燃煤电厂设备耐磨防腐材料应用现状及展望

2014-01-27冯伟

综合智慧能源 2014年4期

冯伟

(大唐耒阳发电厂，湖南耒阳 421800)

0 引言

磨损和腐蚀是燃煤电厂设备的常见现象，也是能源消耗的主要根源之一。目前我国电力需求呈不断增长趋势，电力仍需要得到较快的发展。我国电力生产能源结构以煤为主，燃煤电厂是一个复杂的磨损腐蚀环境，热力工艺转换装备(如物料输送设备)都是在高温、高压、强磨损和腐蚀、高黏度、结晶、高粉尘等工况环境下运行的。电厂在实施以可靠性为中心的设备维护管理过程中，将新材料、新产品、新工艺和新技术应用到设备维护中来，同时也创造出许多新的管理理念和工艺技术[1]，因此，研制和应用新型耐磨防腐材料和维护技术，提高设备使用寿命，达到保护环境和节能降耗的目的，也是实现发电厂安全、经济运行的重要保障。

1 耐磨材料在电厂碎煤制粉系统中的应用

1.1 破碎机耐磨材料的应用

锤式破碎机在燃煤电厂应用十分广泛，主要用于破碎煤、炉渣和石灰石等中、低硬度物料，破碎产品属中细物料，如循环流化床锅炉燃烧的是煤粒而不是煤粉，产品粒度一般为3～6 mm，而煤粉锅炉燃烧的原煤经破碎制粉后粒度为0.02～0.08 mm。

环锤式破碎机是一种带有环锤的冲击转子式破碎机，环锤不仅能随转子旋转，还能绕锤销轴自转。受环锤的剪切、挤压、研磨以及物料之间的相互作用，物料得到破碎，并通过筛孔排出机外。

锤式和环锤式破碎机锤头、筛孔板工作型腔衬板一般都是根据物料破碎工况选用ZG120Mn13和ZG120Mn13Cr2等高锰钢材料，也有采用双金属复合铸造或堆焊制造的，还有采用淬硬45钢、合金钢钎焊硬质合金、合金钢与陶瓷材料复合铸造等工艺制造。目前，国内生产单位用于破细料的锤式破碎机的锤头采用高铬铸铁(硬度≥62 HRC)，为进一步提高锤头的抗磨性，将钨钴类硬质合金(硬度为89 HRA，密度为14.6 g/cm3,抗压强度为1 841 MPa)钎焊在锤头工作面上，使锤头的使用寿命大幅度提高。

高锰钢环锤可选用低氢钾型高锰钢堆焊焊条修复后再进行水韧处理，以减少裂纹倾向。

1.2 磨煤机耐磨材料的应用

磨煤机是制粉系统的关键设备，它在工作流程中起枢纽作用。原煤和一次风被输入磨煤机，煤粉与一次风混合物被输出磨煤机，经粗细粉分离器分离，合格的煤粉由一次风输送至炉膛内燃烧。

根据磨煤部件的工作转速，电厂磨煤机大致可分为：低速磨煤机，转速为15～25 r/min，最常用的如筒式钢球磨煤机；中速磨煤机，转速为50～300 r/min，最常见的如中速辊盘磨煤机、中速环球式磨煤机、辊碗式磨煤机(RP型、HP型)及辊环磨煤机(MPS型、ZGM型)；高速磨煤机，转速为750～1 500 r/min，如风扇磨煤机(S型、N型)等。由于各燃煤电厂使用的煤质不同，选用的磨煤机也不一样，各种磨煤机及制粉系统的适用范围也不相同。低速球磨机运转过程中，钢球与衬板等易损件以磨粒磨损和冲击磨损为主；中速环球磨煤机运转过程中，磨球在上下环形轨道中滚动，以磨粒磨损、黏着磨损和表面接触疲劳磨损为主，中速辊式磨煤机的磨辊碗和磨辊盘以磨粒磨损和表面接触疲劳磨损为主；高速风扇磨煤机运转过程中，利用运动的冲击板将煤粉碎，以冲蚀磨损为主。

目前，国内各燃煤电厂低速球磨机一般选用中碳低合金衬板配中、低铬钢球，高碳低合金衬板配中、高铬钢球，双金属高铬衬板配中、高铬钢球的机制；中速磨煤机主要采用高铬钢或高铬堆焊复合钢制造的磨辊和衬瓦，也有采用硬质合金复合浇铸制造的磨辊和衬瓦；高速风扇磨煤机主要采用高锰钢制造的冲击板、护钩和护甲，也有采用复合双金属材料的；脱硫系统石灰石制浆的球磨机采用橡胶作为衬板，配高铬球。

