表面防護(hù)技術(shù)在燃煤鍋爐表面防護(hù)中的應(yīng)用

于亞麗

（河北西柏坡發(fā)電有限責(zé)任公司,石家莊 050400）

目前我國(guó)仍是以火力發(fā)電為主的國(guó)家，電站燃煤鍋爐的高溫防護(hù)問(wèn)題是行業(yè)內(nèi)長(zhǎng)期所面臨的技術(shù)難題，主要表現(xiàn)為鍋爐的“四管”（即水冷壁管、過(guò)熱器管、再熱器管、省煤器管）由于長(zhǎng)期受到飛灰沖蝕、磨損、氧化、熱腐蝕等影響，出現(xiàn)材料非正常減薄而過(guò)早失效，導(dǎo)致爆漏現(xiàn)象頻繁發(fā)生。據(jù)不完全資料統(tǒng)計(jì)，我國(guó)100MW以上的機(jī)組由于腐蝕和沖蝕導(dǎo)致“四管”爆漏事故造成的停機(jī)搶修時(shí)間，約占整個(gè)機(jī)組非計(jì)劃停用時(shí)間的40%左右，占鍋爐設(shè)備本身非計(jì)劃停用時(shí)間的70%以上。隨著近年來(lái)設(shè)備向高參數(shù)、大容量的方向發(fā)展，鍋爐受熱面的工況變得更為苛刻，由高溫腐蝕和磨損造成的事故更易頻發(fā)，造成設(shè)備停運(yùn)。

近幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)鍋爐材料失效機(jī)理及其表面防護(hù)技術(shù)開(kāi)展了大量基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究，一些成果也已成功獲得工程應(yīng)用。總體來(lái)說(shuō)，不同部位鍋爐受熱面部件所采用的材料有所不同（圖1），而鍋爐受熱面材料發(fā)生性能退化和失效破壞又與鍋爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)與實(shí)際工況等密切相關(guān)，因此在防護(hù)時(shí)需要有針對(duì)性地進(jìn)行材料選擇和工藝設(shè)計(jì)。歸納起來(lái)，燃煤鍋爐受熱面的失效形式主要是高溫氧化、熱腐蝕和沖蝕。在眾多表面防護(hù)技術(shù)中，熱噴涂技術(shù)具有非常獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，它工藝靈活、生產(chǎn)效率高、材料來(lái)源廣泛，因此在鍋爐高溫部件表面防護(hù)中得到了極為廣泛的應(yīng)用。

1 鍋爐高溫部件的主要失效形式

1.1 高溫氧化

電站鍋爐內(nèi)，爐膛部位水冷壁管水溫較低，多采用抗氧化性能一般的普通碳鋼及低合金鋼管，而高溫過(guò)熱器管、再熱器、省煤器等則由含鉻的熱強(qiáng)鋼以及不銹鋼制成，如T22, T91，TP347，其管壁溫度最高可達(dá)到600℃以上，而管外壁燃燒煙氣溫度多在1000℃以上，高溫氧化是這些材料所要面臨的首要挑戰(zhàn)。對(duì)于低碳鋼來(lái)說(shuō)，它在570℃以下和570℃以上空氣環(huán)境下氧化的產(chǎn)物不同，氧化機(jī)制略有差別。而對(duì)于含鉻的熱強(qiáng)鋼和不銹鋼來(lái)說(shuō)，它的抗高溫氧化性能要好，這是因?yàn)楦邷叵卤砻鏁?huì)快速形成有保護(hù)作用的含鉻氧化物Cr2O3，長(zhǎng)時(shí)間氧化的產(chǎn)物多為含Cr氧化物固溶于Fe氧化物的尖晶石結(jié)構(gòu)，氧化速率有所降低，但母材的含鉻量仍還遠(yuǎn)未達(dá)到能持續(xù)形成致密Cr2O3的條件，因此僅靠自身成份很難抵抗長(zhǎng)時(shí)間的高溫氧化。

1.2 熱腐蝕

鍋爐燃燒室的高溫部件除了受高溫氣氛的侵蝕，還容易受到由表面沉積物所引起的加速氧化現(xiàn)象,這種侵蝕可能是災(zāi)難性的。具體來(lái)說(shuō)，主要呈現(xiàn)為三種形式，一是由于沉積物中含硫化合物受熱分解放出的單質(zhì)S引發(fā)的高溫硫化腐蝕；二是由于氯化物（NaCl, KCl等）等引起的金屬的高溫鹵化反應(yīng)，所形成的金屬鹵化物沸點(diǎn)低、易揮發(fā)，將極大加快材料的高溫腐蝕進(jìn)程，這種現(xiàn)象在垃圾焚燒爐和生物質(zhì)燃燒爐中尤為嚴(yán)重（圖2）；三是由于表面沉積的硫酸鹽所引起的高溫熔鹽腐蝕，隨環(huán)境溫度的不同這種腐蝕又可分為I型熱腐蝕和II型熱腐蝕，I型熱腐蝕環(huán)境溫度高于硫酸鹽的熔點(diǎn)，沉積熔鹽的融熔后導(dǎo)致腐蝕加快，而II型熱腐蝕中熔融是由硫酸鹽與其他熔鹽共晶導(dǎo)致的。

