循環(huán)流化床鍋爐水冷壁的磨損原因分析及防磨措施

王星海

（中石化長城能源化工（寧夏）有限公司，銀川 750409）

CFB鍋爐因具有燃料適應(yīng)性廣、燃燒效率高、負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大、有利于環(huán)保及灰渣綜合利用等優(yōu)點，近幾年在電站鍋爐、老電廠改擴建，尤其是新建的熱電聯(lián)產(chǎn)電站等領(lǐng)域得到了迅速的推廣使用。但是，CFB鍋爐運行瓶頸問題是水冷壁管磨損嚴(yán)重，連續(xù)運行周期短，容易出現(xiàn)爆管事故，隨著鍋爐摻煤比的提高、煤質(zhì)的變差，人們對CFB鍋爐運行水平提出了更高的要求，這對CFB鍋爐的磨損防護技術(shù)提出新的要求和挑戰(zhàn)。在這樣的背景下，筆者提出采用防磨指數(shù)阻流架技術(shù)和涂層技術(shù)的復(fù)合方法來解決CFB鍋爐越來越嚴(yán)重的磨損問題，并提升到一個新的防護水平。

中石化長嶺分公司先后于2008年10月、2010年10月建成了兩臺260t/h煤焦混燒CFB鍋爐，本文就在中石化長嶺分公司CFB鍋爐實際檢修工作中發(fā)現(xiàn)的水冷壁管磨損狀況和超音速電弧噴涂技術(shù)以及防磨指數(shù)阻流架技術(shù)的應(yīng)用情況進行了總結(jié)分析。

1 CFB鍋爐水冷壁管磨損的情況及原因分析

1.1 水冷壁管磨損的情況

2008年12月，1#CFB鍋爐試運行后停爐，打開爐膛入孔進行檢查，發(fā)現(xiàn)爐膛水冷壁管磨損嚴(yán)重，主要集中在以下四個區(qū)域：爐膛水冷壁管屏對接焊縫邊緣處的磨損；爐膛下部水冷壁根部的磨損；爐膛四角區(qū)域水冷壁管的磨損；爐膛內(nèi)蒸發(fā)屏、過熱屏等受熱面管壁的磨損。

1.1.1 爐膛下部襯里與水冷壁管過渡區(qū)域管壁的磨損

密相區(qū)約3m高范圍存在嚴(yán)重磨損問題，表面已出現(xiàn)明顯的亮色反光，磨損主要表現(xiàn)為管表面的“節(jié)狀”凸起，如圖1所示；鰭片上的“拉毛狀”磨痕，如圖2所示。??

圖1 水冷壁管表面

圖2 水冷壁管間鰭片

1.1.2 屏過耐火料根部水冷壁管的磨損

屏過耐火料根部水冷壁管有較嚴(yán)重的磨損問題,具體表現(xiàn)為煙氣渦流吹損耐火料造成其破損，然后直接引起爐管磨損，局部的焊縫不平整加劇了磨損，如圖3、圖4所示。

圖3 凸起焊疤和爐管磨損

圖4 屏過根部的耐火料破損和爐管磨損

1.1.3 爐膛水冷壁管屏對接焊縫的磨損

水冷壁二道對接焊縫區(qū)有一定的磨損現(xiàn)象，如圖5、圖6所示。

圖5 爐膛水冷壁標(biāo)高18m的

圖6 爐膛水冷壁標(biāo)高27m的

圖7 水冷壁的不平直焊縫

圖8 水冷壁鰭片上的不平焊縫

1.1.4 其他局部磨損情況

1.2 水冷壁管磨損的主要原因分析

水冷壁管磨損是CFB鍋爐中最嚴(yán)重的問題之一。在CFB鍋爐爐膛內(nèi)，存在大量的床料及循環(huán)物料，在四周水冷壁區(qū)域，飛灰顆粒會從爐膛四周的水冷壁管向下回流形成“貼壁流”，對水冷壁管造成磨損，特別是在水冷壁下根部，回流速度更高，磨損更嚴(yán)重。現(xiàn)對水冷壁管磨損的主要原因進行分析。

1.2.1 爐膛水冷壁管屏對接焊縫邊緣處管壁的磨損

爐膛水冷壁管屏對接焊縫邊緣處管壁產(chǎn)生磨損的主要原因是由于產(chǎn)品質(zhì)量沒有得到嚴(yán)格的控制，安裝時沒有對對接焊縫高度引起重視，在安裝完后沒有對焊縫進行處理，導(dǎo)致管屏對接焊縫凸起，對物料局部的流動特性造成較大的擾動，使管屏對接焊縫邊緣處管壁產(chǎn)生嚴(yán)重的局部磨損，如圖9所示。

