超音速电弧喷涂技术在水冷壁管防护中的应用
李运波,陈 勇
热电技术
摘 要：采用超音速电弧喷涂工艺,对150t/hCFB锅炉水冷壁管进行了抗冲刷性能强.已运行四个月,喷涂层未发现明显磨损,有效地延长了CFB锅炉的运行周期。
关键词：超音速电弧喷涂；水冷壁管；冲刷磨损
1 前言
河北金牛能源股份有限公司矸石热电厂扩建的150t/h的循环流化床锅炉和2.5万kW的汽轮发电机组,于2005年10月投入运行。2005年11月9日,150t/h锅炉因水冷壁管爆管,停炉检修1次,而一期工程的4、5、6号炉更是每月频繁爆管,给热电厂的连续运行和安全生产带来了极大危害。
2 水冷壁管磨损失效原因分析
2.1 锅炉水冷壁管简介
150t/hCFB锅炉炉膛由膜式水冷壁管组成,炉膛截面为矩形。前、后墙各设有96根,左、右墙各设有48根,另外四角各有1根,共288根水冷壁管。水冷壁管规格为Φ60×5mm ,材质为20G。相邻2根水冷壁管之间焊有鳍片,规格为20mm×6mm。炉膛下部水冷壁管表面敷有浇注料,作为炉膛的密相区,为燃料燃烧提供一个场所。在卫燃带浇注料过渡区水冷壁管处,锅炉厂采用了改进后的让管设计,虽然可减轻磨损,仍然不能满足抗蚀防磨的要求,爆管依然频繁。
2.2 磨损失效原因分析
CFB燃烧是一种在炉内使高速运动的烟气与其所携带的湍流扰动极强的固体颗粒密切接触,并具有大量颗粒返混的流态化燃烧反应过程;同时在炉外将绝大部分高温的固体颗粒捕集,并将它们送回炉内再次参与燃烧过程,反复的组织燃烧。锅炉内的固体物料(包括燃料、残碳、灰、脱硫剂等)经历了由炉膛、分离器和返料装置所组成的外循环。同时由于中间风速高、四周风速低,固体物在中间高速气流的带动下,向上运动到一定高度,在重力等因素的影响下,固体物料沿四周下降形成面壁回流,形成炉膛内循环。由此可见,CFB锅炉内的固体物料参与了高速度、高浓度、高通量的流态化循环过程。在炉膛内,在一、二次风的作用下,烟气伴随着固体颗粒冲向炉顶后,固体颗粒在重力等作用下沿水冷壁管向下回流,使水冷壁管得到正常均匀磨损(如图1所示面壁回流)。当面壁回流的固体颗粒遇到凸台而突然改变方向,即形成旋涡状涡流时,在涡流形成处的局部水冷壁管得到剧烈冲刷磨损,严重的2~3个月就可能磨穿水冷壁管(如图1所示涡旋物流)。大大小小的凸台是造成水冷壁管涡流磨损的重要原因。
炉膛卫燃带浇注料过渡区上部水冷壁管位于密相区边区,不但受到严重的高速高浓度含床料、燃料气流的强烈冲刷、磨损,而且存在严重的涡流效应和切割效应,而切割效应产生的主要原因是由于卫燃带的顶部提供了一个平台,当物料以较高的速度下降到该平台时,产生反弹,对水冷壁管就产生了切割效应。因而管壁逐渐磨损以至失效,当局部承受不了管内水汽压力时,就可能造成爆破和泄漏。
3 水冷壁管防护工艺
根据以上对CFB锅炉水冷壁管磨损失效的原因分析,要防止或减慢磨损,宜对水冷壁敷涂一层特殊的耐磨涂层,且该涂层必须具备极高的硬度、良好韧性和结合强度,以及在相应温度下有较强的耐磨蚀性能。为了满足这种性能要求,经广泛比较和考察认证,决定采用超音速电弧喷涂(喷涂丝材:金属陶瓷)工艺制作防护涂层。其涂层与水冷壁管基材的相关特性指标见表1。
3.1 超音速电弧喷涂原理
超音速电弧喷涂原理示意图见图2