1.3 沖蝕

沖蝕是指材料受到一定速度流動(dòng)粒子沖擊時(shí)表面出現(xiàn)破壞的一種磨損現(xiàn)象，尤其在流化床鍋爐及低溫段煤粉燃燒不完全部位，如水冷壁和省煤器。近年來(lái)，由于低品位煤的大量使用，灰分含量增高，飛灰中含有大量硬質(zhì)礦物成份，比如石英、黃鐵礦等，這些堅(jiān)硬的顆粒撞擊材料表面使材料非正常減薄。對(duì)于較高溫度的過(guò)熱器、再熱器，由于一些顆粒燃燒發(fā)生分解，顆粒硬度也有所降低，因此沖蝕磨損的危害相對(duì)小一些。

2 主要的防護(hù)辦法

工業(yè)界可以通過(guò)使用高品質(zhì)燃煤、合理優(yōu)化鍋爐結(jié)構(gòu)、提高燃燒效率等方法減少鍋爐內(nèi)壁高溫氣流中硬質(zhì)顆粒及腐蝕性沉積物的數(shù)量，一定程度上減緩材料失效的速率，但仍需有效的手段保證鍋爐高溫部件抵抗腐蝕和磨損。

由于高溫沖蝕、腐蝕過(guò)程均是發(fā)生于鍋爐材料表面的破壞行為，運(yùn)用涂層對(duì)材料表面進(jìn)行防護(hù)是較為經(jīng)濟(jì)可行的方法。目前，常用的高溫耐磨抗氧化涂層制備技術(shù)有：

2.1 包埋擴(kuò)散法

商業(yè)化的包埋方法包括粉末包埋和料漿法，其代表性涂層有滲鉻、滲鋁和滲硅層。處理時(shí)需要將基材與滲劑放置于一定溫度環(huán)境中，耐高溫腐蝕元素向材料表面擴(kuò)散后，逐漸形成滲層，基材中的元素也可以進(jìn)入到滲層中。耐高溫腐蝕元素在表面的富集不僅有利于形成保護(hù)性氧化膜，也可以保證在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)持續(xù)供給保護(hù)性氧化物元素。但是，包埋擴(kuò)散法制備的涂層種類(lèi)較為有限，多用于表面抗高溫氧化涂層，處理時(shí)需要專(zhuān)門(mén)的熱處理爐，大多僅用于小工件的處理，很難進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)處理。

2.2 熱噴涂

與各種滲鋁、滲鉻層相比，熱噴涂技術(shù)工藝靈活，受材料限制小，易于現(xiàn)場(chǎng)施工，所制備的涂層種類(lèi)很多。大多數(shù)情況下，鍋爐管道受熱面承受的是高溫腐蝕和磨損復(fù)合條件考驗(yàn)，因此要求涂層具有優(yōu)良的綜合性能。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，熱噴涂涂層具有非常獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，因此在鍋爐內(nèi)壁防護(hù)上備受青睞。

目前已成功應(yīng)用于鍋爐內(nèi)壁防護(hù)的熱噴涂技術(shù)主要包括等離子噴涂、高速火焰噴涂（HVOF）及電弧噴涂。等離子噴涂的優(yōu)勢(shì)是它采用的熱源為等離子射流，溫度高，能保證大多數(shù)高熔點(diǎn)金屬和陶瓷粉末都可以被熔化，惰性氣氛也減少了金屬的氧化程度。高速火焰噴涂（HVOF）焰流溫度低，焰流速度快，主要用于制備合金及金屬陶瓷涂層的制備，HVOF涂層結(jié)構(gòu)更為致密，涂層孔隙率可以達(dá)到1%以下，在抗磨耐腐蝕方面有明顯的優(yōu)勢(shì)，目前是研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。電弧噴涂主要被用于噴涂合金絲材，它最主要的優(yōu)勢(shì)是成本低，易于現(xiàn)場(chǎng)施工，因此在鍋爐現(xiàn)場(chǎng)施工具有難以替代的作用，但電弧噴涂涂層孔隙率較高，氧化較為嚴(yán)重。

