一种先驱体转化陶瓷涂层的制备及其现场应用研究

＊苏静 陈承超 陈祥 王甜甜 陈威

（1.陕西德源府谷能源有限公司 陕西 719407 2.陕西科技大学 陕西 710042）

火力发电机组运行环境恶劣，尤其是受热面通常服役于高温、高压、腐蚀介质、烟气磨损等环境，进而诱发管道损伤，导致服役寿命缩减，增加维护费用。据相关统计，锅炉内过热器管、再热器管、水冷壁管及省煤器管导致的质量安全事故占国内锅炉事故的2/3左右[1]。尤其是，随着火力发电机组功率的提升、环保标准的不断提高以及低氮燃烧器的普及，导致锅炉受热面面临的腐蚀与吹损风险更加严峻，使管壁减薄甚至导致爆管事故发生，严重影响锅炉运行的安全性与经济性[2-4]。

针对锅炉内受热面管壁的服役特点，目前常利用表面涂覆技术对炉内管壁表面进行表面处理。通过表面涂覆添加管壁表面防护层，可以有效减少管壁腐蚀和磨损失效，延长管壁的服役寿命，大幅度降低锅炉管道的维护成本[5]。美国苏尔寿-美科公司采用等离子喷涂技术在水冷壁管表面制备铁铬基复合涂层，拥有良好的耐蚀抗磨性能，涂层每年只损耗0.025mm[6]。瑞士卡斯特林-厄特蒂公面向水冷壁防护制备一种高镍铬复合涂层，该涂层与基体结合良好，拥有良好的耐磨性能。近年来，国内学者亦开展相关的研究工作，如韩建军等[7]利用超音速火焰喷涂技术在锅炉受热面制备Fe基非晶涂层，发现该涂层有良好的耐酸腐蚀性能，但其粘结性欠佳。随着火力发电锅炉向着更高参数化运行的方向迈进，传统金属材料的经济性和耐腐蚀性越来越无法满足长服役的要求。

近年来，耐高温陶瓷涂层发展迅速，已经开展相关的试验研究，并在一定范围内应用在电站锅炉[8]。尤其是先驱体转化陶瓷涂层主要由陶瓷粉体填料、粘结剂、溶剂及助剂等组成，可采用浸涂、挂涂及喷枪喷涂等简单易行的方式在受热面管壁上进行涂覆加工[9-11]。学者Barroso等[12]利用简单的涂漆方式在钢材表面制备出厚度为50μm的陶瓷涂层，该涂层有效减少金属基材氧化。Martin等[13]利用浸涂的工艺方法在不锈钢表面制备先驱体转化陶瓷涂层，该涂层可在1000℃高温环境下有效防护金属表面。国内学者华隽石等[14]在20钢表面制备了一种复合陶瓷涂层，研究表明喷涂涂层可有效抵抗SO2、H2S以及高温熔岩的腐蚀。

目前，关于先驱体转化涂层的研究主要集中于抗氧化耐腐蚀性能上，对于涂层在复杂的锅炉现场环境下的综合服役性能的考察尚属少见。鉴于此，本文结合实验室测试分析及现场应用两个方面，探讨先驱体转化涂层在提高锅炉受热面管壁耐腐蚀耐磨损方面的应用前景。首先，实验室中，在20钢表面制备先驱体转化陶瓷涂层试样，对其微观形貌、物相组成、涂层厚度等进行表征，并将该涂层应用于某电站锅炉受热面水冷壁上，现场验证该涂层的防护效果。

1.实验材料及方法

(1)实验材料

本研究所用涂层浆料的组分及比例如表1所示，由表可见，涂层成分包括陶瓷粉体、聚合物、玻璃粉、溶剂及助剂等。其中，陶瓷粉体作为涂层填料可有效提高涂层的耐腐蚀耐磨损性能；先驱体聚合物在一定温度下高温裂解，促使表面陶瓷涂层；玻璃粉可有效提升涂层与基材的结合强度，并形成玻璃釉层使涂层表面更加致密。浆料按比例配置后，将浆料置于行星式球磨机中充分混合，1h后取出、过滤、封装，进而得到陶瓷涂层浆料。

