锅炉水冷壁磨损机理及防磨技术研究.pdf

循环流化床锅炉水冷壁 磨损机理及防磨技术研究 ( 申请中国石油大学工学博士学位论文) 华东 学科专业： 研究方向： 博士生： 指导教师： 油气储运工程 油气储运系统安全工程 邓化凌 王勇( 教授) 摘要 循环流化床( c f b ) 锅炉的磨损问题严重制约着其应用与发展，对其磨损机理 和防磨技术进行研究具有重要的理论和现实意义。通过对c f b 锅炉水冷壁磨损规 律和失效行为的分析，研究了炉管的快速磨损失效机理，提出了局部磨损的“微 区凿削”冲蚀模型。研究表明：引起水冷壁快速磨损爆管的原因不是由炉内颗粒 长距离“刨削”或“犁削”作用造成的均匀的、大面积磨损，而是局部的“微区 凿削”磨损；“微区凿削”磨损是高攻击角颗粒撞击磨损与低攻击角颗粒冲刷磨损 结合的局部冲蚀磨损，并兼有非刚体颗粒破碎的二次冲蚀，短时间内即可在管壁 上形成小而深的磨蚀坑，其微观形貌是互成角度的磨损小平面。磨蚀坑下部台阶 磨损失效的微观机制是撞击疲劳塑性变形表面微裂纹冲刷脱落，磨损速率最 快：底部磨损失效的微观机制为冲刷切削撞击剥落，磨损速率较快；边缘斜面 的失效机制为氧化膜破碎脱落，磨损速率最慢。“微区凿削”磨损一旦形成，会在 该局部区域持续、反复进行，使炉管快速减薄失强而造成爆管失效。 针对c f b 锅炉水冷壁的磨损特点，引入了灰色预测理论，采用在原始数据累 加和累减过程中对时距进行权重处理的方法建立了基于磨损量实测数据的水冷壁 管磨损的不等时距灰色g m ( 1 , 1 ) 预测模型。通过磨损试验和实测结果，验证了 模型的精度与可行性。模型的优点在于不必考虑复杂的磨损影响因素，需要的原 始数据少，计算方便，精度高，可用于工程实际。在此基础上，提出了基于灰色 预测理论的c f b 锅炉水冷壁管的寿命评估方法。水冷壁的磨损预测对于循环流化 床锅炉的设计和运行具有重要意义。 在对磨损原因和磨损机理分析研究的基础上，研制了c r b 粉芯丝材配方，采 用超音速电弧喷涂技术制备了颗粒增强金属基复合材料( m m c ) 防磨涂层。采用 金相显微镜、扫描电镜、电子探针和x 射线衍射等试验手段，对涂层组织、微区 成分和性能进行了分析和测试，并在c f b 锅炉水冷壁上进行了现场试验。结果表 明：涂层的微观组织为典型的层状结构，铁基体在涂层中连续分布，硬质相颗粒 在基体中均匀弥散分布，起到强化作用，并可阻挡冲蚀划痕的扩展，使冲蚀粒子 的运动受到阻碍，减缓了涂层金属基体受磨损的进程；涂层具有优良的综合性能， 抗高温氧化性是2 0 钢基体的3 - 4 倍，抗低温热腐蚀性是2 0 铜基体的9 1 1 倍，高 温耐磨性是s a 2 1 0 c 钢基体的o l o 倍，可有效保护基体，降低磨损速率，延长水 冷壁的使用寿命。现场试验涂层的失效分析发现低攻击角颗粒冲蚀下，m m c 涂层 破坏的主要原因是微观切削；在大攻击角颗粒冲蚀下，m m c 涂层表现出脆性材料 的特征，失效机理主要是撞击剥落；在两种情况下均伴随有涂层表面的高温氧化 和低温热腐蚀。 关键词：循环流化床锅炉，水冷壁，磨损机理，灰色预测，m m c 涂层 r e s e a r c ho na b r a s i o nm e c h a n i s ma n d a n t i - a b r a s i o nt e c h n o l o g i e so ft h ew a t e r - w a l l i nc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e db o i l e r s a b s t r a c t t h ec i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d ( c f b ) b o i l e ri sak i n do f m o d e mc o m b u s t i o ne q u i p m e n t 、i mm a n ya d v a n t a g e s b u ts o m et r o u b l e s e s p e c i a l l yt h es e r i o u sa b r a s i o np r o b l e mi n t h eb o i l e r sa r en o w h i n d e r i n gt h ea p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n t o ft h ec f bb o i l e r s i ti s o fm o m e n t o u st h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et or e s e a r c ho nt h em e c h a n i s ma n d a n t i a b r a s i o nt e c h n o l o g i e so ft h ec f bb o i l e r s t h r o u g hm a k i n go b s e r v a t i o n sa n d i n s p e c t i o n s o