循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管的防磨與噴涂

酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心 劉繼平 李向軍

循環(huán)流化床鍋爐在運行過程最常見的問題就是受熱面磨損尤其是水冷壁的磨損。目前，防止水冷壁磨損主要有假加裝護防磨隔板、讓管、加裝防磨梁以及金屬噴涂。金屬噴涂是循環(huán)流化床防磨最有效的方法之一。超音速電弧噴涂是比較成熟和有效的的解決辦法。它是高強度的鈦合金作為打底過度層，在打底層上面使用高速空氣作為動力，把高耐磨的涂層噴涂到打底層上，使得涂層達到0.5～0.8mm。使用這種方法，使水冷壁管因磨損泄露的隱患風險大為降低，提高循環(huán)流化床鍋爐的安全運行周期。噴涂涂層的均勻程度和強度是整個噴涂的關鍵所在。

這兩年對單位的3臺75T 循環(huán)流化床鍋爐檢修中發(fā)現(xiàn)了一個共性的問題：由于受建設經(jīng)費等原因的限制，鍋爐本體系統(tǒng)受熱面水冷壁、過熱屏在安裝過程中沒有進行防磨、防腐等噴涂工藝的施工處理。經(jīng)過近2年時間的系統(tǒng)運行，檢查發(fā)現(xiàn)三臺爐都出現(xiàn)了燃燒密相區(qū)，12.24米耐火澆注料往上，一直到彎頭的地方，磨損區(qū)在4～6米的范圍內。就是水冷壁管磨損比較嚴重，雖然沒有出現(xiàn)泄露、爆管等情況。但是出現(xiàn)了水冷壁管局部磨損嚴重、管壁減少的情況，要引起我們的高度重視，否則一旦出現(xiàn)泄露將會是大面積的、也是不可逆的。

經(jīng)過大量查閱資料，和國內同類型鍋爐廠進行溝通交流，在循環(huán)流化床鍋爐水冷經(jīng)過噴涂金屬層，水冷壁的表面磨損可大為減輕和有效緩解，受熱面的因為磨損而帶來的泄漏停爐故障可以大為降低。鍋爐水冷壁管是采用φ60光管加扁鋼組成的膜式水冷壁，管與管之間距離為85mm。膜式水冷壁均勻布置在爐膛的前后左右四個面上，具有較好的密封性能和良好的熱交換性。在爐膛內部密相區(qū)和標高12.24米以下的水冷壁管壁上，敷設有厚度為80mm的耐磨澆注料，如圖1所示，其中1為澆注層、2為爐膛風帽。

圖1 爐膛內襯布局

1 磨損機理和部位分析

水冷壁的磨損主要是由于爐膛內的煙氣帶有流動的顆粒引起。循環(huán)流化床只要表現(xiàn)為局部結構上的顆粒團聚以及整天結構上顆粒濃度和速度的不均勻分布。循環(huán)流化床爐膛內存在中心區(qū)域顆粒濃度低且整體向上運動、順著水冷壁四周顆粒濃度高且整體向下運動，這種特性決定了整個煙氣在爐膛內流動過程中，煙氣中顆粒對水冷壁管的沖刷是不可避免的，只是由于所帶負荷高低不同而整體沖刷的嚴重程度不同而已。

循環(huán)流化床鍋爐水冷壁磨損部位主要出現(xiàn)在爐膛過渡區(qū)。雖然內循環(huán)和變流層的存在強化了爐膛內傳熱效果，延長了物料在爐膛內的停留時間，客觀的保證了爐膛內溫度場的均勻分布，但是加劇了水冷壁表面的磨損也是客觀存在的，尤其是對于凹凸不平的水冷壁管尤為明顯。水冷壁管過渡區(qū)的磨損有兩種：一種是和爐膛內向上移動火焰煙氣顆粒方向相反，產(chǎn)生局部的渦流磨損；第二種顆粒沿水冷壁壁面下落方向在過度區(qū)域方向的改變，產(chǎn)生沖刷磨損[1]。

爐膛內水冷壁管的磨損還存在于爐膛的四個角、爐膛頂部及出口、屏式受熱面以及開孔區(qū)域。爐膛四角區(qū)域磨損比較明顯。是由于水冷壁下降流的疊加作用，濃度幾乎成倍增加，這樣就會加重水冷壁管四角磨損。

