循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)受熱面磨損問題研究

吳曉紅

摘要：循環(huán)流化床（CFB）燃燒技術(shù)以其優(yōu)良的性能、低污染燃燒特性成為當(dāng)今世界先進可靠的潔凈燃煤技術(shù)之一。本文介紹了循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)水冷壁管磨損機理以及水冷壁磨損的原因，最后對水冷壁管防磨措施進行了探討。

關(guān)鍵詞：循環(huán)流化床；水冷壁；磨損機理；防范措施

1 爐內(nèi)受熱面的磨損機理

磨損是機器最常見也是最大量的一種失效方式。凡兩個相互接觸或相對運動的表面都不免要發(fā)生摩擦，有磨擦即有磨損發(fā)生。由于磨損的復(fù)雜性，目前世界上還沒有一個統(tǒng)一的分類方法，基于對不同條件的考慮，各地各學(xué)者有不同的分類方法，比較一致的看法是根據(jù)磨損方式將磨損分為以下幾類，即：粘著磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損、磨料磨損、微動磨損等。1971年美國礦山機械行業(yè)建議把磨料磨損重新劃分為七類：純凈流體沖蝕、撞擊沖蝕、沖蝕磨損、切削磨料磨損、高應(yīng)力研磨、鑿削磨料磨損、沖刷腐蝕磨損。研究表明，鍋爐水冷壁管的磨損失效機理是固體物料的沖蝕磨損、高溫氧化和熱腐蝕的綜合作用。由于循環(huán)流化床爐內(nèi)溫度水平受脫硫最佳溫度限制，一般在850℃左右，最高不超過930℃，這樣的溫度遠(yuǎn)低于煤粉爐中的溫度水平，并低于一般煤的灰熔點。因此，與煤粉爐相比，循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)結(jié)渣和堿金屬析出現(xiàn)象要改善很多，而且由于固體物料沖蝕磨損速度相當(dāng)快，因而循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管的失效機理以沖蝕磨損為主。

2 爐內(nèi)受熱面磨損原因分析

2.1 運行方面因素

2.1.1 長期超煤量、超負(fù)荷運行加劇爐內(nèi)磨損。煤量的大小與熱負(fù)荷、煤質(zhì)及鍋爐效率有關(guān)。一般同等負(fù)荷下的鍋爐效率變化不大,而煤量僅與煤質(zhì)相關(guān)。煤中灰分越大，其入爐煤量越大，爐內(nèi)物料質(zhì)量濃度越高，磨損越嚴(yán)重。

2.1.2 長期超床壓運行會加劇爐內(nèi)受熱面的磨損。CFB鍋爐的床壓是爐內(nèi)物料密度及高度的表征，床壓越高，其密相層越高，密相區(qū)上移；床壓越低，其密相層越低，密相區(qū)下移。當(dāng)超過正常的床壓運行范圍時，會使密相層上移，加重爐膛上部受熱面區(qū)域的磨損，當(dāng)長期超床壓運行時，磨損問題則會加重。

2.1.3 入爐煤的顆粒過粗，入爐煤質(zhì)差，煤的硬度高等往往也是加劇磨損的運行因素之一。一般入爐燃料中含有大量SiO2、Al2O3、黃鐵礦等礦物質(zhì)，這些物質(zhì)對爐壁的不斷沖刷和撞擊，造成磨損。入爐燃料的顆粒直徑較小，細(xì)顆粒所占的比例較多時，受熱面所受的磨損程度較小；隨著顆粒直徑增大、粗顆粒的比例增加，磨損率會隨之加重。同時入爐燃料硬度對磨損也有影響，當(dāng)顆粒硬度比被磨材料的硬度低時，磨損率較低，當(dāng)硬度接近或高于被磨材料的硬度時，磨損率較高。

