求4xJn电站锅炉管道的高温冲蚀磨损机理及防护技术？？

等离子喷涂 近年来，国民经济的飞速发展，使其对电力的需求日益剧增，特别是南方一些经济发达城市，在炎暑的用电高峰期拉闸限电现象频频发生。为满足国民经济发展对电力的需求，全国各地兴建了不少电厂，旧电厂也纷纷进行扩容改造。随着越来越多的高参数、大容量机组投入运行，锅炉受热面的运行工况更为苛刻。我国目前还是一个以火电发电为主的国家，为使煤炭资源得以充分合理的利用，在电站锅炉中大量使用高含灰量的劣质煤，随着灰分不断升高、热值不断降低，锅炉受热面产生磨损、积灰、结渣、腐蚀等一系列问题，受热面使用寿命降低，锅炉管道爆漏现象频繁。解决锅炉“四管”爆漏问题的可行途径，就是使用各种具有防磨性能的涂料技术和金属表面热处理技术。几十年来，国内外对各种防磨技术进行了大量的试验、研究和应用，并已取得显著成绩。
根据１９９２年我国火电设备事故的统计表明，当年锅炉事故占全部发电事故的５６％，而锅炉“四管”爆漏事故却占到了全部锅炉事故的６４．２％之多。其中，飞灰冲蚀磨损是引起对流受热面爆漏，威胁燃煤锅炉安全运行的主要原因之一。因此，开发抗高温冲蚀磨损材料，对改善锅炉对流受热面高温冲蚀磨损抗力具有现实的工程意义。本文在等离子喷涂阐述电站锅炉管道高温冲蚀磨损机理以及国内外对防磨涂层的研究和应用进展的同时，将通过试验对金属材料表面热处理这一技术是否能增加锅炉管道材料的抗高温冲蚀磨损力进行验证。
１ 电站锅炉管道的高温冲蚀磨损机理
１．１ 材料的冲蚀磨损
磨损和腐蚀是十分普遍的物理现象。被动的磨损和腐蚀会使材料的功能逐渐丧失，以至于失去使用价值，造成巨大的经济损失。表现在电站锅炉的管道上，就是产生“爆管”现象。但是磨损和腐蚀是有规律可循的，掌握其某些特定规律，对研究电站锅炉的高温冲蚀磨损，以及进行有效的防磨措施，具有一定的意义。冲蚀磨损是指材料受到小而松散的流动粒子冲击时表面出现破坏的一种磨损方式。粒子直径一般小于１ ｍｍ，冲击速度在５５０ ｍ/ｓ以等离子喷涂内。冲蚀磨损行为受到很多因素的影响,仓储货架，如基体材料的强韧性、温度、粒子冲击的参数（角度、速度、流量等），冲击粒子的性质（硬度、形状、尺寸）等等。在高温下材料的力学性能会比冷态下发生一些变化，同时材料表面也会发生高温氧化和热腐蚀。因此，材料的高温冲蚀磨损行为是冲蚀/氧化和冲蚀/腐蚀交互作用的结果。
１．２ 电站锅炉管道的高温冲蚀磨损机理
相当多的研究表明，电站锅炉的水冷壁、过热器管道受热面容易发生煤灰沉积引起的热腐蚀和飞灰造成的高温冲蚀磨损，再热器和省煤器管道容易发生飞灰冲蚀磨损。所以，飞灰冲蚀磨损是电站锅炉管道失效的最主要的原因之一。而在冷态下飞灰对锅炉管道的冲蚀磨损已有较多的研究，因此，本文将重点介绍在高温下电站锅炉管道的冲蚀磨损。
