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鍋爐受熱面管的復合涂層防護的研究

文檔作者：聶銘林介東劉紅文董重里文檔來源：廣東省電力試驗研究所		點擊數：	更新時間： 2022年01月23日
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第18卷第4期
2005年4月
廣東電力
GUANGDONG ELECn UC POWER
Vo1．18 NO．4
Apt．2005
文章編號：1007-290X(2005)04-0009-03
鍋爐受熱面管的復合涂層防護的研究
聶銘，林介東，劉紅文，董重里
(廣東省電力試驗研究所，廣東廣州510600)
摘要：針對燃煤電站鍋爐因受熱面管子磨蝕嚴重，導致泄漏、爆管等而被迫停爐檢修的情況，開展了受熱面
管復合涂層防護技術的研究。根據受熱面管的形狀、工況條件和使用環境，對電弧噴涂工藝進行了探討，并對
若干適用于鍋爐抗高溫磨蝕的噴涂絲材所制成涂層的微觀組織結構、硬度、涂層結合性能、耐沖蝕磨損性能和
抗高溫腐蝕性能等進行了深入的分析。結論是以超音速電弧噴涂NiA1絲材作為結合底層，金屬一陶瓷材料或高
鉻材料作為功能層并輔以高溫封孔的復合涂層的制備技術，可以同時兼顧可靠性和經濟性。
關鍵詞：鍋爐；受熱面管；磨損；腐蝕；噴涂；復合涂層
中圖分類號：TGI74．442 文獻標識碼：A
Study on composite coating protection for heating surface tubes in boilers
NIE Ming，LIN Jie-dong，LIU Hong-wen，DONG Zhong-li
(Guangdong Power Test&amp;amp; Research Institute·Guangzhou 510600， China)
Abstract：A research on composite coating protection for heating surface tubes in boilers is made to prevent boilers from
being shutdown for maintenance due to the leakage and burst in severely worn and corroded heating surface tubes．As per
the shapes，ope rating conditions and environment of heating surface tubes，the procedures of electric arc spray coating are
approached。and a thorough analysis is given on the microstructure，hardness，binding ability of coating，erosion and
abrasion resistance capability as well as the high-temperature corrosion proof properties of the coatings made of several spray
wires suitable for bo iler hot corrosion resistance．It iS concluded that reliability and economic efficiency can bOth be ensured
by spraying NiA1 wire with supersonic electric arc as binding bottom，using metallic-ceramic material or hi【gh chromium
