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超音速电弧喷涂技术在发电厂锅炉中的应用

时间:2012-07-04 16:24:02  来源:AG现金网喷涂网  作者:佚名

超音速电弧喷涂技术在发电厂锅炉中的应用
 
摘 要:三河发电厂锅炉受热面因吹灰器吹灰过频而出现严重磨损的现象,通过受热面的失效分析和各种防磨方法的比较,提出采用超音速电弧喷涂技术进行防磨、防腐处理。阐述了超音速电弧喷涂技术的原理和特点,介绍了涂层设计中的涂料、封孔剂的选取和涂层技术指标的确定,以及喷涂施工工艺、技术要求等。三河发电厂于2003年2月对1号机组的水冷壁、二级再热器和三级再热器进行了超音速电弧喷涂,2003年9月的检测结果表明涂层对锅炉受热面具有良好的抗磨防护作用。
  关键词:锅炉;受热面;防磨;超音速电弧喷涂


Supersonic arc spray painting technique applied to utility boilers

JING Changcai1, ZHANG Baolin2

(1. CLP Guohua Joint Venture, Beijing 100025, China;
2. Sanhe Power Generation Co., Ltd., Sanhe, Hebei 065201, China)


  Abstract: Frequent sootblowing for boilers in Sanhe Power Plant resulted in severe heating surface abrasion. Based on the failure analysis of the heating surface and the comparison of various antiabrasion methods, the use of supersonic arc spray painting technique is suggested for abrasion and corrosion protection. The principle and the features of the technique, the selection of dope and hole sealing agent and the determination of parameters during coat design are described along with the procedures and technical requirements of spray painting. The technique was applied to the boiler wall, the secondstage reheater and the thirdstage reheater of Unit 1 in Sanhe Power Plant in February 2003, and a check in September 2003 showed the prominent protection effect of the coat on the heating surface.
  Key words: boiler; heating surface; antiabrasion; supersonic arc spray painting


  火力发电厂的锅炉在运行过程中某些受热面管子会因烟气或吹灰蒸汽的冲刷造成磨损、高温氧化和高温腐蚀,严重的会产生泄漏和爆管事故。根据统计资料,因锅炉受热面故障而非计划停机的占发电厂非计划停机的40%~50%,而350 MW机组每停机1天造成的损失折合人民币为60万元,因此不断寻求更好的方法,避免锅炉受热面产生故障,对于经济效益和社会效益来说意义十分巨大。采用金属热喷涂对受热面失效部位制作表面强化层是解决这一问题的很好方法,而超音速电弧喷涂就是金属热喷涂的其中一种方法,它适用于制造业、维修业以及相关行业的长效防腐、防磨、设备修复、旧件翻新和产品表面强化等方面,具有广泛的应用前景。
  三河发电厂一期工程安装2台日本三菱公司的350 MW机组,锅炉型号为MB-FRR,系亚临界、强制循环、单炉膛、Π型布置、一次中间再热、平衡通风的钢架汽包燃煤炉,半露天布置,固态排渣。锅炉配有3台炉水循环泵(2台运行、1台备用),4台双进双出钢球磨煤机,直吹式正压制粉系统,一次风机、引风机和送风机各2台,摆动式低NOx直流燃烧器,燃烧方式为切圆燃烧。锅炉设计燃用晋北煤,现燃用神华煤,点火和助燃为0号轻柴油,锅炉过热汽温采用两级喷水减温调节,再热汽温采用摆动燃烧器调节,锅炉不投油最低负荷为30%BMCR。神华煤具有发热量高、挥发分高、灰熔点低等特性,三河发电厂燃用神华煤后,由于锅炉灰粘附性强,受热面易积灰且积灰快,影响了受热面的传热,被迫对锅炉受热面频繁蒸汽吹灰,可能是管道疏水不完全等原因,造成受热面磨损严重。三河发电厂经过认真分析,对锅炉受热面采取热喷涂的对策,收到了很好的防磨效果,这对其它燃用神华煤的锅炉有很好的借鉴意义。