nt h em a c r o s c o p i ca n dm i c r o a p p e a r a n c eo ft h ea b r a s i o na r e a , a n d a n a l y z i n go nt h ef a i l u r ec a u s e s ，l a w s ，a n di n f l u e n c ef a c t o r so ft h ea b r a s i o no nt h e w a t e r - w a l lt u b e so f s e v e r a lc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e db o i l e r s ，t h em e c h a n i s mo f t h er a p i d f a i l u r ep r o c e s so ft h eb o i l e rt u b e sw a ss t u d i e da n dt h ea b r a s i o nm o d e lo fl o c a la r e ao n t h et u b e sw a sp r o p o s e d ，w h i c hi sn a m e dt i n yz o n ec h i s e ld i g ( t z c d ) a b r a s i o nh e r e t h e r e s u l t si n d i c a t et h a ti ti st h el o c a lt z c da b r a s i o nw h i c hc a u s e dt h er a p i df a i l u r eo f t u b e s ， w h i l en o tt h er e g u l a ra n dl a r g ea 托aa b r a s i o nc a u s e db yl o n gd i s t a n c e p l a n ed i g o r p l o u g hd i g b yt h ep a r t i c l e si nt h ec f bb o i l e r o n c et h et z c d a b r a s i o nb e g i n s ，i ft h e w o r k i n gc o n d i t i o n sd o n tc h a n g e ，i tw i l lb el a s t i n ga n dw i l lm a k eat i n ya n dd e e ph o l e d u r i n gas h o r to ft i m e ，u n t i lt h et u b ee x p l o d e sm p i d l y t h em i c r o a p p e a r a n c eo ft h e a b r a s i o nh o l ei sm a d el l po fl o t so fs m a l lp l a n e sw h i c hi n t e r s e c tw i t l le a c ho t h e rw i t ha c e r t a i na n g l e t h ec o m b i n a t i o no f i m p a c tw i ml a r g e ri m p i n g e m e n ta n g l ea n ds c o u rw e a r w i t l ls m a l l e ra n g l eb yt h ep a r t i c l e s t o g e t h e rw i t l lt h es e c o n d a r ya b r a s i o nb yt h eb r o k e n n o n - r i g i dp a r t i c l e sc o m p o s e dt h ew e a l m e c h a n i s m t h ep r o c e s so ft h ef a i l u r eb e h a v i o r o nt h ea r e ab e l o wa p p e a r se l a s t i cf a t i g u ee m e r g i n g ，t h e nd u c t i l i t yd e f o r m a t i o n s p r o d u c i n g , a n dt h e ns u r f a c em i c r o - c r a c k sc o m i n gi n t ob e i n g ，a n dt h ed u c t i l i t yl a y e r f a l l i n go f f i nt h i sp r o c e s s ，t h ea b r a s i o nr a t ei st h em o s tf a s t t h ef a i l u r ep r o c e s so nt h e b o t t o mo ft h ea b r a s i o nh