火力發(fā)電廠過(guò)熱器管涂層技術(shù)性能的分析與研究

摘要：針對(duì)火力發(fā)電廠爐內(nèi)管爆漏事故問(wèn)題，本文對(duì)典型低合金過(guò)熱器爆管進(jìn)行分析，提出用超音速電弧噴涂技術(shù)對(duì)管子表面強(qiáng)化防護(hù)處理，并通過(guò)試驗(yàn)研究，比較了典型高合金的涂層性能差異，包括Cr-Ni合金、FeCrAl和1Cr18Ni9Ti等，從涂層硬度與耐磨性試驗(yàn)研究，分析其應(yīng)力關(guān)系，得出對(duì)比數(shù)據(jù)，為正確選擇防護(hù)材料提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：過(guò)熱器、爆管、涂層、耐磨性

一、前言

過(guò)熱器管是鍋爐中主要受熱面，的作用是吸收煤燃燒放出的大部分熱量，使水最終變成過(guò)熱蒸汽?；鹧婧透邷?zé)煔鈹y帶的熱量以輻射、對(duì)流換熱方式，通過(guò)管壁傳遞給管內(nèi)的工質(zhì)，因此外表面直接處于高溫?zé)煔饨橘|(zhì)的作用下，一方面將受到介質(zhì)的高溫氧化等腐蝕作用，另外也受到煙氣流的強(qiáng)磨損作用，外表面金屬不可避免地產(chǎn)生損傷和流失，使管子有效壁厚減薄，提前失效爆管。

火電機(jī)組由于腐蝕和沖蝕磨損使管壁減薄，導(dǎo)致鍋爐管道爆管事故造成的停爐搶修時(shí)間，少發(fā)電給企業(yè)造成更大的經(jīng)濟(jì)損失。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，加速煤炭資源的消耗，動(dòng)力用煤品質(zhì)下降，帶來(lái)了更嚴(yán)重的管子表面腐蝕和磨損問(wèn)題，爆漏現(xiàn)象更加頻繁。過(guò)熱器爆管已成為妨礙火電廠安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要因素，是目前急待治理和必須解決的重要問(wèn)題。

過(guò)熱器爆管最為頻繁，這與它的工況條件密切相關(guān)，過(guò)熱器是將飽和蒸汽加熱到一定過(guò)熱溫度的表面換熱器，其壁面溫度在“四管”中是最高的，它的失效形式最為復(fù)雜。過(guò)熱器管內(nèi)蒸汽溫度超過(guò)500℃，外壁溫度更高，它直接與煙氣接觸，很容易發(fā)生高溫腐蝕，此外壁同時(shí)受到煙氣沖刷，特別是在彎頭附近等煙氣流速和方向發(fā)生改變區(qū)域更為嚴(yán)重。磨損和腐蝕的同時(shí)作用將加速管子失效，因?yàn)槭杷傻母g層被沖刷后，露出新的金屬表面，又再被腐蝕，腐蝕層耐磨性較差，這樣管壁逐漸減薄，承受應(yīng)力不斷增加，雖然材料老化程度并未進(jìn)入最后階段，但實(shí)際應(yīng)力超過(guò)設(shè)計(jì)應(yīng)力而導(dǎo)致爆管。腐蝕層的導(dǎo)熱系數(shù)只有金屬的十幾分之一，即使不存在磨損，腐蝕層的增厚將使導(dǎo)熱性能下降，管壁溫度增加，加速材料老化，進(jìn)一步縮短壽命，導(dǎo)致提前爆管。對(duì)于過(guò)熱器，腐蝕形式可能為高溫氧化作用，也可能為硫酸鹽腐蝕，或者二者并存，需要加以區(qū)分;對(duì)于腐蝕與磨損的作用大小，哪一個(gè)起主導(dǎo)作用，也需要進(jìn)一步研究，這是選擇最優(yōu)防護(hù)涂層的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，因此下面將進(jìn)一步深入研究過(guò)熱器爆管的機(jī)理及主要原因。

二、 過(guò)熱器失效的試驗(yàn)研究

選擇一個(gè)典型的屏式過(guò)熱器表面失效爆管試樣，作進(jìn)一步試驗(yàn)分析，搞清失效主要原因。失效的屏式過(guò)熱器規(guī)格為φ42×5mm，材質(zhì)為12Cr1MoV鋼，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間約13.3萬(wàn)小時(shí)。

