循环流化床锅炉水冷壁等受热面防磨防腐工程技术设计

循环流化床锅炉水冷壁等受热面防磨防腐工程技术设计循环流化床(CFB)锅炉因其燃烧效率高、燃煤适应性广、环保和调峰能力强等特点而备受青睐，是近年来大力发展的炉型。但由于其燃烧和结构的特殊性，投产运行后水冷壁密相区和四角、炉膛烟气出口等受热面部位磨损特别严重。因此，若在该部分锅炉管出厂或投产前进行防磨处理可以大幅度提高锅炉运行效果和企业形象。一、失效分析CFB锅炉炉膛水冷壁等受热面部位，失效的主要原因是受到高速高浓度含床料、燃料气流的强烈冲刷磨损，局部区域存在严重的涡流效应和切割效应，其次还伴有烟气的高温腐蚀。管壁的磨损是与气流中固体物料浓度、烟气速度、颗粒的特性硬度和流道几何形状等密切相关。据有关研究资料表明，磨损与烟气流速的3.6次方成正比，与含尘浓度成正比，而在CFB锅炉中，固体物料的浓度很大，通常可达煤粉炉的几十倍到上百倍，并且烟气流速大，颗粒硬且棱角尖锐，因而在高速烟气的带动下，对水冷壁等受热面部位的冲刷磨损极为严重；涡流效应是在炉膛四角和卫燃带顶部等区域水冷壁管因受一次流态风和二次干扰风复合作用所致，导致对管壁的局部磨损尤为明显；切割效应体现在卫燃带顶部平台上方水冷壁处，当焦渣等固体颗粒以较高速度下降到该平台时，产生反弹，其中往水冷壁侧反弹部分对水冷壁管产生切割效应而导致严重磨损。烟道出口水冷壁部位则受到了烟气拐向时，由于固体颗粒的惯性作用而引起强烈的冲刷、磨损。其次还易受到高温氧化和硫酸盐及硫、硫化物的热腐蚀。水冷壁管具备了高温氧化和高温腐蚀条件，其烟气温度高，且是富氧燃烧，实践证明，在300℃以上，管外表温度每升高50℃，腐蚀速度增加1倍。锅炉在运行过程中受热面管表面首先发生高温氧化，表面生成Fe2O3，其次燃料灰中的Na2O和K2O与烟气中的SO3化合生成硫酸盐，其捕捉飞灰形成结渣和流渣，此时烟气中SO3与M2SO4同管壁上的Fe2O3反应生成复合硫酸盐MFe（SO4）2或M3Fe（SO4）3，此复合硫酸盐受高温又分解为疏松状氧化铁和硫酸盐沉积层，易被飞灰气流冲蚀带走，氧化腐蚀继续向管壁纵深进行；另外燃料中硫份，经燃烧生成的S和H2S也对管壁会产生强烈的腐蚀，与Fe反应生成FeS。在上述多重因素共同作用下，水冷壁管从外向内不断地被冲刷、磨损和氧化、腐蚀，使之逐渐变薄，当局部承受不了管内水汽压力时即造成爆漏而失效。二、涂层设计针对上述受热面部位失效机理及大多数厂家实际使用和磨损情况，我们建议采用超音速电弧喷涂技术，并选用耐冲刷磨损和抗高温氧化性能俱佳的高耐磨金属合金丝材风向标®TB制作涂层+高温耐磨防腐专用封孔剂进行封孔，在涂层边缘设置过渡区域，过渡区域宽度为100-150mm，平滑过渡。由此制得的复合涂层进行防护能满足防护要求。