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热喷涂技术在我国火力电厂锅炉防护领域的应用

 锅炉是火力发电厂的重要组成部件,是利用燃煤的热能将工质加热到一定温度和压力的换热设备,也称为蒸汽发生器。

  一、锅炉的构成、运行事故及原因

  1.锅炉的构成

  锅炉由主要部件和辅助装置构成。下表所列为现代大型自然循环高压锅炉所必备的主要部件和辅助装置。

  2.锅炉运行事故

  锅炉是一种特殊的密闭性的热工设备。不仅直接受火焰与烟气的冲刷,而且承受比大气压力高的介质压力。因此,锅炉设备的安全运行直接与国家财产、人身安全息息相关。加强锅炉的维护保养,是保证锅炉安全经济运行非常重要的环节之一。

  一般常见的锅炉事故有以下几种:锅筒爆炸事故、严重缺水事故、严重满水事故、汽水共腾、受热面管子破裂、省煤器管破裂、过热器管破裂、空气预热器管破裂及炉墙开裂或倒塌等。

  3.产生事故的原因

  我国电站锅炉和工业锅炉以燃煤为主。1998年,我国由煤生产的电力份额约占75%。随着世界范围内对资源、环境污染等问题重视程度的日益提高,尽管如天然气、核能以及其他可再生的能源在电力生产中所占的份额会逐年增加,但据预计直到2050年之前,煤作为我国电力能源所占的份额都会超过50%。而动力用煤质量偏劣,含灰量和含硫量等均较高,容易造成受热面沾污、积灰、腐蚀和磨损。我国发电厂运行的分析资料表明,在发电厂的设备事故中,锅炉事故最多。而在锅炉事故中,“四管”(指水冷壁管、过热器管、再热器管和省煤器管)爆漏次数最多。“四管”爆漏约占锅炉全部事故的40%-60%,甚至达70%。

  二、热喷涂技术在燃煤电厂锅炉防护领域的应用

  热喷涂(简称喷涂)是利用热源将喷涂材料加热熔化或软化,靠热源自身的动力或外加的压缩气流,将熔滴雾化或推动熔粒成喷射的粒束,并以一定速度喷射到基体表面形成涂层的工艺方法。

  在喷涂过程中或涂层形成后,对金属基体和涂层加热,使涂层在基体表面熔融,并和基体产生扩散或互熔,形成与基材冶金结合的喷焊层,这也是热喷涂的方法之一,称为热喷焊(简称喷焊)。

  腐蚀从表面开始,磨损在表面进行,疲劳因表面损伤而显著加速。作为表面工程技术重要分支之一的热喷涂技术,在锅炉防护领域的应用是科技发展的必然结果。

  目前,在我国燃煤电厂锅炉防护领域中应用最为广泛的是电弧喷涂技术。此外,超音速火焰喷涂技术以及火焰喷涂(焊)技术也有一定程度的应用。

  1.电弧喷涂技术

  电弧喷涂是利用两根被喷涂的丝材作白耗电极,当两丝材短接将电弧引燃后,只要丝材连续送进,不断补充熔化并被压缩空气吹向工件,就能维持电弧燃烧即喷涂过程。与其他热喷涂工艺相比,电弧喷涂设备简单,喷涂成本较低但效率很高,且对操作人员的要求较低,现场施工时可重复性较强。因此,在电厂锅炉“四管”的现场喷涂防护中,一般均采用电弧喷涂工艺。

  目前,用于电厂锅炉“四管”防护的材料主要分为合金丝材和粉芯丝材两类。前者以镍铬型材料为典型代表。其中,由北京有色金属研究总院研制成功的Cr含量(质量分数)在40%~45%之间的高铬镍基合金丝材PS45,在国内获得广泛应用(见图1a)。非常高的铬含量使得由该种合金丝材制备的涂层在高温环境下能发生选择性氧化,在涂层表面形成一层连续而致密的Cr2O3保护膜,从而有利于阻止外界腐蚀介质的侵入和涂层内金属离子的向外扩散。同时,试验表明,该种涂层材料还具有十分优异的抗硫化物(包括SO2、H2S以及硫酸盐等)腐蚀性能,使其非常适于燃烧高硫煤的煤粉锅炉以及有着类似工况的零部件的预防护。

  粉芯丝材(见图1b)的出现是对实芯合金丝材的有力补充,解决了部分材料不能采用传统的塑性加工工艺制备成丝材的难题。目前,用于电厂锅炉防护的粉芯卷丝材一股采用低碳钢或不锈钢作为外皮,以陶瓷、金属陶瓷(如TiB2/AI2O3、NiCr-Cr3C2和Fe(Cr)3B)等硬质耐磨粉末为填料,同时添加少量的有利于提高结合强度的元素(如Ni、Al等)。由于这类丝材制备的涂层呈软基体中包含硬质相的结构,因而具有较好的耐磨粒磨损性能,适合耐冲刷涂层使用。在燃煤电厂循环流化床锅炉受热面管道,风机叶轮等部件的耐磨防护上得到了广泛的应用(见图2、图3)。

  2.超音速火焰喷涂技术

  超音速火焰喷涂技术是使助燃气体与燃烧气体在燃烧室内燃烧产生高压火焰,再经特制的喷嘴射出高速焰流,从而将送入其中的粉体材料加热、加速喷射到基体表面形成涂层的方法。可使用丙烷、丙烯、氢气和乙炔等作为燃气,也可使用柴油或煤油等液体燃料。

  采用超音速喷涂工艺制备的涂层非常致密,结合强度高(可达到70MPa以上),具有极低的孔隙率(1%~3%右)。NiCr- Cr3C2是使用超音速火焰喷涂工艺对电厂锅炉管壁进行防护时最常使用的粉体材料,由其制备的涂层显微硬度可达到1400HV左右,具有很好的耐磨粒磨损性能(见图4)。

  但是,由于超音速喷涂系统构成复杂,运行成本和材料成本均远高于电弧喷涂工艺,因此目前在国内电厂锅炉防护领域中的应用受到了一定程度的限制。

  3.粉末火焰喷涂(焊)工艺

  粉末火焰喷涂是采用氧乙炔火焰为热源,使用粉末作为喷涂材料的热喷涂方法。在喷涂过程中或涂层形成后,对基体和涂层加热,使涂层在基体表面熔融,并和基体产生扩散或互熔,形成与基材冶金结合的喷焊层,称为热喷焊(简称喷焊)。

  高速(亚音速)火焰粉末喷涂制备碳化物涂层和火焰喷焊制备NiCrBSi系列喷焊层是两种在一定范围内得到应用的电厂锅炉防护工艺。

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