范寶成，潘翔峰，李 想，劉 放

（1.吉林電力股份有限公司白城發(fā)電公司，吉林 白城 137000；2.國(guó)家能源集團(tuán)遼寧電力有限公司沈西熱電廠，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

1 鍋爐屏式過(guò)熱器結(jié)焦工況

某發(fā)電公司一期工程建設(shè)規(guī)模為2臺(tái)660 MW超臨界直接空冷凝氣式發(fā)電機(jī)組。2 臺(tái)機(jī)組為正壓直吹式制粉系統(tǒng)，配置發(fā)電設(shè)備總廠生產(chǎn)的型號(hào)為MPS225-HP-II 中速磨煤機(jī)14 臺(tái)，鍋爐為超臨界壓力、循環(huán)泵式啟動(dòng)系統(tǒng)、前后墻對(duì)沖低NOx軸向旋流燃燒器、一次中間再熱、單爐膛平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架的變壓本生直流爐。

鍋爐運(yùn)行時(shí)屏式過(guò)熱器存在嚴(yán)重的結(jié)焦結(jié)渣問(wèn)題，如圖1 所示，這使得機(jī)組的安全運(yùn)行面臨一定的風(fēng)險(xiǎn)。此外，結(jié)焦區(qū)域受熱面換熱效率降低，導(dǎo)致機(jī)組經(jīng)濟(jì)性下降。每次檢修均需對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)檢查，且每次均能發(fā)現(xiàn)大面積結(jié)焦的情況。

圖1 屏式過(guò)熱器結(jié)焦情況

2 研究目的與意義

此次研究擬采用新型防結(jié)焦噴涂技術(shù)對(duì)鍋爐屏式過(guò)熱器進(jìn)行防結(jié)焦噴涂，以達(dá)到如下目的：

1）防止鍋爐受熱面結(jié)焦，提高換熱效果，減輕噴砂對(duì)基材的減薄傷害，延長(zhǎng)基材的使用壽命；

2）使后續(xù)維護(hù)簡(jiǎn)單，降低檢修維護(hù)成本，縮短檢修維護(hù)時(shí)間，鎖定結(jié)焦區(qū)與腐蝕區(qū)，為受熱面維護(hù)提供有效檢維措施。

通過(guò)對(duì)新型防結(jié)焦技術(shù)的研究，引入一種新型的涂層技術(shù)路線，填補(bǔ)行業(yè)空白，能夠有效地解決傳統(tǒng)涂層技術(shù)當(dāng)前存在的問(wèn)題，對(duì)提升熱電公司鍋爐整體安全運(yùn)行水平具有重要意義。在提升鍋爐屏式過(guò)熱器防結(jié)焦與防腐能力等級(jí)的情況下，降低鍋爐受熱面年度防結(jié)焦和防腐的投資成本，可節(jié)約企業(yè)的運(yùn)行成本。鍋爐受熱面結(jié)焦、高溫腐蝕問(wèn)題是個(gè)共性問(wèn)題，將相關(guān)研究成果進(jìn)行推廣，獲得顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)外對(duì)納米陶瓷復(fù)合材料的研究越來(lái)越深入，使得加熱爐新材料技術(shù)發(fā)展到了一個(gè)完全成熟的階段，尤其是最新的保護(hù)性高發(fā)射率納米陶瓷復(fù)合材料技術(shù)，在航天領(lǐng)域和工業(yè)加熱爐裝置中均被成功應(yīng)用。通過(guò)對(duì)爐管表面進(jìn)行納米陶瓷復(fù)合材料噴涂，能夠大大提高高溫下的爐管基質(zhì)的表面黑度，當(dāng)溫度變化范圍較大時(shí)，依然保持爐管表面的發(fā)射率不變［1］。

國(guó)內(nèi)有許多科研單位圍繞火電清潔技術(shù)進(jìn)行了深入研究，并且獲得了積極地研究成果，如東南大學(xué)研究的關(guān)于鍋爐積灰建立的理論計(jì)算模型及方法，在火電廠的實(shí)際應(yīng)用中獲得了良好的效益［2］。

