热喷涂技术在热电系统的应用

热喷涂技术在热电系统的应用
随着工业技术的不断发展，人们对材料性能的要求也越来越高。单一某种材料的性能也越来越无法满足各种复杂、恶劣的工况条件。由于各种机械零部件在运行中的磨损以及在各种不同介质中的腐蚀，会使机件表面性能及尺寸发生变化，并因此导致机器工作效率降低，甚至使整个设备丧失工作能力，这种状况随着工业的发展将会日趋严重，这个问题已经引起了人们的关注。不难看出，机件失效都是从机件表面开始的，所以提高机件的表面性能，对机件进行表面强化防护，是很有必要的。
热喷涂技术的出现，为解决这一矛盾提供了有效的途径。所谓热喷涂是利用各种热源（如：氧—乙炔、电弧、等离子等等）将各种喷涂材料加热熔化或软化，并以高速气流为载体，喷射到经预处理的基体表面，形成具有各种特殊性能的涂层的工艺方法。
热喷涂技术最突出的特点是制备涂层的广泛性和应用上的经济性，因此，从大型钢铁构件的防护到高新技术领域中特殊的功能涂层；从现代飞行器的制品，到城市设施，都可以发挥热喷涂技术的独特作用。应用于产品制造和设备维修，能提高产品质量，延长使用寿命，挽回废旧件的经济损失，有显著的经济效益和社会效益。因而受到各工业部门的重视，现已在航天、航空、冶金、机械制造、煤炭、电力、石油、化工、纺织等工业部门得到应用。
为了大家能够更多、更深的了解热喷涂技术，使该技术能在电力系统中得到广泛应用，让更多的企业从中获利，现将该技术在热电厂中的一些典型应用实例及工艺过程简单的介绍如下：
一、 工业锅炉“四管”防腐耐磨涂层的推广应用
1〉概述
高温腐蚀磨损是工业锅炉普遍存在的问题，造成的生产危害和经济损失十分严重。热喷涂技术发展到当今水平为经济而合理地解决锅炉的腐蚀与磨损提高了有利途径。燃煤、燃油锅炉是我国当前使用的重要能量转换装置，大力推广锅炉防腐耐磨技术，对国民经济效益甚大。
锅炉水冷壁管、过热器管、再热器管、节煤（或节油）器管（以下简称“四管”）的腐蚀磨损，一直是动力、造纸、冶金和化工等行业中存在的严重问题。
从我国发电厂运行的可靠分析资料表明，在发电厂设备事故中，锅炉事故最多，而在锅炉事故中，“四管”瀑漏次数最多，例如：1992年，西北某电厂共发生事故121次，其中锅炉事故69次，占总事故的57%，在锅炉事故中，“四管”瀑漏53次，占锅炉事故的76.8%；如按技术分类：腐蚀瀑漏15次，占全部锅炉事故的22%，焊缝焊漏12次，占17%；磨损焊漏11次，占16%；过热瀑漏7次，占10%。
由上可见，腐蚀、磨损、过热和焊缝等是锅炉“四管”爆漏的主要原因。
再以秦岭电厂为例：该厂共安装6台汽轮发电机组，配用2台400吨/时超高压中间再热直流炉和4台670吨/时超高压中间再热器泡炉。1992年共发生事故37次，其中锅炉事故20次，占54.1％；在锅炉事故中，“四管”爆漏19次，其中水冷壁管6次，过热器管8次，节煤器管4次，再热器管1次，从以上数据看出：“四管”爆漏是锅炉安全运行的最大障碍，每次检修都带来很大经济损失。据国外有关资料报道：“四管”造价昂贵，每平方英尺需500~2000美元，当一台用于纸浆厂的1200吨余热锅炉检修时，每天损失达20万美元，这些极高的代价，导致了采用热喷涂方法进行表面保护来解决这些问题。
2〉“四管”发生磨损与腐蚀的原因
“四管”发生磨损与腐蚀的原因，主要有以下三点：
①高温氧化作用 炉温高达1700○C以上，高温气体直接与锅炉管发生高温氧化，加之很高的工作压力，致使管壁经受化学腐蚀而损坏。
②燃料中硫的作用 燃料中硫经高温作用而产生各种硫化物，其中有烟气中的硫化氢与管壁金属反应，灰尘中不可燃的硫生成硫酸盐，又经分解而生成三氧化硫，后者又与氧化铁产生腐蚀。
③烟气与灰粉颗粒的冲蚀 包括有硫化氢、二氧化硫、氮气的高温炉气，以及包含有二氧化硅、氧化铁和氧化铝等成份的灰粉颗粒，在高温状态下以很高的速度飞行于炉内，与管壁产生强列冲击而造成冲蚀磨损。
高温腐蚀与磨损主要发生在炉管外表面，其磨损速率依工况的不同而异，一般约为1毫米/年，甚致可达5～6毫米/年。
3〉国外发展状况
采用热喷涂技术对锅炉进行防腐防磨保护，在国外始于60年代，美国燃烧工程公司采用火焰喷涂工艺，曾为燃油锅炉施加了一种多涂层系统（NiAl-18/8-Al），该涂层尽管起到了一定作用，但采用热喷涂用于锅炉“四管”的防护真正起步时间是80年代初。其喷涂材料与工艺，大体有以下三种方案：
① 火焰喷涂镍铬合金（50％Ni，50％Cr）或镍铬碳化铬（NC/Cr3C2）。英、美、法等国自80年代初以来，采用该方法已陆续对近百台锅炉进行防护，涂层面积超过1000m2，涂层厚度为0.30～0.60mm，涂层厚度年蚀率小于15μm，有些涂层至今仍在使用。
