求4xJn電站鍋爐管道的高溫沖蝕磨損機理及防護技術？？

等離子噴涂 近年來，國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，使其對電力的需求日益劇增，特別是南方一些經(jīng)濟發(fā)達城市，在炎暑的用電高峰期拉閘限電現(xiàn)象頻頻發(fā)生。為滿足國民經(jīng)濟發(fā)展對電力的需求，全國各地興建了不少電廠，舊電廠也紛紛進行擴容改造。隨著越來越多的高參數(shù)、大容量機組投入運行，鍋爐受熱面的運行工況更為苛刻。我國目前還是一個以火電發(fā)電為主的國家，為使煤炭資源得以充分合理的利用，在電站鍋爐中大量使用高含灰量的劣質煤，隨著灰分不斷升高、熱值不斷降低，鍋爐受熱面產(chǎn)生磨損、積灰、結渣、腐蝕等一系列問題，受熱面使用壽命降低，鍋爐管道爆漏現(xiàn)象頻繁。解決鍋爐“四管”爆漏問題的可行途徑，就是使用各種具有防磨性能的涂料技術和金屬表面熱處理技術。幾十年來，國內外對各種防磨技術進行了大量的試驗、研究和應用，并已取得顯著成績。
根據(jù)１９９２年我國火電設備事故的統(tǒng)計表明，當年鍋爐事故占全部發(fā)電事故的５６％，而鍋爐“四管”爆漏事故卻占到了全部鍋爐事故的６４．２％之多。其中，飛灰沖蝕磨損是引起對流受熱面爆漏，威脅燃煤鍋爐安全運行的主要原因之一。因此，開發(fā)抗高溫沖蝕磨損材料，對改善鍋爐對流受熱面高溫沖蝕磨損抗力具有現(xiàn)實的工程意義。本文在等離子噴涂闡述電站鍋爐管道高溫沖蝕磨損機理以及國內外對防磨涂層的研究和應用進展的同時，將通過試驗對金屬材料表面熱處理這一技術是否能增加鍋爐管道材料的抗高溫沖蝕磨損力進行驗證。
１ 電站鍋爐管道的高溫沖蝕磨損機理
１．１ 材料的沖蝕磨損
磨損和腐蝕是十分普遍的物理現(xiàn)象。被動的磨損和腐蝕會使材料的功能逐漸喪失，以至于失去使用價值，造成巨大的經(jīng)濟損失。表現(xiàn)在電站鍋爐的管道上，就是產(chǎn)生“爆管”現(xiàn)象。但是磨損和腐蝕是有規(guī)律可循的，掌握其某些特定規(guī)律，對研究電站鍋爐的高溫沖蝕磨損，以及進行有效的防磨措施，具有一定的意義。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)破壞的一種磨損方式。粒子直徑一般小于１ ｍｍ，沖擊速度在５５０ ｍ/ｓ以等離子噴涂內。沖蝕磨損行為受到很多因素的影響,倉儲貨架，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（硬度、形狀、尺寸）等等。在高溫下材料的力學性能會比冷態(tài)下發(fā)生一些變化，同時材料表面也會發(fā)生高溫氧化和熱腐蝕。因此，材料的高溫沖蝕磨損行為是沖蝕/氧化和沖蝕/腐蝕交互作用的結果。
１．２ 電站鍋爐管道的高溫沖蝕磨損機理
相當多的研究表明，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，再熱器和省煤器管道容易發(fā)生飛灰沖蝕磨損。所以，飛灰沖蝕磨損是電站鍋爐管道失效的最主要的原因之一。而在冷態(tài)下飛灰對鍋爐管道的沖蝕磨損已有較多的研究，因此，本文將重點介紹在高溫下電站鍋爐管道的沖蝕磨損。
飛灰沖蝕磨損是一項氣固兩相流與金屬摩擦理論相交叉的綜合性課題，金屬材料的沖蝕磨損量是一個受工作環(huán)境影響的系統(tǒng)參數(shù)，它一般受以下參數(shù)的影響：一是環(huán)境參數(shù)。包括沖刷角、飛灰顆粒速度及濃度、沖蝕時間、環(huán)境溫度。二是顆粒特性。包括粒度、形狀、硬度、密度、飛灰的化學特性及顆粒組成。三是靶材性質。包括機械性能及熱物理等離子噴涂性能。這三方面因素是互相影響的。
在飛灰沖刷角度對鍋爐管道沖蝕磨損影響的試驗研究中得出：不同角度的沖蝕磨損會出現(xiàn)一個峰值，最大沖蝕磨損率對應的角度都在２０°～２５°之間。過了該峰值以后，沖蝕磨損率隨著飛灰沖刷角度的增大，管道材料的磨損率較少，并且都在９０°附近發(fā)生最小沖蝕磨損；鍋爐受熱面撞擊率隨飛灰直徑的增大而增大，顆粒小于４０ μｍ的灰粒，隨氣流運動受到管子阻擋時，灰粒和氣流一起繞過管子，幾乎不產(chǎn)生磨損作用；而大于４０ μｍ的顆粒質量較大，由于較大的慣性，對管子產(chǎn)生磨削作用，并導致磨損量的增加，且磨損量與灰粒直徑的平方根成正比。根據(jù)灰粒磨損的基本原理，當灰粒的硬度大大低于金屬硬度時，基本不產(chǎn)生磨損，而飛灰的摩式硬度平均值為７．１，相當于石英的硬度。正因為飛灰具有石英的近似硬度，所以它對管道的不斷撞擊，造成磨損的加劇；飛灰的密度越大則慣性沖擊率就越大，因此飛灰的密度對磨損狀況的影響也不能忽視。