o l ei sm o r em i c r o - s c o u rt o g e t h e rw i t hl i t t l ei m p a c tw e a ra n d w i t ht h er e l a t i v e l yf a s tw e a rr a t e t h el o s eo f t h eo x i d e so nt h es l o p eo f t h eb o t hs i d e so f t h eh o l ef o r m sa n o t h e rf a i l u r ep r o c e s sw i t ht h es l o w e s tw e a rr a t e i nv i e wo ft h ea b r a s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fw a t e r - w a i lt u b e si nc f bb o i l e r s ，t h eg r e y f o r e c a s t i n gt h e o r yw a si n t r o d u c e di n t ot h ep a p e r , a n dt h eu n e q u a li n t e r v a lg r e y f o r e c a s t i n gm o d e lg m ( 1 ，1 ) b a s e do nt h em e a s u r e dd a t aw a sd e v e l o p e dt oc a l c u l a t et h e w e a rr a t eo f t h ew a t e r - w a l lt u b e so f c f bb o i l e r s ，i nw h i c ht h em e t h o do f w e i g h t i n gw a s u s e d ma c c u r a c ya n df e a s i b i l i t ) ，o ft h em o d e lw a sv e r i f i e dt h r o u g hc o m p a r i n gt h e c a l c u l a t e dv a l u e st ot h em e a s u r e dv a l u e s n 比a d v a n t a g e so ft h em o d e ll i ei nt h ef e w o r i g i n a ld a t a , h i g hp r e c i s i o na n du n c o m p l i c a t e dc o m p u t ep r o c e s s 1 1 地r e s u l ta l s os h o w s t h a tt h eg m ( i ，1 ) m o d e lc o u l db eu s e dt ot h ee n g i n e e r i n g , w h i c hh a sm a g n i f i c e n t i m p o r t a n c ef o r t h ed e s i g na n do p e r a t i o no f t h ec f bb o i l e r s b a s e do nt h i sm e a u s ，an e w m e t h o do fs e r v i c el i f ee x p e c t a n c yt ot h ew a t e rw a l lt u b e si nc f bb o i l e r sw a sp r o p o s e d , w h i c hi sb u i l du po nt h eg r e yf o r e c a s t i n gt h e o r y b a s e do nt h es t u d ya n da n a l y s i so nt h ec a u s e sa n dm e c h a n i s mo f t h ew a t e r - w a l lt u b e s a b r a s i o n , t h ef o r m u l ao ft h ec o r e dw i r ew a sd e v e l o p e da n dt h em e t a lm a t r i xc o m p o s i t e s ( m m c ) c o a t i n g sr e i n f o r c e db yc e r a m i cp a r t i c l e sc r bw e r ep r e p a r e db ys u i n gh i g h v e l o c i t ya r cs p r a y i n g ( h v a s ) c o r e dw i r e s 船m a t e r i a lm e t h o dt op r e v e n ta b r a s i o n 1 1 地 c o m p o s i t i o no ft h ec o r e