4 傳統(tǒng)噴涂防結(jié)焦與陶瓷識(shí)別層技術(shù)

4.1 傳統(tǒng)噴涂技術(shù)存在的問(wèn)題

國(guó)內(nèi)外相關(guān)公司與研究機(jī)構(gòu)針對(duì)鍋爐受熱面防腐表面噴涂技術(shù)做出了大量的研究：

1）超音速火焰噴涂技術(shù)與超音速電弧噴涂技術(shù)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、現(xiàn)場(chǎng)要求較低等特點(diǎn)，成為了國(guó)內(nèi)外火電廠鍋爐最常用的表面防護(hù)手段。而由于國(guó)內(nèi)火電行業(yè)存在的局限性，超音速火焰噴涂幾乎沒(méi)用應(yīng)用，主要采用超音速電弧噴涂技術(shù)進(jìn)行表面防護(hù)涂層的制備。

2）熱噴涂技術(shù)使用周期短，一般使用1～2 年就不再具有防結(jié)焦的效果，而且年投資成本高，抗磨性能一般，無(wú)法有效解決大顆粒煤粉磨損的情況。

傳統(tǒng)涂層對(duì)于基底處理要求較高，且現(xiàn)場(chǎng)施工基底處理難度較高，涂層質(zhì)量難以得到保證。此外，傳統(tǒng)涂層缺少可靠的驗(yàn)評(píng)方法，涂層質(zhì)量難以從外部進(jìn)行直觀評(píng)價(jià)，邊緣位置或局部缺陷位置出現(xiàn)腐蝕問(wèn)題后容易沿涂層與基體的結(jié)合面橫向擴(kuò)展，造成涂層失效。當(dāng)鍋爐爆管停爐時(shí)，必須冷卻并打磨干凈后，再實(shí)施熔覆和二次噴涂，這就會(huì)造成二次處理，周期長(zhǎng)，使檢修工作量大幅度增加。

4.2 陶瓷識(shí)別層技術(shù)

通過(guò)熱化學(xué)反應(yīng)法在經(jīng)過(guò)噴砂預(yù)處理的基材上制備納米陶瓷涂層，是一種實(shí)驗(yàn)室研究的防護(hù)涂層技術(shù)［3-4］。該方法以水基懸浮漿料為原材料（包含分散劑、粘結(jié)劑以及多種納米陶瓷顆粒），采用0.3 MPa～0.6 MPa 的壓縮空氣霧化，然后均勻涂覆于管子表面，經(jīng)過(guò)室溫陰干和啟爐加熱固化，最終在金屬基材表面形成厚度約0.05 mm～0.15 mm的納米陶瓷涂層［5］。

目前，高溫納米陶瓷涂層技術(shù)開(kāi)始進(jìn)入火電行業(yè)，并得到了一定的應(yīng)用。該技術(shù)在鍋爐受熱面的管子表面噴涂一層致密的、具有腐蝕惰性的、焦渣低潤(rùn)濕性的且具有一定輻射功能的涂層，即可降低腐蝕與結(jié)焦導(dǎo)致的后果。此類涂層主要通過(guò)調(diào)整材料成分以及粉體細(xì)度來(lái)達(dá)到涂層的實(shí)際使用性能，涂層粉體細(xì)度要求較高，一般達(dá)到納米級(jí)。所以，目前應(yīng)用的涂層一般稱為高溫納米陶瓷涂層。

4.3 陶瓷識(shí)別層技術(shù)優(yōu)勢(shì)

陶瓷涂層主要用于工業(yè)熱能設(shè)備的所有輻射換熱過(guò)程，可達(dá)到安全、節(jié)能、環(huán)保和增加設(shè)備使用壽命的目的，提升爐體運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

由于陶瓷識(shí)別層技術(shù)路線的特點(diǎn)，所制備的涂層具有一定的整體性，且施工工藝簡(jiǎn)單，涂層配方及顏色易調(diào)整，特殊的工藝可以提高該類陶瓷與金屬的結(jié)合性能，這使得該技術(shù)路線有較大的成功幾率。