三、风向标®TB型高耐磨金属陶瓷丝材涂层技术指标型号TB金属陶瓷涂层厚度0.8mm左右粒子速度386m/s结合强度≥50MPa硬度≥60HRC(维氏硬度换算值)抗高温氧化性+12.16mg/cm2（750℃氧化250h）孔隙率≤0.9%基体温度≤120℃工件变形性不变形，不改变母材表面金相组织及理化性能2、高温耐磨防腐专用封孔层主要成份：纳米氧化锆、纳米氧化铝、氧化铝微粉，氮化硼微粉等工作温度：1000℃耐磨性：≤10mg/1000r结合强度：≥6MPa厚度：0.05-0.1mm左右四、风向标®TB型高耐磨金属陶瓷丝材说明超音速电弧喷涂采用硬度特别高、耐磨损和抗高温氧化腐蚀性能优异的风向标TB型金属陶瓷丝材，专利证书号：15391183，其主要成份包括Ni、Cr、Cr3C2及Ti、B等元素，其中所含的Ni元素具有良好的延展性，使涂层与锅炉管有着几乎相同的热膨胀系数，避免了由于热应力引起的涂层开裂和剥落；Cr3C2是一种优良的金属陶瓷，在高温下化学性能稳定，硬度高、耐磨性好，且具有一定的拒高温融熔玻璃体附着性能即抗结焦性能；材料中还佐有Ti等元素，帮助进一步改进涂层性能，提高耐高温氧化、抗热腐蚀等方面性能；所含自融性介质，较一般合金更易雾化，参与制作的涂层细腻，孔隙率低，是所有金属陶瓷中应用于制作高温涂层的最佳选择。喷涂完后由于涂层中还含有残留的部分自融性材料，涂层运行一段时间后，由于受热而与基材间形成了一种亚冶金结合结构，从而结合强度更高，特别耐磨。该金属合金陶瓷材料热膨胀系数与锅炉钢系数相近，故在冷热交变的工况下，不会出现起皮、开裂等现象，结合牢固；其热导率与锅炉钢材料热导率相近，且厚度不超过1.0mm，因此不会影响传热效果。五、高温耐磨抗蚀专用封孔剂说明高温耐磨抗蚀专用封孔剂系采用超硬新材料，合成新工艺，以及粒子的配级等技术精心加工、配制而成，在常温下可快速固化，高温下形成坚硬的陶瓷体。其高温耐磨性好，导热系数大，抗蚀性强，与金属表面粘结具有极强的吸附性和热震稳定性，不脱落、不出现裂纹等特点。用其对金属热喷涂涂层表面进行封孔，能有效渗透、浸湿涂层孔隙，并在高温下逐渐陶瓷化，使整个涂层更致密，阻止介质中的有害成份通过微小的涂层隙进入涂层内部，能获得有效封闭毛细孔的效果。六、喷砂设备与技术说明1、设备说明沙贝珂PCS控制系统喷砂设备其PCS遥控系统气动型控制系统，由RCM控制器（喷嘴处）、RIV进气阀、ROV排气阀、OF过滤器、控制气管和接头等组成，并配有贮沙罐等。在非工作状态时，RCM控制器手柄被弹簧顶起，RIV进气阀旋塞打开。工作时，压下RCM手柄，控制气流经另一根控制气管到达RIV进气阀和ROV排报导阀顶部，使进气阀打开，排气阀关闭，磨料桶内压力升高，喷丸作业开始。2、喷砂对基体表面的作用①净化表面：去除被喷表面的各种污杂物，特别是油脂、污垢、氧化皮、锈、腐蚀物，以利于熔融粉末与基体表面的粘合吸附（分子的溶解和扩散）。工作面清洁度达到GB8923-88《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》中规定的Sa3.0级。②粗化表面：热喷涂涂层与基体的结合以机械结合为主，这就要求基体前处理不仅要除油除锈，还要粗化表面，使用面具有一定的粗糙度。表面粗糙度达到GB11373-89《表面粗糙度参数及其数值》中的规定的RZ50-90μm。粗化处理的目的：a增大喷涂层与基体的接触面积，提高结合面的粘合吸附力。b增加涂层材料与基体表面的填塞嵌合，锚合咬合作用，以加强涂层与基体的附着力。③活化表面：喷砂使被喷涂表面形成活化能力：如晶格缺陷、塑性变形，产生一定的应力状态，以利于增加喷涂粒子与基体表面化吸附力，提高喷涂颗粒与基体的冶金结合能力。