dm a t e r i a l sw a sd e s i g n e da t t e n t i v e l ya n de f f e c t i v e l yi nl i g h to f t h ea b r a s i o nc o n d i t i o n so ft h ew a t e r - w a l lt u b e si nc f b a f t e rt h a t , t h r o u g has e r i e so f e x p e r i m e n t s , i n c l u d i n gu s i n gm c t a l l o g r a p h , s e m ，e p m a ，x r da n ds oo n , t h e c h a m e l e r i s t i c s ，i n c l u d i n gt h em i c r o s t r u c t u r e ，p o r o s i t y , m i c r oh a r d n e s s ，a d h e s i v es t r e n g t h ， w e a rr e s i s t a n c ea n ds oo n , o ft h ec o a t i n g sw a st e s t e da n da n a l y z e di nd e t a i l s t h r o u g h d e p o s i t i n gt h ec o a t i n g so nt h es u r f a c eo ft h ew a t e r - w a l lt u b e s ，t h ea p p l i c a t i o nr e s u l t so f t h ec o a t i n g st of i e l dt e s tw e r ea l s os t u d i e d 1 1 1 er e s u l t ss h o wt h a tt h em i c r o s t r u e t u r eo f t h ec o a t i n g sa r et y p i c a lc o m p a c ts t r u c t u r e 、 ，i t hl a y e ru p o nl a y e r , a n de a c hl a y e ri s c o m p o s e do fs u c c e s s i v ei r o nm a t r i xa n dh a r dp a r t i c l e ss c a t t e r i n ge v e n l ya n dd i s p e r s e d l y t h es t i f fp a r t i c l e si i lt h ec o a t i n g sc a np l a yan a i l sr o l et oh i n d e rt h em o v e m e n to ft h e a b r a s i o np a r t i c l e s t h e r e f o r e ，t h ew e a rr a t eo ft h em a t r i xo ft h ec o a t 啦o , sc a nb eg r e a t l y s l o w e dd o w n t h er e s u l t sa l s od e m o n s t r a t et h a tt h em m cc o a t i n g sh a v ee x c e l l e n t c o m p r e h e n s i v ep r o p e r t i e s s u c ha sl l i g ht e m p e r a t u r eo x i d a t i o nr e s i s t a n c e 、v i t l lt h r e et o f o u rt i m e s 嬲m u c ha s2 0s t e e l s 1 0 wt e m p e r a t u r eh e a tc o r r o s i o nr e s i s t a n c ew i t hn i n et o e l e v e nt i m e s 鹤2 0s t e e l sa n dh i g ht e m p e r a t u r ea b r a s i o nr e s i s t a n c e s i xt ot e nt i m e sa s s a2 1 0 1 2s t e e l s c o n s e q u e n t l y , t h em m cc o a t i n g sm a d ei nt h i sp a p e rc a ng r e a t l y d e c r e a s et h ea b r a s i o nr a t e so ft h et u b e s ，a c c o r d i n g l yp r o l o n gt h es e r v i c el i f eo ft h e w a t e r - w a l l