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現代噴涂技術用于鍋爐管道的防護及其發展

文檔作者：劉保國1’2，柯鵬2，陳鵬飛2，張世宏2 文檔來源： 1．安徽省池州市特種設備監督檢驗中心 2．安徽工業大學材料科學與工程學院，		點擊數：	更新時間： 2024年06月30日
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現代噴涂技術用于鍋爐管道的防護及其發展
劉保國1’2，柯鵬2，陳鵬飛2，張世宏2
(1．安徽省池州市特種設備監督檢驗中心，安徽池州247000；
2．安徽工業大學材料科學與工程學院，安徽馬鞍山243002)
摘要：鍋爐管道在高溫、氧化和腐蝕性環境中運行，因此應進行防護處理。詳述了當前應用最廣的兩種防
止鍋爐管道腐蝕的噴涂技術一電弧噴涂和超音速速火焰噴涂技術的發展現狀及各自的優勢；結合
相關行業的發展，提出隨著我國電力行業對鍋爐管道防護涂層性能和質量要求的不斷提高，高速火
焰噴涂技術用于鍋爐管道防護將會得到日益廣泛的應用。
關鍵詞：噴涂技術；鍋爐管道；沖蝕磨損；超音速速火焰噴涂
中圖分類號：TGl74．442 文獻標識碼：B 文章編號：1008—1690(2016)03．0055．03
The Application of Modern Spraying Technologies in Protecting
Boiler Tube from Corrosion and Their Development
LIU Baogu01’2，KE Pen92，CHEN Pengfei2，ZHANG Shihon92
(1．Center of Special Equipment Supervision and Inspection of Chizhou City in Anhui Province，
Chizhou 247000，Anhui China；2．School of Materials Science and Engineering，
Anhui University of Technology，Ma’anshan 243002，Anhui China)
Abstract：Boiler tubes should be protected with a coating due to their operating in an oxidizing and corrosive
atmosphere at high temperature．Development of the most commonly used two types of spraying technology
protecting boiler tube from corrosion at present(i．e．，arc spraying and high velocity oxy—fuel spraying)and their
superiority were described in detail．On the basis of development of related trade，it is suggested that as desired
performance and quality for coating protecting boiler tube become higher in power industry at home，the high speed
flame spraying will be more and more extensively used in protecting boiler tube from corrosion．
Key words：spraying technology；boiler tube；erosion wear；high velocity oxy—fuel spraying
1 鍋爐軌道防護技術的現狀
我國電站鍋爐和工業鍋爐主要以燃煤為主。據
統計，1998年由煤生產電力的總份額達到75％?。
雖然天然氣、核能以及其他可再生資源在電力生產
所占比例越來越高，但預計到2050年之前，火力發
電占全國電力能源比例仍會超過50％。由于燃料
用煤以劣質煤(高含灰量、含硫量)為主，大型鍋爐
受熱面特別是水冷壁管、過熱器管、再熱器管和省煤
器管(簡稱“四管”)在高溫高壓的酸性環境中受到
飛灰沖蝕、高溫氧化和腐蝕的共同作用，導致管壁減
薄嚴重，極易造成泄漏和爆管等工業事故，大大增加