在溫度對鍋爐管道沖蝕磨損影響的試驗研究中得等離子噴涂出：在達到一個臨界溫度之前磨損量隨溫度上升而增加，隨后當溫度進一步上升時，磨損量遞減。而且磨損量的峰值隨著粒子沖擊能量的增加而偏向于更高，其磨損率也同時增大，合金抗氧化性能越強，其峰值越偏向于較高溫度。提到溫度，就不能不提到金屬氧化膜。一般來講，常溫下氧化膜非常薄，但在高溫時，氧化膜厚度會大大增加，且溫度越高，厚度呈指數(shù)規(guī)律增大，起到保護基質的作用，使金屬表面抗磨損能力增強。但是隨著溫度的繼續(xù)升高，由于氧化膜和金屬基質的熱膨脹系數(shù)不同，在某臨界溫度下，氧化膜會產(chǎn)生裂紋而剝落，由此導致磨損量迅速增大。
通過以下途徑可以解決鍋爐管道的飛灰沖蝕磨損問題：一是使用高品質燃煤，減少飛灰中ＳｉＯ２等硬質顆粒的數(shù)量；二是改變鍋爐管道的結構以減少飛灰對管道的沖擊、磨損；三是定期檢查、更換鍋爐管道；四是使用各種耐高溫沖蝕磨損/腐蝕的熱噴涂層；五是對鍋爐管道易腐蝕的部位進行熱處理。由于高溫沖蝕過程是爐管材料表面的行為，最經(jīng)濟可行的兩種辦法就是熱噴涂和熱處理防護技術。
２ 熱噴涂防護技術
２０世紀８０年代，美國的ＴＡＦＡ公司開發(fā)的４５ＣＴ材料采用電弧噴涂技術，其技術的實用性比較強，特別適合于現(xiàn)場施工，得到了廣泛的應用；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，采用等等離子噴涂離子噴涂７５Ｃｒ３Ｃ２ /２５ＮｉＣｒ和Ａｌ２Ｏ３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＋火焰絲材噴涂技術先后對過熱氣管道噴涂Ｋａｎｔｈａｎｌ Ｍ合金，其耐熱腐蝕和抗沖蝕性能遠優(yōu)于Ｍｅｔｃｏ多層涂層；美國Ｍｅｔａｌｓｐｒａｙ公司在９０年代初用ＨＶＯＦ（超音速火焰噴涂）制備的ＤＳ―２００（７５Ｃｒ３Ｃ２/２５ＮｉＣｒ）抗沖蝕涂層，已用于電廠燃煤鍋爐、流化床鍋爐爐管高溫沖蝕磨損防護，９０年代末該公司又推出高速火焰電弧噴涂涂層新技術，即ＣｏｍＡＲＣ（高速火焰電弧噴涂工藝）噴涂Ｄｕｏｃｏｒ涂層，顯著降低了涂層的空隙率，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對易腐蝕部位采用火焰噴涂和電弧噴涂進行防護，而對高溫沖腐蝕磨損的研究尚少。
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，涂層與基體結合強度較高，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）等技術制備涂層。
陶瓷涂層具有較好的抗高溫沖蝕性能，但噴涂工藝復雜，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。
由于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合材料涂層（ＭＭＣ），即在塑性的基體上均勻地分布著顆粒等離子噴涂形狀、尺寸大小適當?shù)挠操|陶瓷相，從而獲得較好的全攻角抗沖蝕磨損性能，有良好的應用前景。
國外已有采用ＨＶＯＦ或等離子噴涂Ｆｅ－Ａｌ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Ｆｅ３Ａｌ合金和Ｆｅ３Ａｌ/ＷＣ復合材料，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。例如天津大港發(fā)電廠等采用了這種新工藝對鍋爐管道進行了大量的電弧噴涂防腐耐磨防護施工，取得了良好的應用效果。云南省的小龍?zhí)峨姀S目前也準備嘗試這項新技術。
３ 熱處理防護技術
３．１ 熱處理的方式及優(yōu)點
在先前的工作中對金屬試件分別進行了離子Ｃ－Ｎ共滲和離子氮化表面熱處理。這兩種熱處理的優(yōu)點是：滲層均勻性好、容易控制，無晶界氧化，試件的耐磨性、抗疲勞強度較普通試件高。在下一步的工作研究中，將通過試驗來驗證表面熱處理技術是否能增加管道的抗沖蝕磨損性。
３．２ 試驗裝置系統(tǒng)
本試驗是在熱態(tài)飛灰沖蝕磨損實驗臺上進行的，該試驗裝置系統(tǒng)見圖１。
在實驗系統(tǒng)中，氣源由空氣壓縮機供給。氣體流量大小由轉子流量計兩端的閥門控制。試驗用灰經(jīng)稱重后裝入灰斗，給灰量由葉輪式給粉裝置來控制。給粉裝置的葉輪是由調速電機經(jīng)減速器帶動的。壓縮空氣和灰粒子在混合室混合后進入加速管，灰粒子加速后以３０°沖角沖刷試件表面，加熱流體的熱量由加速管外的電加熱裝置提供，加熱試件的熱量則由另一專用的電加熱裝置提供。灰氣流流經(jīng)試件后，通過沉降式除塵器和布袋式除塵器凈化后排到大氣中。等離子噴涂具體的實驗數(shù)據(jù)將在日后的研究分析中給出。
４ 結語
（１）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。
（２）采用熱噴涂技術，能有效地控制高溫沖蝕磨損。涂層防護技術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。
（３）表面熱處理技術，是一種新型的、潛等離子噴涂在的防治鍋爐管道沖蝕磨損的新技術，其防護效果尚需進一步的試驗驗證