锅炉水冷壁超音速电弧喷涂技术

一：锅炉腐蚀和磨损机理：1 磨损状况及其原因分析循环流化床锅炉的磨损主要发生在燃烧室，锅炉尾部对流受热面也发生与煤粉炉同样的磨损，炉膛水冷壁的磨损，大致有以下几种情况：燃烧室下部耐火防磨层与膜式壁交界处以上一段管壁的磨损；炉膛四个角落区域管壁的磨损；炉膛出口两侧管壁的磨损。

这些部位出现的事故占水冷壁爆管事故的95%以上。

图1中列出了燃烧室下部耐火防磨层与膜式壁交界处以上一段管壁的磨损机理。

燃烧室下部耐火防磨层与膜式壁交界处以上一段管壁的磨损，是与炉内固体物料的总体流动形式有关。

固体物料被烟气夹带飞逸出床层，沿水冷壁面向下流动，在交界区域与向上运动的固体物料混合，局部产生涡流；同时沿壁面下流的固体物料在交界面处产生反弹，这种反弹一部分往炉膛中心降落，但另一部分往水冷壁管侧反弹，对水冷壁管产生了切割现象，造成水冷壁泄漏爆管（如图2所示）。

(a) (b) (c) (d)图1 燃烧室下部耐火防磨层与膜式壁交界处以上一段管壁的磨损机理[3](a) 冲击；(b) 切削；(c) 涡流；(d) 离心力引起撞击图2 循环流化床锅炉水冷壁磨损照片1.1 腐蚀状况及其原因分析循环流化床锅炉由于采用了内外循环的燃烧方式[5]，其水冷壁等受热面的高温腐蚀问题比其他类型的锅炉更为严重。

主要表现为以下特点：（1）高温冲蚀磨损：这是循环流化床锅炉水冷壁失效和爆管的主要原因，高的物料流化速度、大的物料粒度和浓度、硬质点SiO2因素，都造成对水冷壁的严重冲刷和撞击。

（2）高温氧化：炉膛内的温度高达900℃，甚至1000℃左右[5]，致使水冷壁管表面的高温氧化现象十分严重。

氧化皮在固体物料的冲刷下不断剥落、重新生成、再剥落，是水冷壁管壁逐渐减薄。

（3）高温腐蚀：炉膛内的烟气中常含有HCI、H2S、NaOH、SO2、SO3等腐蚀性气体会与管壁金属发生反应，破坏氧化膜，使氧化层变成疏松的海绵状，高温又会加剧腐蚀。

而当锅炉燃用含K、Na、S等成份较多的煤时，在炉内高温烟气的作用下，还会发生硫酸盐型腐蚀。

这是由于燃料燃烧时升华逸出的碱性金属氧化物K2O和Na2O会冷凝在换热管壁上，这些氧化物与管壁周围的SO3反应生成硫酸盐，形成了松散的结焦层。

焦层中的硫酸盐在含有SO3的烟气作用下会与管壁氧化层Fe2O3反应生成Na3Fe(SO4)3和K3Fe(SO4)3，于是管壁再向内形成新的Fe2O3层，由于复合硫酸盐腐蚀性强且熔点低，如温度大于550℃就呈稳定的液态，从而使管壁金属流失。

上述腐蚀过程循环进行，使管壁不断受到腐蚀。

过热器管、再热器管及其支吊零件在壁温大于550℃时发生的烟气侧腐蚀主要是由于上述原因造成的。

二：我公司的超音速电弧喷涂技术方案1、涂层材料及其性能我公司拟采用复合涂层：用NiAl丝打底形成过渡涂层，在打底层上面再喷涂上一层非晶态高硬度的耐磨涂层（即TiB2一A12O3 陶瓷涂层），代号为SE 一SAM 的电弧喷涂管状丝材，最后用高性能耐高温封孔剂封孔。

