表面防护技术在燃煤锅炉表面防护中的应用

于亚丽

（河北西柏坡发电有限责任公司,石家庄 050400）

目前我国仍是以火力发电为主的国家，电站燃煤锅炉的高温防护问题是行业内长期所面临的技术难题，主要表现为锅炉的“四管”（即水冷壁管、过热器管、再热器管、省煤器管）由于长期受到飞灰冲蚀、磨损、氧化、热腐蚀等影响，出现材料非正常减薄而过早失效，导致爆漏现象频繁发生。据不完全资料统计，我国100MW以上的机组由于腐蚀和冲蚀导致“四管”爆漏事故造成的停机抢修时间，约占整个机组非计划停用时间的40%左右，占锅炉设备本身非计划停用时间的70%以上。随着近年来设备向高参数、大容量的方向发展，锅炉受热面的工况变得更为苛刻，由高温腐蚀和磨损造成的事故更易频发，造成设备停运。

近几十年来，国内外对锅炉材料失效机理及其表面防护技术开展了大量基础研究和应用研究，一些成果也已成功获得工程应用。总体来说，不同部位锅炉受热面部件所采用的材料有所不同（图1），而锅炉受热面材料发生性能退化和失效破坏又与锅炉内部结构与实际工况等密切相关，因此在防护时需要有针对性地进行材料选择和工艺设计。归纳起来，燃煤锅炉受热面的失效形式主要是高温氧化、热腐蚀和冲蚀。在众多表面防护技术中，热喷涂技术具有非常独特的优势，它工艺灵活、生产效率高、材料来源广泛，因此在锅炉高温部件表面防护中得到了极为广泛的应用。

1 锅炉高温部件的主要失效形式

1.1 高温氧化

电站锅炉内，炉膛部位水冷壁管水温较低，多采用抗氧化性能一般的普通碳钢及低合金钢管，而高温过热器管、再热器、省煤器等则由含铬的热强钢以及不锈钢制成，如T22, T91，TP347，其管壁温度最高可达到600℃以上，而管外壁燃烧烟气温度多在1000℃以上，高温氧化是这些材料所要面临的首要挑战。对于低碳钢来说，它在570℃以下和570℃以上空气环境下氧化的产物不同，氧化机制略有差别。而对于含铬的热强钢和不锈钢来说，它的抗高温氧化性能要好，这是因为高温下表面会快速形成有保护作用的含铬氧化物Cr2O3，长时间氧化的产物多为含Cr氧化物固溶于Fe氧化物的尖晶石结构，氧化速率有所降低，但母材的含铬量仍还远未达到能持续形成致密Cr2O3的条件，因此仅靠自身成份很难抵抗长时间的高温氧化。

1.2 热腐蚀

锅炉燃烧室的高温部件除了受高温气氛的侵蚀，还容易受到由表面沉积物所引起的加速氧化现象,这种侵蚀可能是灾难性的。具体来说，主要呈现为三种形式，一是由于沉积物中含硫化合物受热分解放出的单质S引发的高温硫化腐蚀；二是由于氯化物（NaCl, KCl等）等引起的金属的高温卤化反应，所形成的金属卤化物沸点低、易挥发，将极大加快材料的高温腐蚀进程，这种现象在垃圾焚烧炉和生物质燃烧炉中尤为严重（图2）；三是由于表面沉积的硫酸盐所引起的高温熔盐腐蚀，随环境温度的不同这种腐蚀又可分为I型热腐蚀和II型热腐蚀，I型热腐蚀环境温度高于硫酸盐的熔点，沉积熔盐的融熔后导致腐蚀加快，而II型热腐蚀中熔融是由硫酸盐与其他熔盐共晶导致的。

1.3 冲蚀

冲蚀是指材料受到一定速度流动粒子冲击时表面出现破坏的一种磨损现象，尤其在流化床锅炉及低温段煤粉燃烧不完全部位，如水冷壁和省煤器。近年来，由于低品位煤的大量使用，灰分含量增高，飞灰中含有大量硬质矿物成份，比如石英、黄铁矿等，这些坚硬的颗粒撞击材料表面使材料非正常减薄。对于较高温度的过热器、再热器，由于一些颗粒燃烧发生分解，颗粒硬度也有所降低，因此冲蚀磨损的危害相对小一些。

2 主要的防护办法

工业界可以通过使用高品质燃煤、合理优化锅炉结构、提高燃烧效率等方法减少锅炉内壁高温气流中硬质颗粒及腐蚀性沉积物的数量，一定程度上减缓材料失效的速率，但仍需有效的手段保证锅炉高温部件抵抗腐蚀和磨损。

由于高温冲蚀、腐蚀过程均是发生于锅炉材料表面的破坏行为，运用涂层对材料表面进行防护是较为经济可行的方法。目前，常用的高温耐磨抗氧化涂层制备技术有：

2.1 包埋扩散法

商业化的包埋方法包括粉末包埋和料浆法，其代表性涂层有渗铬、渗铝和渗硅层。处理时需要将基材与渗剂放置于一定温度环境中，耐高温腐蚀元素向材料表面扩散后，逐渐形成渗层，基材中的元素也可以进入到渗层中。耐高温腐蚀元素在表面的富集不仅有利于形成保护性氧化膜，也可以保证在相当长时间内持续供给保护性氧化物元素。但是，包埋扩散法制备的涂层种类较为有限，多用于表面抗高温氧化涂层，处理时需要专门的热处理炉，大多仅用于小工件的处理，很难进行现场处理。

