山东神腾公司循环流化床锅炉水冷壁超音速电弧喷涂

循环流化床锅炉水冷壁超音速电弧喷涂一、前言针对目前国内已投运的循环流化锅炉出现的燃烧室受热面严重磨损问题，并结合国内一些循环流化床锅炉用户解决燃烧室受热面磨损的技术应用实践例证，公司热电厂决定将对循环流化床锅炉水冷壁燃烧室易磨损受热面区域进行超音速电弧喷涂，以增加易磨损受热面区域的使用寿命，达到能较好长时间稳定运行目的。二、施工部位喷涂区域：水冷壁规格：Φ38.1×7.5 SA-213T2，水冷壁节距：50.8mm，喷镀高度：锅炉标高22--33m，喷涂宽度：炉膛深度6—9米，喷涂面积：约150 m2×2台炉,按实际施工面积计算。三、循环流化床燃烧室受热面的磨损机理循环流化床燃烧技术是近二十年迅速发展起来的一种洁净煤燃烧技术。循环流化床锅炉具有煤种适应性强、燃烧效率高、污染物排放低和负荷调节性能好等优点。由于炉内有大量的床料及循环物料，煤在流化状态下低温循环燃烧，通过添加适量的石灰石和分级燃烧、分级送风，同时实现炉内脱硫和抑制氮氧化物生成量。但是，由于烟气中含有大量的飞灰颗粒，这些灰粒高速冲刷水冷壁管、对流受热面等部位，使其壁面受到剧烈磨损，发生局部的严重破坏，甚至导致停炉事故。我们知道，从炉底布风装置出来的一次风气流必须具有足够的速度、强度和刚度，在支撑固体颗粒的同时，产生强烈的扰动。运行发现，当床料密度在8～10kg/m3时，床内颗粒就会聚集成大粒子团，团聚后的粒子团由于重量增加，体积加大，以较大的相对速度沉降并具有边壁效应，使流化床中气～固两相流动形成近壁处很浓的粒子团斜下切向运动，下降到炉壁回旋上升，颗粒彼此之间以及与炉壁之间进行频繁的撞击和磨擦，使炉壁产生严重磨损。通常认为，循环流化床锅炉的磨损主要与固体物料浓度、烟气速度、燃料特性、运行调整、循环倍率和结构设计等因素有关。燃烧室受热面水冷壁的磨损机理水冷壁的磨损是CFB锅炉中与材料有关的最严重的问题之一。在CFB锅炉炉膛内，典型的流体动力学结构为环～核结构。在内部核心区，颗粒团向上运动；而在外部环状区，固体颗粒沿炉膛水冷壁向下回流。环状区的厚度从床底部到顶部逐渐减薄。固体物料沿水冷壁的向下回流是水冷壁产生磨损的主要原因。水冷壁的严重磨损与回流物料量的大小和方向突然改变有密切关系。通常方向突变的部位有： (1)水冷壁卫燃带转折处。 (2)膜式水冷壁管对接和表面缺陷焊接不良，有毛刺、突起等。 (3)水冷壁其它地方有凸起的部位。因此炉内水冷壁的磨损主要可分为以下两种情形：卫燃带与水冷壁管转折区管壁的磨损、炉膛四角和一般水冷壁管壁区域的磨损。 3.1炉膛下部卫燃带与水冷壁转折区域的管壁磨损炉膛下部卫燃带与水冷壁转折区域磨损的机理有以下几个方面: 一是在该区域内壁沿壁面下流的固体物料与炉内向上运动的固体物料运行方向相反，因而在局部产生涡漩流。二是由于沿壁面下流的固体物料在交界区域产生流动方向的改变，因而对水冷壁产生磨损。水冷壁与卫燃带交界区域内水冷壁管壁的磨损并不是在炉膛四周均匀发生，而是与炉内物料总体流动形式有关。一般情况下电厂采用在水冷壁上加焊鳍片来破坏向下流动的固体料流，从而达到防磨目的。实践证明，效果不是很理想，原因就是在鳍片与水冷壁的交界处固体物料流动方向改变产生新的磨损点。 3.2炉膛四角和一般水冷壁区域的磨损在许多已运行的CFB锅炉中，发现炉膛四角区域和一般水冷壁磨损问题相当严重，因之停炉的比例很高。磨损部位不仅只在卫燃带以上两米以内，而且还出现在更高位置。其特点是磨损位置不固定，究其原因主要有以下几点： 3.2.1角落区域内沿壁面下流的固体物料浓度较高，同时流动状态易受到改变。 3.2.2汇集在四角区域的颗粒比在一侧水冷壁边的颗粒对金属表面碰撞造成冲击磨损的机会大。 3.2.3由于流化不良或局部射流所引起的磨损。风帽因磨损损坏后，在密相区就产生局部高速射流，射流卷吸的床料颗粒便对较高位置的水冷壁受热面形成直接冲刷而导致磨损。四、超音速电弧喷涂的基本原理和技术特点超音速电弧喷涂的基本原理是燃烧于丝材端部的电弧将均匀送进的丝材熔化，经过特制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均匀的粒子，喷向工件表面形成机械锚固的紧密结合涂层。因具有以下工艺特点而特别适用于锅炉管壁的保护喷涂。 ⑴粒子飞行速度高，与基体结合好。 ⑵沉积效率高，涂层组织致密。 ⑶电弧稳定性高。 ⑷喷涂基体不存在热变形。 ⑸一次喷涂涂层被磨蚀掉后可以二次进行喷涂。五、超音速电弧喷涂的基本参数粒子速度≥470m/s 涂层孔隙率≤0.9% 基体温度≤80℃ 六、喷涂涂层的要求及喷涂材料的选择 6.1对喷涂涂层性能的要求 CFB锅炉的磨损机理决定涂层应该具有以下性能： 6.1.1具有高耐磨性 6.1.2具良好的延展性 6.1.3应该具有一定耐腐蚀性 6.2材料选择热喷涂技术发展到现在，应用超音速电弧喷涂方式喷涂一层耐磨涂层，都可以达到工件的防耐要求，由于各种喷涂方式的工艺性限制，超音速电弧喷涂粉芯材料是最佳的解决方法。