sa n dg u a r a n t e et h eb o i l e r sb e i n go p e r a t i n gs a f e l ya n de c o n o m i c a l l y a tt h ee n do f t h e p a p e r , t h ef a i l u r em e c h a n i s mo f t h ec o a t i n g st of i e i dt e s tw a ss t u d i e d 1 1 圮a n a l y s i sr e s u l t sd e c l a r et h a ti nt h ec o n d i t i o no f a b r a s i o nb yp a r t i c l e si i ls m a l la n g l e s t h em a i nc a u s eo f t h ef a i l u r eo f t h em m c c o a t i n g si sm i c r o - p l o u g hd i g n e v e r t h e l e s s ，i f t h ea b r a s i o np a r t i c l e si m p a c tt h ec o a t i n g sb yl a r g ea n g l e s ，t h ec o a t i n g sa p p e a rs o m e c h a r a c t e r i s t i c su ss u c ha sb r i t t l em a t e r i a l s n o wt h ef a i l u r em i e r o m e c h a n i s mo ft h e c o a t i n g si sf a l l i n go f fb yi m p a c tw e a r i nt h et w oe a s e s ，b e t ha c c o m p a n yb yh i g h t e m p e r a t u r eo x i d a t i o na n dl o wt e m p e r a t u r eh e a tc o r r o s i o np r o c e s so c c u r r e do nt h e s u r f a c eo f t h ec o a t i n g s k e yw o r d s ：c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e db o i l e r ；w a t e r - w a l lt u b e s ；a b r a s i o nm e c h a n i s m ； g r e yf o r e c a s t ；m m cc o a t i n g s 独创性声明 我呈交的学位论文是在导师指导下个人进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得其它 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此声明。 声明人( 签名年4 月p 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交学位论文的复印件，允许学位论文被查阅和借阅：学 校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。特此说明。 说明人( 签名煨指导教师( 签名 年汐月( ；日 循环流化床锅炉水冷壁磨损机理及防磨技术研究 创新点摘要 1 提出了循环流化床锅炉水冷壁管的快速磨损失效机理“微区凿削”冲 蚀模型。研究表明：引起循环流化床锅炉水冷壁快速磨损爆管的原因不是由炉内 颗粒长距离“刨削”或“犁削”作用造成的均匀的、大面积磨损，而是局部的“微 区凿削”磨损：“微区凿削”磨损是高攻击角颗粒撞击磨损与低攻击角颗粒冲刷磨 损结合的局部冲蚀磨损，并兼有非刚体颗粒破碎的二次冲蚀，短时间内即可在管 壁上形成小而深的磨蚀坑，其微观形貌是互成角度的磨损小平面。磨蚀坑下部台 阶磨损失效的微观机制是撞击疲劳塑性变形表面微裂纹冲刷一脱落，磨损速率最 快；底部磨损失效的微观机制为冲刷切削一撞击剥落，磨损速率较快；边缘斜面 的失效机制为氧化膜破碎脱落，磨损速率最慢。( 见第3 章) 2 引入灰色预测理论，采用在原始数据累加和累减过程中对时距进行权重处 理的方法建立了基于磨损量实测数据的水冷壁管磨损的不等时距灰色g m ( 1 ，1 ) 预 测模型，并通过计算实例验证了模型的精度及可行性。模型具有所需样本数据少、 运算方便以及精度高等优点，模型可用于工程实际。在此基础上，提出了基于灰 色预测理论的循环流化床锅炉水冷壁管的寿命评估方法。( 见第4 章) 3 采用陶瓷硬质相颗粒增强机理，研制了粉芯丝材配方，用超音速电弧喷涂 方法制备了金属基复合材料( m m c ) 涂层，并优选出c r b 颗粒增强涂层。