1、試驗(yàn)分析及結(jié)果

檢查破口外觀，發(fā)現(xiàn)邊緣比較粗糙，彎管的外弧側(cè)（向火面）呈暗黃色，比較粗糙，腐蝕嚴(yán)重;內(nèi)弧側(cè)（背火面）呈黑色，表面較光滑，腐蝕較輕。破口管徑雖未明顯脹粗，但向火側(cè)管壁厚度比背火側(cè)明顯減薄，最薄處僅 2.56mm（含腐蝕層）。

在破口附近取樣依進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)向火面強(qiáng)度明顯低于背火面，向火面的強(qiáng)度和塑性都接近12Cr1MoV鋼力學(xué)性能的下限。向火面組織，在晶界上出現(xiàn)了大量的蠕變孔洞，但組織老化并不嚴(yán)重，為3級(jí)球化，見(jiàn)圖1。

用電子探針?lè)治鱿蚧鹈娓g層的成分，結(jié)果見(jiàn)圖2，發(fā)現(xiàn)腐蝕層中不含硫，但含氧量很高，說(shuō)明腐蝕層主要是合金的氧化物，不存在硫酸鹽腐蝕。

2、技術(shù)分析

屏式過(guò)熱器垂直懸掛在防渣管之前靠近爐膛出口處地方，它與高溫?zé)煔庵g進(jìn)行復(fù)雜換熱，既接受一部分輻射熱，也接受一部分對(duì)流換熱。在高溫?zé)煔庵苯幼饔孟?，向火面發(fā)生嚴(yán)重氧化，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，氧化層不斷增厚，管子導(dǎo)熱性能降低，實(shí)際溫度升高，此外氧化層增厚使管子有效壁厚減薄，應(yīng)力增大，超過(guò)設(shè)計(jì)強(qiáng)度而爆管。在彎管部位，煙氣的流速和方向被突然改變，使磨損加劇，表面疏松的氧化層很容易被沖失，暴露出新的表面，加速該部位的表面氧化，氧化后又促進(jìn)磨損，因此彎頭部位減薄最快，最先爆管。

3、小結(jié)

屏式過(guò)熱器表面失效爆管是煙氣的高溫氧化和磨損共同作用的結(jié)果。

過(guò)熱器管失效分析結(jié)果表明，爆管材料本身還有一定的使用潛力，即材料并未進(jìn)入到老化的最后階段，提前失效主要于表面受到煙氣的高溫氧化和磨損有關(guān)，腐蝕或磨損造成管壁有效厚度減薄，實(shí)際應(yīng)力上升，超過(guò)設(shè)計(jì)應(yīng)力而爆管。屏式過(guò)熱器與高溫段過(guò)熱器爆管失效機(jī)理有所不同，前者是高溫氧化和磨損共同作用的結(jié)果，后者失效主要是由于高溫氧化，且氧化程度更加嚴(yán)重。過(guò)熱器爆管大多由表面腐蝕或磨損所引起，它嚴(yán)重影響到機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，用電弧噴涂方法提高過(guò)熱器管表面性能和防護(hù)能力，不僅可行，而且非常必要和經(jīng)濟(jì)，可以發(fā)揮顯著的經(jīng)濟(jì)和安全效益。

三、超音速電弧噴涂的技術(shù)特點(diǎn)

超音速電弧噴涂是在傳統(tǒng)電弧噴涂基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的表面工程技術(shù)，它的基本原理是利用空氣動(dòng)力學(xué)原理，將壓縮空氣經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的拉伐爾噴嘴加速，形成超音速氣流，高速氣流將電弧加熱熔化的絲材霧化為細(xì)小、均勻的粒子，并使之高速噴向工件形成涂層。

1、涂層組織致密，孔隙率低。

普通電弧噴涂涂層孔隙率高（>8%），影響涂層結(jié)合強(qiáng)度和耐蝕性能，限制電弧噴涂在某些領(lǐng)域的應(yīng)用。超音速電弧噴涂由于霧化效果好，噴涂粒子十分細(xì)小（只有普通電弧噴涂粒子的1/3～1/8），而且速度高，打到工件表面后變形充分，因此涂層更加致密，孔隙率和孔隙尺寸都明顯減少，超音速電弧噴涂涂層的孔隙率可以達(dá)到1%，能與等離子噴涂相媲美。

2、涂層結(jié)合強(qiáng)度顯著提高。

普通電弧噴涂涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度一般只有20MPa左右，與等離子噴涂相比，結(jié)合強(qiáng)度偏低。采用超音速電弧噴涂，涂層結(jié)合強(qiáng)度可以超過(guò)40MPa，這主要是由于噴涂粒子飛行速度高（超過(guò)350m/s），撞擊基體表面的動(dòng)能增加，因此涂層與基體表面以及涂層顆粒之間內(nèi)聚強(qiáng)度都明顯增加，可以得到高結(jié)合強(qiáng)度的涂層。