活化效果分析如下：a喷砂使工件表面在经过砂粒的反复打击后形成一定的残余压应力，尽管该应力数值极小，但对于松驰工件在喷涂过程中涂层热应力，对提高涂层的结合强度有利，同时也可以提高工件的疲劳强度。b喷涂可除去工件表面上的有机污杂物和氧化层，并能增大金属表面晶粒的塑性变形和造成晶格缺陷，使基体表面处于容易发生化学反应的状态，有助于喷涂颗粒与基体表面间的物理化学结合进行。所以工件喷涂前进行喷砂处理是极为必要的。而且喷砂后的工件应尽快进行喷涂，时间越短表面活化效果越好，涂层质量越高。七、超音速电弧喷涂设备与技术简介1、设备简介FLEXIARC200电弧喷涂设备是一种以各种实心线材和特殊粉芯线材为原料，广泛应用于各种表面的抗腐蚀和耐磨损处理的电弧喷涂系统，其粉芯线材经过特殊熔化。由于客户所需要的实芯线材不同，所以各种模具也有所不同。高能密度和特殊加工的电弧使FLEXIARC200能够充分熔化金属管及其内部的粉芯。FLEXIARC200可以实现傻瓜式自动喷涂，这个电弧喷涂系统符合CE-standard标准，并且包括以下模块。①便携式电源②可以旋转的送丝装置③手动喷涂设备④管线集成件包括绝缘导向管2、技术简介超音速电弧喷涂技术是我公司通过引进先进设备和技术开发的金属热喷涂新技术，被美国、日本等发达国家列为二十一世纪表面工程关键技术。该喷涂技术采用燃烧于丝材端部的电弧将均匀送进的丝材熔化，经拉伐尔喷嘴加速后的超音速气流将熔化的丝材雾化为粒度细小、分布均匀的粒子，喷向工件形成涂层。熔化粒子与基材主要以机械、物理和冶金等方式结合，其结合强度可达55MPa以上。与普通电弧喷涂和火焰喷涂相比，超音速电弧喷涂具有更高的粒子飞行速度、更强的结合强度、更低的孔隙率、涂层均匀度高、致密性好、且喷涂粒子到达工件表面时温度不足120℃工件不会变形，可获得高质量的涂层。八、施工条件为了作好施工准备工作，其施工需要具备以下条件：（1）电源：380V20KW三相交流电（2）气源：气压＞5kgf流量＞5m3/min（3）平台：长4m（最少3m）宽2m（最少1.5m）（4）喷涂工件的位置离主机放置位置的距离不超过15m（5）提供施工部位所需的脚手架九、施工工艺流程：审查资料审查资料现场勘察现场勘察编制施工技术方案编制施工技术方案工序检查工序检查表面预处理表面预处理管壁表面检验管壁表面检验喷涂型号TB喷涂型号TB合格不合格涂层封孔涂层封孔质量验收质量验收十、施工技术规范：1、施工准备：①根据实际需要搭好脚手架。②清除受热面上的大块焦、杂物等。③对管壁需实施喷涂的部位进行全面的质量检查，如发现需要修整补强的部位应及时向甲方提出。④利用现场已有条件进行设备就位、电气接线、气源管线连接及磨料回收帆布铺设工作。2、表面预处理：表面预处理按照GB11373-89《热喷涂金属件表面预处理通则》进行，其处理的好坏直接影响喷涂层的结合强度。①喷砂前，对非有效表面采用遮蔽带、硬木板或橡胶等物进行遮蔽保护。并预留过渡区域，以保证涂层边缘光滑过渡。②磨料选择及使用：喷沙材料应选用质坚有棱角的特级石英沙（按国家标准）必须净化，使用前应经筛选，沙内粘土及细粉尘含量不应大于5%,不得含有油污。喷沙前石英沙要晾晒干燥，含水量应不大于1%,并存放干燥，防止受潮、雨淋、沙内混入杂质。