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熱噴涂技術在我國火力電廠鍋爐防護領域的應用

  鍋爐是火力發電廠的重要組成部件,是利用燃煤的熱能將工質加熱到一定溫度和壓力的換熱設備,也稱為蒸汽發生器。

一、鍋爐的構成、運行事故及原因

1.鍋爐的構成

鍋爐由主要部件和輔助裝置構成。下表所列為現代大型自然循環高壓鍋爐所必備的主要部件和輔助裝置。

2.鍋爐運行事故

鍋爐是一種特殊的密閉性的熱工設備。不僅直接受火焰與煙氣的沖刷,而且承受比大氣壓力高的介質壓力。因此,鍋爐設備的安全運行直接與國家財產、人身安全息息相關。加強鍋爐的維護保養,是保證鍋爐安全經濟運行非常重要的環節之一。

一般常見的鍋爐事故有以下幾種:鍋筒爆炸事故、嚴重缺水事故、嚴重滿水事故、汽水共騰、受熱面管子破裂、省煤器管破裂、過熱器管破裂、空氣預熱器管破裂及爐墻開裂或倒塌等。

3.產生事故的原因

我國電站鍋爐和工業鍋爐以燃煤為主。1998年,我國由煤生產的電力份額約占75%。隨著世界范圍內對資源、環境污染等問題重視程度的日益提高,盡管如天然氣、核能以及其他可再生的能源在電力生產中所占的份額會逐年增加,但據預計直到2050年之前,煤作為我國電力能源所占的份額都會超過50%。而動力用煤質量偏劣,含灰量和含硫量等均較高,容易造成受熱面沾污、積灰、腐蝕和磨損。我國發電廠運行的分析資料表明,在發電廠的設備事故中,鍋爐事故最多。而在鍋爐事故中,“四管”(指水冷壁管、過熱器管、再熱器管和省煤器管)爆漏次數最多。“四管”爆漏約占鍋爐全部事故的40%-60%,甚至達70%。

二、熱噴涂技術在燃煤電廠鍋爐防護領域的應用

熱噴涂(簡稱噴涂)是利用熱源將噴涂材料加熱熔化或軟化,靠熱源自身的動力或外加的壓縮氣流,將熔滴霧化或推動熔粒成噴射的粒束,并以一定速度噴射到基體表面形成涂層的工藝方法。

在噴涂過程中或涂層形成后,對金屬基體和涂層加熱,使涂層在基體表面熔融,并和基體產生擴散或互熔,形成與基材冶金結合的噴焊層,這也是熱噴涂的方法之一,稱為熱噴焊(簡稱噴焊)。

腐蝕從表面開始,磨損在表面進行,疲勞因表面損傷而顯著加速。作為表面工程技術重要分支之一的熱噴涂技術,在鍋爐防護領域的應用是科技發展的必然結果。

目前,在我國燃煤電廠鍋爐防護領域中應用最為廣泛的是電弧噴涂技術。此外,超音速火焰噴涂技術以及火焰噴涂(焊)技術也有一定程度的應用。

1.電弧噴涂技術

電弧噴涂是利用兩根被噴涂的絲材作白耗電極,當兩絲材短接將電弧引燃后,只要絲材連續送進,不斷補充熔化并被壓縮空氣吹向工件,就能維持電弧燃燒即噴涂過程。與其他熱噴涂工藝相比,電弧噴涂設備簡單,噴涂成本較低但效率很高,且對操作人員的要求較低,現場施工時可重復性較強。因此,在電廠鍋爐“四管”的現場噴涂防護中,一般均采用電弧噴涂工藝。

目前,用于電廠鍋爐“四管”防護的材料主要分為合金絲材和粉芯絲材兩類。前者以鎳鉻型材料為典型代表。其中,由北京有色金屬研究總院研制成功的Cr含量(質量分數)在40%~45%之間的高鉻鎳基合金絲材PS45,在國內獲得廣泛應用(見圖1a)。非常高的鉻含量使得由該種合金絲材制備的涂層在高溫環境下能發生選擇性氧化,在涂層表面形成一層連續而致密的Cr2O3保護膜,從而有利于阻止外界腐蝕介質的侵入和涂層內金屬離子的向外擴散。同時,試驗表明,該種涂層材料還具有十分優異的抗硫化物(包括SO2、H2S以及硫酸鹽等)腐蝕性能,使其非常適于燃燒高硫煤的煤粉鍋爐以及有著類似工況的零部件的預防護。

粉芯絲材(見圖1b)的出現是對實芯合金絲材的有力補充,解決了部分材料不能采用傳統的塑性加工工藝制備成絲材的難題。目前,用于電廠鍋爐防護的粉芯卷絲材一股采用低碳鋼或不銹鋼作為外皮,以陶瓷、金屬陶瓷(如TiB2/AI2O3、NiCr-Cr3C2和Fe(Cr)3B)等硬質耐磨粉末為填料,同時添加少量的有利于提高結合強度的元素(如Ni、Al等)。由于這類絲材制備的涂層呈軟基體中包含硬質相的結構,因而具有較好的耐磨粒磨損性能,適合耐沖刷涂層使用。在燃煤電廠循環流化床鍋爐受熱面管道,風機葉輪等部件的耐磨防護上得到了廣泛的應用(見圖2、圖3)。

2.超音速火焰噴涂技術

超音速火焰噴涂技術是使助燃氣體與燃燒氣體在燃燒室內燃燒產生高壓火焰,再經特制的噴嘴射出高速焰流,從而將送入其中的粉體材料加熱、加速噴射到基體表面形成涂層的方法。可使用丙烷、丙烯、氫氣和乙炔等作為燃氣,也可使用柴油或煤油等液體燃料。

采用超音速噴涂工藝制備的涂層非常致密,結合強度高(可達到70MPa以上),具有極低的孔隙率(1%~3%右)。NiCr- Cr3C2是使用超音速火焰噴涂工藝對電廠鍋爐管壁進行防護時最常使用的粉體材料,由其制備的涂層顯微硬度可達到1400HV左右,具有很好的耐磨粒磨損性能(見圖4)。

但是,由于超音速噴涂系統構成復雜,運行成本和材料成本均遠高于電弧噴涂工藝,因此目前在國內電廠鍋爐防護領域中的應用受到了一定程度的限制。

3.粉末火焰噴涂(焊)工藝

粉末火焰噴涂是采用氧乙炔火焰為熱源,使用粉末作為噴涂材料的熱噴涂方法。在噴涂過程中或涂層形成后,對基體和涂層加熱,使涂層在基體表面熔融,并和基體產生擴散或互熔,形成與基材冶金結合的噴焊層,稱為熱噴焊(簡稱噴焊)。

高速(亞音速)火焰粉末噴涂制備碳化物涂層和火焰噴焊制備NiCrBSi系列噴焊層是兩種在一定范圍內得到應用的電廠鍋爐防護工藝。

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