了運行成本和人身安全隱患。據調查，我國
100 MW以上機組由于鍋爐“四管”爆漏事故而停機
搶修的時間約占整個機組非計劃停用時間的40％，
占鍋爐設備本身非停用時間的70％以上，少發電量
占全部事故少發電量的50％以上，是影響發電機組
安全經濟運行的主要因素。從生產實踐看，單純的
鍋爐運行調整和設備改造無法從根本上解決鍋爐
“四管”在復雜環境下壽命短、損壞嚴重的問題舊J。
現代噴涂技術在制備高性能耐磨、耐高溫、防腐蝕涂
層上的優勢為鍋爐“四管”防護、修復提供了一條切
收稿日期：2016-03-29
作者簡介：劉保國(1981一)，男，安徽安慶人，本科，工程師，主要從事鍋爐檢驗工作。E．mail：46282812@139．con
通訊作者：張世宏(1981一)，男，甘肅會寧人，博士，教授，主要從事表面工程研究工作。E-mail：shzhang@ahut．edu．en
基金項目：安徽省科技攻關項目(2014kjl68)
《熱處理》2016年第31卷第3期。55‘
萬方數據
實有效的途徑。本文對現代噴涂技術在鍋爐管道防
護領域的應用及發展現狀做了綜述，對“四管”防護
技術的發展趨勢進行了展望。
鍋爐“四管”的爆漏原因主要是磨損與腐蝕。
由于電廠燃料多為劣質燃煤，爐內飛灰含量高達
40％，在氣流循環過程中高速運動的飛灰會對鍋爐
管壁造成高溫沖蝕磨損，從而加速受熱面管壁減薄。
在充滿硫、氯化物的高溫高壓環境中，鍋爐管壁受腐
蝕和高溫氧化的共同作用，易發生管壁穿孔和氧化
皮剝落。
針對鍋爐內高溫、腐蝕、磨損共存的苛刻工況，
采用噴涂技術在受熱面噴涂鎳鉻合金、金屬一碳化物
(或硼化物等)陶瓷等耐熱、耐蝕、高硬度涂層可有
效保護受熱面，大幅提高“四管”使用壽命。國際上
采用噴涂技術對鍋爐管道進行防護始于上世紀60
年代，到上世紀80年代初趨于成熟【3 J。30多年來，
各國采用不同的噴涂手段開發出多種鍋爐防護涂
層，如美國TAFA公司采用電弧噴涂45CT涂層，瑞
典采用電弧噴涂KANTHAL M涂層，英國中央電力
部采用等離子噴涂Ni—cr合金涂層，日本采用超音
速火焰噴涂Cr3C：．NiCr金屬陶瓷涂層等。這些涂層
有效延長了鍋爐管道的使用壽命，取得了良好的經
濟效益。國內對鍋爐“四管”防護涂層的研究始于
上世紀70年代開發的水冷壁管熱浸滲鋁技術，80
年代又開發了水冷壁管噴熔Ni．w合金技術等。這
些涂層雖然延長了“四管”的使用壽命，但由于技術
相對陳舊，防護效果非常有限。20世紀90年代，現
代噴涂技術在國內鍋爐管道防護領域的應用逐漸成
熟，如電弧噴涂Ni—Cr涂層已在國內多個電廠推廣
應用。截至2002年，鍋爐管道的噴涂面積已達數千
平方米‘4。5]。
2鍋爐管道防護技術的應用
目前，有報道的可用于鍋爐防護的噴涂技術包
括：火焰噴涂(Flame spraying)、冷噴涂(Cold
spraying)、等離子噴涂(Plasma spraying)、爆炸噴涂
(Detonation gun spraying)、電弧噴涂(Arc spraying)
和超音速火焰噴涂(這里主要指氧燃料超音速火焰
噴涂，High velocity oxy—fuel spraying，HVOF)等。由
于普通火焰噴涂和冷噴涂涂層與基體的結合力不
強，而等離子噴涂成本過高，爆炸噴涂操作、組裝過
程復雜，所以以上四種噴涂技術在鍋爐防護中的應
用非常有限。當前，國內外應用最廣泛的鍋爐管道
防護技術是電弧噴涂和超音速等離子噴涂。
2．1 電弧噴涂鍋爐管道防護技術的應用
電弧噴涂是利用兩根待噴涂絲材作為自耗電
極，當兩極短接后將電弧引燃，熔化電極在壓縮空氣
的作用下吹向工件來完成噴涂的過程。電弧噴涂的
涂層結合強度較好、孑L隙率較低，設備攜帶方便、操
作靈活，適合鍋爐現場作業，噴涂效率和能源利用率
高、成本較低，適合大面積噴涂。早在上世紀80年
代，美國TAFA公司就采用電弧噴涂技術噴涂45CT
(55％Ni一43％Cr-2％Ti)涂層對鍋爐進行涂層防護，
該涂層在鍋爐管道上可保持7年不脫落。目前，我
國鍋爐管道防護領域應用最廣的就是電弧噴涂Ni—
Cr基涂層∞一j。例如，山西某電力企業采用超音速
電弧噴涂技術在超臨界對沖燃燒直流鍋爐的水冷壁
上噴涂某金屬一陶瓷涂層。所得涂層結合強度為
38 MPa，硬度大于52 HRC，孔隙率小于1％，預期平
均磨損速度小于130 Ixm／a，提高了管壁耐磨耐蝕性
能。
雖然電弧噴涂技術在鍋爐防護領域有不少優
勢，但依然存在不足。電弧噴涂的涂層具有典型的
層狀結構，在扁平顆粒之間有氧化膜；由于噴涂速率