2 耐磨防腐管道在电厂物料输送中的应用

火力发电厂耐磨管道主要用于输送原煤粉粒、灰渣、烟气脱硫系统中的石灰石粉粒及浆液等介质，由于输送的介质流速快、湿度大、腐蚀性强，致使管道的弯头、变径管严重磨损和腐蚀而失效。干灰气力输送管道以磨粒磨损和冲蚀磨损为主，烟气脱硫系统管道以多相流体加速腐蚀为主。耐磨和防腐管道可分为单金属管道和复合管道2大类。

早期的烟气脱硫管道采用了低碳和超低碳奥氏体不锈钢，如316(00Cr17Ni14Mo3)或317(0Cr18Ni12Mo3Ti)等不锈钢，这类不锈钢对氧化性介质有很好的耐腐蚀性能，但在实际应用中发现存在点蚀、缝隙腐蚀以及冲刷腐蚀等现象。钛合金是优良的耐腐蚀抗磨材料，应用在烟气系统的管道和容器上都表现出良好的耐腐蚀性能，但是价格昂贵。镍基合金的应用效果非常理想，它以镍为主体，与Co，Mo，Fe，W和Cr形成连续固溶体合金，最具代表性的有蒙耐尔合金和哈氏合金，其耐腐蚀性能、热稳定性能与加工性能相当优异，使用效果较为理想，但是价格昂贵。

在烟气脱硫装置中，选择合金材料要考虑的主要因素有：环境温度、pH值、氯化物质量浓度以及可溶性氟化物质量浓度。输送不同腐蚀介质的管道选材时，必须遵循一定的原则。需注意的是，不同工况、不同环境条件下选材不可能完全相同，任何微小的差异都会对管道材料性能产生较大的影响。

2.1 铸石复合管道

铸石复合管道是把玄武岩熔化后铸在钢管内壁所制成的复合管。其优点是耐磨，防腐蚀性良好；缺点是铸石层厚，管道密度大、性脆，易碎裂掉块。适用于燃煤电厂的气力输灰、水力输渣管道以及其他输送腐蚀、磨损介质的管道。

2.2 抗磨白口铸铁复合管道

抗磨白口铸铁复合管道是用抗磨白口铸铁(低铬白口铸铁或高铬白口铸铁)浇铸在钢管内壁所制成的复合管。其优点是抗磨性好、可焊接，如用高铬白口铸铁作复合层，还有较好的抗腐蚀性，其抗磨性明显高于普通耐磨钢管；缺点是密度大、性脆。

2.3 铝热法制造的陶瓷复合管道

铝热法陶瓷复合管采取燃烧合成技术(SHS)和离心铸造技术相结合的工艺，利用铝热反应形成陶瓷内衬。Al2O3的硬度在2 000 HV以上，所以耐磨性能十分优异，抗腐蚀性和耐热性也非常好。其缺点是性脆、易裂，如果工艺不当易剥落，影响使用。

2.4 粘贴法制造的陶瓷复合管道

采用高分子黏接剂将氧化铝陶瓷片粘贴在管道上，可以获得好的抗冲蚀、抗磨损的效果。由于氧化铝陶瓷属于脆性材料，物料输送过程中，在冲蚀角大于45°的情况下，其耐磨性并不理想。因此，该复合管道抵抗非大颗粒(冲击力很大)和较小的冲蚀角(冲蚀角≤45°)的磨料冲蚀，效果较好。

采用这种技术对火电厂装备进行防磨防腐处理，要比堆焊工艺处理的使用寿命长1～2倍，但如果操作工艺控制不严，可能会造成陶瓷片脱落。

2.5 高分子橡塑复合管道

电厂烟气脱硫和脱硝系统浆液输送属液固气输送，磨损腐蚀机制较为复杂，目前各电厂采用的是内衬塑料或内衬橡胶复合管道输送烟气脱硫、脱硝浆液。

优点是对物料的输送阻力小，耐磨和抗腐蚀性好，对湿态物料输送管内壁结垢有很好的缓解作用；缺点是强度低、抗老化性能差、使用温度低、不耐有机溶剂腐蚀、部分塑料橡胶有吸水性。

2.6 再制造堆焊复合管道技术

燃煤电厂输灰、输煤粉管道由于其工作温度较高，并承受着高温磨粒剧烈的冲刷磨损，因此采用高铬钢和钢结硬质合金等耐磨焊条对失效部位进行堆焊修复，实现管道再制造。管道再制造技术是提高使用寿命最有效的方法[2]。