2.2 結(jié)構(gòu)方面原因

爐內(nèi)水冷壁受熱面的磨損主要分為2種形式，一種是局部磨損，或稱“點”磨損；另一種是區(qū)域性磨損，或稱“面”磨損。

區(qū)域性磨損發(fā)生在爐內(nèi)受熱面的某個區(qū)域，如爐壁的四角、水冷壁的后墻、爐膛出口轉(zhuǎn)向處水冷壁的迎風(fēng)面、彎曲變形后的爐內(nèi)管屏等。該類磨損的發(fā)生，多數(shù)也與結(jié)構(gòu)有關(guān)。爐壁四角部位的物料質(zhì)量濃度相對較高，相當(dāng)于2個壁面物料質(zhì)量濃度的疊加，同時流動狀態(tài)易受到改變，導(dǎo)致該部位磨損較嚴(yán)重。由于部分CFB鍋爐的返料口及進煤口均設(shè)置在爐膛后墻處，出口煙窗也在爐膛的后墻上部，而屏式受熱面多處在偏向前墻的位置，使得爐膛后墻部位的物料質(zhì)量濃度較前墻高，物料回流量大，造成了后墻爐壁沖刷磨損較重。爐內(nèi)屏式受熱面的磨損，一般是因管屏膨脹受阻引起了不規(guī)則變形后，使本來平直的管子變得彎曲，磨損基本就發(fā)生在管子彎曲的弓形部位，導(dǎo)致該區(qū)域的管壁較正常管子磨損率大。

局部磨損主要與結(jié)構(gòu)有關(guān)。膜式爐壁及鰭片等部件的垂直度，光滑程度對磨損的影響是不同的，任何傾斜的管屏和壁面都將帶來磨損。在爐壁上即使一個很小的凸臺，微細(xì)顆粒也會形成反彈，造成該處爐壁磨損。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗，局部磨損大多發(fā)生在受熱面穿墻管、彎管、開孔、澆筑料上部的水冷壁，以及不規(guī)則的水冷壁焊縫、焊瘤，急轉(zhuǎn)彎等部位，這些均是形成局部磨損的禍根。此類磨損中有的是結(jié)構(gòu)設(shè)計問題，有的是施工質(zhì)量問題。

3 預(yù)防水冷壁磨損的措施

3.1 鍋爐設(shè)計方面

3.1.1 在爐膛下部錐段區(qū)域即密相區(qū)水冷壁、爐膛至旋風(fēng)分離器出口煙窗四周及相應(yīng)的側(cè)墻局部區(qū)域、前后墻水冷壁相交的頂部高灰濃度回流區(qū)，以及爐膛四面墻上的開孔區(qū)域均敷設(shè)TDP-1W型耐磨可塑料，耐磨材料采用高密度銷釘固定，銷釘單位面積數(shù)量達(dá)1200～1600顆/m2；銷釘?shù)牟牧暇鶠槟透邷夭讳P鋼材料。

3.1.2 水冷蒸發(fā)屏和屏式過熱器的布置方式為垂直布置，亦處于爐內(nèi)高灰濃度區(qū)域，為減輕其磨損程度，在其下部穿墻及傾斜段采用銷釘加上述耐磨材料的防磨方式。

3.1.3 爐內(nèi)水冷壁彎管、讓管區(qū)域如人孔、回料口、排渣口、熱工測點、二次風(fēng)口、管屏穿墻管等部位以及密相區(qū)與稀相區(qū)的交界過渡區(qū)域，均采用密焊銷釘加耐磨材料的防磨結(jié)構(gòu)，耐磨材料終結(jié)處附近一段區(qū)域內(nèi)的管子上設(shè)置防磨蓋板。