所用砂粒必须清洁、干燥，喷砂区域设围护及其它回收措施，确保不污染周围环境，经质量工程师确认后方可进行喷砂。③喷砂装置：采用压力式喷砂设备④压缩空气：利用现场气源或自备空压机，空气压力范围为0.5-0.6Mpa，气体流量控制在6m3/min左右。⑤操作方法：喷砂距离100-300mm；喷砂角度：与基体60-80℃；每次喷砂5-6m2。除锈应从下至上进行，将凹凸不平的受热面打磨光滑平整后立即喷砂。表面清理度达到Sa3.0级，即完全去除钢材表面的锈、氧化皮、油污等附着物，并露出灰白色金属光泽，其粗糙度达到RZ50-90μm。⑥在喷砂后应检查预处理的表面，采用TR100袖珍式表面粗糙度测试仪进行检测，发现有锈蚀或不合格的部位应重新进行处理，合格后再用DC-2000B型智能超声波测厚仪对管壁进行第一次测厚δ1。喷砂完工后设备表面不得受潮、氧化及污染，在2-4小时内必须进行电弧喷涂，以保持被喷表面较高的活化度。除锈后经有关人员验收合格后方可进行喷涂施工。3、喷涂：①超音速电弧喷涂按照GB11375-1999《热喷涂操作安全》执行。②喷涂前，在表面预处理和喷涂工序之间需中间停留时，应对经预处理的有效表面采用干净牛皮纸或塑料膜等进行覆盖保护。③丝材选用：φ2.0mm风向标®TB型金属陶瓷丝材④洁净气路：经冷冻式干燥机及三级过滤即可获得干燥洁净的压缩空气。⑤喷涂设备选用：选用SAS-1型超音速电弧喷涂专用喷涂电源及配套送丝装置等。⑥喷枪选用：选用超音速电弧喷涂，其雾化气流速度大于500m/s，粒子速度达到386m/s以上，涂层孔隙率可控制在0.9%以内，同时涂层与基体的结合强度也得到了明显的改善。⑦喷涂工艺参数：a、粒子喷涂速度：＞386m/sb、电弧电压：32-34V；电弧电流：160-200Ac、雾化空气压力：0.5-0.6Mpad、喷涂距离：150-200mm；喷涂角度：＜45°e、喷砂与喷涂每5-6m2间隔循环进行，喷涂过渡区域宽度为100-150mm，边缘平滑过渡，无凹凸台阶。f、涂层厚度0.8mm左右。⑧喷涂方式：采用井字型喷涂方式，分层、分区作业，每区5-6m2，局部区域喷涂达到工艺设计厚度后再移换到其他区域，确保喷涂层的厚度均匀及结合力，防止出现漏喷现象。喷涂完毕后，应进行涂层质量检验，并测量厚度δ2，若δ2-δ1≥0.8mm，判定合格，可进入下一道工序，否则对不合格部位应进行补喷涂。⑨操作注意事项：a、分块作业，局部区域喷涂达到设计厚度后再移换到其他区域，搭接部位设置辨认标志。操作时，层间温度不得高于80℃。b、送丝盘及送丝情况设专人监护，以保证顺利送丝，防止丝材“打结”，同时必须保证两丝间绝对绝缘，以免造成短路。c、喷涂前应在试板上试喷，以便调节电压、电流、送丝速度、压缩空气流量，检查气路的活接头及软管接头，不得有漏气现象。如发现送丝不稳、电弧不稳定燃烧、严重漏气等特殊现场应及时检查、调整。调节电压时应断开主回路，以免损伤主变压器。注：喷涂过程中烧损的导电嘴应及时更换，加工精度超标的导电嘴禁止使用。d、喷涂过程中若发现送丝不稳、熔丝爆断、电弧时断时续现象，应先检查导电嘴使用状况，再次检查导丝管安装是否牢固，松动时应及时拧紧。十一、质量状况说明1、选用1