material as functional layer，and adopting composite coating preparing technique of high-temperature sealing．
Key words：bo iler；heating surface tube ；abrasion；corrosion；spray coating；composite coating
據統計，我國由煤生產的電力的份額約為
75％，而動力用煤質量偏劣，含灰量和含硫量均較
高。鍋爐的受熱面管(水冷壁管、過熱器管、再熱
器管、省煤器管——簡稱鍋爐“四管”)工作在高
溫、超高壓及受熱煙氣腐蝕及沖蝕的惡劣環境中，
極易產生高溫腐蝕及沖蝕磨損，致使管壁減薄。鍋
爐管壁因高溫腐蝕和磨損，減薄量約1 mm／a，更
有甚者可達到5～6 mm／a。據調查，我國燃煤火
力發電廠100 Mw 以上機組由于腐蝕和沖蝕使鍋
爐管壁減薄，導致當年鍋爐“四管”爆漏事故而造
成的停機搶修時間約占整個機組非計劃停用時間的
收稿日期：2004．11-10
40％左右，占鍋爐設備本身非計劃停機時間的
70％以上，給電廠帶來巨大的經濟損失。
美國TAFA公司開發的電弧噴涂45CT涂層
防護技術，防護涂層使用5年之后依然完好，9年
之后，無明顯磨損、腐蝕和剝落，已在美國、歐洲
等地得到廣泛應用。由于45CT材料是由55％Ni，
43％Cr，2％Ti組成的合金，其價格昂貴，加工困
難，不太適合我國國情，因而在我國的電廠應用方
面受到了一定的限制。針對上述情況，我們開發了
以超音速活性電弧噴涂NiA1絲材作為結合底層，
金屬一陶瓷材料或高Cr材料作為功能層，輔以高
溫封孔的復合涂層的制備技術，并將該復合涂層與
45CT絲材電弧噴涂涂層的熱膨脹系數、抗氧化、
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廣東電力 第18卷
抗腐蝕、耐磨損等性能作了比較。實驗結果表明，
研制的復合涂層性能與由45CT絲材制得的涂層性
能相接近，并且具有設備簡便、操作靈活、噴涂效
率高等特點，適用于水冷壁、過熱器、再熱器、省
煤器管子的噴涂防護，可解決管子高溫腐蝕或磨損
問題，有效地延長管子的使用壽命，提高鍋爐運行
的可靠性和經濟性。目前，該技術已應用于幾個電
站的鍋爐水冷壁、省煤器管的防護，初步使用效果
良好。
1 噴涂方法和復合涂層的制備
國外近年試驗研究結果表明，材料中鉻的質量
分數必須高于4O％，才能有效地防止熱腐蝕。由
于鉻的存在，材料可產生很好的抗硫化物、抗五氧
化二釩及抗其它由燃料生成的腐蝕介質的性能。其
原理是這些合金迅速地生成Cr2 03保護涂層，防止
生成硫化鎳。Cr203的生成既能降低鹽中的活度，
抑制氧化鎳堿性熔融，又不至于發生酸性熔融。
基于此機理， 目前應用于鍋爐抗高溫磨蝕的電
弧噴涂涂層的材料主要以Ni．Cr合金為基體，添加
少量Ti，Si，Mo，A1等合金元素，或者加入高溫
穩定性好、硬度高的陶瓷相，如Cr3C2等。在Ni．
Cr合金中，鉻是耐熱腐蝕最有效的合金元素，它
能在合金的表面上形成致密的Cr 03保護膜。
另外，選擇用于鍋爐省煤器管表面保護的涂層
材料時也要考慮如下因素：
a)熱膨脹率
涂層材料的熱膨脹系數與受熱面管材料2()號
鋼相似，相似的熱膨脹率會減少涂層在使用中的剝
落傾向。
b)脆裂
熱噴涂涂層的脆性比較大，任何脆性因素均會
破壞涂層的完整性，導致涂層的剝落，故必須要考
慮到因脆性導致破壞涂層完整性這種情況的發生。
鎳能很好地防止這類脆裂，所以我們選擇材料時，
鎳元素是要考慮的因素之一。
c)提高涂層結合力
熱噴涂涂層與基體間能達到最高的結合強度很
重要，涂層材料中添加 和Ti能大大提高結合
強度。