的限制導致涂層中可能存在較大孔隙，且與基體結
合力有限；涂層有較大的內應力。這些固有的缺陷
可能導致涂層在更為苛刻復雜的鍋爐環境中出現穿
孑L、脫落。
2．2超音速火焰噴涂在國內鍋爐管道防護中的應用
隨著超臨界、超超臨界機組成為我國電廠新建
和擴建機組的主要發展趨勢，鍋爐不斷向大容量、高
參數發展，電廠對鍋爐涂層的性能與質量提出了更
高的要求。一方面，由于蒸氣壓力和水冷壁溫度的
提高，管壁的高溫氧化現象更為嚴重；另一方面，隨
著電煤供應緊張，劣質燃煤摻燒比例加大，管壁磨損
和硫腐蝕加劇。此時，國內傳統的電弧噴涂Ni．cr
系涂層在結合強度、硬度和耐蝕性等方面已無法滿
足“四管”防護的需求舊J，尤其是在超(超)臨界機組
鍋爐腐蝕區的噴涂涂層常常出現脫落現象，使得防
護效果大打折扣。針對鍋爐管道工作溫度和燃氣流
速越來越大的防護難題，從上世紀90年代起，美國
Metalspray公司開始采用超音速火焰噴涂DS．200
(75Cr，C2-25NiCr)涂層在鍋爐水冷管壁上進行防護。
實踐表明，超音速火焰噴涂NiCr-Cr3 C：涂層在結合強
度(>60 MPa)、孔隙率(<1％)、硬度(>60 HRC)，
耐磨(<37斗m／a)及耐蝕性(<4 I山m／a)上相較于電
·56‘ 《熱處理》2016年第31卷第3期
萬方數據
弧噴涂Ni—Cr涂層均有明顯提高一o。
超音速火焰噴涂是利用丙烷、丙烯或者航空煤
油燃料與高壓氧氣在燃燒室或特殊的噴嘴中燃燒產
生高溫焰流(>3 200℃)使粒子以極大的速度
(300～500 m／s)撞擊在基體表面形成涂層。超音
速火焰噴涂涂層的優勢是：(1)涂層致密，氧化渣和
空隙較少；(2)可制備涂層厚度較大；(3)與基體結
合強度高；(4)可用粉末材料較多等特點。在國外，
超音速火焰噴涂已廣泛地用于鍋爐“四管”，特別是
高溫、高腐蝕和沖蝕工作面的涂層防護。實踐表明，
對于工況更為苛刻復雜的超(超)臨界鍋爐、循環流
化床鍋爐，超音速火焰噴涂技術能更好地發揮涂層
對鍋爐“四管”防護效果，大大延長爐管使用壽
命[10]。
從上世紀90年代我國開始引入超音速火焰噴
涂技術至今，超音速火焰噴涂在各領域的應用有了
長足的發展。然而，在鍋爐“四管”防護領域，超音
速火焰噴涂的應用研究與推廣程度與國外同行依然
存在較大差距。以超(超)臨界機組鍋爐為例，國內
目前鮮有超音速火焰噴涂應用于“四管”防護的報
道。近年來，西安熱工研究院利用超音速火焰噴涂
制備了Ni—Cr涂層在電廠進行現場掛片試驗，雖然
試驗結果良好，但至今未見后續應用報道。
一直以來，阻礙超音速火焰噴涂在我國鍋爐防
護領域應用的因素主要有以下兩點：(1)設備昂貴，
操作不便，現場施工困難；(2)沉積效率低，粉末材
料耗損大；由于我國粉體制備水平與國外存在差距，
一些噴涂專用粉體依賴進口，大大提高了噴涂成本。
近年來，隨著國內裝備制造技術和粉體制備水
平的提高，以上兩大因素導致的瓶頸效應已經松動。
在裝備制造方面，小型、便攜式超音速火焰噴涂裝備
的開發大大降低了設備及施工成本。例如，第二炮
兵工程學院研制的KY-HVO／AF超音速火焰噴涂設
備，噴槍采用二腔四段式結構，利于操作和拆卸，噴
涂時可用手持或機械手控制，設備主要指標達到國
際先進水平，而價格僅為進口設備的三分之一?o。
另一方面，我國在先進熱噴涂粉末的自主研發上亦
有突破。例如，北京礦冶研究總院自主研發的鎳鉻
碳化鉻復合型涂層材料，解決了高比重cr3C：一NiCr
顆粒復合粉末混合、制粒，鎳鉻合金粉末和碳化鉻粉
末燒結，粉末的形狀和粒度分布控制等一系列難題，
部分技術指標達到國際先進水平。
結合我國電力行業需求和噴涂技術發展趨勢
可以預見，利用超音速火焰噴涂技術開展鍋爐“四
管”防護涂層研發并將其推向應用的時機已經成
熟。
3 結束語
(1)噴涂技術在鍋爐管道防護領域發揮著越來
越重要的作用。目前，鍋爐防護領域應用最廣泛的
是電弧噴涂和超音速火焰噴涂技術，我國以電弧噴
涂為主。
(2)針對不同工況、工作面和涂層材料，電弧噴
涂和超音速火焰噴涂各有優勢。但隨著超(超)臨
界機組和循環流化床鍋爐的推廣應用，超音速火焰
噴涂在鍋爐管道防護中的優勢更為明顯，其應用比
例也大大增加。
(3)我國在利用超音速火焰噴涂技術應用于鍋
爐管道防護方面與發達國家有明顯差距。隨著國內
裝備制造和粉體加工行業整體水平的提升，在電力
行業需求的帶動下，超音速火焰噴涂技術在鍋爐管
道防護領域將大有作為。
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