何宏觀缺陷，兩年內(nèi)過熱器管也未因腐蝕沖刷管壁減薄原因造成爆管而停爐的情況發(fā)生。

將最早實施噴涂的熱電廠2#爐過熱器管在停爐時抽樣測量分析，該樣自爐內(nèi)現(xiàn)場實施噴涂后已連續(xù)運行6 800余h，2008年檢修時抽樣檢測數(shù)據(jù)如表3。檢測結論為:試樣涂層完整，未發(fā)現(xiàn)有剝落現(xiàn)象，涂層約0.9 mm，與基體結合良好，結合部位未發(fā)現(xiàn)明顯缺。

表3 運行后實測涂層厚度

通過兩年多的實踐證明，利用超音速電弧噴涂的45CT涂層，可以大大延長過熱器管的使用壽命，同時也可以對長時間運行后的過熱器管進行減薄部位局部噴涂再防護，以進一步延長過熱器管的使用壽命。

5 結束語

過熱器管的可靠性直接關系到電廠鍋爐是否能安全有效運行，但鍋爐運行中將不可避免地對過熱器管造成腐蝕、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過熱器管表面實施有效保護，使其達到傳熱導熱良好的同時外表面基本不受損傷，可以大量節(jié)省爐管更換費用及維修費，減少或避免非計劃停爐次數(shù)，降低生產(chǎn)運行成本，直接經(jīng)濟效益和間接經(jīng)濟效益都很高，有極大的開發(fā)利用價值。另外，涂層的存在要求對涂層的厚度和覆蓋的完整性進行嚴格監(jiān)控，只要保證熱噴涂層的完好，就在很大程度上保證了過熱器管的完好性。在原有對過熱器管進行監(jiān)督檢測的基礎上，對涂層的檢查增加了對過熱器管的監(jiān)測力度，提高了過熱器管的安全可靠性。實際證明熱噴涂技術能夠?qū)﹀仩t的過熱器的保護提供一個非?？煽康慕鉀Q辦法，此方法可以推廣到鍋爐中其它易磨損的部位爐管中。

［1］ 易春龍.電弧噴涂技術［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2006.

［2］ 岑可法，倪明江，駱仲泱，等.循環(huán)流化床鍋爐理論設計與運行［M］.北京:中國電力出版社，1997.

［3］ 劉德昌，閻維平，林志杰，等.電弧噴涂技術的鍋爐工業(yè)應用［M］.北京:中國電力出版社，2005.

［4］ GB11374－89.熱噴涂涂層厚度的無損測量方法［S］.1990.

High Temperature Corrosion Resistant Coating of New Technology in Power Boiler

YANG Guo-mou
(CNOOC Huizhou Refinery Subsidiary，Huizhou 516086，Guangdong，China)

The steam boiler superheater tube corrosion and wear mechanism is very complicated，and the flame temperature，fuel sulfur content of coal，gas and ash particles are closely related to the erosion.Petrochemical Company Thermal Power Plant used boiler superheater tube arc spraying by supersonic 45CT alloy，and increased the coating operation for almost two years after the good effect，therefore made active use of arc spraying，a most reliable solution for boiler superheater tube corrosion resistant high temperature and with a great promotional value.

boiler;superheater;high temperature corrosion and wear;supersonic arc spraying

TK22

B

1008-9446(2011)02-0035-04

2011-03-03

楊國謀(1998－)，男，河南信陽人，中海石油惠州煉油分公司工程師，碩士，主要從事公用工程系統(tǒng)供熱工藝管理。