现将SE 一SAM性能简述如下：.1 非晶态材料的概念一般金属材料都是由许多细小的晶粒组成，在晶粒内部，原子成规则地排列。

非晶态材料（amorphous state），顾名思义，就是指非结晶状态的材料。

它是对高温溶液以每秒10万摄氏度的超急冷方法使其凝固因而来不及结晶而形成的，这时在材料内部原子作不规则排列，因而非晶态材料的硬度和机械度卓越。

例如，拉丝后纤维化的非晶态铁钽硅硼合金线材，拉伸强度高达400公斤每平方毫米，为钢琴丝的 1.4倍，为一般钢丝的10倍。

由于这一特点，它可被用来制作高尔夫球棍、钓竿等。

3.2 非晶态高硬度耐磨粉芯丝材的性能图2所示的是非晶态合金的试验分析图。

北京赛亿表面工程技术有限公司研制的不锈钢非晶态高耐磨耐腐蚀粉芯丝材（SAM）具有比相似成分的晶态合金高得多的耐磨性和耐蚀性，这种合金的优越性能填补国内没有高性能含非晶耐磨耐蚀电弧涂层制备技术的空白。

非晶态高硬度耐磨涂层技术的实现，可在冶金、石化、能源动力、机械制造等需要高耐磨耐蚀零部件表面制备含非晶的高性能涂层[9]。

热喷涂制备非晶涂层是近年来材料科学中广泛研究的一个新领域，可用热喷涂工艺获得大面积的、有较大厚度的非晶合金涂层，有效地提高材料的耐磨、耐蚀性能。

非晶态高硬度耐磨涂层是使用以Fe基含Cr、Ni、B等合金或陶瓷成分的电弧喷涂粉芯丝材喷涂而成的，喷涂层中含有非晶相，其耐磨、耐蚀性能优于国内外常用电弧喷涂材料。

相对耐磨性为常用的3Cr13喷涂层的10倍以上，为20G的21倍以上，并有很高的结合强度(>55MPa)，硬度值>65HRC。

抗热震性能好(800℃，热震20次，涂层完好）。

涂层的孔隙率很低，并且涂层中的氧化物极少。

相比其它喷涂工艺制备非晶相具有成本低、可原位现场施工等优点。

经查新检索，采用电弧喷涂制备铁基含非晶涂层在国内外具有新颖性。

(a) (b)图2 非晶态高硬度耐磨粉芯丝材的性能(a) 非晶态合金TEM照片(b) 非晶态合金XRD分析图片3.3非晶态高硬度耐磨粉芯丝材的应用SAM是现阶段循环流化床锅炉“四管”防护的最佳材料之一。

可作高耐磨、高温耐蚀涂层使用。

适于锅炉内吹灰口、燃烧器附近和循环流化床锅炉受热面、风机叶片、钢厂转炉烟罩及烟道等耐磨耐蚀防护材料。

自SAM 面市至今已被多家企业应用于循环流化床锅炉管壁的维护工作。

企业中的典型应用实例为中国石油独山子石化公司。

独山子石化公司为中石油下属子公司，该公司以炼化生产为主导，现有600 万吨/年炼油和22 万吨/年乙烯生产能力。

在建包括5 台440T/H 高压循环流化床锅炉在内均为千万吨炼油、百万吨乙烯工程，公司今年计划完成 5 台循环流化床锅炉的安装工作，受热面喷涂计划完成2200m2总面积中的1760m2。

1.2 电弧喷涂管状丝材的工艺参数电弧电压：30V ；电弧电流：180A ；喷涂距离：150mm ；空气压力：0 . 6MPa 。

1.3 SE 一SAM 涂层表面洛氏硬度及X 射线衍射结果由北京有色金属研究总院国家检测中心检测：涂层表面维氏硬度平均为1362HV0.1，涂层中含有A1203 和TiB2 陶瓷相克服了含有NiCr 一Cr3C2 在电弧温度（5000 一6000K ）分解的问题，真正获得含有陶瓷相的电弧喷涂涂层。

1.4 SE 一SAM 涂层的应用SE 一GY 涂层中有陶瓷相，达到了用电弧喷涂方法使涂层获得部分陶瓷相的目的。

这在国内外是首次研究发现。

目前，可用于高温防磨，特别是冲蚀较为严重的零部件，如锅炉管壁、风机叶片等。

2 、锅炉防磨用打底丝材l.1 、代号：NiAl丝1.2、规格：中2 . omm1.3、特点及应用范围NiAl电弧喷涂丝是制备结合底层的专用丝，基本成分是Ni95%，Al5%，状态为经过预合金化的实心丝。

它除纯铜、钨、钼、铌、钽以外，几乎可以与所有金属形成微冶金结合。

另外，该涂层材料的热膨胀系数与普通低碳钢和低合金钢的热膨胀系数接近，可避免在热循环过程中由热应力造成的涂层剥落。

该涂层材料适用于燃煤（油）电厂锅炉水冷壁管、过热器管、再热器管及省煤器管的高温腐蚀及冲刷防护，以及造纸厂的黑液锅炉和垃圾焚烧炉等工业环境恶劣、对防护水平要求较高的类似场合。

