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热喷涂技术在火电厂中的应用

1、问题的提出
众所周知,燃煤电厂是用煤做原料,加工人们所说的二次能源。燃煤电厂的各种设备都要长时间系统性的运行;大多数设备所处的运行环境十分恶劣,各种设备及其金属构件,既要在高温度、高压力、高载荷、高流速的条件下工作,又要经受烟气氧化、硫化及汽蚀的考验,还要经受烟气中粉尘颗粒的冲刷和磨损,甚至个别的部位还有撞击,用再好的材质制做出的零部件也难以承受。久而久之,厚壁变成薄壁,平衡变成不平衡,耐压变成不耐压,密封变成不密封等等。强度下降,机械性能下降,进而导致锅炉炉管爆裂,轴裂纹,甚至折断等故障或设备及人生事故的发生,迫使系统不能正常运行甚至停止运行。
在发电厂的故障中,锅炉故障占70%以上,而在锅炉故障中又以水冷壁管、省煤器管和过热器管的爆裂、泄漏为主;而腐蚀和磨损又是导致管爆裂和泄漏的重要诱因。60年代初期统计资料表明,由于腐蚀与磨损引起的爆管、泄漏占锅炉故障的40%,随着锅炉参数的提高,比例有所提高,到80年代后期已超过60%。因此,腐蚀与磨损问题已引起所有火力发电厂尤其是燃煤电厂的极大关注。投入相当的人力和经费用在解决腐蚀与磨损上。如改进水处理工艺方法、加入缓蚀剂、定期对各种管道进行清洗、采用先进的电除尘工艺、堆焊耐腐材料、涂耐磨涂料、镶瓷砖、设置防护档板等。是费尽了心血,伤透了脑筋,做了大量的工作,在某种程度上缓解了腐蚀与磨损问题。但由于采取上述防护措施造成热效率下降、设备出力不足等问题。有的措施短时间运行有一定的效果,但经受不住长时间的运行考验。随着热喷涂技术的成熟与发展,经过反复的试验和不断的探索,应用热喷涂技术可以有效的解决燃煤电厂腐蚀与磨损问题。
    2、应用实例
    2.1应用热喷涂技术解决吸(引、排)风机叶轮的磨损问题
90年代初,除尘技术还比较落后,大多数企业采用水膜除尘,效果并不理想,烟气中粉尘含量较大,这些固体颗粒十分坚硬且锐利,而吸(引、排)风机叶轮从其焊接性能需要出发,通常采用16Mn、15Mnv等低碳钢合金材料,这些材料焊接性能好,但耐磨性能差,有些叶轮运行几个月就被磨薄,甚至磨漏,严重的把叶片磨断,有的电厂采用贴(涂)陶瓷的办法,但由于叶轮是在较高温度的烟气中运行,运行中又有颤动,而陶瓷材料属热的不良导体,其膨胀系数与本体材料差异较大,有的在很短的时间内就出现了大面积脱落现象,使叶轮失衡,导致叶轮振动量加大,有的电厂采用堆焊铁05,由于这种材料硬度很高,又是采取的堆焊工艺,因此应力较大,有的甚至使叶轮变形,查阅国外有关资料,最好的办法是采取在叶轮表面上喷镀钼合金涂层,可以使叶轮的寿命提高4-6倍,钼是一种稀有金属,价格十分昂贵,技术上可行而经济上不合理。经过调研发现,我们国内已经研制出一种喷制耐磨涂层的专用合金材料,可以满足叶轮防磨的需要,其主要成份是高铬高碳加稀土。1997年8月,首次在铁岭发电厂2#机组吸风机叶轮的两个叶片上进行了试验,经过4000小时的运行(在没有电除尘的情况下),涂层表面无任何划痕和磨损。因此,此项目在该电厂进行了推广使用。四台30万机组,八个吸风机叶轮全部做了类似的防磨处理,取得了令人满意的效果。1998年国内又研制了含有硼元素的高硬度耐磨材料,这样使叶轮的耐磨效果又大大的提高一步,用这两种材料喷制的涂层具有韧性好,硬度高(表面硬度可达HRC60),又可喷制较厚涂层(2-3mm),叶轮叶片表面状态的改变,“三度”(韧度、硬度、厚度)的提高完全可以使叶轮耐磨程度得到显著的提高。材料科学发展的同时,工艺技术也有了新的发展,由原来普通电弧喷涂发展为超音速电弧喷涂,采用这种工艺方法喷制的涂层致密度高,涂层与基体的结合强度都有大幅度的提高,这样选用优质的原材料加上先进工艺方法制作的防磨涂层,完全可以满足2-3个大修期运行的需要。
应用此种工艺先后在辽宁铁岭发电厂、清河发电厂、黑龙江富拉尔基发电总厂、大庆油田热电厂、吉林双辽发电厂、河北一五零发电厂等单位推广使用,都取得了十分令人满意的效果;再加上除尘效果的改进和提高,使吸(引、排)风机叶轮的磨损问题基本得到解决。
