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喷涂技术方案
一、CFB锅炉磨损分析
CFB锅炉在运行中由于受流体力学等特性,使之在水冷壁附近非常容易形成涡流,尤其在一些表面缺陷点(如焊缝等)和形状突变凹凸部位(如耐火材料顶端、炉膛内壁管道四角等),这些问题的存在对CFB锅炉能造成严重磨损。为此,大大降低锅炉使用周期,给用户带来严重经济损失。
CFB锅炉存在的弱点是腐蚀和磨损问题
磨损和不同程度的腐蚀使得CFB锅炉在2000~3000小时内的运行情况难以预料。这个时间与锅炉的燃料、添加剂、风速、锅炉结构以及负荷率有关。热电厂(同时提供电和蒸汽或热水)负荷率较低,但负荷变化很大,尤其在春秋两季。
腐蚀问题
炉膛底部处于还原气氛,由耐火材料保护(不足量的底部一次风形成低于原子配比的条件)。在此气氛下即使不易腐蚀的燃料也会产生强烈腐蚀。这是由于缺乏氧气阻止了氧化物的再形成。另一方面,耐火材料层不能承受剧烈的温度变化也限制了CFB锅炉所需要发挥的正常运行效果。
CFB锅炉的腐蚀是有以下因素造成:
1、低向火面温度
2、很少产生熔化颗粒附着(除非燃料中含有大量K、Na)
3、有限的还原区域(炉篦或空气喷嘴以上,二次风口以下)
4、因用石灰石吸收SO2含量降低
5、大量床料分布在水冷壁周围降低了腐蚀物质的压力
从腐蚀角度看水冷壁管温度也是很重要的。炉管温度主要取决于管内水或蒸汽的温度,而与外部气体温度的关系不大。显然,有助热量的由外至内传递。
蒸发器(炉膛内)和省煤器温度可以用如下公式估计:
管壁温度=管内液体温度+25℃
过热器和再热器管温度可以用如下公式估计:
管壁温度=管内流体温度+50℃
磨损问题
一般来讲,磨损与固体颗粒密度和速度、粒子特性,以及气流几何路径有关。粒子速率是一个最重要的因素,磨损与其速率的平方成正比。
◎严重磨损区域
1、水冷壁
水冷壁区域灰粒的斜冲击磨损(0°<α<30°)
这种磨损亦称为凿削冲刷磨损,是由于高速气流所造成的。其特点是由于灰粒的高速运动与冲击,内壁表面被撕裂和切削。这种冲刷磨损量是比较大的,由于管壁磨损大,所以造成锅炉受热面管束泄漏或爆管的严重事故发生。
在锅炉使用的过程中,由于受炉渣和煤灰对管壁起到严重的冲刷磨损作用,燃料含硫量高,锅炉水冷管壁上由于
Fe元素与高温烟气中的S元素反应生成FeS而造成腐蚀。
2、吊屏、炉顶
表面冲击磨损(α→90°)
颗粒以接近垂直的角度直接冲击管壁表面。在颗粒的撞击下磨损的主要因素是塑性变形;对金属材料性能的研究表明,锅炉受热面管子所用的钢材为延性材料,故在颗粒冲击作用下,当冲击角α→90°时,其磨损量并不大,而主要是塑性变形。但在高温氧化气氛下,煤灰颗粒冲击管子表面氧化层保护膜,造成管子氧化——氧化膜脱落——再氧化——再脱落——最终管壁减薄造成泄漏或爆管。
3、焊缝和护瓦等部位
焊缝不平滑、水冷壁表面有台阶、鳍片密封不严,容易造成局部涡流,管壁也能快速减薄,造成爆管。见下图示:
二、喷涂防磨涂层工艺流程
◎热喷涂涂层形成示意图
◎锅炉各部位防磨涂层设计
涂层要求: 1)膨胀系数与管材匹配
◎炉膛卫燃带水冷壁及吊屏防磨涂层设计
工况:二次风口下,炉内气氛呈还原性;灰浓度大,磨损严重。涂层设计:Fe+Cr+Al2O3+Cr3C2外加高温封孔剂
涂层功能:Fe为结合相
Cr - Al2O3+ Cr3C2为硬质相,抗磨粒磨损 2)抗氧化、不还原结构稳定
3)热态硬度高、韧性好、耐冲刷 4)热震稳定性好不剥落
涂层物理性能:
工作温度(℃)
950 ≥65 氧化增量(mg/cm2) 洛氏硬度HRC 线膨胀系数(×10-6)
结合强度(Mpa) 孔隙率(%) 涂层厚度(mm) 年磨损量
≥60 ≤ ≥ ≧
三、喷涂方法
◎超音速电弧喷涂
超音速电弧喷涂技术是本公司与北京工业大学材料学院、浙江大学、华北电力学院同时引进美国TV、英国HA技术后,经过几年研究开发出来的一种新型喷涂技术,现已通过国内几十家电厂用在各种型号的锅炉上,至今没有发生过一次质量问题。
1、超音速电弧喷涂技术原理
燃烧于丝材端部的电弧将均匀送进的丝材料熔化,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的分布均匀的粒子,喷向工件表面形成涂层。该涂层因材质不同,分别具有防磨或耐腐蚀的作用,同时因涂层较薄而且材质同属金属材料,所以涂层与工件结合强度不会改变,并且也不会影响工件的传热性能。
2、超音速电弧喷涂技术性能
(1)应用空气动力学原理和计算机辅助设计以及拉伐尔喷嘴等
技术,成功研制出了超音速电弧喷枪