電站鍋爐管道高溫沖蝕磨損和涂層防護技術(shù)

腐蝕、磨損和防護一直是各工業(yè)領(lǐng)域中倍受關(guān)注的課題。我國是一個以火力發(fā)電為主的國家為使煤炭資源得以充分合理地利用，在電站鍋爐中大量使用高含灰量的劣質(zhì)煤。因此電站鍋爐管道常因發(fā)生高溫沖蝕磨損和熱腐蝕，使管壁非正常減薄而過早失效a.鍋爐“四管”爆漏事故是長期困擾火電站的一個可行途徑就是使用各種具有防腐耐磨性能的涂層技術(shù)。幾十年來，國內(nèi)外對電站鍋爐的高溫沖蝕、熱腐蝕、高溫氧化機理和涂層防護技術(shù)進行了大量試驗、研究和應(yīng)用w，并已取得顯著效果。本文在分析電站鍋爐管道高溫沖蝕磨損行為基礎(chǔ)上，綜述國內(nèi)外用于電站鍋爐管道高溫抗沖蝕防護涂層的研究和應(yīng)用進展，以闡明涂層防護技術(shù)在電站鍋爐防腐耐磨綜合治理中巨大的應(yīng)用潛力。
　　1電站鍋爐管道的高溫沖蝕磨損1.1材料的沖蝕磨損沖蝕磨損是指材料受到小而松散的流動粒子沖擊時表面出現(xiàn)破壞的一種磨損形式。粒子直徑一般小于1mm沖擊速度在550m/s以內(nèi)。沖蝕磨損行為受到許多因素的影響，如基體材料的強韌性、溫度、粒子沖擊的參數(shù)角度、速度、流量等）沖擊粒子的性質(zhì)頗度、形狀、尺寸等）室溫下的材料沖蝕機理已有較多論述H，而材料的高溫沖蝕機理比較復(fù)雜，在高溫下材料的力學(xué)性能將發(fā)生改變，同時材料表面結(jié)構(gòu)和狀態(tài)也會發(fā)生變化（高溫氧化或熱腐蝕）因此，材料的高溫沖蝕磨損行為是沖蝕/氧化或沖蝕/腐蝕交互作用的結(jié)果吣1.2電站鍋爐管道的高溫沖蝕磨損研究表明46，電站鍋爐的水冷壁、過熱器管道受熱面容易發(fā)生煤灰沉積引起的熱腐蝕和飛灰造成的高溫沖蝕磨損，再熱器及省煤器管道容易發(fā)生飛灰沖蝕磨損。飛灰沖蝕磨損是電站鍋爐管道失效的主要原因之一。
　　電站鍋爐燃燒的煤多為炱煤或混合煤，煤粉燃燒形成的高溫?zé)煔庵�，含有C2、CO、H2S、S2、HCl和飛灰。飛灰尺寸為2~500和10"~20"Fe20）/Al203等組成�；曳种懈呷埸c硬質(zhì)顆粒主要為SiO�。﹦t會加劇爐管表面飛灰沖蝕磨損。
　　過熱器彎頭迎風(fēng)面煙氣溫度為80012007，飛灰沖擊爐管的平均速度為1540m/：，管內(nèi)進出口過熱蒸汽溫度為4905407爐管表面溫度達6507，管壁結(jié)焦時可達750 7，過熱蒸汽壓力達1417.P.過熱器管道對流受熱面在上述工況下極易遭受高溫沖蝕/氧化和高溫腐蝕。省煤器受到4505507、流速710m/s的煤粉燃燒尾氣夾帶飛灰的長期沖蝕磨損溶易發(fā)生管壁減薄而引發(fā)爆管。
　　通過以下途徑可解決鍋爐管道的飛灰沖蝕磨損問題：d）使用高品質(zhì)燃煤減少飛灰中Si2等硬質(zhì)顆粒的數(shù)量；G）改變鍋爐管道的結(jié)構(gòu)以減輕飛灰對管道的沖擊、磨損；d）定期檢查、更換鍋爐管道；d）使用各種耐高溫沖蝕/腐蝕的熱噴涂涂層。由于高溫沖蝕過程是爐管材料表面的行為，顯然最經(jīng)濟可行的方法就是采用熱噴涂防護技術(shù)。