陶瓷識(shí)別層技術(shù)能夠解決傳統(tǒng)金屬涂層難以在低氮燃燒改造后鍋爐受熱面長(zhǎng)久應(yīng)用難的問(wèn)題，具有傳統(tǒng)噴涂技術(shù)涂層良好的防結(jié)焦、耐高溫、耐腐蝕性能，更具有其所不具備的表面韌性。該技術(shù)可以有效地隔絕腐蝕產(chǎn)物向基體擴(kuò)散，且局部發(fā)生腐蝕時(shí)，能夠避免腐蝕沿結(jié)合面擴(kuò)展而導(dǎo)致涂層大面積剝落。

通過(guò)陶瓷識(shí)別涂層可以避免施工往復(fù)噴砂造成受熱面減薄的問(wèn)題，降低了檢修費(fèi)用，縮短了檢修時(shí)間，鎖定結(jié)焦區(qū)與腐蝕區(qū)，為受熱面維護(hù)提供有效檢維措施；此外，陶瓷識(shí)別層技術(shù)可直觀地評(píng)價(jià)涂層質(zhì)量和運(yùn)行狀況，方便驗(yàn)收施工質(zhì)量及評(píng)價(jià)運(yùn)行狀況。

陶瓷識(shí)別層技術(shù)具備更優(yōu)的抗熱震性能，更適合目前機(jī)組頻繁深度調(diào)峰的運(yùn)行工況，為常溫施工（可噴涂或刷涂)、自然固化、高溫下一次性成型。這樣就解決了爐膛內(nèi)高溫施工的問(wèn)題，大幅提高了施工效率及安全性，降低了施工成本及綜合造價(jià)。

5 研究?jī)?nèi)容與思路

5.1 研究?jī)?nèi)容

以某電廠鍋爐為研究對(duì)象，對(duì)結(jié)焦腐蝕特性進(jìn)行試驗(yàn)研究：

1）根據(jù)屏式過(guò)熱器結(jié)焦腐蝕特性，設(shè)計(jì)涂層并進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)，確定防結(jié)焦和防腐蝕涂層技術(shù)路線；

2）根據(jù)確定的防結(jié)焦和防腐蝕涂層技術(shù)路線，設(shè)計(jì)陶瓷識(shí)別層并對(duì)復(fù)合涂層的性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究；

3）停機(jī)時(shí)，對(duì)涂層進(jìn)行驗(yàn)證，確定合理的涂層選型。

5.2 研究思路

1）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行調(diào)查研究，包括工件服役溫度、燃料種類、工件服役氣體環(huán)境、造成磨損的介質(zhì)種類等。

2）對(duì)失效工件進(jìn)行分析，提取工件表面失效層，利用化學(xué)滴定、掃描電鏡（SEM）、能譜（EDS）對(duì)表面形貌及成分進(jìn)行分析，通過(guò)X 射線衍射、紅外光譜、掃描電鏡等對(duì)涂層試樣進(jìn)行表面和斷面分析，研究涂層失效機(jī)理，明確涂層性能要求。

3）通過(guò)熱膨脹系數(shù)測(cè)試儀（DTA）、高溫加熱爐等設(shè)備對(duì)水冷壁熱膨脹系數(shù)、氧化溫度、耐溫溫度進(jìn)行調(diào)查或測(cè)試，為配方選取做準(zhǔn)備。

4）選取熱膨脹系數(shù)匹配良好的陶瓷配方，燒制并通過(guò)球磨成粉，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水冷壁的材質(zhì)配置出高溫涂層配方。

5）噴涂工作完成后，借鑒水冷壁的現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境，對(duì)涂層進(jìn)行附著力、硬度、抗熱震性、耐溫性等性能測(cè)試；通過(guò)電學(xué)、加速腐蝕試驗(yàn)、耐介質(zhì)試驗(yàn)等分析表征涂層的耐腐蝕性能，并尋找其規(guī)律；通過(guò)傅立葉紅外光譜（FTIR）、核磁共振（NMR）、掃描電鏡（SEM）、X 射線衍射（XRD）、能譜分析（EDS）等顯微分析技術(shù)對(duì)涂層及基材界面進(jìn)行分析，研究其界面形貌及其性能變化的規(guī)律。

