电站锅炉管道高温冲蚀磨损和涂层防护技术

腐蚀、磨损和防护一直是各工业领域中倍受关注的课题。我国是一个以火力发电为主的国家为使煤炭资源得以充分合理地利用，在电站锅炉中大量使用高含灰量的劣质煤。因此电站锅炉管道常因发生高温冲蚀磨损和热腐蚀，使管壁非正常减薄而过早失效a.锅炉“四管”爆漏事故是长期困扰火电站的一个可行途径就是使用各种具有防腐耐磨性能的涂层技术。几十年来，国内外对电站锅炉的高温冲蚀、热腐蚀、高温氧化机理和涂层防护技术进行了大量试验、研究和应用w，并已取得显著效果。本文在分析电站锅炉管道高温冲蚀磨损行为基础上，综述国内外用于电站锅炉管道高温抗冲蚀防护涂层的研究和应用进展，以阐明涂层防护技术在电站锅炉防腐耐磨综合治理中巨大的应用潜力。
　　1电站锅炉管道的高温冲蚀磨损1.1材料的冲蚀磨损冲蚀磨损是指材料受到小而松散的流动粒子冲击时表面出现破坏的一种磨损形式。粒子直径一般小于1mm冲击速度在550m/s以内。冲蚀磨损行为受到许多因素的影响，如基体材料的强韧性、温度、粒子冲击的参数角度、速度、流量等）冲击粒子的性质颇度、形状、尺寸等）室温下的材料冲蚀机理已有较多论述H，而材料的高温冲蚀机理比较复杂，在高温下材料的力学性能将发生改变，同时材料表面结构和状态也会发生变化（高温氧化或热腐蚀）因此，材料的高温冲蚀磨损行为是冲蚀/氧化或冲蚀/腐蚀交互作用的结果吣1.2电站锅炉管道的高温冲蚀磨损研究表明46，电站锅炉的水冷壁、过热器管道受热面容易发生煤灰沉积引起的热腐蚀和飞灰造成的高温冲蚀磨损，再热器及省煤器管道容易发生飞灰冲蚀磨损。飞灰冲蚀磨损是电站锅炉管道失效的主要原因之一。
　　电站锅炉燃烧的煤多为炱煤或混合煤，煤粉燃烧形成的高温烟气中，含有C2、CO、H2S、S2、HCl和飞灰。飞灰尺寸为2~500和10"~20"Fe20）/Al203等组成。灰分中高熔点硬质颗粒主要为SiO！）则会加剧炉管表面飞灰冲蚀磨损。
　　过热器弯头迎风面烟气温度为80012007，飞灰冲击炉管的平均速度为1540m/：，管内进出口过热蒸汽温度为4905407炉管表面温度达6507，管壁结焦时可达750 7，过热蒸汽压力达1417.P.过热器管道对流受热面在上述工况下极易遭受高温冲蚀/氧化和高温腐蚀。省煤器受到4505507、流速710m/s的煤粉燃烧尾气夹带飞灰的长期冲蚀磨损溶易发生管壁减薄而引发爆管。
　　通过以下途径可解决锅炉管道的飞灰冲蚀磨损问题：d）使用高品质燃煤减少飞灰中Si2等硬质颗粒的数量；G）改变锅炉管道的结构以减轻飞灰对管道的冲击、磨损；d）定期检查、更换锅炉管道；d）使用各种耐高温冲蚀/腐蚀的热喷涂涂层。由于高温冲蚀过程是炉管材料表面的行为，显然最经济可行的方法就是采用热喷涂防护技术。
　　2高温抗冲蚀防护涂层的性能要求电站锅炉管道是在苛刻的高温冲蚀/腐蚀环境下工作的，因此要求其涂层体系具有优良的抗冲蚀磨损能力和耐腐蚀、抗氧化性能。总的来说，涂层体系应满足下列性能要求e：d）优良的抗高温冲蚀性能。要求涂层具有较高的高温氧化环境下抗飞灰冲蚀磨损性能。d）优良的耐热腐蚀性能。要求涂层具有较高的高温氧化、硫化气氛中的热腐蚀抗力。d）优良的抗热疲劳性能。由于锅炉在运行期间都有一定次数的停机，因此炉管的抗热疲劳性能是决定系统可靠性的主要因素之一。d）较高的基体结合强度和致密度。为防止涂层机械剥落，涂层与基体的结合强度应不低于20M>，孔隙率应小于5".d）良好的工艺性能。要求涂层制备工艺稳定、操作简便，尤其要便于锅炉管道的大面积现场原位施工。d）造价低廉的涂层材料。只有较低的成本才会带来较高的经济效益。
　　3高温抗冲蚀涂层的研究和应用针对锅炉管道高温冲蚀、热腐蚀、高温氧化行为及防护技术周内外进行了大量研究工作，优选出一系列适合不同类型锅炉工况的耐高温冲蚀/热腐蚀的热喷涂防护涂层。使用这些热喷涂涂层与双金属共挤压包覆炉管及堆焊耐蚀合金和表面渗铝、渗铬等防护技术相比具有施工费用低、灵活快捷、检测维护方便等特点。
