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1、能有效解决锅炉高温腐蚀与飞灰磨损导致“四管爆漏”问题的 新型等离子喷涂金属陶瓷复合涂层技术 西安交通大学金属材料强度国家重点实验室( 7 1 0 0 4 9 ) 韩志海陈华何家文 锅炉“四管爆漏”是长期以来捆扰火电机组高效、安全、经济、稳定发电的一大难题。 据统计，火电厂锅炉事故占整台机组非计划停运时间的6 0 以上，而。四管爆漏”又占锅 炉事故率的7 0 以上近年来。随着炉龄延长。燃烧媒质恶化以及装机容量和机组参数 不断升高，这种情况将更为严重。 1 、技术成果简介 西安交通大学有关科技人员在西北电管局科技处、生产处大力支持下，与陕西秦岭发电 厂( 4 台2 0 万国产发电机组) 密切合作于
2、1 9 9 2 年开始针对该厂4 台D G 6 7 0 1 4 0 型锅炉 过热器和再热器频繁爆管的生产难题，对爆管原因进行了全面分析和实验论证。研究结果表 明，秦岭电厂燃煤品种含硫量较高( 约3 4 ) ，含硫烟气与钢管表面作用发生了6 0 0 7 0 0 “ ( 2 硫酸盐热腐蚀，熟腐蚀速率远高于空气中的高温氧化达3 0 4 0 倍。热腐蚀的结果导致 钢研1 0 2 炉管的热强度下降5 0 以上是造成弯头爆管的主要原因。据此开发出能有效抑 制热腐蚀的技术陶瓷复合涂层，采用世界先进水平的等离子喷涂设备，为秦岭电厂制备涂层 保护锅炉管。该涂层配方针对热腐蚀机理设计，涂层厚度约0 3 m m ，
3、导热性接近基体，基本 不影响热效率。厂方大修前事先将需要更换的炉管送到实验室进行喷涂，在修时，安装于爆 管晟严重的部位。经实验室模拟实验结合现场实际考核该钢研1 0 2 涂层锅炉管抗热腐蚀 性能优于T P 3 4 7 和T 9 1 钢管，高温强度和稳定性接近T P 3 4 7 ，优于T 9 1 钢管。 9 2 年至今，秦岭电厂4 台锅炉过热器弯头部位迎火面前三排( 爆管易发区) 全部采用 涂层防护，至今未发生一次爆管现场检查，涂层至今仍然完好。保守估算钢研1 0 2 涂层 管的安全运行寿命至少可从原先无涂层1 0 2 钢管约2 万小时延长到6 8 万小时以上。仅此 一项，每年可为秦岭发电厂增收
4、节支5 8 0 万元以上。该项目目前已通过电力部科技成果鉴定， 并己申报电力部科技进步奖。 目前，该技术已在秦岭电厂2 0 万机组锅炉过热器、再热器、韩城电厂四台1 2 5 万机组 锅炉后屏过热器以及渭河电厂3 0 万机组锅炉低温过热器等腐蚀爆管最严重部位推广应用， 均获得较好效果。 除此而外，采用等离子涂耐磨涂层加重熔技术，为兰州西固电厂和山西铝厂自备电厂制 各了耐磨省煤器管均取得了良好的技术和经济效益。 除了上述应用外，采用等离子喷涂以陶瓷为主的陶瓷金属梯度涂层技术。成功的解决了 捆扰陕西宝鸡发电厂近3 0 年的液态排渣炉渣口管析铁熔蚀爆管难题，使每台炉渣口管每年 平均爆管3 5 次下降N
5、 - - - 年不发生爆管宝鸡电厂4 台锅炉采用该技术后，取得了巨大的 1 4 经济效益和生产效益该项目9 4 年通过西北电管局科技成果鉴定，获网局科技进步一等奖。 获部级科技成果三等奖。 2 、锅炉管的表面损伤问题 以往对爆管原因的分析多偏重于钢管整体材质和组织退化等方面的研究，这一方法较为 直观，易于检测，但也容易受其它因素影响而导致判断失误。近年来。随着现代材料科学的 发展，研究苛刻环境下的材料表面损伤及其对材料性能的影响，以引起人们的重视对锅炉 耐热钢管而言也就是应重视高温烟气对炉管的表面损伤( 如热腐蚀、热疲劳、热磨损等) ， 以及对炉管热强度的影响。由于表面损伤形成表面蚀坑或裂纹远
