锅炉工技师论文最终版100

锅炉工技师论文

火电厂锅炉水冷壁管防腐耐磨研究

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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。针对太阳纸业热电厂二期四台循环流化床锅炉，现场采用超音速电弧喷涂，涂层层寿命已近四年，认为积极采用超音速电弧喷涂技术是火电厂循环流化床锅炉水冷壁高温防腐耐磨涂层最可靠的解决方法。

关键词：循环流化床锅炉水冷壁 高温腐蚀和磨损 超音速电弧喷涂

一、引言

循环流化床锅炉技术是近十几年来迅速发展起来的一项高效、低污染清洁燃烧技术，其主要特点在于燃料及脱硫剂经多次循环，反复地进行低温燃烧和脱硫反应，炉内湍流运动强烈，不但能达到低NOx排放、90%的脱硫效率和与煤粉炉相近的燃烧效率，而且具有燃料适应性广、负荷调节性能好、灰渣易于综合利用等优点，因此国际上这项技术在电站锅炉、工业锅炉和废弃物处理利用等领域得到广泛的商业应用，且向大型循环流化床锅炉方向发展。

目前，循环流化床锅炉存在的严重问题是锅炉金属管壁高温腐蚀和管壁磨损。循环流化床锅炉金属件磨损因不同厂家出产的锅炉不

同，磨损部位、磨损程度等都不相同，主要发生在以下部位： 1、布风装置——风帽的磨损； 2、炉膛下部卫燃带与水冷壁过渡区域的管壁磨损（严重磨损）； 3、炉膛角落区域的水冷壁磨损（严重磨损）；

4、炉膛一般水冷壁管的磨损（较严重）； 5、不规则管壁（弯管让管、管壁上的焊缝、炉内测试元件等）的磨损； 6、二次风喷嘴的磨损；

7、炉内受热面（屏式过热器、水平过热器管屏、埋管）的磨损； 8、炉顶受热面的磨损（较严重）； 9、旋风分离器的磨损（较严重）； 10、对流烟道受热面（省煤器两端、空气预热器入口）的磨损。尤其循环流化床锅炉水冷壁管的管壁高温腐蚀和管壁磨损最为严重，它的直接危害主要表现在以下两个方面：

(1)使管壁减薄，一般每年减薄量约为 1mm 左右，严重的可达 5-6mm 年，形成严重的安全运行隐患，增加了电厂的临时性检修和大修工作量，且检修周期大为缩短，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，同时也干扰地区电网的正常调度，由此也造成很大的社会影响。

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，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。热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扬析颗粒，在循环流化床

锅炉内部燃烧的复杂动态过程中，高温物料在上升烟气流作用下向炉膛上部运动，对水冷壁及炉内布置的其他受热面放热。粗大粒子猛烈撞击水冷壁，对水冷壁工作面产生严重切削，部分粒子在重力及其他外力作用下不断减速偏离主气流，最终形成附壁下降粒子流对水冷壁进行磨损。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)烟气与灰分颗粒的冲蚀。锅炉运行过程中，炉温可高达1000℃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、HC1、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： 1、采用低氧燃烧技术； 2、 尽可能使各燃烧间的煤颗粒浓度均匀； 3、合理的配风及强化炉内的湍流混合； 4、控制适当的入炉煤颗粒度； 5、避免出现受热面壁温局部过热； 6、在壁面附近喷空气保护膜； 7、加脱硫剂； 8、控制合理的炉膛出口烟温； 9、对易产生高温腐蚀的煤种采用抗腐蚀高温合金； 10、采用烟气再循环； 11、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； 12、对易腐蚀区加炉衬防护；

各锅炉生产厂家也根据锅炉使用厂家反馈的水冷壁腐蚀和磨损意见采取了一定的防范设计：1、采用让管设计，使水冷壁与卫燃带交接处易受磨损的150MM一段管子向外凹进；2、水冷壁与卫燃带在一个平面上；3、卫燃带与水冷壁过渡平缓4、水冷壁与卫燃带交接处，卫燃带变为平面；5、炉膛角部采取设计焊接抓钉捣打可塑料至炉顶； 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，且更换其他方式补救困难。

(3) 超音速电弧喷涂：适合现场操作，涂层材料选择范围宽，复合组合方式多，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。喷涂设备的突出特点是现场实用性强、喷涂性能好、涂层质量好。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)，超音速雾化减小了粒子的粒度，降低了涂层的粗糙度。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。

循环流化床锅炉金属件磨损综合防磨复合涂层在电厂应用取得良好的效果。针对循环流化床锅炉金属件磨损复合涂层主要基于如下几个因素：

1、超音速电弧喷涂复合涂层与基体结合强度高（结合强度可达60Mpa）、热膨胀系数基本一致；

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，且更换其他方式补救困难。

(3) 超音速电弧喷涂：适合现场操作，涂层材料选择范围宽，复合组合方式多，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。喷涂设备的突出特点是现场实用性强、喷涂性能好、涂层质量好。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)，超音速雾化减小了粒子的粒度，降低了涂层的粗糙度。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。