    2.2应用热喷涂技术解决锅炉“四管”硫化腐蚀及磨损问题
锅炉“四管”(省煤器管、水冷壁管、过热器管、再热器管)所处工作环境十分恶劣。因此,爆管问题时有发生,对系统运行及人身安全造成极大的威胁。近年来爆管频率呈上升趋势,循环流化床锅炉管爆管频率更高,有的炉管甚至三个月的运行都难以完成;锅炉“四管”爆管问题亟待解决。如何解决?选用进口或国产优质耐蚀合金材料是最方便的防腐蚀、防磨损的措施,但是在火力发电厂中难以实现。这是由于电力设备消耗大量的金属材料,例如,一台与600MW机组配套的直流锅炉总重量达10750吨,其中,承受高温、高压作用的部分为3060吨,钢结构支吊件重5300吨,与俱腐蚀和磨损作用的烟气接触的空气预热器和烟道、风道重达2000吨,其它,钢制设备近300吨。高压水汽管道近1300吨,中压管道及低压管道(含循环水管)重3600吨,各种阀门管件重500吨,箱、罐、热交换器等重1000吨,其钢材用量17000吨以上。材料成本增加,将直接影响发电成本,这就势必影响企业的利润。基于上述考虑,除了核电站使用贵重的耐蚀材料外,火电设备除了温度达到500度的部分设备管道使用低合金热强钢外,其它部位均使用碳素钢。因此,电厂不能依赖大量使用昂贵的耐蚀材料抵抗介质的侵蚀,只有靠做好防护工作来解决。
    在这此设备零组件的腐蚀与磨损问题上,锅炉“四管”的矛盾更加突出,依靠更新,抗资巨大,治不如防,必须立足做好腐蚀与磨损的防护上,这就要引进先进的工艺技术,在更新时做好防护工作,对易腐蚀和易磨损部位有针对性采取防护措施,对局部进行改性处理,喷制专用耐磨金属涂层,对锅炉“四管”的防护最早是西柏坡电厂采用美国生产的一种镍铬合金材料,价格昂贵。根据锅炉“四管”的防护需要,我国科研部门研究出了专用的合金材料,这种材料与国外同类产品相比质量性能完全相同,价格与国外相比大幅度下降;此种材料喷制的耐磨防腐涂层与基体的结合强度高达40Mpa以上,在70-1400℃范围内热膨胀系数为6.8X10—5/℃,与本体材料20#碳钢的膨胀系数为6.5X10—5/℃十分相近,完全可以防止涂层脱落。由于其成份为高铬高镍,这种材料极易在氧化性较强的介质中钝化,在涂层表面形成Cr203保护膜,这种保护膜具有很强的再生性。一方面对腐蚀气氛向涂层内的侵入起到阻碍作用,达到降低腐蚀速度,确保涂层对基体的保护功能。同时还可以阻止镍溶解形成硫化镍,保证镍金属的耐蚀性能,在诸多的金属元素中镍具有很好的耐蚀性,且在高温下这种合金几乎不氧化。因此,这种材料完全可以满足锅炉“四管”防护的要求。
    近几年来经大庆乙烯自备电厂、国电一五零发电厂实际运行验证了采用此种工艺和材料进行防护效果是十分显著的,降低了爆管的频率,使锅炉“四管”的寿命大幅度提高。热喷涂技术的应用在一定程度上缓解了燃煤电厂领导和职工的后顾之忧,以及由爆管而造成的担惊受怕的恐惧心理。甚至有的电厂职工和班组积极向领导要求推广使用此项技术,他们说,“喷上防护涂层把握”不是我们的说教使他们信服,而是先进的工艺,可靠的技术,严谨的施工,精心的组织而获得的高质量的涂层使他们信服,实践是检验真理和标准,也是各项技术是否先进可靠性能是优是劣的试金石。
    2.3采用热喷涂技术解决管板式换热器腐蚀泄漏问题
    大庆油田自备电厂承担着大庆地区冬季供暖任务,每年采暖期承担供暖任务的职工十分紧张,电厂领导也因为供暖问题压力很大。因为大庆地处我国北方,冬季气温低且采暖期长,而承担供暖任务的六台管板式换热器由于设计上的先天不足,管板是低碳合金钢,在直径1.8米的管板上分布2730根φ19xl的18-8不锈钢管,由于两种材质电位差较大,因此管端与管板结合部位产生严重的电偶腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀、换热器管程走水,壳程走汽,由于腐蚀而造成泄漏,水汽混合,导致热效率大幅度下降,设备出力不足,甚至使设备无法正常运行,不得不停下来抢修。虽然工人们昼夜兼程马不停蹄。