6、比在管材内部形成裂纹容 易而表面裂纹也容易在应力作用下向内部扩展，使管壁有效厚度减薄，相对应力升高进 一步促进裂纹扩展，同时也加速了基体组织蠕变空洞的聚集长大，最终表面裂纹和内部缺陷 连通，导致突发性爆管。 因此，在分析爆管原因时，要区分由超温引起的整体管材的过热损伤和表面损伤。若表 面损伤为主，则可采用涂层防护技术，若热损伤为主则宜提高钢管的耐热等级。在更换局 部管材时，应重视异种钢管焊接接头处的脆化、应力腐蚀和刀线腐蚀等缺陷。 3 、表面工程与锅炉管表面防护技术在国内外的发展 高温环境下锅炉管的腐蚀、磨损与疲劳都是从材料表面开始的，因而人们自然可以想到， 如果在炉管表面能形成一层高质量的表
7、面工作层，而基体材料仍然发挥其强度和承载功能， 则必然可以减轻表面损伤。延长炉管安全寿命，达到减少爆管的目的。从表面工程学的意义 上理解，当高性能的表层材料与基体材料有机地结合在一起发挥作用时，往往可以获得单一 材料或传统工艺无法达到的应用效果和经济性能。这里。关键是高性能表面层的设计、工艺、 质量和性能价格比等工程性问题。这些问题的解决，进一步促进了近代表面工程学的发展。 ( i ) 表面工程与新型表面材料 表面工程是在现代科学技术飞速发展并向现实生产力加速转化的时代背景下，于8 0 年 代初逐步形成。并在近十年来得到了迅速发展的- - I I 多学科交叉的新兴学科。区别于传统的 表面处理技
8、术，表面工程集最新的材料科学基础研究成果( 如表面工程学和界面工程理论) ， 先进的表面加工工艺( 如高能柬流表面改性技术。各种物理、化学、气相沉积技术、高能等 离子体、激光束热喷涂技术，各种化学转化膜技术等) 和先进表面材料设计( 如超级金属。 非晶态热障、超导、绝缘、梯度、陶瓷及先进高分子涂层等) 与开发、应用三位一体，相 互渗透协调发展，既具有很高的科技含量，又有十分广阔的工程应用前景。 表面工程的主要内容是研究材料在特定环境和服役条件下的表面状况( 形貌、结构、成分和 损伤机制等) ，确定材料表面工作层所应具备的性能和某些特殊功能，然后进行表面材料和 界面结构设计，选择最佳表面成形的复
9、合工艺，最终制备出既具备优异的表面性能，又有良 蚶界面结合强度的新型表层复合材料。一般来说袭层材料的成分设计和调变受工艺限制较 少。而整体材料的合金化则受冶炼和加l 成型的条州限制，很赃制备牿体超级合金材料。男 一方面表面层用料相对少可以大胆选_ l j 高级材料，制备性能价格比近优于单一材料的 表层复合材料。因此，随着现代工业对材料表面日益苛刻的要求，表面J 一程必将发持其越来 越重要的作用。 ( 2 ) 国内外锅炉管表面防护技术的发展概况 对于锅炉耐热钢来说。7 0 年代主要着眼于改进钢材合金元素。提高耐热钢等级和热稳 定性，但很难同时达到提高钢管表面抗腐蚀和抗磨损的性能。另一方面，合金元
10、素的增加， 给钢材的加工成型和焊接工艺等都增加了困难，同时成本也大大增加。进入8 0 年代后，国 I J j 外出现了采用镀或渗的方法在锅炉管表面形成一层铬或铝的渗层或镀层以防止炉管表面 的高温氧化或腐蚀。但一方面渗层的质量较难控制，容易产生空洞和裂纹另一方面，渗层 ( 尤其是铁铝合金层) 本身较脆。且热膨胀系数与母材不匹配，易产生热裂纹，这些都会大 大降低耐热钢的塑性和热强度。因此随着商参数发电设备的发展，国外大型锅炉目前以不采 用这种方法，而越来越多的应用先进的热喷涂技术对锅炉管表面实施保护。我国由于设备维 修经费限制，目前在一些小容量、低吨位锅炉上还有应用渗铝管的。 进入9 0 年代，国
11、外超高参数机组锅炉钢管的制造一方面向超高合金化发展( 如日本、 美国都已有含铬达3 0 以上的商品管) 。另一方面，锅炉管表面热喷涂技术发展迅速。8 0 年代中期，从美国、加拿大开始，目前已扩展到欧洲( 如英国、德国、法国、瑞典、芬兰等) 、 亚洲( 如日本、新加坡、印度等) 。欧美目前已出现很多从事锅炉管道( 包括造纸、炼钢、 石油化工等大型锅炉) 喷涂的专业化公司( 如美国的T a f a 公司、M e t a lS p r a y 公司、瑞士 的S u l z e rM e t c o 公司、C a s t o l i n 公司等) 。不仅开发出数种用于锅炉不同工况( 腐蚀或磨 损) 下
