火力發電廠過熱器管涂層技術性能的分析與研究

摘要：針對火力發電廠爐內管爆漏事故問題，本文對典型低合金過熱器爆管進行分析，提出用超音速電弧噴涂技術對管子表面強化防護處理，并通過試驗研究，比較了典型高合金的涂層性能差異，包括Cr-Ni合金、FeCrAl和1Cr18Ni9Ti等，從涂層硬度與耐磨性試驗研究，分析其應力關系，得出對比數據，為正確選擇防護材料提供試驗數據依據。

關鍵詞：過熱器、爆管、涂層、耐磨性

一、前言

過熱器管是鍋爐中主要受熱面，的作用是吸收煤燃燒放出的大部分熱量，使水最終變成過熱蒸汽。火焰和高溫煙氣攜帶的熱量以輻射、對流換熱方式，通過管壁傳遞給管內的工質，因此外表面直接處于高溫煙氣介質的作用下，一方面將受到介質的高溫氧化等腐蝕作用，另外也受到煙氣流的強磨損作用，外表面金屬不可避免地產生損傷和流失，使管子有效壁厚減薄，提前失效爆管。

火電機組由于腐蝕和沖蝕磨損使管壁減薄，導致鍋爐管道爆管事故造成的停爐搶修時間，少發電給企業造成更大的經濟損失。隨著經濟的快速發展，加速煤炭資源的消耗，動力用煤品質下降，帶來了更嚴重的管子表面腐蝕和磨損問題，爆漏現象更加頻繁。過熱器爆管已成為妨礙火電廠安全經濟運行的重要因素，是目前急待治理和必須解決的重要問題。

過熱器爆管最為頻繁，這與它的工況條件密切相關，過熱器是將飽和蒸汽加熱到一定過熱溫度的表面換熱器，其壁面溫度在“四管”中是最高的，它的失效形式最為復雜。過熱器管內蒸汽溫度超過500℃，外壁溫度更高，它直接與煙氣接觸，很容易發生高溫腐蝕，此外壁同時受到煙氣沖刷，特別是在彎頭附近等煙氣流速和方向發生改變區域更為嚴重。磨損和腐蝕的同時作用將加速管子失效，因為疏松的腐蝕層被沖刷后，露出新的金屬表面，又再被腐蝕，腐蝕層耐磨性較差，這樣管壁逐漸減薄，承受應力不斷增加，雖然材料老化程度并未進入最后階段，但實際應力超過設計應力而導致爆管。腐蝕層的導熱系數只有金屬的十幾分之一，即使不存在磨損，腐蝕層的增厚將使導熱性能下降，管壁溫度增加，加速材料老化，進一步縮短壽命，導致提前爆管。對于過熱器，腐蝕形式可能為高溫氧化作用，也可能為硫酸鹽腐蝕，或者二者并存，需要加以區分;對于腐蝕與磨損的作用大小，哪一個起主導作用，也需要進一步研究，這是選擇最優防護涂層的基礎和關鍵，因此下面將進一步深入研究過熱器爆管的機理及主要原因。

二、 過熱器失效的試驗研究

選擇一個典型的屏式過熱器表面失效爆管試樣，作進一步試驗分析，搞清失效主要原因。失效的屏式過熱器規格為φ42×5mm，材質為12Cr1MoV鋼，累計運行時間約13.3萬小時。

1、試驗分析及結果

檢查破口外觀，發現邊緣比較粗糙，彎管的外弧側（向火面）呈暗黃色，比較粗糙，腐蝕嚴重;內弧側（背火面）呈黑色，表面較光滑，腐蝕較輕。破口管徑雖未明顯脹粗，但向火側管壁厚度比背火側明顯減薄，最薄處僅 2.56mm（含腐蝕層）。

在破口附近取樣依進行拉伸試驗，發現向火面強度明顯低于背火面，向火面的強度和塑性都接近12Cr1MoV鋼力學性能的下限。向火面組織，在晶界上出現了大量的蠕變孔洞，但組織老化并不嚴重，為3級球化，見圖1。

用電子探針分析向火面腐蝕層的成分，結果見圖2，發現腐蝕層中不含硫，但含氧量很高，說明腐蝕層主要是合金的氧化物，不存在硫酸鹽腐蝕。

2、技術分析

屏式過熱器垂直懸掛在防渣管之前靠近爐膛出口處地方，它與高溫煙氣之間進行復雜換熱，既接受一部分輻射熱，也接受一部分對流換熱。在高溫煙氣直接作用下，向火面發生嚴重氧化，隨著運行時間的增加，氧化層不斷增厚，管子導熱性能降低，實際溫度升高，此外氧化層增厚使管子有效壁厚減薄，應力增大，超過設計強度而爆管。在彎管部位，煙氣的流速和方向被突然改變，使磨損加劇，表面疏松的氧化層很容易被沖失，暴露出新的表面，加速該部位的表面氧化，氧化后又促進磨損，因此彎頭部位減薄最快，最先爆管。

3、小結

屏式過熱器表面失效爆管是煙氣的高溫氧化和磨損共同作用的結果。

過熱器管失效分析結果表明，爆管材料本身還有一定的使用潛力，即材料并未進入到老化的最后階段，提前失效主要于表面受到煙氣的高溫氧化和磨損有關，腐蝕或磨損造成管壁有效厚度減薄，實際應力上升，超過設計應力而爆管。屏式過熱器與高溫段過熱器爆管失效機理有所不同，前者是高溫氧化和磨損共同作用的結果，后者失效主要是由于高溫氧化，且氧化程度更加嚴重。過熱器爆管大多由表面腐蝕或磨損所引起，它嚴重影響到機組的安全經濟運行，用電弧噴涂方法提高過熱器管表面性能和防護能力，不僅可行，而且非常必要和經濟，可以發揮顯著的經濟和安全效益。