圖9 水冷壁管屏對接焊縫邊緣處管壁磨損

1.2.2 爐膛下部密相區(qū)襯里與水冷壁管過渡區(qū)域管壁的磨損

爐膛下部水冷壁管屏根部的磨損原因是在根部區(qū)域內(nèi)由于沿水冷壁管屏回流的飛灰與流化床層向上運動的床料運動方向相反，在水冷壁管屏根部產(chǎn)生渦流，從而對水冷壁管管屏根部產(chǎn)生沖刷磨損，如圖10所示。

1.2.3 爐膛四角區(qū)域管壁的磨損

爐膛四角區(qū)域水冷壁管的磨損原因是飛灰沿四角區(qū)域膜式壁面向下流動回流，由于受到不規(guī)則氣流的影響，流動狀態(tài)受到破壞，產(chǎn)生沖刷磨損，如圖11所示。

圖10 爐膛下部密相區(qū)襯里與水冷壁管過渡區(qū)管壁磨損

圖11 爐膛四個角落區(qū)域管壁磨損

1.2.4 爐內(nèi)受熱面管壁的磨損

爐膛內(nèi)蒸發(fā)屏、過熱屏等受熱面管壁的磨損機理與爐膛下部水冷壁管管壁的磨損機理相似，沿蒸發(fā)屏或過熱屏管壁面下降的物料流在碰到澆注料凸臺時，流動方向改變，形成渦流，使管壁受到磨損，形成“八字胡”形狀磨痕，如圖12所示。

2 高頻脈沖超音速電弧噴涂技術(shù)及其應(yīng)用

高頻脈沖超音速電弧噴涂技術(shù)就是在易磨損區(qū)域進行超音速電弧噴涂耐磨硬質(zhì)合金材料來防止磨損，耐磨硬質(zhì)合金與水冷壁管結(jié)合牢固，并且比水冷壁管的硬度大，從而可以替代磨損。

2.1 超音速電弧噴涂技術(shù)簡介

超音速電弧噴涂是近年來發(fā)展起來的具有廣泛影響的熱噴涂技術(shù)之一，已經(jīng)成為火電廠鍋爐水冷壁管防磨比較理想的新技術(shù)。工作原理如圖13所示。

圖12 爐膛內(nèi)蒸發(fā)屏、過熱屏管壁磨損

圖13 超音速電弧噴涂原理

電弧噴涂原理是利用兩根連續(xù)送進的金屬絲作為自耗電極，在其端部產(chǎn)生電弧作為熱源，用壓縮空氣將熔化的絲材霧化，并以超音速噴向工作件，形成一種結(jié)合強度高、孔隙率低、表面粗糙度低的涂層的熱噴涂方法。其優(yōu)點是霧化效果好，霧化后的粒子細(xì)小均勻，速度高，有利于獲得高質(zhì)量的涂層。

2.2 噴涂前水冷壁管管壁的處理

可以采取宏觀肉眼察看、手模、使用測厚儀器測量壁厚等檢查方法來確定水冷壁管壁厚是否需要打磨或者堆焊處理。對接焊縫打磨應(yīng)達到與管壁平齊，鰭片本身及其與管子的焊縫也應(yīng)光滑，以防止產(chǎn)生氣固相旋渦。總之，CFB鍋爐水冷壁管壁面都應(yīng)平滑過度，凡凸凹部位都會引發(fā)磨損。

2.3 鍋爐水冷壁管噴涂的方法及注意事項

水冷壁管噴涂首先對噴涂部位進行噴砂處理，再進行噴涂，具體施工步驟如下。

2.3.1 對噴涂部位表面進行噴砂處理

一般用14～18目的剛玉砂及河沙進行表面清理及粗化，表面粗糙度要求達到Sa2～3級。

2.3.2 噴涂

高頻脈沖超音速電弧噴涂時先噴打底層CL-NiAlTi，厚度約0.1mm，噴涂顆粒稍粗，使結(jié)合面產(chǎn)生微焊合，增加結(jié)合力；然后噴工作層CP-HCrC，厚度0.6～0.7mm，噴涂顆粒極細(xì)小，是致密耐磨層；最后涂刷表面封孔層，CCS封孔劑，厚度約0.1mm，起封孔保護作用。在涂刷表面封孔層后24h作為養(yǎng)護時間，之后即可正常點火升溫。