1受热面失效分析和防磨方法的比较
  三河发电厂的锅炉自燃用神华煤后,吹灰器吹灰频率明显增加,在控制锅炉结焦的同时也带来了受热面的磨损。例如水冷壁,尤其是57~62号长杆吹灰器周围的三级过热器和二级再热器,因安装时没有设计防磨板,因此吹灰蒸汽和烟气的长期冲刷严重威胁着锅炉的安全运行:2002年11月16日1号炉二级再热器爆管而使机组停机;2003年1月24日停机检查,2号炉有21根再热器受热面管子需更换;2003年2月小修中,发现1号炉有23根再热器受热面管子需更换。为了确保受热面的安全运行,有必要在吹灰器吹扫范围内,对水冷壁、二级再热器和三级过热器进行防磨处理。
1.1受热面失效分析
  检查锅炉水冷壁磨损情况,发现吹损部位表面光滑,失效的主要原因是吹灰器吹灰过频。二级再热器迎风面的磨损主要以不均匀冲刷磨损为主,并伴有高温氧化和高温腐蚀,其冲刷磨损主要是因高温、高速含尘气流冲刷所造成,同时由于该部位还设有蒸汽吹灰,因此吹灰蒸汽夹带烟气颗粒的冲刷,使磨损程度加剧。三级过热器背风面的损坏主要以高温腐蚀为主,并伴有局部不均匀的冲刷磨损,该部位的冲刷磨损是由于吹灰蒸汽夹带烟尘颗粒冲刷所造成。
1.2防磨方法
  可采用加防磨板或喷射涂层等方法对运行中的锅炉受热面进行防磨处理。
1.2.1加防磨板
  需要在母材上焊一个小瘤作为焊接防磨板的生根点,焊接防磨板时不容许在母管上生根,防磨板中间作为膨胀死点,每隔200 mm需焊接一个半圆形支撑板将防磨板与母管抱紧。防磨板总长度1.5 m,采用耐高温材料,运行一定时间后会脱落,加工和安装较繁琐。
1.2.2喷射涂层
  金属热喷涂分为火焰喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂和爆炸喷涂等四大类。等离子喷涂和爆炸喷涂不适于发电厂锅炉的现场操作;火焰喷涂可以在发电厂现场操作,但火焰喷涂速度慢、工期长,被喷涂的部位易产生应力集中和变形的现象;电弧喷涂技术能很好地适应发电厂锅炉现场大面积应用的各种条件,而且超音速电弧喷涂设备的诞生,大大提高了涂层的性能。
  采用超音速电弧喷涂技术来增加防磨层,喷涂厚度0.4 mm,采用耐高温专用封孔剂进行封孔。其特点是要求喷涂表面平整、光洁、致密、不起尘和不鼓包,母材不变形,涂层厚度均匀,喷涂层采用耐高温材料,喷涂时间短。从节省时间的角度看,采用喷射涂层比采用加防磨板更有优越性。

2超音速电弧喷涂技术
2.1原理
  超音速电弧喷涂技术是江西恒大实业有限公司通过引进先进设备和技术最新开发的丝材型防腐耐磨涂层新技术,被美国、日本等发达国家列为21世纪的表面工程关键技术。该喷涂技术采用燃烧于丝材端部的电弧将均匀送进的丝材熔化,经拉伐尔喷嘴加速后的超音速气流将熔化的丝材雾化为粒度细小、分布均匀的粒子,喷向工件形成涂层。熔化粒子与基材主要以机械、物理和冶金等方式结合。
2.2特点
  超音速电弧喷涂技术与国内一般电弧喷涂技术和火焰喷涂技术相比,具有如下优点:
  a) 粒子飞行速度高。由于采用了拉伐尔喷嘴加速技术,熔化的粒子飞行速度达到超音速,为386 m/s,而普通电弧喷涂和火焰喷涂的粒子飞行速度都为100 m/s左右。
  b) 结合强度高。熔化粒子与基材主要以机械、物理和冶金等方式结合,其结合强度可达67 MPa以上,普通电弧喷涂和火焰喷涂的结合强度分别为20~40 MPa和10 MPa。
  c) 孔隙率低。超音速电弧喷涂的构件孔隙率不大于0.9%,普通电弧喷涂和火焰喷涂的喷涂层孔隙率分别为10%和小于5%。
  d) 涂层均匀度高,致密性好,且喷涂工件不变形。