12、的喷涂材料。而且开发出了能到现场喷涂的工程车，自动喷涂装置，以及锅炉管表面 清理、粗化、涂层厚度和质量检测等成套技术。 我国锅炉管的制造和应用方面与国外相比仍有很大差距。目前应用于2 0 万以上机组的 国产钢研1 0 2 钢管，在材质、耐温和抗高温腐蚀方面都存在不少问题，这也是造成锅炉爆管 问题的主要原因之一。目前，解决这一问题处于两难的境地。一方面频繁爆管，使电厂生产 十分被动，并造成重大经济损失；另一方面，国内目前还难以找到一种经济有效的材料取代。 而大量使用进口管材，成本太高，且国外钢种的设计，有些并不适合我国电厂的运行和燃烧 工况。 针对这一情况，西安交通大学金属材料强度国家重点实验室
13、，利用世行重点学科贷款项 目引进了国际九十年代先进水平的高能等离子喷涂设备，建立了全国重点大学唯一的国家 级等离子实验室结合我国国情，重点开发先进热喷涂技术为能源、钢铁、汽车、石油化 工大等国民经济支柱行业服务近年来，在研究、开发的基础上成功地将等离子喷涂技术 应用予陕西秦蛉、宝鸡、韩城、渭河发电厂，有效减少了锅炉“四管爆漏”事故取得了良 好的经济效益和社会效益。目前该项目已通过了电力部科技成果鉴定，具备了向全国其它电 厂推广的应用基础。 1 6 此外，重庆华能硌磺电厂4 台3 0 万法国阿尔斯通发电机组锅炉水冷壁管也出现了丈面 积热腐蚀，两年管壁减薄两毫米以上，被迫更换2 4 0 0 平方米
14、的全部炉膛水冷壁管更换后 的新管也全部采用了热喷涂防护技术该项目由于是我国向法国索赔，因此不计成本喷涂 工程是由国外喷涂公司承包的，价格昂贵。根据我们目前的水平，在达到同等质量保证的前 提下，喷涂费用可下降2 0 一3 0 左右。 总得来说，大型锅炉受热面的表面工程防护技术在国内才刚月4 起步，尚需大力宣传，积极作 好技术推广和应用工作，尤其应注重技术和质量。 4 、关于减少锅炉受热面“四管爆漏”及提高安全运行水平的几点思路 根据我们近年来的研究结果和体会，解决锅炉“四管”问题应进行全面、系统的研究， 该研究内容既涉及材料科学与表面工程学中重要的基础性研究，又密切结合电力系统重大工 程应用问题
15、。研究的目标，近期应着重解决2 0 万、3 0 万机组( 包括进口机组) 的爆管问题， 中期目标应解决6 0 万以上机组材料设计和安全运行方面的问题。具体的研究工作应从以下 几个方面展开； ( 1 ) 对不同地区，不同电厂。不同锅炉的四管爆漏原因进行全面系统的调研和失效分 析，归纳出材质，负荷，应力及环境( 温度，介质) 对爆管的影响规律。针对以往研究中的 薄弱环节，应充分重视表面损伤对管材性能的影响和作用。 ( 2 ) 管材的设计、选型和更新。由于各个电厂锅炉运行和燃烧条件的不同并且即使 在一台锅炉内部，管材的服役条件和环境也不尽相同，因此很难对管材的选型和更新提出同 一标准，但可在系统分析
16、的基础上，根据各部位管材服役条件和环境，选出若干状态点，指 导有关设计与制造部门或电站设备管理部门，根据各地具体情况。科学、合理、经济地设计 和选用管材 ( 3 ) 由于锅炉受热面运行中会涉及整体管材劣化和局部薄弱部件的超前失效问题，考 虑到锅炉管线是可以局部切割、修复、替换和强化的构件，因此应在失效分析和安全评估的 基础上。对薄弱区域的管材进行等寿命设计。使之与整体部件的寿命趋于同步。对于局部区 域环境恶化而造成的早期爆管，最新的研究成果表明，采用表面工程的方法，可显著延长苛 刻环境下炉管安全寿命而避免异种管材的焊接和运行中易出现的其它问题。 ( 4 ) 应用先进的无损检测和故障诊断技术，在综合考虑环境，应力和表面损伤等因素 的作用下，对管线运行在线安全监测和寿命预测。 5 、西安交通大学金属材料强度国家重点实验室简介 金属材料强度国家重点实验室为金属材料强度专业全国唯一的重点实验室。按国家要 求，国家重点实验室主要从事国家重大科学技术基础性研究，研究水平必须达到