經過綜合分析，采用以下3種材料作為本次試
驗的研究材料：鐵基高鉻合金(ZS．F1)、NiCrFe．
Cr3C 合金(ZS．F2)以及鎳基高鉻合金(ZS·F3，成
分近似于45CT)。試驗用基體材料為20號鋼。試
驗用ZS．F1和ZS．F3絲材為 mm 實芯絲材，
ZS—F2絲材是一種類似于藥芯焊絲的管狀絲材，由
鐵皮包裹著NiCrFe．Cr，C 粉末，用超音速活性電
弧噴涂設備噴制試樣。
2 涂層的組織和物理性能
2．1 涂層的組織形貌
用普通金相學方法來制作被觀察層的端面試樣
后，不對試樣作任何腐蝕，直接借助電子掃描電鏡
(SEM)觀察其宏觀與微觀組織。相對于高速電弧
噴涂，超音速活性電弧噴涂涂層具有典型的層狀結
構特征，涂層組織更致密，消除了微裂紋和表面粗
大孑L隙。從圖1可見，超音速活性涂層與基體結合
的致密性很好。
(a)ZS-F2涂層截面(厚度0．3 mm)
(b)ZS-F3涂層截面(厚度0．3 mm)
圖1 超音速活性電弧噴涂截面形貌S日＼^照片
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第4期 聶銘等：鍋爐受熱面管的復合涂層防護的研究
2．2 噴涂試樣拉伸試驗結果及分析
用涂層結合強度能直接判斷涂層的質量。如果
鍋爐管涂層結合強度不夠，則涂層容易剝落，起不
到對管壁的保護作用。由結合強度試驗結果(見表
1)可以看出，ZS．F3涂層的結合強度達到50 MPa
左右，這是一個相當可觀的性能，是超音速活性電
弧噴涂粒子速度顯著提高后的直接結果。
表1 超音速活性電弧噴涂涂層的結合強度
2．3 涂層的硬度試驗結果及分析
一般來說，涂層硬度和涂層的耐磨性有關。硬
度較高的涂層耐磨性相對要好一些。
測得的超音速活性電弧噴涂層的硬度值如表2
所示。由以上測試數據結果可以看出，超音速活性
電弧噴涂的噴涂層的硬度明顯比一般電弧噴涂高，
這是因為超音速活性噴涂的氧化產物明顯增多，出
現含有較多Cr和Fe的硬質相化合物，而且更加
致密，令涂層的硬化程度比較高。
表2 超音速活性電弧噴涂層的硬度試驗
3 涂層的耐沖蝕磨損性能的分析和研究
噴砂角為3()。和90。時，各試樣在不同溫度下
的磨損比，如表3所示。
從表3可以看出：
a)各種材料噴砂角度為90。的沖蝕磨損比大
于噴砂角度為30。的磨損比，這說明噴砂角度為
90。的耐沖蝕磨損性能較噴砂角度為30。的耐沖蝕磨
損性能差。
b)在噴砂角度為30。和90。的情況下，ZS．F1
涂層試樣的磨損比大于ZS．F3涂層的試樣，ZS．F2
涂層試樣的磨損比最小。這說明ZS．F2涂層的耐沖
表3 噴砂角為30。和90。時涂層試樣的沖蝕磨損結果
蝕磨損性能最好，ZS．F3的次之。
c)無論在噴砂角度為30。還是90。的情況下，
各溫度下的試樣磨損比都比較接近，這說明溫度對
其耐沖蝕磨損性能影響并不大，涂層在高溫情況下
仍具有良好的耐沖蝕磨損性能。
4 涂層抗高溫腐蝕性能的分析和研究
圖2所示為試驗溫度為700℃ 時ZS．F1，ZS．
F2和ZS—F3合金3種涂層的腐蝕動力學曲線。
；
咖
蟋
詈
蟊
蝗
腐蝕時間 I
圖2 700℃時三種涂層的腐蝕動力學曲線
可以看出，在上述的試驗條件下，這三種涂層
的腐蝕動力學曲線近似呈拋物線或者立方曲線形狀
規律，即三者對基體材料都能起到防護作用。這三
種材料的防腐性能由優至劣排列：ZS．F3一ZS．F1
一ZS—F2。在圖2中可以看出每種涂層因腐蝕增加
質量的速率較大，這是因為在高溫下試驗時不僅僅
是涂層表面部分和Na SO,+K SO,飽和腐蝕劑發
(下轉第31頁)
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第4期 劉珂等：共模干擾對模擬量輸出控制模件輸出回路的影響分析及其解決辦法 31
回路的實際輸出電流， 變小，于是執行機構動作