② 电弧喷涂45CT合金丝材（43％Cr，4％Ti，Ni余量）或KANTHALM合金材料（22％Cr,5%Al，Fe余量）。美国、瑞典等国家1984年以来，已有40多台锅炉采用了该方案，涂层面积达200多平方米，涂层厚度为0.38mm~0.61mm,涂层厚度年蚀量小于25μm,部分涂层至今仍完好无损。由于涂层的保护作用，一般至少十年以上“四管”不必检修，经过运行得出结论：采用此方法喷涂保护的锅炉寿命可延长6倍以上。
③ 等离子喷涂，喷涂材料与火焰喷涂相同。其涂层年蚀率小于10μm，可使锅炉寿命延长10倍以上。虽然等离子喷涂效果最好，但因该方法造价较高，且不便于现场操作，故较少采用。
4＞国内发展状况及推广应用实例
国内从70年代中期开始对锅炉“四管”先后采用了渗铝、火焰喷涂Ni－Cr合金，电弧喷涂Ni－Cr－Al、Fe－Cr－Al，以及等离子喷涂Ni-Cr/Cr3C2等热喷涂方法，对锅炉“四管”进行保护，目前在国内已大量应用，并取得了明显效果和良好的经济效益。
陕西秦岭电厂的28根再热器管，韩城电厂的20根水冷壁管经过喷涂预保护，从1990年5月使用至今还在正常运行。特别是近两年来，在西北及全国十几个电厂喷涂“四管”已达几百平方米，大大地提高了锅炉使用寿命。
为了该技术能在其它电厂得到进一步推广应用，现将喷涂方法及工艺过程做简要介绍：
①喷涂工艺过程
表面清洁处理→预热→喷底层→喷工作层→涂刷高温封孔剂作封闭处理。
⑴打底层 打底层材料采用自发热型材料（镍包铝、铝包镍、镍—铬—铝，三者任选其一），由于上述材料在喷涂过程中有放热反应，使涂层与基材界面产生原子扩散，形成微焊接冶金结合，又能形成粗糙及活性表面，便于工作层的结合，提高涂层的结合强度。
上述底层材料与“四管”基体材料膨胀系数接近，水冷壁管用20A碳钢，热状态在600℃线膨胀系数为14.4×10-6/℃；其他管采用合金钢管，线膨胀系数为13.3~14.4×10-6/℃；而镍包铝的线膨胀系数为13.8×10℃-6，与基体材料膨胀系数接近，不易在热胀冷缩的情况下脱落。
⑵工作层 工作层采用耐高温又具有良好的化学稳定性和耐磨粒冲蚀性的合金材料，在热状态600℃，其膨胀系数在13~14×10-6℃之间，接近基材膨胀系数，使其能够经受起长期稳定的运行考验。
⑶封孔剂 由于喷涂工作层本身有一定的孔隙率，锅炉烟气和灰粉中的硫化物及有关介质能穿过微孔侵蚀管壁金属，形成涂层下腐蚀，导致涂层脱落，因此须用高温封孔剂作封闭处理，一则可封闭微孔，二则可强化工作层的防腐性能。
②喷涂工艺参数
㈠氧、乙炔火焰粉末喷涂 喷涂使用的是CP－1000型高速离子火焰喷涂枪，打底层采用Ni/Al或Ni－Cr－Al，涂层厚度为0.05~0.1mm，工作层采用Ni－Cr或Ni-cr/cr3c2，涂层厚度为0.3mm，其喷涂工艺参数如下：
O2压力 0.8MPa C2H2压力：0.14 MPa
压缩空气压力：0.5 MPa 送粉速率：3.8Kg/h
喷涂完成后，涂刷无机高温封孔剂。
㈡电弧喷涂 采用国产电弧设备，打底层采用铝包镍，厚度0.05-0.1mm，工作层采用镍铝合金和镍铬合金，厚度为0.3mm，其工艺参数如下：
电源电压：380V 电流：300A 输入容量：12KVA 压缩空气压力：0.5MPa
二次空载电压：27~29V 送丝速率：3cm/min
㈢ 等离子喷涂 国产80KW等离子喷涂设备，底层采用Ni－Cr－Al，厚度0.05~0.1mm，工作层为NiCr/Cr3C2，厚度0.25~0.3mm，其工艺参数如下：
电弧电流300A，送粉速率20g/min，电弧电压75V，喷涂距离150mm，工作气体（氢气、氩气、高纯度氮气）流量约为1.5~2.0m3/h，送粉气流量0.35m3/h.
④ 效果及经济效应浅析
自1992年以来，用上述三种方法，对全国十几个电厂的锅炉“四管”进行了喷涂预保护，有效地解决了水冷壁管、过热器管的防腐耐磨问题，其工作寿命至少在两个大修期（6~8年）以上。以西北某电厂为例，近年来每年用于更换水冷壁管购置渗铝管的材料费用为30万元，如采用喷涂工艺，每平方米的费用为5000~6000元，寿命可达6年以上，且减少了大量的换管工作量，同时也尽可能的降低了由于“四管”事故停车检修而带来得一系列费用及停产损失。
水冷管壁、再热器管在电厂锅炉“四管”中，其腐蚀程度具有代表性。因此，该技术同样也使用于过热器管和节煤（或节油）器管，并且涂层失效后，还可以在基体上再次喷涂。
鉴此，“九五”期间，继续大力推广应用工业锅炉防腐耐磨涂层意义重大。