但这种现象只要发生,哪怕是几个小时也会有人反映到市政府,有关负责同志就会找到电厂的领导,供暧影响到大局。因此换热器腐蚀泄漏问题必须想办法解决。电厂先后找了设备生产制造单位,有关科研院所,得到的反馈是只有更新,换热器腐蚀泄漏的修复确[不难度很大,泄漏点多且密集,在难度不等于不能解决,电厂检修部和生技部的负责同志找到了我们,说“你们吸风机叶轮喷涂效果很好,振动量减少了,寿命也延长了,帮助我们解决了一个难题。现在我们又遇到一个难题,能否想办法帮助我们解决一下,就算我们求援了”。然后把重要性和厉害关系又和我们说了一遍。因为这是一个新课题,我们确实没有这方面的经验,由于电厂领导态度十分忠恳,我们就抱着试试看的心理把项目接受下来。一方面我们到国内有关部门进行调研,另一方面查阅有关资料,借鉴国内外的一些作法。经过努力,终于制订出了一套解决问题的初步方案,即:采用热喷涂的工艺方法,选用与基材结合强度高的喷涂材料,再用一种既能增加金属涂层强度,又耐腐蚀,又耐较高温度,又能起到封闭作用的特殊材料进行封孔处理。为了慎重起见,先模拟性的制作出了一个样件(材质完全与换热器相同)。经过打压、加温试验完全满足加热器的运行要求。工艺方案通过了,经过2003年冬季的实际运行考验,达到了很好的效果,换热器腐蚀泄漏问题基本上解决。
    除上述典型的应用实例外,热喷涂技术在送灰管道,给煤机分离器、烟道、汽轮机防汽蚀以及各类磨损零组件在修复、强化等方面都有所应用。
    3、几点体会
    3.1通过燃煤电厂实际应用的情况看,热喷涂技术对于解决燃煤电厂的腐蚀磨损问题是有特效的,它不能代替其它的工艺技术,但其有它自身的特点,其它的工艺技术也不能代替,本文所列举的几个实例仅是成功应用的一部分。只要我们努力钻研,不断的探索,热喷涂技术在燃煤电厂大有用武之地,仍有很多的腐蚀磨损问题没有解决。如:循环流化床锅炉炉管的腐蚀磨损问题,就目前情况看,做了防护的最多也仅仅能维持一年,如何延长其有效寿命,还需要我们从工艺方法,新材料研制以及锅炉本身结构改进上做大量的工作。再如:风扇磨,沈海热电厂一台风扇磨运行不到2000小时,一五零发电厂一年要修复近130台。每个燃煤电厂都有一批专业队伍来常年维修,更换打击板等部件。如何从材质上,工艺方法上多做些工作,热喷涂不妨也可以大胆的试验一下,若喷涂不行,喷焊行不行?如何延长风扇磨的寿命,是一个实实在在的攻关课题,对燃煤电厂降低生产成本,提高企业效益具有重大的意义。
    3.2热喷涂技术也有其局限性,为了取得更好的的效果,应和其它相关技术配合使用,也就是如何应用复合技术的问题。对燃煤电厂的一些课题能用热喷涂技术解决的就尽量用热喷涂技术,热喷涂技术解决不了的就应考虑如何应用复合技术。如:金属材料与非金属材料的合理组合,喷涂与喷焊工艺方法的结合,韧性好的材料与硬度高的喷涂材料的合理组合,特殊合金与普通合金涂层的合理组合,阴极保护与阳极保护的合理应用等等。
    3.3应用热喷涂技术解决腐蚀与磨损问题具有很强的灵活性、针对性和实用性。可以做到哪个部位腐蚀磨损严重就对哪个部位实行防护,重点部位重点防护,一般部位一般防护。如省煤船弯头部位和迎风面腐蚀磨损严重,就做重点防护。涂层材料好点,涂层厚度大点。吸风机叶轮按照磨损程度相应的确定涂层的厚度。并且新旧叶轮都可以做防腐防磨处理。
    3.4燃煤电厂在应用热喷涂技术等方法解决腐蚀与磨损问题的同时,还必须重视水处理和除尘工作。只有这三方面很好的结合起来,才能更有效地解决腐蚀和磨损问题。
    3.5本能满足于热喷涂技术在燃煤电厂中应用的现状,应该注重新工艺、新技术、新材料的研发及应用,不断改进工艺水平。认真解决好已开展的一些课题遗留问题,使其更完善:对新出现的腐蚀磨损问题要采取谨慎认真的态度,把原因分析透,把措施想周全。同时要切实做好方案的技术经济分析工作,尽量做到不失误。尤其是对一些带有特殊性的项目,一定要做大量试验工作,最大限度的把风险程度降低,实施前一定要做好充分的技术工艺与生产准备工作,做到万无一失,确保成功。
 

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