相應變小，且其位置反饋輸出也變小，最終造成在
操作員站上的位置反饋比操作指令偏小約10％ 。
3 解決方法
對于現場工作來說，消除干擾影響的方法一般
有兩種：一是消除干擾源；二是隔離干擾。由于該
直流共模干擾信號來自執行機構內部，而執行機構
的相關資料不詳細，沒有給出電路圖，無法進一步
查出干擾的來源，因此只能采取隔離干擾的方法來
消除干擾。
具體措施是在受干擾影響的IMASo1 1子模件
輸出通道與執行機構的指令輸入通道間接人光電隔
離器，如圖3所示。由于此光電隔離器的輸入端需
要一驅動電源，而指令輸出回路的24 V直流電源
是由模件提供的，且信號流向是從模件到現場執行
機構，因此光電隔離器的輸入端應接模件的指令輸
出通道，而隔離器的輸出端接執行機構的指令測量
通道，這樣，共模干擾源被隔離在模件的信號輸出
圖3 隔離器接入方式
4 結束語
IMASO11子模件輸出通道電路的抗干擾設計
不足是干擾得以產生影響的重要原因，如果輸出通
道采用浮置方式而不采用小電阻接地的方式，則其
抗共模干擾的能力將大為增強。實際上，應用于工
業生產中的控制儀表和設備經常會受到各種干擾的
影響，因此抗干擾設計是一個必須著重考慮的
因素。
回路之外，無法形成原有的干擾回路，干擾影響消 作者簡介：劉珂(1969-)，-k"，河南開封人，電子與計算機專業
除，即控制指令的設定值與實際輸出值相等了。 講師，工學學士，從事計算機與電子技術的教學與研究工作。
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(上接第11頁)
生了腐蝕反應，而且試樣的其它裸露著的表面(20
鋼材料)也和空氣中的氧氣發生了反應，生產Fe2
等氧化產物，加大了試樣因腐蝕增加的總質量。
5 結論
a)電弧噴涂技術具有設備簡便、操作靈活、
噴涂效率高等特點，適用于鍋爐“四管”防護涂層
的噴涂施工。從超音速電弧噴涂技術的試驗結果來
看，涂層質量有更大的提高。
b)從以上三種試驗所采用的材料分析，ZS．
F2涂層耐沖蝕磨損性能優于其它兩種涂層，適用
于沖蝕磨損情況嚴重的省煤器管；而ZS．F1涂層
的耐硫化高溫腐蝕性能與ZS—F3涂層相近，適用
于高溫硫化腐蝕情況嚴重的水冷壁、過熱器、再熱
器管。要根據所要噴涂的鍋爐“四管”的不同失效
方式選擇耐沖蝕磨損性能偏強的或者耐高溫腐蝕性
能偏強的涂層材料，用于替代較高成本的ZS．F3
或45CT涂層，降低成本。
c)復合涂層設計中若采用NiA1粘接底層，
可進一步提高涂層與基體的結合強度。選用特制的
有機高溫樹脂對涂層進行封閉處理，可有效封閉涂
層表面存在的孔洞和缺陷，進一步提高涂層的可
靠性。
d)此外，應加強研究水冷壁、過熱器、再熱
器管的高溫腐蝕失效機理，并開發出有優異耐高溫
腐蝕性能的噴涂材料，對鍋爐“四管”不同的磨損
或腐蝕失效方式，設計出有針對性的復合涂層對其
進行防護。
參考文獻：
[1]丁彰雄，詹旺濱．鍋爐管道熱噴涂涂層的熱腐蝕及磨損性能
研究[A]．第十五屆熱噴涂技術經驗交流會論文集[c]．寧
波：[出版者不詳]，2001．65—68．
[2]鄭澤民．我國大型電站鍋爐四管爆漏問題分析[A]．全國第三
屆電站金屬構件失效分析與壽命管理學術會議論文集[c]．
[出版地不詳]：[出版者不詳]，1991．1—9．
[3]THORPE M L，UNGER R H．A new coating for corrosion
protection in boilers[A]．Pmoeed of ITSC’86[c]．
Montreal：Is．n．]，1986．3．18．
作者簡介：聶銘(1973一)，男，湖南省婁底人，高級工程師，工
學碩士，從事電廠金屬試驗研究工作。

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