根据CFB锅炉的磨损机理，为此我公司采用超音速电弧喷涂TS70HRC超硬耐磨喷涂丝材的耐磨涂层进行施工，经各项实验技术指标测试，该材料各项防磨指标均高于国内同类喷涂丝材，完全能满足CFB锅炉防磨技术的要求。 6.3涂层成分 TS70HRC超硬耐磨喷涂丝材材成分:采用Cr(25～30%),Ni(10～15%)B(5～6%),为纳米陶瓷硬质相团聚粉芯丝材。 6.4涂层性能现对我公司选用的TS70HRC超硬耐磨喷涂丝材(NiCrB-Cr3C2)采用超音速电弧喷涂所制备的涂层作出以下描述： 6.4.1具体微观结构为 Cr3C2及其在喷涂过程生成物的混合相作为硬质点，相当于涂层结构中的骨架；NiCrB具有良好的延展性及耐腐蚀性，作为硬质点的载体。硬质点镶嵌在载体中，在载体中均匀分布。 6.4.2耐磨性要求 Cr3C2及其在喷涂过程生成物的混合相作为硬质点，成为涂层结构中的骨架，受到冲蚀质点冲击。众所周知铬的碳化物具有相当高的硬度，完全能够满足耐磨性的要求。 6.4.3延展性要求铬的碳化物具有相当高的硬度，但热胀系数与基体相差很大，这就要求载体应具有良好的延展性，也就是具有与基体相近的热胀系数。NiCrB作为载体加上打底层（NiAl）的过渡保证了整个涂层的延展性，在温度不断变化过程中不开裂。 6.4.4耐腐蚀要求涂层在烟气中具有腐蚀性介质的条件下工作，NiCrB具有良好的抗腐蚀性，保证不会因为载体的腐蚀而造成硬质点的失效脱落，从而直接影响涂层的耐磨性能。七、超音速电弧喷涂设备与技术说明 TS500型超音速电弧喷涂设备由电源箱、送丝机构系统喷枪、空气压缩机等设备组成，该技术是我公司通过引进先进设备和技术开发的热喷涂新技术，被美国、日本等发达国家列为二十一世纪表面工程关键技术。该喷涂技术采用两根金属丝材同时送进电弧喷枪产生电弧熔化，经拉伐尔喷嘴加速后的超音速气流将喷涂材料雾化为粒度细小、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，其结合强度可达63.5MPa以上。与普通电弧喷涂和火焰喷涂相比，超音速电弧喷涂具有更高的粒子飞行速度、更强的结合强度、更低的孔隙率、涂层均匀度高、致密性好，且喷涂粒子到达工件表面时温度不到80℃，工件不会变形，可获得高质量的涂层。八、喷砂设备与技术说明 8.1喷砂对基体表面的作用 8.1.1清洁表面：去除被喷表面的各种污染物，特别是油脂、污垢、氧化皮、锈、腐蚀物。工作面清洁度达到GB8923-88《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》中规定的Sa3.0级。 8.1.2表面喷砂：热喷涂涂层与基体的结合以机械结合为主，这就要求基体前处理不仅要除油除锈，还要粗化表面，使用面具有一定的粗糙度。表面粗糙度达到GB11373-89《热喷涂金属件表面预处理通则》中规定的Rz60～90μm，对管壁厚度不会造成任何损伤。喷砂处理的目的： a)增大喷涂层与基体的接触面积，提高结合面的粘合吸附力。 b)增加涂层材料与基体表面的相互嵌合、咬合，起到“锚钩”作用，以加强涂层与基体的附着力。 8.2活化表面喷砂给喷涂提供了活性表面能力：如晶格缺陷、塑性变形，产生一定的应力状态，以利于增加喷涂粒子与基体表面附着力，提高喷涂颗粒与基体的微冶金结合能力。活化效果分析如下： 8.2.1喷砂使工件表面在经过砂粒的反复打击后形成一定的残余压应力，尽管该应力数值极小，但对于松驰工件在喷涂过程中涂层热应力，对提高涂层的结合强度有利，同时也可以提高工件的疲劳强度。 8.2.2喷涂可除去工件表面上的有机污染物和氧化层，并能增大金属表面晶粒的塑性变形和造成晶格缺陷，使基体表面处于容易发生化学反应的状态，有助于喷涂颗粒与基体表面间的物理化学结合強度。 8.2.3喷砂说明：喷砂只是喷除表面的污杂物，其喷除管壁厚度≤15μm，此厚度最薄，对整个管壁厚度不会产生影响，其次喷砂作业不会产生对管壁的拉裂和吹损，喷砂作业是均匀进行的，整个表面的厚度减损是一致的，综上所述喷砂作业只是对炉管达到干燥、清洁、活化表面，提高涂层结合强度一种最行之有效方法，不会损伤管壁厚度。所以工件喷涂前进行喷砂处理是极为必要的。而且喷砂后的工件应尽快进行喷涂，时间越短表面活化效果越好，涂层质量越高。九、喷涂涂层的基本参数涂层结合强度≥55Mpa 涂 层 厚 度≥0.6～0.8mm 涂 层 硬 度≥65HRC 涂层孔隙率≤0.9% 基 体 温 度≤80℃ 抗高温氧化性：6.35mg/cm2(750℃氧化250小时) 热膨胀系数：12.5×10-6 传 热 系 数：34～38w/m.k