循环流化床锅炉金属件磨损综合防磨复合涂层在电厂应用取得良好的效果。针对循环流化床锅炉金属件磨损复合涂层主要基于如下几个因素：

1、超音速电弧喷涂复合涂层与基体结合强度高（结合强度可达60Mpa）、热膨胀系数基本一致；

2、因循环流化床锅炉存在一定的在腐蚀情况下的磨损，因此结合底层需有抗高温硫腐蚀、磨损性能好的特点（涂层孔隙率低：涂层表面的孔隙率普遍低于1%，管壁上形成一层致密的耐高温、防磨、耐磨蚀涂层：例如45CT材料（耐高温氧化、硫腐蚀效果较好，耐磨性能一般）在高温下能形成一层高致密的氧化膜涂层，涂层抗硫化物侵蚀的能力相当于碳钢的60倍，其热膨胀系数与碳钢接近，可防止涂层脱落。而且由于它的特殊组元在喷涂瞬间也可能发生放热反应，因此涂层与基体之间有自结合效果，提高了涂层的耐蚀性能）；

3、工作层与结合底层结合强度高（结合强度可达60Mpa）；

4、工作层抗高温低应力颗粒磨损、冲蚀磨损性能好；

5、工作层在磨损严重的部位可以喷涂较厚。

超音速电弧喷涂循环流化床锅炉金属件的经验是喷涂45CT高铬镍基合金丝材作为底层，一是保证涂层在磨损情况下与基体结合强度好、不脱落，降低因施工所用石英砂（不是棕刚玉砂）喷砂效果不好的影响；二是根据原始管壁磨损情况设计耐磨电弧喷涂涂层厚度， 45CT底层作为最后的防护涂层，可以有效控制在磨损过程中高温硫的侵入，避免层下腐蚀、避免基本操作，保证涂层较高安全系数，为下次热喷涂防护提供条件。其次，超音速电弧喷涂循环流化床锅炉根据不同部位、不同磨损情况有的放矢地选择工作层。应用以45CT高铬镍基合金丝材作为保险系数和安全系数高的底层材料，根据锅炉不同部位、不同湿度相应电弧喷涂含陶瓷相电弧喷涂管状丝材-B（是采用SPCC冷轧钢带，将陶瓷粉末TiB2-Al2O3加入管状丝材，从而制备出

-B电弧喷涂新型管状丝材。TiB2-Al2O3复合陶瓷材料由于TiB2具有耐

高温、抗氧化、硬度高、耐磨性好，高导电、导热等优异特性与Al2O3复合后，大大提高了Al2O3的耐磨性和耐高温性能，改善了其脆性，

提高了抗弯强度和耐热冲击性能。复合材料的性能十分优异，应用十分广泛。把TiB2-Al2O3复合陶瓷材料装入管内进行喷涂，从而得到含

部分陶瓷相的涂层。）或-P作为耐磨工作层，这种复合涂层有效解决目前循环流化床锅炉金属件磨损问题。对于高温低应力磨损的水冷壁通常选用的高硬度耐磨电弧喷涂管状丝材-B，通过在电弧作用下涂层中生成F3B硬质相起到抗颗粒磨损的作用。循环流化床锅炉炉膛下部

卫燃带与水冷壁过渡区域的管壁严重磨损的部位、炉膛四个角落区域的水冷壁严重磨损部位，通常用喷涂一定的厚度来延长使用周期（对于循环流化床金属件严重磨损部位，热喷涂防磨涂层只能用增加厚度延缓磨损时间来延长锅炉运行周期。除了热喷涂进行防磨保护外，还应对循环流化床锅炉内部结构合理设计与改造、对锅炉煤种、粒度、运行参数等加以控制，从根本上解决锅炉磨损问题）。超音速电弧喷涂使用的颗粒增强金属基陶瓷涂层，既利用陶瓷耐磨性好的优点，又解决单一陶瓷涂层隔热、结合强度低、成本高的问题。

综合循环流化床锅炉磨损的特点，采用45CT高铬镍基合金丝材作为打底层（工程上虽然复杂，但克服工程上石英砂或铜矿砂喷砂表面粗糙度和清洁度不如棕刚玉砂的不足，提高工程的保险系数、安全系数），超音速电弧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。45CT高铬镍基合金丝材喷涂打底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、抗冲蚀能力强等特点，并在不同部位相应电弧喷涂管状丝材-B或-P，应用于循环流化床锅炉金属件防磨，取得良好的效果。