2.2 热喷涂

与各种渗铝、渗铬层相比，热喷涂技术工艺灵活，受材料限制小，易于现场施工，所制备的涂层种类很多。大多数情况下，锅炉管道受热面承受的是高温腐蚀和磨损复合条件考验，因此要求涂层具有优良的综合性能。从这个角度来说，热喷涂涂层具有非常独到的优势，因此在锅炉内壁防护上备受青睐。

目前已成功应用于锅炉内壁防护的热喷涂技术主要包括等离子喷涂、高速火焰喷涂（HVOF）及电弧喷涂。等离子喷涂的优势是它采用的热源为等离子射流，温度高，能保证大多数高熔点金属和陶瓷粉末都可以被熔化，惰性气氛也减少了金属的氧化程度。高速火焰喷涂（HVOF）焰流温度低，焰流速度快，主要用于制备合金及金属陶瓷涂层的制备，HVOF涂层结构更为致密，涂层孔隙率可以达到1%以下，在抗磨耐腐蚀方面有明显的优势，目前是研究和应用的热点。电弧喷涂主要被用于喷涂合金丝材，它最主要的优势是成本低，易于现场施工，因此在锅炉现场施工具有难以替代的作用，但电弧喷涂涂层孔隙率较高，氧化较为严重。

从所应用的涂层材料来说，尽管已经有很多商业厂家都推出了带牌号的专用产品，但归纳起来，仍然以高铬含量的镍基合金涂层最为常见，典型代表如Ni-50wt%Cr涂层、NiCrBSi涂层、NiCrMo (Ni-21Cr-9Mo-3.5Nb, 625合金)、NiCrAl等。在实际应用中，HVOF喷涂NiCrSiB合金涂层已经成功应用于水冷壁管的工厂预置上，目前在日本有超过50座垃圾焚烧发电厂应用HVOF涂层进行管材防护。美国TAFA公司在传统50Ni-50Cr涂层基础上添加少量Ti所开发的45CT涂层，在美国、欧洲等国电厂内得到极为广泛的应用，据报道使用5年后仍然完好。

铁基合金涂层尽管抗氧化耐腐蚀性能不如镍基合金，但通过成份合金化后，涂层的耐磨性能有很大提升空间，并且由于材料成本大幅度降低，因此在我国得到了较多重视，北京工业大学、装甲兵工程学院等单位采用粉芯丝材的方法，相继研发了系列的Fe-Cr-Ni、Fe-Cr-Al、FeCrNbB等涂层材料，极大地满足我国锅炉管材涂层防护的市场需求。此外，在对耐磨性能要求不太高且使用温度较低的应用场合，铝基复合涂层材料也受到了一定的关注。

金属陶瓷涂层由一定含量的金属合金相和陶瓷相组成，它兼具有金属高韧性和陶瓷耐磨性好的优势，因此被在锅炉内壁兼有冲蚀和高温腐蚀需求的部件上得到了广泛的应用，所采用的制备技术主要是等离子喷涂和高速火焰喷涂技术，应用最为典型的材料是NiCr-Cr3C2。此外，美国公司在此基础上开发了NiCr-Cr3C2/TiC涂层，另外，有研究报道中涂层采用625合金为粘结相，与TiO2-Al2O3及ZrO2进行复合，也有不错的实用效果，在过热器上可以有3年以上的寿命。

2.3 堆焊

尽管热喷涂技术在锅炉内壁有成功的应用，但是对于那些腐蚀极为严峻的部件，热喷涂涂层的应用仍然面临挑战，因为涂层与基体以机械结合为主，涂层内存在大量层间间隙和微小孔隙，服役时将成为腐蚀的通道，即便进行表面封孔效果仍然不理想。比如，多数采用垃圾焚烧锅炉内，水冷壁和过热器严重受到Cl2/HCl的腐蚀场合。对于此类应用，通常采用电弧或等离子弧在管壁上进行堆焊的方法，堆焊层可以保证涂层致密，并且与基体以冶金结合，堆焊材料以625合金为代表，也可以采用NiCrBSi自熔合金。研究发现625堆焊层的应用对水冷壁管提供了极佳的防腐作用，尽管成本很高，但仍足以补偿部件替换所产生的维护费用。

3 结论及建议

随着近年来我国绿色能源和低碳经济的发展，燃煤电厂越来与向着高参数、大容量的方向发展，锅炉受热面的工况变得更为苛刻。另外，随着我国城市化进程和环保的进步，生物质燃烧和垃圾燃烧炉的发展也将越来越多，这些都对锅炉内受热面表面防护提出了新的挑战。国内外行业的多年发展和应用表明，热喷涂技术具有独到的优势，应用前景十分广阔。

国外同行相比，我国热喷涂行业在锅炉表面防护取得了一定的成果，开发了一些有我国特色的防护材料和制备技术，但是总体而言，相关的基础研究还不够深入，研发力量还比较分散，尤其是对于复杂条件下的材料失效行为和防护机制，相关研究函待深入，另外，一些大量使用的防护涂层也缺少应用过程的数据积累，在后期的开发和应用中应予以加强，为未来的研究和应用奠定基础。

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