表1 涂层浆料成分及比例

本研究中，选取锅炉常用钢材20钢作为基材，将钢材切割成15mm×15mm×5mm方块，并对钢块表面进行喷砂处理及超声波清洗，使其表面粗糙度为Ra2.0-2.5μm，提高金属基材与涂层的结合强度。利用喷枪将浆料喷涂于钢块表面，而后在干燥箱内100℃干燥1h，待试样干燥后将其置于马弗炉内500-600℃烧结。由此，制备获得先驱体转化陶瓷涂层，实物如图1所示。

图1 涂层试样实物图a

(2)试验方法

①实验室表征

利用VEGA Ⅱ XMU型扫描电子显微镜及自带能谱仪对涂层样品进行形貌和微观组织分析，利用D/max2200PC型X射线衍射仪（XRD）对涂层进行物相组成检测，利用奥林巴斯（中国）有限公司的DSX510数码显微镜对涂层厚度进行检测分析。

②现场应用

与某电站合作，选取一锅炉受热面水冷壁表面作为试点。首先，对锅炉水冷壁受热面管壁进行结焦及锈蚀情况观察及分析，如图2（a）所示，表面结焦和锈蚀的情况十分严重；之后对该处进行喷砂处理，实现除焦和除锈，如图2（b）所示；喷砂后，利用喷枪对金属表面进行喷涂，获得良好的喷涂效果，获得大面积全覆盖的陶瓷涂层表面，如图2（c）所示。而后，累计运行4000h，考察其表面情况。

图2 涂层现场应用图

2.结果与讨论

(1)涂层微观组织形貌表征

涂层的XRD分析结果如图3可见。由图可见，陶瓷涂层的结晶情况良好，未观察到明显的非晶体馒头峰。同时，涂层表面可明显检测到SiO2、ZrO2及Al2O3等物质。这说明，涂层浆料经过涂覆及热转化过程，先驱体聚合物热解完全，形成结晶良好的陶瓷涂层。

图3 涂层的XRD分析结果

图4所示出了涂层表面的微观形貌。由图4（a）可见，在50×放大倍数下，涂层表面整体上较为连续、平整，但也观察到明显的龟裂现象；由图4（b）可见，在1000×放大倍数下，涂层表面粗糙，但未观察到明显的脱落及凹陷情况。涂层的厚度如图5所示，涂层连续，厚度均匀，平均厚度为155.1±2.5μm。

图4 涂层表面的SEM图

图5 涂层横截面的光镜图

(2)现场应用

涂层施工完成后，于2020年11月29日投入使用，至2021年5月19日累计运行约4000h，运行期间未出现腐蚀泄露与大块焦渣脱落导致的燃烧不稳定和灭火现象，锅炉运行稳定。2021年5月31日，利用停机机会对改造区域进行检查，喷涂区域部分表面存在松散浮渣，部分受热面管壁表面存在黑色覆盖物质，见图6所示。由图6（a）可见，浮渣区域的浮渣松散，用手轻触后即可脱落；由图6（b）可见，部分区域表面形成一层很薄的黑色致密物质（经检测为黑色的Fe3O4），对其进行打磨后绿色涂层可显露。

图6 锅炉受热面涂层运行情况

图7所示出了经冲洗或打磨后的涂层情况，涂层保持完整，无明显的腐蚀现象。这说明受热面管壁无高温腐蚀及表面磨损等现象。同时，浮渣停炉降温时，半熔融状态的浮渣因水冷壁骤冷而附挂在管壁表面，当锅炉继续运行时，浮渣会自动脱落。管壁表面形成松散的浮渣可有效抑制管壁出现大面积的结焦、结渣，有助于锅炉的正常运行。

图7 清洗后涂层情况

3.结论

结合实验室表征与现场应用情况，锅炉受热面涂覆该先驱体转化涂层材料的防护效果较好，得到如下结论。

（1）本研究中，制备由陶瓷粉体、玻璃粉、聚合物等组成的先驱体转化涂层浆料，经浆料混合、涂覆、热固化等过程获得厚度约为155.1±2.5μm的涂层材料。该涂层结晶情况良好，主要有SiO2、ZrO2及Al2O3组成，且涂层表面连续，覆盖情况良好。

（2）将陶瓷涂层应用于电站锅炉受热面水冷管壁表面，运行4000h后，受热面表面无高温腐蚀现象，且涂层整体完好无损，且有效阻止了部分区域的结焦、结渣风险。