3、生產(chǎn)效率進(jìn)一步提高，成本更低。

電弧噴涂的生產(chǎn)效率是火焰噴涂的3倍以上，且熱效率高，熱能利用率高達(dá)60～70%，成本只有等離子噴涂的1/9，火焰噴涂的1/10。與普通電弧相比，超音速電弧噴涂的沉積率進(jìn)一步提高，可達(dá)75%。

四、涂層硬度與耐磨性試驗(yàn)研究

在國(guó)內(nèi)噴涂絲材中選擇PS45（高Cr-Ni合金）、FeCrAl和1Cr18Ni9Ti三種實(shí)芯絲材，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)研究，比較材料涂層的性能差異，結(jié)合屏式過(guò)熱器失效主要原因，重點(diǎn)研究涂層抗硬度和耐磨性，為材料選擇提供基本依據(jù)。

屏式過(guò)熱器爆管既有氧化因素，也與煙氣磨損有關(guān)。因此涂層硬度及耐磨性是評(píng)價(jià)涂層防護(hù)效果和壽命的另一個(gè)重要性能指標(biāo)。比較涂層在噴涂態(tài)和時(shí)效處理后的硬度及耐磨性，為合理選用和設(shè)計(jì)噴涂材料的選擇提供重要依據(jù)。

1、試驗(yàn)方法

磨損試樣為57 mm×25.5 mm×6mm的低碳鋼，噴涂前先經(jīng)過(guò)除油和噴砂處理，然后噴涂四種材料，涂層厚度為1.0mm左右，噴涂工藝參數(shù)同前。從12Cr1MoV大直徑厚壁管道上取樣，加工成57 mm×25.5 mm×6mm的磨損試樣。為了掌握涂層長(zhǎng)期使用過(guò)程中組織變化對(duì)耐磨性的影響，對(duì)四種涂層進(jìn)行650℃×100h時(shí)效處理。磨損試驗(yàn)每組2個(gè)試樣，取試驗(yàn)結(jié)果的平均值，其中12Cr1MoV鋼作為相對(duì)耐磨性基準(zhǔn)試樣。硬度測(cè)試試樣為50×50×5mm，噴涂和時(shí)效效處理方法同前。

磨損試驗(yàn)在MLS-23型濕砂橡膠輪式磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，橡膠輪直徑為178mm，硬度為邵爾60度。載荷正壓力為4kg，主軸轉(zhuǎn)速為240轉(zhuǎn)/分，磨料為石英砂（20～40目），水砂比為1kg：1.5 kg，磨程為先預(yù)磨1000轉(zhuǎn)，再正式磨1000轉(zhuǎn)。用失重量表征耐磨性。

硬度試驗(yàn)在HR2—45表面洛氏硬度計(jì)上進(jìn)行，壓頭為金剛石，載荷為30kg，每個(gè)試樣測(cè)試3個(gè)以上的點(diǎn)，取平均值。

2、試驗(yàn)結(jié)果及分析

1）涂層硬度

硬度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

硬度試驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)論是噴涂態(tài)還是時(shí)效處理后，涂層硬度都比12Cr1MoV鋼高得多，就噴涂態(tài)而言，1Cr18Ni9Ti涂層硬度最高，F(xiàn)eCrAl涂層最低。時(shí)效處理后，涂層硬度不僅未降低，反而有一定增加。

2）涂層耐磨性

耐磨性試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

耐磨性試驗(yàn)結(jié)果表明，PS45涂層的耐磨性最差，明顯低于12Cr1MoV鋼。FeCrAl次之，1Cr18Ni9Ti涂層較好。

五、結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明，涂層硬度與耐磨性之間并沒(méi)有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即并不是硬度越高耐磨性越好，這是因?yàn)橛捕仁峭繉釉趬簯?yīng)力方向抵抗變形能力的體現(xiàn)，而耐磨性是涂層在正應(yīng)力和切應(yīng)力方向抵抗變形能力的反映。

對(duì)比數(shù)據(jù)分析表明：PS45涂層的耐磨性較差;FeCrAI涂層的抗氧化性能良好，耐磨性一般，適合在氧化嚴(yán)重的部件上應(yīng)用;1Cr18Ni9Ti涂層的抗氧化性能及耐磨性良好，可用于氧化和磨損較嚴(yán)重的部件。

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