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热喷涂技术在电厂中的应用

时间:2012-09-25 11:08:32  来源:四川电力技术  作者:李治发

  热喷涂技术在电厂中的应用
  李治发
  四川电力技术
  
  摘 要:详细介绍华能珞璜电厂锅炉卫燃带处水冷壁管的高温硫腐蚀情况、原因分析;比较两种不同管子表面的保护工艺;提出解决华能珞璜电厂受热面管高温硫腐蚀的有效措施。
  关键词:热喷涂;卫燃带;水冷壁管;高温硫腐蚀
  1 情况简介
  华能珞璜电厂一、二期工程共4台360 MW机组的全套设备系法国ALSTOM公司提供,其锅炉为亚临界参数、强制循环、双拱炉膛、中间再热、平衡通风、露天布置的固态排渣燃煤锅炉。
  设计过热蒸汽流量为1 099.3 t/h,过热蒸汽温度540℃。水冷壁采用膜式壁,在高热负荷区段即卫燃带处水冷壁设计用内螺纹管,规格材质分别为φ38×4.77 mm,TU15CD2.05。设计燃煤含硫量4.02%,实际燃煤含硫量在设计范围内。
  华能珞璜电厂一期工程两台机组分别于1991年9月和1992年2月相继投产发电。1995年12月18日,31号炉后墙靠B侧方向下三次风口处(标高约25m)首次爆管,抢修时发现爆管处水冷壁管外表面腐蚀较严重,沿长度方向割管约3 m情况才有所好转(发生爆管部位的示意图见图1);1996年5月18日,31号炉在上次爆管水平位置附近再次发生爆管。经检查发现卫燃带耐火材料多处脱落,销钉烧损严重,余高由设计的30 mm减少到不足10 mm,管子表面有明显的腐蚀,管壁严重减薄(受到腐蚀的水冷壁管的横截面示意图见图2),最薄处只有1.5 mm。从此,两台锅炉因卫燃带处水冷壁管腐蚀而爆管先后共发生12次,相邻两次最近的间隔时间不到半个月,严重影响了该厂设备的安全经济运行。
  2 原因分析
  为了找到解决这种腐蚀的方法和措施,首先必须了解腐蚀机理。该厂委托了四川电力试验研究院、法国ALSTOMSTEIN公司、美国METALSPRAY公司等几家单位同时进行相关试验和分析,结论都是高温硫腐蚀。其机理如下:
  黄铁矿(FeS2)是煤中主要矿物质之一,在炉膛中燃烧时,由于FeS2熔点低(1 150℃)、比重大(5~5.5),在常见烟温下即可熔化。经过制粉系统获得的颗粒状FeS2在表面张力的作用下形成球形,这样在烟气中运动的具有较大粒径的FeS2熔融小球未充分燃烧便在惯性的作用下在较短时间内即可飞落壁面,而如果此时卫燃带存在开裂或卫燃带减薄且气孔孔径较大时,未经充分燃烧的FeS2颗粒将渗入到水冷壁管表面并粘附其上。在这个过程中,FeS2首先受热分解成磁黄铁矿(FeS)和游离态的硫原子(见化学反应方程式1),因此较大的黄铁矿颗粒在撞击到受热面或耐火材料表面时不可避免地含有低熔点的FeS(熔点1 195℃);另一方面,烟气中具有一定浓度的H2S和SO2在管壁周围也可以反应生成游离态的硫原子(见化学反应方程式2)。在还原性气氛的条件下,附着在管子表面的游离态的硫原子在管壁温度达到350℃时与铁发生硫化作用(见化学反应方程式3)。
  烟气中的H2S在卫燃带保护不好的情况下也可以渗入管子表面直接与铁或铁的氧化物发生反应生成FeS(见化学反应方程式4、5)。
  FeS2→FeS+[S] (1)
  2H2S+ SO2→2H2O+3[S] (2)
  Fe+[S]→FeS (3)
  Fe+ H2S→FeS +H2(4)
  FeO+H2S→FeS+H2O (5)
  以上反应所形成的腐蚀产物FeS为多孔结构,不起保护作用,这样腐蚀可以继续进行下去。由此可以得出结论,该厂卫燃带处水冷壁管发生大面积腐蚀的原因是在燃用高硫煤的情况下,当卫燃带被不同程度破坏时,由不同途径产生的游离态硫原子与高温水冷壁管相遇,发生了硫化物型的高温硫腐蚀,FeS是主要的腐蚀产物。
  3 各种措施的可行性研究
  虽然可以通过改变受热面管子上销钉的密度和尺寸、调整燃烧等手段来改善卫燃带处的传热条件;或者通过改变卫燃带的材料和厚度使之不容易脱落、破裂和损伤等其它辅助手段以延长锅炉管的使用寿命,但最根本的解决方法还是对该处的受热面管进行表面保护,达到防“四管”爆漏的目的。
  3.1 渗铝
  渗铝尽管可以对高温硫腐蚀的管子进行防腐保护,在中国尤其在四川也有使用渗铝管的经验,并且成本也比较低,但存在以下缺点或不足。
  1)维护不方便。因为渗铝后管子表面形成的铝合金与母材金属的热膨胀相差甚远,运行过程中易产生裂纹并脱落,影响管子的使用寿命,但又不可能在现场不割管的情况下进行修复。
  2)对焊接接头处的焊缝金属无法进行有效保护。
  3)渗铝工艺质量得不到有效控制。
  3.2 电弧燃烧喷涂
  虽然电弧燃烧喷涂成本较渗铝高,但其工艺质量、使用维修等方面有着渗铝无法比拟的优越性,既可以自动喷涂,也可以手动喷涂,操作十分方便。