　　20世纪80年代，美国TAFA公司把牌号为45CT的材料作为锅炉管道高温含硫气氛中的耐蚀耐磨防护涂层。英国在80年代开始进行热喷涂涂层防治锅炉管道的冲蚀和受热面腐蚀的小规模工业实验，采用等离子喷涂75C3C2/25NiCr和AI2O3作为抗飞灰冲蚀涂层，等离子喷涂50Cr/50Ni作为受热面耐腐蚀防护涂层。瑞典综合运用电弧+火焰丝材喷涂技术在80年代中期先后对过热器管道喷涂KanthalM合金，其耐热腐蚀和抗冲蚀性能优于Metco多层涂层。美国Metalspray公司在90年代初（超音速火焰喷涂）制备的DS-200（75C3C2/25NiCr）抗冲蚀涂层，已用于电厂燃煤锅炉、流化床锅炉炉管高温抗冲蚀磨损防护。90年代末该公司又推出高速火焰电弧喷涂涂层新技术，即ComARC（高速火焰电弧喷涂工艺）喷涂Duocor涂层显著降低了涂层的孔隙率，飞灰冲蚀抗力显著改善。目前我国只有少数大、中型火电厂和热电厂采用渗铝管取代低碳钢管或对易腐蚀部位采用火焰喷涂和电弧喷涂进行防护，而对高温冲蚀磨损的研究尚少。
　　国内外已开发出多种电站锅炉专用涂层，按涂层材料性质可分为金属涂层、陶瓷涂层、金属/陶瓷复合涂层（Mmc圾金属间化合物涂层（mc）3.1金属涂层金属涂层主要是Ni-Cr合金和Fe-Cr合金系列涂层其耐高温冲蚀能力与不锈钢相当，涂层与基体结合强度较高，抗热腐蚀、热疲劳性能较好，可通过火焰喷涂、HVOF、等离子喷涂、HVAS（电弧喷涂及高速电弧喷涂>等技术制备涂层。表1是一些典型的高温抗冲蚀金属涂层，其中的45CT、50Ni/50Cr和FeCr-Al涂层应用最广。
　　表1典型高温抗冲蚀金属涂层涂层牌号喷涂工艺涂层成份量百分比）等离子喷涂电弧喷涂等离子喷涂火焰喷涂3.2陶瓷涂层陶瓷涂层具有较好的抗高温冲蚀性能，但喷涂工艺复杂，成本较高，而且涂层表面容易出现裂纹，抗热疲劳性能不如金属涂层。目前实用的陶瓷涂层中国电力bookmark3多以Cr3C2、Cr203、Al203等为主，采用火焰喷涂或HVOF技术。表2是常用的3种高温抗冲蚀陶瓷涂层。
　　表2典型高温抗冲蚀陶瓷涂层涂层牌号喷涂工艺涂层成份量百分比）火焰喷涂3.3金属陶瓷复合涂层MC）材料的冲蚀磨损规律表明塑性材料如金属和合金）在大攻角下具有较好的耐冲蚀性能，而脆性材料如陶瓷材料）在小攻角下具有较低的冲蚀率吣飞灰对锅炉管道冲蚀的攻角为0~90.的所有角度，故单一的金属涂层或陶瓷涂层防护效果都不理想。近年来开发出新型的金属陶瓷复合材料涂层，即在塑性的基体上均匀地分布着颗粒形状、尺寸大小适当的硬质陶瓷相如Al23、CrC2、WC、TiC、TiB2等），从而获得较好的全攻角抗冲蚀磨损性能，有良好的应用前景。表3列举了一些典型的高温抗冲蚀金属/陶瓷复合涂层。
　　表3典型高温抗冲蚀金属陶瓷复合涂层涂层牌号喷涂工艺涂层成份重量百分比电弧喷涂3.4金属间化合物涂层flMC）有序金属间化合物是指以化学计量比的化合物为基、成份在一定范围内可变、在金属元素间威金属与类金属之间）形成的具有金属特性的合金相。Fe-Al系金属间化合物涂层有望在民用工业中应用。Fe-Al合金主要有B2结构的FeAl和DO结构的FeAl2种有序金属间化合物。这类合金具有优良的抗氧化和抗硫化性能、多种介质中的抗腐蚀性能、优良的抗高温冲蚀性能、较高的高温强度、较低的密度，而且不含责重合金元素，成本较低，是一种潜在的理想高温结构材料7.但因加工成型困难而限制了其工程应用。采用热喷涂方法制备Fe-Al金属间化合物涂层开拓了Fe-Al合金应用的新领域。国外已有采用HVOF或等离子喷涂FeAl金属间化合物涂层用于电站锅炉管道。我国现已研制出新型FeAl合金和FeAl/WC复合材料，采用HVAS工艺，有望大规模制备电站锅炉管道高温冲蚀磨损防护涂层9.表4是典型的高温抗冲蚀Fe-Al金属间化合物涂层。
　　表4典型高温抗冲蚀金属间化合物涂层涂层牌号喷涂工艺涂层成份量百分比）等孺子喷涂4结论a）电站锅炉的水冷壁、过热器、再热器及省煤器管道容易发生飞灰引起的高温冲蚀磨损。飞灰冲蚀磨损是电站锅炉管道失效的主要原因之一。a）采用热喷涂金属涂层、陶瓷涂层、金属陶瓷复合涂层及金属间化合物涂层等技术，能有效控制高温冲蚀磨损。涂层防护技术是解决锅炉管道高温冲蚀磨损问题的一个经济、可行的途径。a）Fe-Al系金属间化合物涂层具有优良的抗氧化、抗硫化、抗腐蚀性能，优良的抗高温冲蚀性能，成本较低，是一种潜在的理想锅炉管道高温冲蚀磨损防护涂层材料。