6）在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行掛片試驗(yàn)，考察涂層的防結(jié)焦和防腐蝕性能，研究防結(jié)焦及高溫防腐耐磨涂層的施工性、配套性對(duì)涂層服役情況的影響，從而選出適合的施工工藝，再對(duì)陶瓷涂層與常規(guī)涂層在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)相關(guān)涂層、工藝方案和防腐效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，其流程如圖2所示。

圖2 研究流程

5.3 技術(shù)關(guān)鍵

確保陶瓷識(shí)別涂層在高溫條件下維持較高結(jié)合強(qiáng)度、防結(jié)焦和防腐性特性，以及較低溫度條件下的燒結(jié)是研究的技術(shù)關(guān)鍵。異質(zhì)基體（無(wú)機(jī)材料和金屬材料）的封接因其膨脹系數(shù)的巨大差異導(dǎo)致界面在加熱和冷卻過(guò)程中結(jié)合強(qiáng)度下降，甚至脫落。另外，在高溫狀態(tài)下無(wú)論是金屬還是無(wú)機(jī)材料，其硬度均會(huì)降低。因此，如何在650 ℃～800 ℃保持較高的硬度，是獲得更好耐磨性的一個(gè)關(guān)鍵。最后，在鍋爐升溫過(guò)程中水冷壁表面需經(jīng)受一定程度的風(fēng)力。這就要求涂層必須在低溫狀態(tài)下進(jìn)行燒結(jié)固化，并擁有一定的結(jié)合強(qiáng)度、耐磨性及抗溫能力，才能保證無(wú)機(jī)材料涂層在燒結(jié)前的良好附著。因此，低溫條件下的燒結(jié)固化也是該涂層能否成功應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。如何保證特性不同的識(shí)別層的結(jié)合效果也是研究的技術(shù)關(guān)鍵之一，噴涂后達(dá)到的直觀效果如圖3所示。圖4為管子表面的噴砂情況，噴砂工藝遵循RSI高溫納米陶瓷涂層工藝控制標(biāo)準(zhǔn)。圖5 為表面功能層的施工情況，滿足RSI高溫納米陶瓷涂層工藝控制標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 陶瓷識(shí)別層噴涂后的效果

圖4 噴砂情況

圖5 表面功能層的施工情況

6 結(jié)語(yǔ)

鍋爐結(jié)焦現(xiàn)象一直以來(lái)都是困擾火力發(fā)電廠的重大難題，有著嚴(yán)重的危害性，影響著我國(guó)電力事業(yè)的發(fā)展。本文針對(duì)屏式過(guò)熱器存在大面積嚴(yán)重結(jié)焦的情況，研發(fā)了一種新型防結(jié)焦高溫納米陶瓷識(shí)別涂層，解決了屏式過(guò)熱器結(jié)焦和腐蝕嚴(yán)重的難題，該成果已成功應(yīng)用于爐屏式過(guò)熱器，防結(jié)焦效果良好。從現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用效果看，防結(jié)焦高溫納米陶瓷識(shí)別涂層能滿足現(xiàn)場(chǎng)工作的要求，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組的安全運(yùn)行，總體技術(shù)路線可行、實(shí)用。高溫納米陶瓷識(shí)別涂層具有抗結(jié)焦、防腐蝕能力，可防超溫爆管和腐蝕爆管，對(duì)提升機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性有重要作用?；鶎釉O(shè)定為白色，表層設(shè)定為綠色，后期維護(hù)可根據(jù)是否露出識(shí)別涂層，來(lái)確定是否需要補(bǔ)噴，達(dá)到了降低檢修維護(hù)成本和縮短檢修維護(hù)時(shí)間的目的，對(duì)火電廠提升設(shè)備使用的穩(wěn)定性和安全性上有較大幫助。