通用CFB防磨技术设计

循环流化床锅炉受热面防磨防腐超音速电弧喷涂

工程技术设计

循环流化床锅炉，由于炉型结构和设计参数等特点，水冷壁等受热面部位运行工况条件极为恶劣，长期遭受高速高温高含尘烟气的不均匀冲刷、磨损和腐蚀，尤其在炉墙上部水冷壁局部区域存在引起严重磨损的涡流效应和切割效应等，极易被严重磨蚀减薄，极易造成泄漏和爆管事故。为确保锅炉安全、稳定、经济运行，采取防护措施是十分必要的。根据全国各地电厂的防护情况，针对CFB锅炉运行的具体情况、工艺参数及失效机理，结合我公司长期从事该行业的实际施工经验，经我公司工程技术人员认真分析，对该部位的防护方案进行了技术设计，采用本技术进行防护能获得很好的效果，可大大延长设备的使用寿命。

一、失效分析

CFB 锅炉炉膛水冷壁等受热面部位，失效的主要原因是受到高速高浓度含床料、燃料气流的强烈冲刷磨损，局部区域存在严重的涡流效应和切割效应，其次还伴有烟气的高温腐蚀。

管壁的磨损是与气流中固体物料浓度、烟气速度、颗粒的特性硬度和流道几何形状等密切相关。据有关研究资料表明，磨损与烟气流速的3.6次方成正比，与含尘浓度成正比，而在CFB锅炉中，固体物料的浓度巨大，通常可达煤粉炉的几十倍到上百倍，并且烟气流速大，颗粒硬且棱角尖锐，因而在高速烟气的带动下，对水冷壁等受热面部位的冲刷磨损极为严重；涡流效应是在炉膛四角和卫燃带顶部等区域水冷壁管因受一次流态风和二次干扰风复合作用所致，导致对管壁的局部磨损尤为明显；切割效应体现在卫燃带顶部平台上方水冷壁处，当煤渣等固体颗粒以较高速度下降到该平台时，产生反弹，其中往水冷壁侧反弹部分对水冷壁管产生切割效应而导致严重磨损。

其次还易受到高温氧化和硫酸盐及硫、硫化物的热腐蚀。水冷壁管具备了高温氧化和高温腐蚀条件，其烟气温度高，且是富氧燃烧，实践证明，在300℃以上，管外表温度每升高50℃，腐蚀速度增加1倍。锅炉在运行过程中受热面管表面首先发生高温氧化，表面生成Fe2O3，其次燃料灰中的Na2O和K2O与烟气中的SO3化合生成硫酸盐，其捕捉飞灰形成结渣和流渣，此时烟气中SO3与M2SO4同管壁上的Fe2O3反应生成复合硫酸盐MFe（SO4）2或M3Fe（SO4）3，此复合硫酸盐受高温又分解为疏松状氧化铁和硫酸盐沉积层，易被飞灰气流冲蚀带走，氧化腐蚀继续向管壁纵深进行；另外燃料中硫份，

经燃烧生成的S和H2S也对管壁会产生强烈的腐蚀，与Fe反应生成FeS。

在上述多重因素共同作用下，水冷壁部位从外向内不断地被冲刷、磨损和氧化、腐蚀，使之逐渐变薄，当局部承受不了管内水汽压力时即造成爆漏而失效。

二、涂层设计

针对上述受热面部位失效机理及大多数厂家实际使用和磨损情况，我们建议采用超音速电弧喷涂技术，选用HDS-955金属合金丝材制作打底层以提高基材与防磨层的结合强度，同时选用耐冲刷磨损和抗高温氧化性能俱佳的金属合金丝材HDS-99制作工作层，涂层表面则选用KM型高温耐磨防腐专用封孔剂进行封孔，由此制得的复合涂层进行防护能满足防护要求。

三、超音速电弧喷涂技术简介

超音速电弧喷涂是我公司通过引进先进设备和技术开发的金属热喷涂新技术，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55MPa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、且喷涂工件不变形，可获得高质量的涂层。

四、复合涂层技术指标

1 HDS-955合金丝涂层

丝材主要成份：Ni≥ 95%

厚度：0.1mm

孔隙率：≤0.9%

结合强度：≥70MPa

2 HDS-99金属合金丝材涂层

丝材主要成份：Ni、Cr、Cr3C2及Ti等微量元素

厚度：0.6mm

粒子速度：386m/s

结合强度：≥55MPa

硬度：≥69 HRC

孔隙率：≤0.9%

基体温度：≤120℃

工件变形性：不变形，不改变母材表面金相组织及理化性能

3高温耐磨防腐专用封孔层

主要成份：纳米氧化锆、纳米氧化铝、氧化铝微粉，氮化硼微粉等

工作温度：1000℃

耐磨性：≤10mg/1000r

结合强度：≥6 MPa

厚度：0.05-0.1mm

HDS-955+ HDS-99+ KM型高温耐磨防腐专用封孔剂

复合防护层厚度：0.6-0.8㎜

五、HDS-99金属合金丝材说明

超音速电弧喷涂采用硬度特别高、耐磨损和抗高温氧化腐蚀性能优异的HDS-99金属合金丝材，其主要成份包括Ni、Cr、Cr3C2及Ti等微量元素，其中所含的Ni元素具有良好的延展性，使涂层与锅炉管有着几乎相同的热膨胀系数，避免了由于热应力引起的涂层开裂和剥落；Cr3C2是一种优良的金属陶瓷，在高温下化学性能稳定，硬度高、耐磨性好，且具有一定的拒高温融熔玻璃体附着性能即抗结焦性能；材料中还佐有Ti 等元素，帮助进一步改进涂层性能，提高耐高温氧化、抗热腐蚀等方面性能；所含自融性介质，较一般合金更易雾化，参与制作的涂层细腻，孔隙率低，是所有金属陶瓷中应用于制作高温涂层的最佳选择。喷涂完后由于涂层中还含有残留的部分自融性材料，涂层运行一段时间后，由于受热而与基材间形成了一种亚冶金结合结构，从而结合强度更高，特别耐磨。该金属合金陶瓷材料热膨胀系数与锅炉钢系数相近，故在冷热交变的工况下，不会出现起皮、开裂等现象，结合牢固；其热导率与锅炉钢材料热导率相近，且厚度不超过1.0mm，因此不会影响传热效果。

六、KM型高温耐磨抗蚀专用封孔剂说明

KM型高温耐磨抗蚀专用封孔剂系采用超硬新材料，合成新工艺，以及粒子的配级等技术精心加工、配制而成，在常温下可快速固化，高温下形成坚硬的陶瓷体。其高温耐磨性好，导热系数大，抗蚀性强，与金属表面粘结具有极强的吸附性和热震稳定性，不脱落、不出现裂纹等特点。用其对金属热喷涂涂层表面进行封孔，能有效渗透、浸湿涂层孔隙，并在高温下逐渐陶瓷化，使整个涂层更致密，阻止介质中的有害成份通过微小的涂层隙进入涂层内部，能获得有效封闭毛细孔的效果。