烟气脱硫系统管道和容器因磨损腐蚀失效，采用高分子树脂及陶瓷等复合材料实施再制造，能有效地提高管道设备使用寿命和性能。

3 耐磨防腐材料应用展望

我国火力发电厂发电量和装机容量巨大，还存在着很大的节能潜力。将先进的摩擦与磨损失效分析理论与实用新技术、新工艺、新材料、新产品相结合，是实现发电厂安全、经济、节能的重要手段和措施。新型复合材料将愈来愈广泛地应用于工业生产的各个领域。目前，新型复合材料正向多元混杂复合、功能复合、微观复合以及智能复合的方向发展，常规设计正向仿生设计和电子计算机辅助设计方向发展，21世纪将是复合材料广泛应用的时代[3]。

3.1 陶瓷复合管道的应用

陶瓷复合管道是由金属、陶瓷、聚合物(有机/无机)等多层材料经过反应加工复合而成的高性能复合管道，其中外层结构管为承载件，中间陶瓷层为抗磨耐腐蚀件，可根据管道输送物料工况选择铝热法、粘贴法等工艺，内壁为有机/无机混合涂料，主要起黏结和防腐蚀渗透作用[3]。陶瓷复合管制品充分发挥了单一材料的特有性能以及有机/无机粘胶与陶瓷材料的复合效应，即使在较高的运行温度下，仍具有优异的抗腐蚀磨损与防结垢的性能。陶瓷复合管道主要用于燃煤电厂粉煤灰、灰渣的干/湿态输送，烟气脱硫、脱硝系统的浆液输送等。长期使用温度为-10～150 ℃，压力为-0.1～6.0 MPa，管道公称直径为50～2 000 mm，与常规防磨钢管相比，使用寿命至少提高2～3倍[4]。

3.2 高速喷涂技术的应用

为了使燃料资源能够得到充分合理的利用，我国在电站锅炉中已大量使用含灰量较高的劣质煤，尤其是循环流化床锅炉以燃烧劣质煤为主。不同种类的燃料特性与受热管面的磨损密切相关，并且直接影响到锅炉的安全、经济运行，严重时还将导致事故。电站锅炉中的“四管”(过热器管、再热器管、省煤器管和水冷壁管)因为受到含有硬质颗粒的冲蚀磨损而导致的爆管停机问题，一直是火电厂安全生产的重大隐患[5]。

世界上很多国家都在研究能有效控制燃煤电厂锅炉管道高温冲蚀磨损和热腐蚀的技术，以提高燃煤电厂锅炉运行的可靠性，解决问题的有效措施就是使用各种防腐耐磨的涂层技术。针对锅炉管道的高温冲蚀、热腐蚀、高温氧化，国内外已经开发出许多燃煤电厂锅炉专用涂层，如金属涂层、陶瓷涂层、金属/陶瓷复合涂层以及金属间化合物涂层。

燃煤电厂锅炉维护已广泛采用高速电弧喷涂技术，目前应用新型高镍、高铬合金两种电弧热喷涂丝材，运行结果表明：新型涂层具有更低的氧化速度，表现出较优异的抗高温腐蚀性能。

近年来，我国科学家利用高速电弧喷涂技术将FeCrAl/WC粉芯丝材制出复合涂层，涂层综合力学性能优异，具有结合强度高、致密度高、耐热振性能较佳等特点。该涂层能适应电厂燃煤锅炉管道的运行条件，有利于降低涂层与基体间的残余内应力，提高涂层的承载能力，可满足实际应用的需要[5]。

3.3 高温抗磨耐腐蚀涂料的应用

高温抗磨耐腐蚀涂料由特种无机胶粘剂、固化剂、增强剂及填料组成。填料采用化学性能稳定、硬度高、导热系数大的碳化物、氧化物及金属粉末。这种涂料的主要特点是：高温抗磨、导热系数大、耐高温冲蚀、具有接近钢材的膨胀系数。该系列涂料的应用，避免了钢材热硬性差、高温不耐磨的缺陷，并且对烟气的流通面积和热交换性能没有太大影响，最高使用温度可达1 000 ℃，主要用于解决电站锅炉内管道，如省煤器、过热器、再热器和水冷壁的高温烟气过流区迎风面的磨损问题。

新材料的应用，使燃煤电厂设备抗磨损、耐腐蚀性能成倍提高，展现了新材料、新工艺和新产品在设备上应用的广阔前景。新材料和新工艺的不断发展，将为延长电站热力转换设备使用寿命、节能降耗减排做出更大的贡献。