從所應(yīng)用的涂層材料來(lái)說(shuō)，盡管已經(jīng)有很多商業(yè)廠家都推出了帶牌號(hào)的專(zhuān)用產(chǎn)品，但歸納起來(lái)，仍然以高鉻含量的鎳基合金涂層最為常見(jiàn)，典型代表如Ni-50wt%Cr涂層、NiCrBSi涂層、NiCrMo (Ni-21Cr-9Mo-3.5Nb, 625合金)、NiCrAl等。在實(shí)際應(yīng)用中，HVOF噴涂NiCrSiB合金涂層已經(jīng)成功應(yīng)用于水冷壁管的工廠預(yù)置上，目前在日本有超過(guò)50座垃圾焚燒發(fā)電廠應(yīng)用HVOF涂層進(jìn)行管材防護(hù)。美國(guó)TAFA公司在傳統(tǒng)50Ni-50Cr涂層基礎(chǔ)上添加少量Ti所開(kāi)發(fā)的45CT涂層，在美國(guó)、歐洲等國(guó)電廠內(nèi)得到極為廣泛的應(yīng)用，據(jù)報(bào)道使用5年后仍然完好。

鐵基合金涂層盡管抗氧化耐腐蝕性能不如鎳基合金，但通過(guò)成份合金化后，涂層的耐磨性能有很大提升空間，并且由于材料成本大幅度降低，因此在我國(guó)得到了較多重視，北京工業(yè)大學(xué)、裝甲兵工程學(xué)院等單位采用粉芯絲材的方法，相繼研發(fā)了系列的Fe-Cr-Ni、Fe-Cr-Al、FeCrNbB等涂層材料，極大地滿(mǎn)足我國(guó)鍋爐管材涂層防護(hù)的市場(chǎng)需求。此外，在對(duì)耐磨性能要求不太高且使用溫度較低的應(yīng)用場(chǎng)合，鋁基復(fù)合涂層材料也受到了一定的關(guān)注。

金屬陶瓷涂層由一定含量的金屬合金相和陶瓷相組成，它兼具有金屬高韌性和陶瓷耐磨性好的優(yōu)勢(shì)，因此被在鍋爐內(nèi)壁兼有沖蝕和高溫腐蝕需求的部件上得到了廣泛的應(yīng)用，所采用的制備技術(shù)主要是等離子噴涂和高速火焰噴涂技術(shù)，應(yīng)用最為典型的材料是NiCr-Cr3C2。此外，美國(guó)公司在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了NiCr-Cr3C2/TiC涂層，另外，有研究報(bào)道中涂層采用625合金為粘結(jié)相，與TiO2-Al2O3及ZrO2進(jìn)行復(fù)合，也有不錯(cuò)的實(shí)用效果，在過(guò)熱器上可以有3年以上的壽命。

2.3 堆焊

盡管熱噴涂技術(shù)在鍋爐內(nèi)壁有成功的應(yīng)用，但是對(duì)于那些腐蝕極為嚴(yán)峻的部件，熱噴涂涂層的應(yīng)用仍然面臨挑戰(zhàn)，因?yàn)橥繉优c基體以機(jī)械結(jié)合為主，涂層內(nèi)存在大量層間間隙和微小孔隙，服役時(shí)將成為腐蝕的通道，即便進(jìn)行表面封孔效果仍然不理想。比如，多數(shù)采用垃圾焚燒鍋爐內(nèi)，水冷壁和過(guò)熱器嚴(yán)重受到Cl2/HCl的腐蝕場(chǎng)合。對(duì)于此類(lèi)應(yīng)用，通常采用電弧或等離子弧在管壁上進(jìn)行堆焊的方法，堆焊層可以保證涂層致密，并且與基體以冶金結(jié)合，堆焊材料以625合金為代表，也可以采用NiCrBSi自熔合金。研究發(fā)現(xiàn)625堆焊層的應(yīng)用對(duì)水冷壁管提供了極佳的防腐作用，盡管成本很高，但仍足以補(bǔ)償部件替換所產(chǎn)生的維護(hù)費(fèi)用。

3 結(jié)論及建議

隨著近年來(lái)我國(guó)綠色能源和低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，燃煤電廠越來(lái)與向著高參數(shù)、大容量的方向發(fā)展，鍋爐受熱面的工況變得更為苛刻。另外，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程和環(huán)保的進(jìn)步，生物質(zhì)燃燒和垃圾燃燒爐的發(fā)展也將越來(lái)越多，這些都對(duì)鍋爐內(nèi)受熱面表面防護(hù)提出了新的挑戰(zhàn)。國(guó)內(nèi)外行業(yè)的多年發(fā)展和應(yīng)用表明，熱噴涂技術(shù)具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景十分廣闊。

國(guó)外同行相比，我國(guó)熱噴涂行業(yè)在鍋爐表面防護(hù)取得了一定的成果，開(kāi)發(fā)了一些有我國(guó)特色的防護(hù)材料和制備技術(shù)，但是總體而言，相關(guān)的基礎(chǔ)研究還不夠深入，研發(fā)力量還比較分散，尤其是對(duì)于復(fù)雜條件下的材料失效行為和防護(hù)機(jī)制，相關(guān)研究函待深入，另外，一些大量使用的防護(hù)涂層也缺少應(yīng)用過(guò)程的數(shù)據(jù)積累，在后期的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用中應(yīng)予以加強(qiáng)，為未來(lái)的研究和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

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