　　2高溫抗沖蝕防護涂層的性能要求電站鍋爐管道是在苛刻的高溫沖蝕/腐蝕環(huán)境下工作的，因此要求其涂層體系具有優(yōu)良的抗沖蝕磨損能力和耐腐蝕、抗氧化性能�？偟膩碚f，涂層體系應(yīng)滿足下列性能要求e：d）優(yōu)良的抗高溫沖蝕性能。要求涂層具有較高的高溫氧化環(huán)境下抗飛灰沖蝕磨損性能。d）優(yōu)良的耐熱腐蝕性能。要求涂層具有較高的高溫氧化、硫化氣氛中的熱腐蝕抗力。d）優(yōu)良的抗熱疲勞性能。由于鍋爐在運行期間都有一定次數(shù)的停機，因此爐管的抗熱疲勞性能是決定系統(tǒng)可靠性的主要因素之一。d）較高的基體結(jié)合強度和致密度。為防止涂層機械剝落，涂層與基體的結(jié)合強度應(yīng)不低于20M>，孔隙率應(yīng)小于5".d）良好的工藝性能。要求涂層制備工藝穩(wěn)定、操作簡便，尤其要便于鍋爐管道的大面積現(xiàn)場原位施工。d）造價低廉的涂層材料。只有較低的成本才會帶來較高的經(jīng)濟效益。
　　3高溫抗沖蝕涂層的研究和應(yīng)用針對鍋爐管道高溫沖蝕、熱腐蝕、高溫氧化行為及防護技術(shù)周內(nèi)外進行了大量研究工作，優(yōu)選出一系列適合不同類型鍋爐工況的耐高溫沖蝕/熱腐蝕的熱噴涂防護涂層。使用這些熱噴涂涂層與雙金屬共擠壓包覆爐管及堆焊耐蝕合金和表面滲鋁、滲鉻等防護技術(shù)相比具有施工費用低、靈活快捷、檢測維護方便等特點。
　　20世紀(jì)80年代，美國TAFA公司把牌號為45CT的材料作為鍋爐管道高溫含硫氣氛中的耐蝕耐磨防護涂層。英國在80年代開始進行熱噴涂涂層防治鍋爐管道的沖蝕和受熱面腐蝕的小規(guī)模工業(yè)實驗，采用等離子噴涂75C3C2/25NiCr和AI2O3作為抗飛灰沖蝕涂層，等離子噴涂50Cr/50Ni作為受熱面耐腐蝕防護涂層。瑞典綜合運用電弧+火焰絲材噴涂技術(shù)在80年代中期先后對過熱器管道噴涂KanthalM合金，其耐熱腐蝕和抗沖蝕性能優(yōu)于Metco多層涂層。美國Metalspray公司在90年代初（超音速火焰噴涂）制備的DS-200（75C3C2/25NiCr）抗沖蝕涂層，已用于電廠燃煤鍋爐、流化床鍋爐爐管高溫抗沖蝕磨損防護。90年代末該公司又推出高速火焰電弧噴涂涂層新技術(shù)，即ComARC（高速火焰電弧噴涂工藝）噴涂Duocor涂層顯著降低了涂層的孔隙率，飛灰沖蝕抗力顯著改善。目前我國只有少數(shù)大、中型火電廠和熱電廠采用滲鋁管取代低碳鋼管或?qū)σ赘�蝕部位采用火焰噴涂和電弧噴涂進行防護，而對高溫沖蝕磨損的研究尚少。
　　國內(nèi)外已開發(fā)出多種電站鍋爐專用涂層，按涂層材料性質(zhì)可分為金屬涂層、陶瓷涂層、金屬/陶瓷復(fù)合涂層（Mmc圾金屬間化合物涂層（mc）3.1金屬涂層金屬涂層主要是Ni-Cr合金和Fe-Cr合金系列涂層其耐高溫沖蝕能力與不銹鋼相當(dāng)，涂層與基體結(jié)合強度較高，抗熱腐蝕、熱疲勞性能較好，可通過火焰噴涂、HVOF、等離子噴涂、HVAS（電弧噴涂及高速電弧噴涂>等技術(shù)制備涂層。表1是一些典型的高溫抗沖蝕金屬涂層，其中的45CT、50Ni/50Cr和FeCr-Al涂層應(yīng)用最廣。