3.2 鍋爐運行方面

為減緩爐內(nèi)磨損，應(yīng)禁止長期超床壓運行，特別是燃用高灰分煤種時，需通過加大放渣數(shù)量和次數(shù)，控制床壓在正常范圍內(nèi)；運行中盡量避免因某側(cè)堵煤或給煤機發(fā)生故障后，長時間單側(cè)給煤運行；上部二次風(fēng)的配置要均衡，在不影響流化質(zhì)量和床溫控制的條件下，應(yīng)盡量降低一次風(fēng)流量，加大二次風(fēng)流量。當(dāng)某側(cè)返料系統(tǒng)返料不正常時，應(yīng)及時停爐，避免長時間偏燒；燃用高灰分煤種時，盡量不要長時間超床壓，超設(shè)計煤量運行，以免增加爐內(nèi)物料質(zhì)量濃度，使磨損加劇；當(dāng)水冷壁發(fā)生泄漏后，高速蒸汽流會攜帶大量固體顆粒沖刷其他管子，擴大磨損范圍，因此，一旦發(fā)現(xiàn)水冷壁泄漏，應(yīng)立即停爐處理，以免擴大故障范圍。

3.3 熱噴涂技術(shù)應(yīng)用

金屬表面噴涂能防止磨損和腐蝕有兩個方面的原因：第一，涂層的硬度可能較基材的硬度更大；第二，涂層在高溫下會生成致密、堅硬和化學(xué)穩(wěn)定性更好的氧化層，且氧化層與其基體的結(jié)合更牢。其中后一種原因更為重要。

現(xiàn)在各循環(huán)流化床鍋爐電廠普遍采用的是一種超音速電弧防磨噴涂技術(shù)。電弧噴涂具有噴涂速度高，涂層化學(xué)成分和硬質(zhì)相含量易調(diào)整、沉積效率高等優(yōu)點，尤其適宜于現(xiàn)場大面積耐磨部件的施工。電弧噴涂法以高溫電弧為熱源，將熔化了的高溫金屬絲材用高速氣流霧化，并噴射到工件表面形成涂層。該項技術(shù)隨著硫化床鍋爐的大量推廣而逐漸發(fā)展完善，它是在電弧噴涂的基礎(chǔ)上加入了拉發(fā)爾噴嘴，并完善了控制系統(tǒng)和電源特性的一種噴涂方法。防磨噴絲在電弧槍中熔化的同時被高速氣流帶出。熔化的涂層粒子以超音速撞擊金屬表面，形成機械嵌合，速度越高，涂層越致密，嵌合力越大，結(jié)合強度也越高。從而在金屬表面形成致密的防磨層，達(dá)到對水冷壁管的保護。

噴涂時最好選擇耐磨性能較好、硬度較高且韌性較好的噴涂材料。目前國內(nèi)比較先進的噴涂材料是LX88A超硬耐磨電弧噴涂材料。LX88A是針對高溫環(huán)境中經(jīng)受嚴(yán)重顆粒沖蝕和磨粒磨損兼有的工作表面，采用電弧噴涂工藝進行有效強化而設(shè)計的噴涂材料。該材料由陶瓷硬質(zhì)相與塑性相相組成，月磨損量為0.1～0.3mm，可在循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)經(jīng)受3～4年的運行磨損。其主要理化指標(biāo)是噴涂層厚度0.4～0.5mm；涂層的空隙率小于1%；涂層的洛氏硬度HRC大于45；涂層的結(jié)合強度大于50MPa；涂層的氧化層小于15%。在運行的多數(shù)循環(huán)流化床鍋爐電廠中，實踐證明該方法是目前解決燃燒室水冷壁防磨的技術(shù)含量較高、解決時間較短而且比較經(jīng)濟的方法。

3.4 水冷壁表面的檢修

為了便于運輸和安裝，可將UG480/13.7-M超高壓循環(huán)流化床鍋爐水冷壁分為了上中下三部分，各部分之間的焊接和焊口之間鰭片的安裝在現(xiàn)場由施工人員手工完成。在現(xiàn)場焊接過程中，管子和鰭片的焊口要盡量處理平整，避免造成局部的凸起，形成磨損。

參考文獻(xiàn)

[1]薛希群，循環(huán)流化床鍋爐磨損分析及對策，電力自動化設(shè)備，2003.

[2]王少棟，循環(huán)流化床鍋爐局部磨損及控制問題淺析，鍋爐壓力容器安全技術(shù).2003.