2.3.3 噴涂后檢查

噴涂完成后應(yīng)對涂層進行檢查，涂層面要平整，粒度應(yīng)均勻，無起泡、開裂、起皮現(xiàn)象，適當(dāng)用力敲擊觀察涂層附著情況。噴涂后應(yīng)抽取試樣斷面，確定涂層厚度符合標(biāo)準(zhǔn)。

3 防磨指數(shù)阻流架技術(shù)及其應(yīng)用

床料及飛灰在爐膛內(nèi)的“貼壁流”是水冷壁管磨損的主要原因，只有在不改變鍋爐燃燒形式的前提下，通過阻流架阻流降低飛灰回流的速度從而減小水冷壁磨損。防磨指數(shù)阻流架能夠阻流從而降低飛灰回流速度，能有效降低飛灰對水冷壁管的磨損。

3.1 防磨指數(shù)阻流架技術(shù)簡介

如圖14所示，水冷壁管屏包含水冷壁管和鰭片，在管屏上設(shè)置有多個水平布置的阻流梁，每個阻流梁內(nèi)部設(shè)置多個“V”形抓釘和加強筋，抓釘焊接在鰭片上，加強筋與抓釘外端相連接，在抓釘和加強筋上纏繞一層膠帶來補償膨脹量，在阻流梁的合適位置設(shè)有非直通膨脹縫。

圖14 阻流梁結(jié)構(gòu)

機理是：每一道阻流梁都能降低飛灰回流速度，多道阻流梁組合形成阻流架，可大幅度降低飛灰回流速度，從而減少水冷壁管的磨損，與噴涂結(jié)合后，鍋爐水冷壁管基本可以達到無磨損效果。

4 項目實施情況

4.1 1#CFB鍋爐

2009年1月（鍋爐試運行一個月），檢查發(fā)現(xiàn)爐管磨損嚴(yán)重，對爐內(nèi)磨損比較厲害的地方（爐膛下部襯里上方水冷壁管、18m處水冷壁焊縫上下爐管、27m處水冷壁焊縫上下爐管，爐膛水冷壁四個角爐管，屏過耐火料根部下面及上方、屏過對接焊縫上下爐管等易磨損區(qū)域）進行了局部防磨噴涂，噴涂面積為400m2。

2011年3月，公司為優(yōu)化經(jīng)濟運行，要求1#CFB爐能夠達到以煤為主要燃料的水平。但是，該爐原設(shè)計燃料為全燒石油焦，燃料成分變化后將使?fàn)t內(nèi)磨損加劇，為預(yù)防爐管因磨損造成的鍋爐爆管事故，對1#CFB鍋爐水冷壁管、蒸發(fā)屏、屏過進行了全噴涂，噴涂面積1908m2。

4.2 2#CFB鍋爐

2010年7月，參考1#CFB鍋爐爐內(nèi)磨損情況，其間鍋爐摻煤量增加，在鍋爐建設(shè)時期對爐內(nèi)水冷壁管、蒸發(fā)屏、屏過進行了全噴涂，噴涂面積1908m2。

2012年7月對2#CFB鍋爐安裝了防磨指數(shù)阻流架，2012年12月4日開爐，2013年3月29日停爐，累計運行時間2760h，合計115d，檢查發(fā)現(xiàn)水冷壁管基本沒有磨損，達到了鍋爐本體無磨損效果。

5 結(jié)語

采用防磨指數(shù)阻流架技術(shù)，并結(jié)合CFB鍋爐水冷壁管磨損狀況實施超音速電弧噴涂技術(shù)，可以有效降低水冷壁管磨損，使CFB鍋爐防磨提升到一個新的防護水平。經(jīng)過采用防磨指數(shù)阻流架技術(shù)和高頻脈沖超音速電弧噴涂技術(shù)的復(fù)合方法處理后，循環(huán)流化床鍋爐運行周期從三個月延長到兩年，不會因為磨損問題而定期停爐，減少了鍋爐的開停次數(shù)，保證了鍋爐設(shè)備的安全性和經(jīng)濟性運行，確保了電站及整個煉油裝置的長周期經(jīng)濟運行。

[1]岑可法.循環(huán)流化床鍋爐理論設(shè)計與運行[M].北京：中國電力出版社，1998.

[2]劉早霞.鍋爐運行[M].北京：中國電力出版社，2006.

[3]劉德昌.循環(huán)流化床鍋爐運行及事故處理[M].北京：中國電力出版社，2006.

[4]陜西中科表面工程有限公司.鍋爐防磨防腐超音速電弧噴涂技術(shù)條件[Z]，2005.

[5]湖南晟宇科技有限公司.長嶺分公司動力廠2#CFB鍋爐防磨指數(shù)阻流架方案[Z]，2012.