该涂层 具有优良的综合性能，孔隙率为3 5 2 ，显微硬度为1 0 5 8 h v o 1 ，结合强度为 4 0 6 m p a ，抗高温氧化性是2 0 钢基体的3 4 倍，抗低温热腐蚀能力是2 0 钢基体的 9 1 1 倍，高温耐磨性是c f b 锅炉水冷壁s a2 1 0 c 钢基体的缸1 0 倍，可有效保护 基体，降低磨损速率，延长水冷壁管的使用寿命。( 见第5 、6 章) 第1 章引言 第1 章引言 1 1 概况 发展高效、低污染的清洁燃烧技术是我国能源研究领域的重要课题，循环流 化床( c f b c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d ) 是近年来在国际上发展起来的煤的洁净燃烧 新技术，是一种高效、低污染的新型锅炉【1 叫。其主要特点在于燃料与脱硫剂经多 次循环，反复地进行低温燃烧和脱硫反应，炉内湍流运动强烈，不但能达到低n o x 排放，9 0 的脱硫效率，而且具有燃料适应性广( 可燃用烟煤、贫煤、褐煤、无烟 煤、煤矸石等各种燃料) 、燃烧效率高( 燃烧效率可达9 9 ，锅炉效率能达到 8 8 9 1 4 5 】) 、调峰幅度大、灰渣易于综合利用等优点。 循环流化床锅炉以其经济性、高效率和环保性的显著优点，目前发展迅速， 已成为新世纪能源利用技术的发展方向之一。随着c f b 锅炉的普及使用，其在运 行中的问题也逐渐暴露出来，主要表现为运行时数少、磨损严重、出力不足等方 面。尤其是c f b 锅炉的磨损问题，已成为严重制约该类锅炉应用与发展的首要问 题删。由于循环流化床锅炉炉膛内颗粒浓度大，颗粒及烟气流速快，容易造成受 热面的磨损而发生早期失效。运行缸1 2 个月的流化床，往往会出现卫燃带上部水 冷壁管、高温过热器第一、二排管、省煤器第一排管等严重磨损而泄露；卫燃带 耐火材料、炉膛出口短烟道耐火材料、高温旋风分离器顶部耐火材料等严重冲刷， 甚至冲透；高温旋风分离器炉墙、省煤器炉墙倒塌等现象 9 1 ，因而不得不停炉检修。 国外在循环流化床锅炉发展初期对其磨损问题并不重视，随着大量c f b 锅炉的相 继投运，因磨损而造成的事故不断发生，该问题才引起人们的注意和重视。1 9 8 9 年，美国电力研究院主持召开了循环流化床锅炉的磨损问题研讨会，专门探讨循 环流化床锅炉的磨损问题。叫2 1 。目前，循环流化床锅炉的磨损问题已成为国内外 c f b 锅炉研究和应用单位面临的一个共性问题。在此背景下，山东电力集团公司 于2 0 0 4 年5 月立项研究循环流化床锅炉磨损问题( 项目编号2 0 0 4 a 3 2 ) ，研究综 合防磨技术，解决c f b 锅炉磨损问题，为c f b 锅炉的安全经济运行提供指导和保 证。本课题主要研究循环流化床锅炉水冷壁的磨损失效机理、磨损预测和颗粒增 强金属基复合材料( m m c m e t a lm a t r i xc o m p o s i t e s ) 防磨涂层。该课题的研究可 弄清c f b 锅炉水冷壁磨损的规律、原因和磨损失效机制，磨损预测可为c f b 锅炉 第1 章引言 的状态检修提供依据和指导，研制的m m c 涂层可明显降低水冷壁的磨损速率， 延长其使用寿命，保障锅炉安全运行，具有较高的经济和社会效益。 1 2 循环流化床锅炉简介 1 2 1o f b 锅炉结构及运行原理 研究循环流化床锅炉的磨损机理，有必要对c f b 锅炉结构及运行原理进行了 解。c f b 锅炉分为两个部分，第一部分由炉膛( 快速流化床) 、气固物料分离设备、 固体物料再循环设备和外部热交换器等组成，上述部件形成了一个固体物料循环 回路。第二部分为对流烟道，布置有过热器、再热器、省煤器和空气预热器等， 与常规火炬燃烧锅炉相近。 图1 - 1 为典型循环流化床锅炉工作原理示意图1 ，也是气固两相流流程示意 图。图1 2 为循环流化床锅炉炉膛的立体图。燃烧所需的一次风和二次风分别从炉 膛的底部和侧墙送入，燃料的燃烧主要在炉膛中完成。炉膛四周布置有水冷壁管， 用于吸收燃烧所产生的部分热量。由气流带出炉膛的固体物料在气固分离装置中 被收集并通过返料装置送回炉膛。 悬吊受热面 炉膛出口( 分离器入口) 图1 - 1 典型循环流化床锅炉工作原理示意图 图1 - 2 循环流化床锅炉炉膛立体图 循环流化床锅炉采用流态化的燃烧方式，即半悬浮燃烧方式，是指固体颗粒 在空气的作用下处于流动状态，具有许多流体的性质。在循环流化床锅炉炉内存 在着大量的床料( 物料) ，这些床料在锅炉一次风、二次风的作用下处于流化状态， 并实现炉膛内的内循环和炉膛外的外循环，从而实现锅炉不断的往复循环燃烧。 循环流化床锅炉的运行原理是煤在流化状态下低温循环燃烧( 8 4 0 “ c 9 0 0 “ c ) ，通 2 第1 章引言 过添加适当的石灰石粉和分级送风、分级燃烧，同时实现炉内脱硫和抑制n o x 生 成量【1 4 1 。 1 2 2 炉膛水冷壁的磨损部位 在循环流化床锅炉炉膛内，典型的流体动力学结构为环核结构【”一6 1 。在内部 核心区内，颗粒团向上流动；而在外部环状区，固体物料沿炉膛水冷壁往下回流。 环状区的厚度从床底部到顶部逐渐减薄，环状区的平均厚度从实验室装置的几毫 米一直变化到大型循环流化床锅炉的几十厘米【1 7 1 。整个炉膛水冷壁除了炉膛下部 敷设耐火材料的密相区以外，其余水冷壁表面都直接受到炉内物料流和颗粒的冲 刷和撞击，均不同程度地受到磨损。