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火電廠鍋爐水冷壁管防腐耐磨研究

2018-06-28
摘要:火力發電廠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。防止水冷壁高溫腐蝕和磨損的常用方法有兩類,即非表面防護方法和表面防護方法。
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題,它的直接危害主要表現在以下兩個方面:  
(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,增加了電廠的臨時性檢修和大修工作量,給電廠造成很大的經濟損失。  
(2)發生水冷壁突發性爆管事故,造成緊急停爐搶修,不僅打亂了電廠的正常發電秩序,減少發電產值,而且增加了工人勞動強度和額外的檢修費用,直接影響企業效益,同時也干擾了地區電網的正常調度,影響當地工農業生產,由此也造成了很大的社會影響。  
鍋爐運行過程中,由于燃燒煤中硫及其它有害雜質的存在,在高溫下對水冷壁構成腐蝕。這種現象在各個燃煤鍋爐中普遍存在,我們在各火電廠的鍋爐定期檢驗中經常遇到,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重,由此帶來的爆管、換管損失慘重。同時,煤燃燒時產生的大量灰粉,在鍋爐內部燃燒的復雜動態過程中,猛烈撞擊水冷壁,對水冷壁工作面產生嚴重切削,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理。  
水冷壁管高溫腐蝕和磨損的機理是很復雜的,簡言之,與下列因素有關:(1)爐膛火焰溫度;??????????  (2)燃煤的含硫量;(3)煙氣與灰分顆的沖蝕。鍋爐運行過程中,爐溫可高達1600℃以上,由于燃燒煤中硫及其它有害雜質的存在,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生的SO2  、SO3  、H2S  、HC  1  、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生的腐蝕,含硫物在金屬高溫下產生單原子硫,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濟損失,電廠為減少爆管,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質性的效果,換管則將大大增加生產成本和維修費用。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。非表面防護方法有:  
A.  采用低氧燃燒技術。  
B.  盡可能使各燃燒間的煤粉濃度均勻。  
C.  合理的配風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。  
K.  對受熱面的設計布置合理,以避開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,甚至個別方法還存在爭議,如爐襯防護,不但影響燃燒室吸熱能力,還會使腐蝕復雜化。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境及脫硫裝置,使用中易產生脫層,難于實際應用。  
(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,鍍件在現場拼焊中鍍層也會出現薄弱環節,降低使用性能。無法對已有設施進行再次防腐。  
(3)熱噴涂:適合現場操作,涂層材料選擇范圍寬,組合方式多,能提供多種性能涂層,對已有設施的未防護部分進行追加防護,已防護部分進行再次防護。  
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。我們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場實用性強、噴涂性能好、涂層質量顯著提高。  
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絲材,沒有針對超音速電弧噴涂技術的先進性專門開發新型涂層材料,我們投入了大量人力、物力、財力對其進行了進一步研究,開發出了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,增加其在電力系統的現場實用性,最大限度地利用該技術的先進性,實現良好的表面涂層。  
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。
經過一系列的準備工作,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,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,我們開發的噴涂材料是自發放熱型材料45CT,噴涂后涂層與基體金屬表面產生原子擴散,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、抗沖蝕能力強且價格便宜等特點,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,基體表面粗糙度應達到  Rz40~80um。且干燥、無灰塵、無油污、無氧化皮、無銹跡。選擇磨料時,根據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。我們選擇棕剛玉和冷硬鑄鐵砂等符合有關規定的磨料進行打磨,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對水冷壁進行噴涂,噴涂材料為專用  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,應盡快進行噴涂,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小時,在雨天、潮濕或含鹽霧氣氛下,間隔時間不超過  2  小時。噴涂必須在如下條件下實施:環境大氣高于5℃或基體金屬的溫度至少比大氣露點高  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行。  
C.  后處理:  
對于防腐噴涂,必須加封孔劑,以避免腐蝕物質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。  
D.  現場檢測:  
噴涂完成后,應進行外觀檢查,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。使用日本原裝進口的磁性涂層測厚儀進行現場實測,厚度達到要求,可以保證工程質量。  
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置衛燃帶,以前常采用滲鋁管,實際上,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;在水冷壁衛燃帶采用滲鋁管,經常發現焊縫出現嚴重的硫腐蝕,這是滲鋁管無法克服的弊端,而使用超音速電弧噴涂技術,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  可以對長時間運行后的水冷壁管進行再防護,這也是滲鋁管無法做到的。  
2、運行后的涂層檢測  
廣東沙角  B  電廠  3#  爐超音速電弧噴涂  45CT  涂層水冷壁管,經過長期運行外觀檢查,涂層完好,未見裂紋、起皮、脫落等任何宏觀缺陷,也未因腐蝕原因造成爆管等。  
我們將最早實施噴涂的廣東沙角  B  電廠  3#  爐水冷壁管中隔墻在停爐時割管取樣分析,該樣自爐內現場實施噴涂后已連續運行  6800  余小時,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,未發現有剝落現象,涂層約  0.9mm。與基體結合良好,結合部位未發現明顯缺陷”。  
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。通過各種性能試驗和實踐證明,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,同時也可以對長時間運行后的水冷壁管進行再防護,以進一步延長水冷壁管的使用壽命。  
六、結束語  
水冷壁管的可靠性,直接關系到電廠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,直接經濟效益和間接經濟效益都很高,有極大的開發利用價值。  
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。我們認為已經時間證明熱噴涂技術能夠對鍋爐的水冷壁的保護提供一個非??煽康慕鉀Q辦法。
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