三、超音速電弧噴涂的技術特點

超音速電弧噴涂是在傳統電弧噴涂基礎上發展起來的表面工程技術，它的基本原理是利用空氣動力學原理，將壓縮空氣經過特殊設計的拉伐爾噴嘴加速，形成超音速氣流，高速氣流將電弧加熱熔化的絲材霧化為細小、均勻的粒子，并使之高速噴向工件形成涂層。

1、涂層組織致密，孔隙率低。

普通電弧噴涂涂層孔隙率高（>8%），影響涂層結合強度和耐蝕性能，限制電弧噴涂在某些領域的應用。超音速電弧噴涂由于霧化效果好，噴涂粒子十分細小（只有普通電弧噴涂粒子的1/3～1/8），而且速度高，打到工件表面后變形充分，因此涂層更加致密，孔隙率和孔隙尺寸都明顯減少，超音速電弧噴涂涂層的孔隙率可以達到1%，能與等離子噴涂相媲美。

2、涂層結合強度顯著提高。

普通電弧噴涂涂層與基體結合強度一般只有20MPa左右，與等離子噴涂相比，結合強度偏低。采用超音速電弧噴涂，涂層結合強度可以超過40MPa，這主要是由于噴涂粒子飛行速度高（超過350m/s），撞擊基體表面的動能增加，因此涂層與基體表面以及涂層顆粒之間內聚強度都明顯增加，可以得到高結合強度的涂層。

3、生產效率進一步提高，成本更低。

電弧噴涂的生產效率是火焰噴涂的3倍以上，且熱效率高，熱能利用率高達60～70%，成本只有等離子噴涂的1/9，火焰噴涂的1/10。與普通電弧相比，超音速電弧噴涂的沉積率進一步提高，可達75%。

四、涂層硬度與耐磨性試驗研究

在國內噴涂絲材中選擇PS45（高Cr-Ni合金）、FeCrAl和1Cr18Ni9Ti三種實芯絲材，通過對比試驗研究，比較材料涂層的性能差異，結合屏式過熱器失效主要原因，重點研究涂層抗硬度和耐磨性，為材料選擇提供基本依據。

屏式過熱器爆管既有氧化因素，也與煙氣磨損有關。因此涂層硬度及耐磨性是評價涂層防護效果和壽命的另一個重要性能指標。比較涂層在噴涂態和時效處理后的硬度及耐磨性，為合理選用和設計噴涂材料的選擇提供重要依據。

1、試驗方法

磨損試樣為57 mm×25.5 mm×6mm的低碳鋼，噴涂前先經過除油和噴砂處理，然后噴涂四種材料，涂層厚度為1.0mm左右，噴涂工藝參數同前。從12Cr1MoV大直徑厚壁管道上取樣，加工成57 mm×25.5 mm×6mm的磨損試樣。為了掌握涂層長期使用過程中組織變化對耐磨性的影響，對四種涂層進行650℃×100h時效處理。磨損試驗每組2個試樣，取試驗結果的平均值，其中12Cr1MoV鋼作為相對耐磨性基準試樣。硬度測試試樣為50×50×5mm，噴涂和時效效處理方法同前。

磨損試驗在MLS-23型濕砂橡膠輪式磨損試驗機上進行，橡膠輪直徑為178mm，硬度為邵爾60度。載荷正壓力為4kg，主軸轉速為240轉/分，磨料為石英砂（20～40目），水砂比為1kg：1.5 kg，磨程為先預磨1000轉，再正式磨1000轉。用失重量表征耐磨性。

硬度試驗在HR2—45表面洛氏硬度計上進行，壓頭為金剛石，載荷為30kg，每個試樣測試3個以上的點，取平均值。

2、試驗結果及分析

1）涂層硬度

硬度試驗結果見表1。

硬度試驗結果表明，無論是噴涂態還是時效處理后，涂層硬度都比12Cr1MoV鋼高得多，就噴涂態而言，1Cr18Ni9Ti涂層硬度最高，FeCrAl涂層最低。時效處理后，涂層硬度不僅未降低，反而有一定增加。

2）涂層耐磨性

耐磨性試驗數據見表2。

耐磨性試驗結果表明，PS45涂層的耐磨性最差，明顯低于12Cr1MoV鋼。FeCrAl次之，1Cr18Ni9Ti涂層較好。

五、結論

試驗結果表明，涂層硬度與耐磨性之間并沒有良好的對應關系，即并不是硬度越高耐磨性越好，這是因為硬度是涂層在壓應力方向抵抗變形能力的體現，而耐磨性是涂層在正應力和切應力方向抵抗變形能力的反映。

對比數據分析表明：PS45涂層的耐磨性較差;FeCrAI涂層的抗氧化性能良好，耐磨性一般，適合在氧化嚴重的部件上應用;1Cr18Ni9Ti涂層的抗氧化性能及耐磨性良好，可用于氧化和磨損較嚴重的部件。

參考文獻

【1】王漢功，查柏林.超音速度噴涂技術[M].北京：科學出版社，2005.

【2】徐濱士，馬世寧.電弧噴涂及其在火電廠應用研究 [J].湖南電力，1999，（6）：1～2.

【3】陳紅菊，鞠振福，李清健.表面技術在電站鍋爐“四管”防蝕、防磨中的應用[J] .

【4】常繼偉.水冷壁防磨噴涂層對焊接質量影響.工程技術，2016.