四、超音速电弧喷涂工艺流程如下：

A、喷涂前的准备工作

喷涂前对喷涂受热面部位进行检查：

1、利用壁厚测量仪对水冷壁管进行壁厚测量，实测壁厚应不低于锅炉厂家的受压元件强度计算书所规定的安全最小需要壁厚（或磨损度大于原壁厚的1/3）。低于安全最小需要壁厚，水冷壁壁厚测量减薄处若是点，则可进行氩弧焊焊补处理，若是大面积水冷壁管磨损部位低于安全最小需要壁厚，则必须进行换管处理。

2、水冷壁管对接焊缝、水冷壁管磨损减薄焊补处及鳍片拼缝对焊处需焊接合格，并打磨齐平。

B、喷涂工艺流程

1、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，磨料必须有棱角，清洁、干燥、没有油污，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。

2、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，或停止喷砂、喷涂作业，防止喷砂后的水冷壁出现氧化锈迹。

C、耐磨涂层的基本参数要求：

粒子速度：420m/s；涂层硬度：HRG69；涂层结合强度：≥50MPa；涂层孔隙率：≤0.9%；基体温度：≤100℃；涂层厚度：≥0.8mm，浇注料与水冷壁结合磨损严重处，喷涂层厚度应达到1mm以上；涂层最大磨损率：0.2－0.3mm/8000h。

D、喷涂技术要求：

1、超音速电弧喷涂至少有喷砂表面处理、热喷涂及涂层封闭三道工序。

2、管排喷砂处理后，表面应无灰尘、油污、氧化皮等杂物，基材表面露出金属光泽。

3、喷涂材质主要成分包括：45CT高铬镍基合金丝材打底，硼化物金属陶瓷防磨，镍铬合金封面等，施工过程采用多遍喷涂方式，避免管排高温变形。

4、喷涂结束后，及时用耐高温封孔剂对涂层表面进行封闭处理，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。

5、涂层厚度大于0.8mm，浇注料与水冷壁结合处磨损严重处，喷涂层厚度应达到1mm以上，且涂层表面厚度均匀，不得有起皮、鼓泡、颗粒粗大、裂纹、漏喷及其他影响涂层使用的缺陷。

6、涂层边界应有过渡区域，过渡区采用圆滑过渡，以防止涂层边界烟气涡流冲刷。

7、进行耐磨喷涂的部位，均不得产生管排变形、内部金相组织损伤等影响管材寿命的缺陷。

8、喷涂材料的密度约为6000Kg/m3，喷涂每平方米约须用6Kg材料。

五、质量验收标准：

1、表面喷砂处理应去除管壁表面油污、氧化皮等杂物，并露出金属光泽。

2、涂层外观厚度均匀，涂层表面致密、均匀、颗粒细小，不得有起皮、鼓泡、颗粒粗大、裂纹、掉块、漏喷等及其他影响涂层使用的缺陷。

3、涂层边界应有过渡区域，过渡区必须圆滑过渡。

4、涂层厚度检测不仅采用代样及现场随机抽取实样并用卡尺测量的检验方式，同时按使用喷涂材料重量进行面积校核。

5、涂层结合强度可采用代样及现场随机抽取实样检验。检验时采用拉刀及锉刀在喷涂层上进行“＃”型拉痕试验，观察是否存在片屑状剥落。

六、超音速电弧喷涂部位的维护

A、运行方面对防磨喷涂部位的维护：

1、锅炉点火升温启动过程中：一定要按锅炉升温升压曲线进行锅炉升温升压，不要急于提高锅炉热负荷而赶温赶压，需控制所有烟气侧温度测点的温度变化率小于135℃/h（2.25℃/min），汽包内饱和温度变化率小于93℃/h（1.55℃/min），汽包上下壁温差小于50℃，汽包金属壁温的变化率小于55℃/h。以便防止造成喷涂层与水冷壁管受热膨胀不同而造成喷涂层起皮脱落现象。

2、锅炉停运时：锅炉停投燃料要逐渐进行，床温不要降低的太快，锅炉停炉18小时后方可打开炉门进行自然冷却，以防止喷涂层与水冷壁管冷却收缩而造成喷涂层裂纹、起皮脱落现象。

B、对锅炉停炉后防腐、防磨喷涂部位的维护：

可以对长时间运行后的水冷壁管进行再防护，如运行后部分涂层出现有起皮、鼓泡、裂纹、掉块及其他影响涂层使用的缺陷，可在缺陷处进行重新打磨、喷涂。

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较高。

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，提高水冷壁管的安全性。时间已经证明超音速电弧喷涂技术是对锅炉水冷壁的保护提供了一个非常可靠理想的解决办法。

参考文献：

（1）、西北电力建设集团公司党黎军编著：循环流化床锅炉的启动调试与安全运行