水冷壁管在噴涂之前，首先需要做的工作就是檢查水冷壁管大致情況。檢查時首先需要搭好腳手架。人到達預定位置后，主要通過肉眼、手摸、儀器察看外表結渣結焦、變形以及壁厚情況。從檢修的3臺鍋爐水冷壁幾個地方磨損情況看，循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管磨損高度一般不超過水冷壁管衛(wèi)燃帶上4～6m 的區(qū)域。三臺爐大致情況相當，這也說明這些區(qū)域將會是檢修檢測中檢查的重點。如果運行時間超過三個月以上，上述四個容易出現(xiàn)磨損的地方就要仔細檢查，外表查看磨損痕跡、管壁光亮程度、護板有無松動、儀器測量壁厚來鑒別一個運行周期內水冷壁管的整體狀況，做出評估。掌握磨損規(guī)律。指導運行過程中的燃燒調整，及時變化固體物料濃相區(qū)高度來延緩水冷壁管磨損速度。在檢修過程中制定檢修方案、檢修重點和檢修內容，制定噴涂方案和措施，決定實施噴涂時機和范圍。

結合我單位鍋爐實際檢修檢測情況，鍋爐爐膛衛(wèi)燃帶以上4至6米、爐膛煙道出口處澆注料四周區(qū)域和中、高溫過熱器屏穿爐膛前墻澆注料四周區(qū)域水冷壁管是較易磨損和沖刷嚴重部位。

2 超音速電弧噴涂防磨應用

10號鍋爐為上海鍋爐廠設計制造的高溫高壓參數(shù)、自然循環(huán)、單爐膛平衡通風、固態(tài)排渣、緊身封閉、全鋼構架的循環(huán)流化床鍋爐，型號設計為SG-75/9.81-M2807型，于2019年12月投產(chǎn)運行。由于受建設經(jīng)費等原因的限制，鍋爐本體系統(tǒng)受熱面水冷壁、過熱屏在安裝過程中沒有進行防磨防腐等噴涂工藝的施工處理。經(jīng)過近2年時間的系統(tǒng)運行，檢查發(fā)現(xiàn)鍋爐爐膛水冷壁衛(wèi)燃帶上部管壁已出現(xiàn)磨光發(fā)亮的問題，長期運行會對水冷壁管造成嚴重的磨損，甚至出現(xiàn)泄漏、爆管等問題，嚴重影響系統(tǒng)運行的安全穩(wěn)定。

2.1 噴涂前處理

循環(huán)流化床鍋爐水冷壁的基體表面清潔、無結焦結渣，達到毛化的要求。水冷壁打磨的目的是使水冷壁表面呈灰白色的金屬外觀和均勻粗細。選擇磨料時根據(jù)涂層的厚度而定，磨料須清潔、有棱角，才能保證涂層與基體的結合良好。在檢查中發(fā)現(xiàn)，要是水冷壁管壁厚低于理論計算強度，碳鋼管減薄量超過設計壁厚的30%，合金管減薄量超過25%。就要采取局部更換水冷壁管，在換管的過程中注意焊接質量，同時還要對表面進行處理，達到光潔的目的[2]。

2.2 噴涂前的補焊

目前全站循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管的管材都是用20G，此種管材是一種優(yōu)質碳素鋼管，有非常好的焊接性能。20G 具有一定的高強度和延展性，在焊接實施過程中較易取得好的焊接效果。焊工選擇時得有相應的級別證書，開展同類工種時間超過五年以上，具有一定的專業(yè)水準，主要的技術要求是焊接完整個表面平整，焊接的試件要有X 射線探傷檢查，合格后方可進行正常工作。采用匹配的焊條，小直徑、小電流進行斷弧點焊，主要是防止焊接時水冷壁管過熱變形。因此補焊可以取得好的效果[2]。

2.3 表面預處理

表面缺陷處理全部完畢，焊縫打磨平滑過渡，無凹凸臺階、飛濺物、焊瘤。整個基體表面的的粗糙程度大小直接決定了噴涂后的整個強度，所以基體表面粗糙度的處理顯得尤為重要。一般采用噴砂、砂輪磨削等方法進行管壁表面處理。采用砂輪磨削打磨時，由于磨削的不精細，存在涂層局部脫落、鼓包等質量問題。噴砂作業(yè)就是使用石英砂或鑄鐵砂依托高壓氣流直接噴射到管壁表面，進行粗糙化處理。需要注意的是，操作者經(jīng)驗、砂型的選用、噴射角度、氣體壓力和流速都需經(jīng)過反復實踐來進行調整，噴砂完成后要進行質量檢查，主要檢查管壁的清潔度要達到Sa3.0級，粗糙度要達到Rz60～90μm 適當且均勻，處理完的管壁表面要立即進行噴涂作業(yè)，防止出現(xiàn)打磨后的管壁被氧化而影響噴涂質量。