其中磨损最严重的部位主要是卫燃带与水冷 壁过渡区、不规则管壁区域以及炉膛四角掣1 们，严重磨损通常与回流物料突然 改变方向有关【2 1 埘l 。 卫燃带与水冷壁过渡区的磨损发生在炉膛下部卫燃带与水冷壁管的交界处， 范围为卫燃带上方2 0 0 r a m 左右。国外各主要循环流化床锅炉制造公司( p y r o p o w e r ， a b b c e ，b & w ，l u r g r i 等) 生产的循环流化床锅炉都发现了这种现象口5 9 1 。 p y r o p o w e r 公司生产的一台安装于美国加州s t o c k t o n 的4 9 9 m w 机组配套循环流化 床锅炉【3 0 一1 1 ，炉膛下部卫燃带高度约为4 6 m ( 布风板以上) ，燃用低硫烟煤，其 水冷壁管在卫燃带过渡区域焊有防磨盖板，防磨盖板从卫燃带延伸至水冷壁管以 上1 0 0 r a m 。在运行8 天以后就发现防磨盖板有明显磨损，再继续运行5 周以后磨 损已扩展至水冷壁管本身，所测得的最大磨损速率高达5 2 0 a g h 。图1 3 和图1 - 4 是我国华电国际淄博热电有限公司的两台4 6 5 t h 循环流化床锅炉水冷壁的磨 图1 - 3c f b 锅炉水冷壁磨损图1 - 4c f b 锅炉水冷壁鳍片磨损 3 第l 章引言 损情况，由图可以看出防磨套管及水冷壁管均有较大磨损，严重时一周内水冷壁 鳍片就被磨穿而不得不停炉检修。 不规则管壁包括穿墙管、炉墙开孔处的弯管、管壁上的焊缝及炉内的测试元 件等。运行经验表明，即使很小几何尺寸的不规则管壁也会造成局部的严重磨损， 其中开孔上部的弯管磨损较轻，而开孔下部的弯管磨损比较严重【3 2 】。 图1 5 与图1 - 6 分别为炉墙开孔处弯管的磨损2 刀及水冷壁管对接焊缝的磨损吲 示意图。此外，在一些已运行的循环流化床锅炉中，已发现炉膛角落区域水冷壁 磨损比较严重。 弯 管 上 部 磨 损 轻 微 图1 - 5 炉墙开孔处弯管的磨损区域 图l - 6 水冷壁管对接焊缝磨损示意图 1 30 f b 锅炉水冷壁磨损的国内外研究现状 循环流化床锅炉的易磨损部件主要集中于布风装置、受热面( 包括炉膛水冷 壁、埋管受热面、炉内悬吊屏和对流受热面) 以及耐火材料等【蚺3 6 1 。炉膛水冷壁 是炉内主要受热面，其磨损最为严重，各国研究人员都对水冷壁的磨损做了大量 试验研究工作，并试图找出一些行之有效的对策。这里主要对c f b 锅炉水冷壁磨 损机理、磨损预测、防磨措施和m m c 耐磨涂层的研究现状及存在的问题进行综 述。 1 3 1 水冷壁磨损机理研究 随着循环流化床锅炉磨损问题的日益突出，其磨损机理，尤其是锅炉内受热 面的磨损机理，越来越受到人们的重视， 献 3 7 1 介绍了在c f b 锅炉冷态试验台上， 国内外均做了大量的试验研究工作。文 对c f b 锅炉主床的床顶结构对边壁下降 流的影响所做的试验研究，并对平床顶结构分3 种高度的情况进行了试验。试验 得出：c f b 锅炉主床的床顶结构是影响边壁下降流的重要因素；当流化速度和固 4 n 日一 n 日一 固i部重 气 下严管损 弯磨 第1 章引言 体物料循环速率一定时，边壁下降流的延伸长度随床顶高度的增加而增大，在此 基础上，建立了边壁下降流内循环模型，通过分析和数学推导，给出了边壁下降 流内循环速率以及轴向截面平均物料浓度关系式。其边壁下降流内循环模型的推 论与m o r o o k as 的试验结果【3 8 】相吻合。文献【3 9 】研究了自由降落法对碳钢、不锈钢 等1 1 种材料试样的冷态冲击磨损实验结果。颗粒对试样冲击速度控制在 2 2 m s , 。5 0 m $ 范围内，大致与实际流化床内固体颗粒对埋管的冲击速度相当；并 对试样磨损率与颗粒冲击速度、角度、球形度及平均直径进行了回归，建立了低 速冲击磨损经验公式。利用电子显微镜对被磨损试样表面进行了观察，探讨了低 速度冲击磨损机理。文献【4 0 】采用自行开发的磨损传感器研究了循环流化床中不同 部位的磨损分布。试验发现：稀相区受热面的磨损情况相对较轻，运行风速的影 响也较小，磨损指数小于2 ；密相区受到颗粒的碰撞，其磨损较严重，且随风速增 长较快，其磨损指数为3 5 ；而顶棚受热面由于炉膛气流的转弯受到颗粒的高速撞 击，表现出了较高的磨损率，而且随运行风速的影响也非常大，磨损指数大于4 ， 是试验中发现最严重的磨损区域。 研究表明，循环流化床锅炉的磨损性质属典型的冲蚀磨损，包括冲刷磨损和 撞击磨损【4 1 椰】。描述冲蚀磨损机理的理论主要有芬尼( f i n n i e ) 微切削理论【托4 5 1 、 比特( b i t t e r ) 的变形磨损理论晰一7 】、纳尔森( n e i l s o n ) 和吉尔克列斯特( g i l c h r i s t ) 方程 4 8 1 等。f i n n i e 模型能够解释小冲击角的冲蚀磨损规律，但在解释大冲击角或脆 性材料的冲蚀磨损时偏差较大，特别是在9 0 。冲击角时，与实际情况严重不符。 n e i l s o n - g i l c h r i s t 理论可方便地描述不同的冲蚀磨损特性，但方程预测冲蚀磨损量 与速度的平方成正比不是非常准确，且还需要经验校核。