超音速电弧喷涂是最新开发的防腐耐磨涂层新技术。该涂层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,其结合强度可达45MPa以上,涂层硬度可达HRC67。其特点为:超音速电弧喷涂是直接用电能转化为热能来熔化金属,热能利用率高达60%~70%;电弧喷涂的生产效率高、操作简单。超音速电弧喷涂设备没有复杂的操纵机构,只要把工作电压、电流根据喷涂材料的不同,选在规定范围内,均可保证喷涂质量,而且仅使用电能和压缩空气,安全可靠。涂层表面的孔隙率普遍低于1%,提高了涂层的耐磨、耐蚀性能,不伤害基材。从火焰喷涂和超音速电弧喷涂的技术原理和技术特点来看,超音速电弧喷涂不需加热基材,不伤害基材。
3.2 喷涂设备
空压机、喷涂机、喷砂罐、喷枪及各种管线等。在炉膛脚手架上现场施工。
3.3 喷涂材料简介
金属表面喷涂能防止磨损和腐蚀有两方面的原因:涂层的硬度可能较基体的硬度更大;涂层在高温下会产生致密、坚硬和化学稳定性更好的氧化层,且氧化层与其基体结合得更牢。后一原因更重要。喷涂丝材-金属陶瓷的主要成分:Al2O3-TiB2。
3.4 工艺流程
a. 表面预处理:首先清除水冷壁管上的浮灰、渣、垢等杂质。
b. 喷砂作业:用喷砂机对工作面进行喷砂处理,达到表面干燥,去除杂物灰尘、油脂、污垢和锈斑,且粗糙度达到Sa3。
c. 喷涂作业:对喷砂后的工作面进行喷涂作业。防磨部位采用金属陶瓷丝材作喷涂材料,对工作面喷涂6~8遍,保证涂层厚度达到0.6~0.8mm,涂层表面要求平整、光洁、致密、不起皮和鼓泡,基材不变形,孔隙率低于0.9%。
d. 预测厚度:用测厚仪对表面涂层进行测量,保证涂层厚度均匀,并达到规定要求。
3.5 使用效果说明
在150t/h循环流化床锅炉投运试车前,为了增强水冷壁管的抗磨损能力,提高150t/h循环流化床锅炉运行周期,经过有关人员的论证和分析,决定在炉膛卫燃带与水冷壁管过渡区以上600mm和浇筑料层内400mm内,分离器进口、分离器隔墙、分离器出口顶板和高温过热器底部易磨部位采用超音速电弧喷涂进行防磨保护。如图3所示。
1号锅炉实施超音速喷涂后的运行参数:平均蒸发量150~160t/h ,床体温度920℃,返料温度909℃,一次风量110000m3/h (标态),风压10.3kPa,二次风量55000m3/h (标态) ,风压7.6kPa ,返料风量2600m3/h (标态),返料风压12kPa ,料层差压8.0kPa,炉膛差压<1000 Pa。150t/h锅炉连续运行90天以后,计划停炉检查发现,在超音速电弧喷区水冷壁表面涂层光滑,无剥落和裂纹,在超音速电弧喷涂与基材过渡区过渡平滑,没有出现凸台和明显的磨损。如图3所示防磨圈梁。
2.6 涂层验收
用该涂层具有以下优点:表面预处理彻底,保证了涂层的结合力;涂层厚度均匀;涂层与基材过渡区过渡平滑,没有出现凸台,涂层出现没有脱落现象。
3 结论
超音速电弧喷涂技术有效地提高了循环流化床锅炉水冷壁的耐磨蚀性能,可大大减轻水冷壁管的磨损,有效地延长了CFB锅炉的运行周期。经过喷涂后,已运行四个月喷涂层未发现明显的磨损。根据3、4、5、6、号锅炉的运行情况,每两个月泄漏三次计算,每次发生的费用和损失按六万元计算,四个月就节省36万元左右,每年节省的费用就达100万元左右。由于电厂还担负向市区供热的任务,保证锅炉的连续运行,更能取得良好的社会效益。
图略
参考文献略
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