3涂层设计
3.1工况参数
  三河发电厂实际烟气和蒸汽工况参数:水冷壁处于炉膛内,辐射温度1 000~1 100 ℃,布置4层56只蒸汽吹灰器;二级再热器和三级过热器的烟气温度为1 100 ℃,烟气速度为9~10 m/s,且该部位设有蒸汽吹灰,吹灰蒸汽压力为1.3 MPa,蒸汽温度为400 ℃左右。喷涂部位和喷涂面积:对于水冷壁,每个吹灰器吹扫范围内的磨损四周面面积约1 m2,因此喷涂面积共56 m2;二级再热器的喷涂部位位于与三级过热器相邻处的迎风面,喷涂面积35.2 m2;三级过热器喷涂部位位于与二级再热器相邻处的背风面,喷涂面积20.02 m2;沿吹灰路径分3段喷涂,每段为吹灰器中心线上下各1 m。
3.2材料选用
  结合工况参数和失效机理分析,确定喷涂材料。
  对于二级再热器,必须选用硬度高、耐磨性特别好、具有抗高温氧化和高温腐蚀的材料来制作涂层,因此采用超音速电弧喷涂LX34型(NiCr-Cr3C2等)合金丝材来制备涂层,并采用KM-2型高温专用封孔剂进行封孔。该复合涂层主要技术指标如下:厚度0.4 mm,粒子速度386 m/s,结合强度65.8 MPa,高断裂能力(HRC)51.9,抗高温氧化性6.35 mg/cm2(750 ℃氧化250 h),孔隙率不大于0.9%,磨损量0.1 mm(运行12 000 h以上),工件变形性为不变形。
  对于水冷壁和三级过热器炉管,应选用防高温氧化和防高温腐蚀性能特别好、硬度高、耐磨性较好的材料来制备涂层,因此,选用PS45型高铬镍钛合金丝加KM-2型封孔技术制备复合涂层。其涂层技术指标如下:厚度0.4 mm,喷涂速度386 m/s,结合强度44 MPa,高断裂能力(HRC)50.6,孔隙率不大于0.9%,H2S气氛腐蚀(600 ℃和100 h)13.30 mg/cm2,SO2气氛腐蚀(600 ℃和100 h)23.28 mg/ cm2,工件变形性为不变形。
  由于LX-34型合金丝材的主要成分为Ni和Cr等,PS45型高铬镍钛合金丝的主要成分为Ni,Cr和Ti等,它们的热导率(600 ℃)为37.2 W/(m·K),所以所制备的涂层不会影响该部位的吸热。

4喷涂施工
4.1施工工艺流程
  施工工艺流程:表面预处理—喷砂作业—喷涂作业—预测厚度—封孔。
4.1.1表面预处理
  用清洁球和磨光机清理各受热面上的浮尘、浮渣和锈等杂质。
4.1.2喷砂作业
  由于工作面长期在高温含硫的环境下工作,表面存在一定的高温氧化层和灰垢,而采用超音速电弧喷涂技术制备涂层时,对工作面的清洁程度要求比较高,所以必须采用高压空气进行喷沙处理,使其达到制备涂层所需的清洁度和粗糙度。用喷砂机对防护炉管表面进行喷砂处理,达到表面干燥,无灰尘、油脂、污垢和锈斑,且粗糙度达到M或C级。
4.1.3喷涂作业
  对喷砂后的工作面进行喷涂作业,涂层表面要求平整、光洁、致密、不起尘和不鼓泡,基材不变形,孔隙率低于0.9%。
4.1.4预测厚度
  用测厚仪对涂层进行测量,保证涂层厚度均匀,并达到规定要求。
4.1.5封孔
  由于超音速电弧喷涂是采用电弧将合金丝材熔化后通过拉伐尔喷嘴将雾化后的合金丝材以超音速的速度附着在工作表面,但熔化后的合金丝材仍是颗粒状态,它们之间仍有一定的空隙,选用KM-2型高温抗磨涂料作为封孔剂来填补涂层的空隙,该涂料在高温下形成坚硬的陶瓷层,质密性好,能够填补超音速电弧喷涂时所留下的空隙,从而使涂层能够达到更好的防磨、防腐效果。采用高温专用封孔剂对金属热喷涂涂层表面进行封孔,还可阻止空气中的氧气通过微小的涂层孔隙进入涂层内部,提高表面光洁度。由于KM-2型涂料是以胶为粘接剂,在未经高温烧结后形成陶瓷层时,特别忌水,所以在起炉前严禁工作面的涂层沾水,以免降低涂层的防磨、防腐效果。
4.2施工中应注意的问题
  在工程施工过程中,应着重把握如下几个关键点:一是先对受热面进行清理,应选用铁砂或刚玉砂,不要采用石英砂或河砂,否则无法达到高的结合强度而造成涂层脱落;二是一定要采用渗透性好,耐高温、抗腐蚀的材料作封孔剂,否则无法达到封闭毛细孔的效果;三是防护层的厚度一般以0.3~0.5mm为宜,平均厚度为0.4mm比较理想,如果涂层过薄会失去防护效果,如果涂层过厚,会出现起泡或剥落现象。
4.3施工技术要求
  喷涂层结合强度好,没有起皮、脱落、裂纹等现象;抗高温氧化性强,磨损量少,不变形;喷涂后不影响受热面传热,不影响原受热面管材的理化性能;喷涂后在4年内不得因腐蚀和磨损造成该部位爆管等事故,施工质量保证涂层使用寿命为4年。

5应用效果
  三河发电厂1号机组于2003年2月小修中,对水冷壁、二级再热器和三级过热器受热面进行超音速电弧喷涂。2003年9月在机组停机时进行锅炉检查,结果如下:受热面防磨涂层完整无损,基本保持原来银灰色,表面观察无磨损痕迹;对取下的部分试样测量厚度,结果是该涂层厚度没有减薄。检测结果表明,该涂层稳定、可靠,对锅炉受热面表面具有良好的抗磨防护作用。

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