飞灰冲蚀磨损是一项气固两相流与金属摩擦理论相交叉的综合性课题，金属材料的冲蚀磨损量是一个受工作环境影响的系统参数，它一般受以下参数的影响：一是环境参数。包括冲刷角、飞灰颗粒速度及浓度、冲蚀时间、环境温度。二是颗粒特性。包括粒度、形状、硬度、密度、飞灰的化学特性及颗粒组成。三是靶材性质。包括机械性能及热物理等离子喷涂性能。这三方面因素是互相影响的。
在飞灰冲刷角度对锅炉管道冲蚀磨损影响的试验研究中得出：不同角度的冲蚀磨损会出现一个峰值，最大冲蚀磨损率对应的角度都在２０°～２５°之间。过了该峰值以后，冲蚀磨损率随着飞灰冲刷角度的增大，管道材料的磨损率较少，并且都在９０°附近发生最小冲蚀磨损；锅炉受热面撞击率随飞灰直径的增大而增大，颗粒小于４０ μｍ的灰粒，随气流运动受到管子阻挡时，灰粒和气流一起绕过管子，几乎不产生磨损作用；而大于４０ μｍ的颗粒质量较大，由于较大的惯性，对管子产生磨削作用，并导致磨损量的增加，且磨损量与灰粒直径的平方根成正比。根据灰粒磨损的基本原理，当灰粒的硬度大大低于金属硬度时，基本不产生磨损，而飞灰的摩式硬度平均值为７．１，相当于石英的硬度。正因为飞灰具有石英的近似硬度，所以它对管道的不断撞击，造成磨损的加剧；飞灰的密度越大则惯性冲击率就越大，因此飞灰的密度对磨损状况的影响也不能忽视。
在温度对锅炉管道冲蚀磨损影响的试验研究中得等离子喷涂出：在达到一个临界温度之前磨损量随温度上升而增加，随后当温度进一步上升时，磨损量递减。而且磨损量的峰值随着粒子冲击能量的增加而偏向于更高，其磨损率也同时增大，合金抗氧化性能越强，其峰值越偏向于较高温度。提到温度，就不能不提到金属氧化膜。一般来讲，常温下氧化膜非常薄，但在高温时，氧化膜厚度会大大增加，且温度越高，厚度呈指数规律增大，起到保护基质的作用，使金属表面抗磨损能力增强。但是随着温度的继续升高，由于氧化膜和金属基质的热膨胀系数不同，在某临界温度下，氧化膜会产生裂纹而剥落，由此导致磨损量迅速增大。
通过以下途径可以解决锅炉管道的飞灰冲蚀磨损问题：一是使用高品质燃煤，减少飞灰中ＳｉＯ２等硬质颗粒的数量；二是改变锅炉管道的结构以减少飞灰对管道的冲击、磨损；三是定期检查、更换锅炉管道；四是使用各种耐高温冲蚀磨损/腐蚀的热喷涂层；五是对锅炉管道易腐蚀的部位进行热处理。由于高温冲蚀过程是炉管材料表面的行为，最经济可行的两种办法就是热喷涂和热处理防护技术。
２ 热喷涂防护技术
２０世纪８０年代，美国的ＴＡＦＡ公司开发的４５ＣＴ材料采用电弧喷涂技术，其技术的实用性比较强，特别适合于现场施工，得到了广泛的应用；英国在８０年代开始进行热喷涂涂层防治锅炉管道的冲蚀和受热面腐蚀的小规模工业实验，采用等等离子喷涂离子喷涂７５Ｃｒ３Ｃ２ /２５ＮｉＣｒ和Ａｌ２Ｏ３作为抗飞灰冲蚀涂层，等离子喷涂５０Ｃｒ/５０Ｎｉ作为受热面耐腐蚀防护涂层；瑞典综合运用电弧＋火焰丝材喷涂技术先后对过热气管道喷涂Ｋａｎｔｈａｎｌ Ｍ合金，其耐热腐蚀和抗冲蚀性能远优于Ｍｅｔｃｏ多层涂层；美国Ｍｅｔａｌｓｐｒａｙ公司在９０年代初用ＨＶＯＦ（超音速火焰喷涂）制备的ＤＳ―２００（７５Ｃｒ３Ｃ２/２５ＮｉＣｒ）抗冲蚀涂层，已用于电厂燃煤锅炉、流化床锅炉炉管高温冲蚀磨损防护，９０年代末该公司又推出高速火焰电弧喷涂涂层新技术，即ＣｏｍＡＲＣ（高速火焰电弧喷涂工艺）喷涂Ｄｕｏｃｏｒ涂层，显著降低了涂层的空隙率，飞灰冲蚀抗力显著改善。目前我国只有少数大、中型火电厂和热电厂采用渗铝管取代低碳钢管对易腐蚀部位采用火焰喷涂和电弧喷涂进行防护，而对高温冲腐蚀磨损的研究尚少。