　　表1典型高溫抗沖蝕金屬涂層涂層牌號噴涂工藝涂層成份量百分比）等離子噴涂電弧噴涂等離子噴涂火焰噴涂3.2陶瓷涂層陶瓷涂層具有較好的抗高溫沖蝕性能，但噴涂工藝復(fù)雜，成本較高，而且涂層表面容易出現(xiàn)裂紋，抗熱疲勞性能不如金屬涂層。目前實用的陶瓷涂層中國電力bookmark3多以Cr3C2、Cr203、Al203等為主，采用火焰噴涂或HVOF技術(shù)。表2是常用的3種高溫抗沖蝕陶瓷涂層。
　　表2典型高溫抗沖蝕陶瓷涂層涂層牌號噴涂工藝涂層成份量百分比）火焰噴涂3.3金屬陶瓷復(fù)合涂層MC）材料的沖蝕磨損規(guī)律表明塑性材料如金屬和合金）在大攻角下具有較好的耐沖蝕性能，而脆性材料如陶瓷材料）在小攻角下具有較低的沖蝕率吣飛灰對鍋爐管道沖蝕的攻角為0~90.的所有角度，故單一的金屬涂層或陶瓷涂層防護效果都不理想。近年來開發(fā)出新型的金屬陶瓷復(fù)合材料涂層，即在塑性的基體上均勻地分布著顆粒形狀、尺寸大小適當(dāng)?shù)挠操|(zhì)陶瓷相如Al23、CrC2、WC、TiC、TiB2等），從而獲得較好的全攻角抗沖蝕磨損性能，有良好的應(yīng)用前景。表3列舉了一些典型的高溫抗沖蝕金屬/陶瓷復(fù)合涂層。
　　表3典型高溫抗沖蝕金屬陶瓷復(fù)合涂層涂層牌號噴涂工藝涂層成份重量百分比電弧噴涂3.4金屬間化合物涂層flMC）有序金屬間化合物是指以化學(xué)計量比的化合物為基、成份在一定范圍內(nèi)可變、在金屬元素間威金屬與類金屬之間）形成的具有金屬特性的合金相。Fe-Al系金屬間化合物涂層有望在民用工業(yè)中應(yīng)用。Fe-Al合金主要有B2結(jié)構(gòu)的FeAl和DO結(jié)構(gòu)的FeAl2種有序金屬間化合物。這類合金具有優(yōu)良的抗氧化和抗硫化性能、多種介質(zhì)中的抗腐蝕性能、優(yōu)良的抗高溫沖蝕性能、較高的高溫強度、較低的密度，而且不含責(zé)重合金元素，成本較低，是一種潛在的理想高溫結(jié)構(gòu)材料7.但因加工成型困難而限制了其工程應(yīng)用。采用熱噴涂方法制備Fe-Al金屬間化合物涂層開拓了Fe-Al合金應(yīng)用的新領(lǐng)域。國外已有采用HVOF或等離子噴涂FeAl金屬間化合物涂層用于電站鍋爐管道。我國現(xiàn)已研制出新型FeAl合金和FeAl/WC復(fù)合材料，采用HVAS工藝，有望大規(guī)模制備電站鍋爐管道高溫沖蝕磨損防護涂層9.表4是典型的高溫抗沖蝕Fe-Al金屬間化合物涂層。
　　表4典型高溫抗沖蝕金屬間化合物涂層涂層牌號噴涂工藝涂層成份量百分比）等孺子噴涂4結(jié)論a）電站鍋爐的水冷壁、過熱器、再熱器及省煤器管道容易發(fā)生飛灰引起的高溫沖蝕磨損。飛灰沖蝕磨損是電站鍋爐管道失效的主要原因之一。a）采用熱噴涂金屬涂層、陶瓷涂層、金屬陶瓷復(fù)合涂層及金屬間化合物涂層等技術(shù)，能有效控制高溫沖蝕磨損。涂層防護技術(shù)是解決鍋爐管道高溫沖蝕磨損問題的一個經(jīng)濟、可行的途徑。a）Fe-Al系金屬間化合物涂層具有優(yōu)良的抗氧化、抗硫化、抗腐蝕性能，優(yōu)良的抗高溫沖蝕性能，成本較低，是一種潛在的理想鍋爐管道高溫沖蝕磨損防護涂層材料。