3.涂层材料性能参数4.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熔化，经拉伐尔喷嘴加速后的超音气流将熔化的丝材雾化为粒度细小分布均匀的粒子，喷向工件表面（经喷砂除锈）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为金属、故涂层与工件结合强度高，并且不影响工件的传热性能。

5 、超音速电弧喷涂的工艺特点( l ）涂层结合强度高；电弧喷涂可在不提高工件温度的条件下获得高的结合强度，结合强度可达67.2MPa 。

热效率高；电弧喷涂是直接用电能转化为热能来熔化金属，热能利用率高达60%-70％。

( 2 ）涂层孔隙率低；涂层表面的孔隙率低于1% ，提高了涂层的耐磨、耐蚀性能。

( 3 ）可方便地制备假合金涂层；以获得独特的综合性能。

( 4 ）热效率高；电弧喷涂脂抹粉直接用电能转化为热能来熔化金属，热能利用率高达60%-70％。

( 5 ）生产效率高；一般情况下，电弧喷涂的生产效率是火焰喷涂的3 倍以上。

( 6 ）安全可靠；仅使用电能和压缩空气，不用氧、乙炔等易燃气体，安全可靠。

由于（超音速）电弧喷涂具有独特的优点，因此在材料防腐、耐磨、旧件修复以及生产领域得到较为广泛的应用，产生了很大的经济和社会效益。

6 、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管等技术，成功研制出了超音速电弧喷枪，大幅度提高了粒子速度，测得的粒子速度超过了当前国内外电弧喷涂粒子速度，其中粒子最大速度为385.7m/s”。

( 2 ）设计的超音速电弧喷涂电源，起弧可靠，加上拉伐尔喷嘴对气流的加速作用，拉长了电弧并保持电弧的稳定，有效地提高了金属粒子的雾化效果和涂层的致密度以及涂层与基体的结合强度。

( 3 ）喷枪采用气冷方式，解决了金属粒子与喷嘴内壁的粘接难题，提高了气流的能量，有利于提高粒子的速度和涂层质量。

该项研究技术上有重大突破，并且有较高的学术价值，其喷涂粒子的速度、粒子的雾化效果、涂层与基体的结合强度、涂层孔隙率等性能指标，在当前电弧喷涂领域中处于国际领先水平。

对电弧喷涂技术的发展具有很大的推动作用；该技术在表面防腐、耐磨、特种功能涂层和装饰等方面都有着广阔的应用前景，必将产生很大的经济效益和社会效益。

7. 超音速电弧喷涂在电厂锅炉四管中的应用电厂锅炉管，包括水冷壁、过热器管道、再热器管道、省煤器管道（简称锅炉四管）等工作环境恶劣，长期处在硫化腐蚀、高温氧化、粒子冲蚀环境中，且燃烧产物形成的Na2S04 、K2SO4 、等沉积于管壁表面，所以锅炉管道同时受到中温氧化、中温冲刷磨损和熔盐热腐蚀，由此造成的损失巨大。

为解决锅炉四管的磨损腐蚀失效，经过十多年的探讨，对八十余种合金进行了研究，我公司最终推出的NiAl 和JCW一T 合金丝得到良好的效果。

该合金丝采用双丝电弧枪喷涂，可在四管壁上形成一层致密的耐高温、防磨腐蚀涂层，从而有效地保护锅炉四管。

NiAl 材料在高温下能形成一层高致密的氧化膜涂层，涂层抗硫化物侵蚀的能力相当于碳钢的60 倍，其膨胀系数与碳钢接近，可防止涂层脱落。

与粉末喷涂相比沉积率高，污染少，而且由于它的特殊组元在喷涂瞬间也能发生放热反应，因此，涂层与基体之间有自结合效果。

超音速电弧喷涂涂层结合强度高、孔隙率低、耐磨耐蚀性能好。

锅炉水冷壁管壁的磨损与腐蚀是个重要的经济和技术问题，更换管壁和停产的损失相当昂贵。

锅炉使用过程中，炉渣和煤灰对管壁有冲刷磨损作用，燃料含硫量高，锅炉水冷壁由于Fe 元素与高温烟气中的S 元素反应成FeS 而造成腐蚀。