b i t t e r 变形磨损理论是基 于冲蚀过程能量守恒推导出来的，能较好地解释塑性材料的冲蚀现象，但缺乏物 理模型支持。 文献【1 7 】认为炉膛水冷壁管的磨损有双体磨损和三体磨损两种方式( 图1 - 7 ) 。 双体磨损是由于固体物料与水冷壁相接触，水冷壁受到向下回流物料的冲刷。在 三体磨损中，沿炉膛壁面运动的固体物料受到颗粒团的碰撞，利用贴壁的固体颗 粒作为磨损介质使水冷壁管产生磨损。在上述两种作用方式中，三体磨损是循环 流化床锅炉炉膛水冷壁管产生磨损的主要形式。 尽管有许多关于循环流化床内受热面磨损的研究报道，但很少有人对导致磨 5 第1 章引言 三体磨损 双体磨损 颗粒群斥着紧挨 管子的一层颗粒 颗粒磨损着管子 颗粒靠本身的动量 磨损看管于表面 图1 - 7 双体磨损和三体磨损示意图 损的物理机理进行深入探讨。目前大多数研究仅停留在寻找磨损率与气流速度、 浓度、尺寸及操作参数等关系的阶段上。事实上，人们对真正影响磨损率的因素 还缺乏较完整的认识【4 9 0 1 。在流化床内，由于腐蚀、表面沉积和磨损共存，磨损 又可能由冲击和摩擦刮削两种方式形成，加上诸如颗粒和管材性能，复杂的气固 两相流动机理的影响，大大增加了人们对磨损过程认识的难度1 5 1 - 5 2 1 ，有待于对磨 损的失效机制和磨损的物理机理进行深入研究。 1 3 2 锅炉受热面磨损的预测模型研究 循环流化床受热面磨损的模型预测工作对流化床锅炉的设计和运行具有重要 意义，人们根据各因素的影响，做了一些流化床锅炉磨损的模型预测工作，其中 较具代表性的是美国阿贡国家实验室等单位进行的研究【5 3 。6 1 。针对循环流化床锅 炉的磨损预测模型主要有s o o 冲蚀磨损模型【绷、w o o d 和w o o d f o r d 疲劳模型【5 8 1 、 简易封闭形态的单层能量耗散冲蚀磨损模型( s c f m e d 模型) t s g l 、流化床埋管磨 损的半经验公式 6 0 一1 1 以及对流受热面飞灰冲蚀磨损的计算模型蚓等。 文献 6 2 】运用所提出的计算机辅助优化数值试验( c a t ) 方法，对含灰气流冲 击管子的碰撞和磨损问题进行了较深入的数值试验研究，建立了气相场流动方程 及七七湍流模型、颗粒相运动方程，并结合t a b a k o f f 等人提出的颗粒与管壁碰撞 反弹模型和冲蚀模型6 3 】，分别对光管和加鳍片的单管、单排管、顺列管柬、错列 管束在不同结构特性和工作条件下管壁的磨损进行了大量的数值试验研究，并给 出了含灰气流冲击对流受热面的磨损计算步骤，即首先求解气相流动速度分布， 然后求解颗粒运动轨迹，最后进行冲蚀磨损计算。计算中所考虑的结构特性和工 6 第1 章引言 作条件包括烟气速度、气流湍流度、管子布置角度、灰粒直径、管壁材料、烟气 流向以及管子间节距等。试验台实测结果表明数值试验预测结果与实测结果符合 良好【雒删。 文献【6 7 】建立了流化床两相流的冷态磨损模型单层动能耗散模型。在该模 型中，认为管表面的瞬间磨损率与颗粒相在管表面的动能耗散率成正比。耗散率 由两部分组成，一是来自于颗粒相的黏性耗散，一是来自于气固两相之间的阻力。 试验证明，模型的模拟结果与试验结果是吻合的。 文献【6 8 】建立了一种新型的c f b 锅炉磨损模型，即所谓的简易封闭形态的单 层能量耗散( s c f m e d ) 磨损模型，该模型是流化雷诺数的函数，模型对磨损的 预测和计算是建立在相对可靠的实验室和现场数据的半经验关联式基础上。在考 虑磨损与腐蚀因素的情况下，应用该模型对铝管磨损进行预测，计算结果与单层 能量耗散( m e d ) 磨损模型的计算结果是一致的。 虽然流化床锅炉的磨损模型预测已取得一些进展，但由于磨损过程的高度复 杂，许多因素在目前的磨损模型中还未能考虑，而且模型一般是基于数值试验或 经验、半经验基础上，虽然有些模型和实验室数据符合较好，但离现场实际还相 差很远，因此在流化床锅炉磨损预测方面仍有很多工作需要开展。 1 3 3 锅炉受热面的防磨措施研究 磨损是循环流化床锅炉固有的特性，不可能从根本上予以消除。在采取防磨 措施时，可从两方面进行考虑：一是从优化锅炉运行及改善部件结构角度来减缓 锅炉磨损的过程，即运行防磨和结构防磨；二是采用相应工艺方法提高部件的抗 磨损能力，即材料防磨。目前国内外各循环流化床锅炉的制造、使用和研究单位 均对c f b 的防磨技术正在进行相关研究，以下是主要防磨方法介绍。 1 优化运行方式，降低物料浓度 目前，c f b 锅炉还没有一套成熟而具有普遍指导意义的运行方式，各单位主 要凭指导参数进行操作和实践。 c f b 锅炉常规的运行方式是采用8 5 0 0 p a 9 0 0 0 p a 的料层差压，8 4 0 - - 9 0 0 床 温，选用低位发热量为1 2 0 0 0 k j k g 1 7 0 0 0 k j k g 的劣质煤。对于既能提高负荷，又 能减轻磨损的运行方式，各单位还在探索中。文献【9 】介绍的可行的运行方式为： 降低料层差压至8 0 0 0 p a 8 5 0 0 p a ，床温升到9 5 0 。c - 1 0 5 0 。c ，选用低位发热量为 7 第1 章引言 2 5 0 0 0 k j k g 的优质烟煤或无烟煤的下脚料。该运行方式优点为：降低料层差压， 既降低风速，也降低了循环物料浓度