2.4 采取措施

根據(jù)磨損部位分析情況，對10鍋爐爐膛水冷壁前墻衛(wèi)燃帶以上6.76米區(qū)域（圖2）、左右側墻衛(wèi)燃帶以上4米區(qū)域（圖3）、爐膛后側墻衛(wèi)燃帶以上4米區(qū)域和爐膛煙道出口（圖4）處澆注料四周500mm區(qū)域，共約115m2面積，選用鎳鉻鈦等金屬合金絲材進行超音速電弧防磨噴涂，增強其耐磨防腐性能，延長鍋爐設備使用周期。

圖2 水冷壁布局

圖3 過熱屏布局局

圖4 爐膛布局

2.5 噴涂作業(yè)

超音速電弧噴涂時金屬噴涂的一種，所以噴涂材料的選用顯得尤為重要。在實際作業(yè)中，一般選用硬度高、強度大、耐磨性優(yōu)、耐腐蝕、抗高溫氧化的鈦合金作為噴涂材料，對鍋爐水冷壁受熱面噴涂區(qū)域進行噴涂。

超音速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，用壓縮空氣將熔化了的絲材霧化，并以超音速噴向工作件形成一種結合強度高、孔隙率低、表面粗糙度低的涂層的熱噴涂方法。具有粒子飛行速度高、與基體結合好，粒子細小、孔隙率低，沉積效率高、涂層組織致密，電弧穩(wěn)定性高，噴涂基體不存在熱變形，一次噴涂被磨蝕掉后可以二次進行噴涂等優(yōu)點。

圖5 超音速電弧噴涂示意圖

要求噴涂層與母材結合良好，外觀均勻致密，無起皮、無鼓泡，無開裂、無生絲附著。涂層厚度0.5mm～0.8mm，防磨噴涂厚度嚴禁一次成型，應分5～8遍均勻噴涂，確保每層不漏噴、少噴。噴涂作業(yè)過程搭接部位銜接結合嚴密、光滑，噴涂與未噴涂分界線必須平滑過渡，嚴禁出現(xiàn)凸臺。

2.6 封孔劑涂刷及超音速電弧噴涂操作注意事項

涂層驗收合格后，刷涂高溫專用封孔劑進行封孔，盡可能地將涂層孔隙堵住，并填平其凹坑，延長涂層的使用壽命。

圖6 工藝流程圖

使用的壓縮空氣要凈化，壓力和流量要保證要求；調整好電流和電壓；主要噴槍的角度和噴槍的移動快慢，這個主要由操作者經(jīng)驗來控制噴涂質量；在特殊部位（水冷壁四角、頂棚、出入口）噴涂時，噴涂層可以盡量厚一點。

施工主要參數(shù)驗收：預處理清潔度Sa3.0、預處理粗糙度Rz60～90μm、噴涂粒子速度≥400m/s、噴涂涂層厚度0.5mm～0.8mm、硬度≥HRC40、結合強度≥55MPa、使用溫度≥1200℃、涂層孔隙率＜1%、封孔劑工作溫度≥1000℃、封孔劑耐磨性10mg/1000r、噴涂時基體受熱溫度＜150℃。

綜上，由于爐膛所處的特殊位置，平時檢修檢測非常困難，人員看不到外表磨損情況，只能借助高空作業(yè)平臺，無論是搭腳手架還是使用爐內升降平臺都要花費大量的人力物力。如果出現(xiàn)磨損嚴重泄漏情況，就需要專業(yè)焊工實施換管或者補焊，焊接作業(yè)面條件復雜，焊工只能看到水冷壁管的一個面、看不到整個水冷壁管，焊接難度較大、影響檢修質量。為此，采用超音速電弧噴涂技術進行防磨處理，噴涂層的硬度較基層的硬度更大，且在高溫下會產(chǎn)生致密、堅硬和穩(wěn)定性更好的氧化層。此方法有效解決了爐膛內水冷壁管的磨損，為機組長周期運行奠定了基礎。