金属涂层主要是Ｎｉ－Ｃｒ合金和Ｆｅ－Ｃｒ合金系列涂层，其耐高温冲蚀能力与不锈钢相当，涂层与基体结合强度较高，抗热腐蚀、热疲劳性能较好，可通过火焰喷涂、ＨＶＯＦ、等离子喷涂、ＨＶＡＳ（电弧喷涂及高速电弧喷涂）等技术制备涂层。
陶瓷涂层具有较好的抗高温冲蚀性能，但喷涂工艺复杂，成本较高，而且涂层表面容易出现裂纹，抗热疲劳性能不如金属涂层。
由于单一的金属涂层或陶瓷涂层防护效果都不理想，近年来开发出新型的金属陶瓷复合材料涂层（ＭＭＣ），即在塑性的基体上均匀地分布着颗粒等离子喷涂形状、尺寸大小适当的硬质陶瓷相，从而获得较好的全攻角抗冲蚀磨损性能，有良好的应用前景。
国外已有采用ＨＶＯＦ或等离子喷涂Ｆｅ－Ａｌ金属间化合物涂层用于电站锅炉管道。我国现已研制出新型Ｆｅ３Ａｌ合金和Ｆｅ３Ａｌ/ＷＣ复合材料，采用ＨＶＡＳ工艺，有望大规模制备电站锅炉管道高温冲蚀磨损防护涂层。例如天津大港发电厂等采用了这种新工艺对锅炉管道进行了大量的电弧喷涂防腐耐磨防护施工，取得了良好的应用效果。云南省的小龙潭电厂目前也准备尝试这项新技术。
３ 热处理防护技术
３．１ 热处理的方式及优点
在先前的工作中对金属试件分别进行了离子Ｃ－Ｎ共渗和离子氮化表面热处理。这两种热处理的优点是：渗层均匀性好、容易控制，无晶界氧化，试件的耐磨性、抗疲劳强度较普通试件高。在下一步的工作研究中，将通过试验来验证表面热处理技术是否能增加管道的抗冲蚀磨损性。
３．２ 试验装置系统
本试验是在热态飞灰冲蚀磨损实验台上进行的，该试验装置系统见图１。
在实验系统中，气源由空气压缩机供给。气体流量大小由转子流量计两端的阀门控制。试验用灰经称重后装入灰斗，给灰量由叶轮式给粉装置来控制。给粉装置的叶轮是由调速电机经减速器带动的。压缩空气和灰粒子在混合室混合后进入加速管，灰粒子加速后以３０°冲角冲刷试件表面，加热流体的热量由加速管外的电加热装置提供，加热试件的热量则由另一专用的电加热装置提供。灰气流流经试件后，通过沉降式除尘器和布袋式除尘器净化后排到大气中。等离子喷涂具体的实验数据将在日后的研究分析中给出。
４ 结语
（１）电站锅炉的水冷壁、过热器、再热器及省煤器管道容易发生飞灰引起的高温冲蚀磨损。飞灰冲蚀磨损是电站锅炉管道失效的主要原因之一。
（２）采用热喷涂技术，能有效地控制高温冲蚀磨损。涂层防护技术是解决锅炉管道高温冲蚀磨损问题的一个经济、可行的途径。
（３）表面热处理技术，是一种新型的、潜等离子喷涂在的防治锅炉管道冲蚀磨损的新技术，其防护效果尚需进一步的试验验证