  3.2.1 电弧燃烧喷涂的原理
  在电弧喷枪中装入两根合金线材,分别作为正负极,在它们之间形成电弧。电弧使合金线材不断熔化,同时送丝机构不断地给料,熔化的金属被高速气流吹到要喷涂的受热面管表面,并在其表面形成涂层。由于合金线材同时作为电极直接接受能量,从而优化了熔化合金质点的温度,使之最大限度地附着在受热面管表面。
  熔化合金质点由相对较冷的雾化气流吹到受热面管表面,使得受热面管表面温度较低,因而降低了涂层的热应力和内应力,改善了附着强度。合金线材的进料和气流的供给都是自动控制,不需人工调整。从而保证了涂层的均匀。
  3.2.2 电弧燃烧喷涂的重要指标
  孔隙率:3%~5%;氧化率:5%~15%;结合强度:28 MPa;最高表面温度:135℃;涂层厚度范围:8~19 mils;
  3.2.3 材料的选用
  根据不同的腐蚀机理或磨损情况,可以选用与之相适应的喷涂材料。针对该厂高温硫腐蚀的特点,选用了美国METALSPRAY公司的45CT电弧喷涂材料。因为Cr是抗硫化腐蚀最重要的元素,在有Ni的情况下,Cr达到40%以上,在高温硫化环境中最为有效。并且自1984年以来,全世界有150多台锅炉喷涂了45CT,面积超过了30万平方英尺(1ft2=0·0 929 m2)。45CT是由45%的Cr、4%的Ti、其余为Ni组成的预合金线材。含有40%以上的Cr的喷涂合金材料,在喷涂过程中形成了稳定的铬的氧化物,它能阻碍在涂层中形成不稳定的氧化铁、氧化镍、硫化亚铁、硫化镍。铬的氧化物有很致密的晶格结构,比腐蚀元素硫质点更紧密。这种紧密结构作为屏障限制了硫渗透穿过涂层而直接与受热面管接触;Ni加强了45CT涂层的机械性能,Ni具有超附着特性,使得45CT对基体的附着非常牢固。此外,Ni还具有很好的延展性。这一特性使45CT具有与碳钢或低合金钢受热面管基体几乎同样的热膨胀率,因此能够抵抗锅炉周期性的应力;Ti进一步加强了45CT的附着强度,在雾化过程中,钛与氧反应有助于铬的氧化物的形成。Ti使质点的温度达到最高,从而提高喷涂效率。45CT是一种预合金材料,因为抗腐蚀涂层需要预合金来保证涂层中金相组织的均匀性。在45CT中预合金保证了在涂层100%的地方都具有同样的抗高温硫腐蚀的Cr含量;而非预合金涂层由于其金相组织分布不均匀,在某些地方产生贫铬,致使硫原子得以通过这些区域,形成一条到达受热面管基体的腐蚀通道。事故分析表明,非预合金涂层由于金相组织不均匀而变脆乃至剥落。
  4 涂层质量控制
  对于该厂一期工程的两台锅炉,分别利用1997年6月31号机组大修和1997年9月32号机组大修的机会,对受高温硫腐蚀的区域(从标高21 m到标高28 m的范围)进行了换管。但对新换的管子施焊前进行自动喷涂,焊后对焊缝及其附近区域进行手动喷涂;而二期工程的两台锅炉则在1997年的建设期间于安装前对相应部位进行自动喷涂,安装后立即对焊缝及其附近区域进行手动喷涂。喷涂过程由三个阶段组成。即喷砂、喷涂和刷封闭剂。每个阶段施工单位都要进行全面质量检查,合格后该厂进行抽检。检查包括涂层表面是否起皮、开裂、有无明显未喷到的地方、表面粗糙度等。当然,最重要的是喷完后的涂层厚度检查。
  该厂所有的防高温硫腐蚀喷涂均由美国MET-ALSPRAY公司承担,每喷完一个管屏,美方质检人员用专用涂层测厚仪进行涂层厚度测量。测量的方法是沿管屏的高度方向每隔1英尺(1ft=0·034 m,下同)在每根管子上测3点,将记录自动输入计算机的SEE报告中。一台锅炉的喷涂工作全部完成后,对整个炉膛中喷涂的地方再沿管子的高度方向每隔3英尺在每根管子上测3点,也同样会出现所有涂层厚度记录的SEE报告;而中方质检人员随时可以对其检验合格的涂层进行复查,如发现不合格,加倍抽查,并要求美方对不合格的地方进行返修。经过双方质检人员的共同努力,所有涂层的质量均达到了双方签订的技术协议和合同的标准。
  5 应用效果
  该厂四台锅炉的卫燃带处水冷壁管经电弧燃烧喷涂后分别于1997年7月、1997年11月、1998年11月、1998年12月开始运行。利用机组大小修的机会,该厂金属技术监督工程师分别于1999年5月对32号机组、2000年9月对33号机组、2001年6月对34号机组的水冷壁管涂层厚度进行了检测。结果发现,涂层厚度基本无损伤。
  6 结论
  该厂自从使用电弧燃烧喷涂45CT的涂层后,从未发生过因高温硫腐蚀而爆管的“四管”泄漏事故,在以下几个方面取得了非常明显的效果。提高了锅炉可利用小时数,减少了停炉次数;避免了大面积更换锅炉水冷壁管;消除了原有爆管事故及不断维修;延长了安全运行周期。
  因此,使用45CT的电弧燃烧喷涂对防止锅炉水冷壁管因高温硫腐蚀而引起的泄漏效果是非常显著的。
  
图略
参考文献略

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