酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心 劉繼平 李向軍

循環(huán)流化床鍋爐在運(yùn)行過(guò)程最常見(jiàn)的問(wèn)題就是受熱面磨損尤其是水冷壁的磨損。目前，防止水冷壁磨損主要有假加裝護(hù)防磨隔板、讓管、加裝防磨梁以及金屬噴涂。金屬噴涂是循環(huán)流化床防磨最有效的方法之一。超音速電弧噴涂是比較成熟和有效的的解決辦法。它是高強(qiáng)度的鈦合金作為打底過(guò)度層，在打底層上面使用高速空氣作為動(dòng)力，把高耐磨的涂層噴涂到打底層上，使得涂層達(dá)到0.5～0.8mm。使用這種方法，使水冷壁管因磨損泄露的隱患風(fēng)險(xiǎn)大為降低，提高循環(huán)流化床鍋爐的安全運(yùn)行周期。噴涂涂層的均勻程度和強(qiáng)度是整個(gè)噴涂的關(guān)鍵所在。

這兩年對(duì)單位的3臺(tái)75T 循環(huán)流化床鍋爐檢修中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)共性的問(wèn)題：由于受建設(shè)經(jīng)費(fèi)等原因的限制，鍋爐本體系統(tǒng)受熱面水冷壁、過(guò)熱屏在安裝過(guò)程中沒(méi)有進(jìn)行防磨、防腐等噴涂工藝的施工處理。經(jīng)過(guò)近2年時(shí)間的系統(tǒng)運(yùn)行，檢查發(fā)現(xiàn)三臺(tái)爐都出現(xiàn)了燃燒密相區(qū)，12.24米耐火澆注料往上，一直到彎頭的地方，磨損區(qū)在4～6米的范圍內(nèi)。就是水冷壁管磨損比較嚴(yán)重，雖然沒(méi)有出現(xiàn)泄露、爆管等情況。但是出現(xiàn)了水冷壁管局部磨損嚴(yán)重、管壁減少的情況，要引起我們的高度重視，否則一旦出現(xiàn)泄露將會(huì)是大面積的、也是不可逆的。

經(jīng)過(guò)大量查閱資料，和國(guó)內(nèi)同類型鍋爐廠進(jìn)行溝通交流，在循環(huán)流化床鍋爐水冷經(jīng)過(guò)噴涂金屬層，水冷壁的表面磨損可大為減輕和有效緩解，受熱面的因?yàn)槟p而帶來(lái)的泄漏停爐故障可以大為降低。鍋爐水冷壁管是采用φ60光管加扁鋼組成的膜式水冷壁，管與管之間距離為85mm。膜式水冷壁均勻布置在爐膛的前后左右四個(gè)面上，具有較好的密封性能和良好的熱交換性。在爐膛內(nèi)部密相區(qū)和標(biāo)高12.24米以下的水冷壁管壁上，敷設(shè)有厚度為80mm的耐磨澆注料，如圖1所示，其中1為澆注層、2為爐膛風(fēng)帽。

圖1 爐膛內(nèi)襯布局

1 磨損機(jī)理和部位分析

水冷壁的磨損主要是由于爐膛內(nèi)的煙氣帶有流動(dòng)的顆粒引起。循環(huán)流化床只要表現(xiàn)為局部結(jié)構(gòu)上的顆粒團(tuán)聚以及整天結(jié)構(gòu)上顆粒濃度和速度的不均勻分布。循環(huán)流化床爐膛內(nèi)存在中心區(qū)域顆粒濃度低且整體向上運(yùn)動(dòng)、順著水冷壁四周顆粒濃度高且整體向下運(yùn)動(dòng)，這種特性決定了整個(gè)煙氣在爐膛內(nèi)流動(dòng)過(guò)程中，煙氣中顆粒對(duì)水冷壁管的沖刷是不可避免的，只是由于所帶負(fù)荷高低不同而整體沖刷的嚴(yán)重程度不同而已。

循環(huán)流化床鍋爐水冷壁磨損部位主要出現(xiàn)在爐膛過(guò)渡區(qū)。雖然內(nèi)循環(huán)和變流層的存在強(qiáng)化了爐膛內(nèi)傳熱效果，延長(zhǎng)了物料在爐膛內(nèi)的停留時(shí)間，客觀的保證了爐膛內(nèi)溫度場(chǎng)的均勻分布，但是加劇了水冷壁表面的磨損也是客觀存在的，尤其是對(duì)于凹凸不平的水冷壁管尤為明顯。水冷壁管過(guò)渡區(qū)的磨損有兩種：一種是和爐膛內(nèi)向上移動(dòng)火焰煙氣顆粒方向相反，產(chǎn)生局部的渦流磨損；第二種顆粒沿水冷壁壁面下落方向在過(guò)度區(qū)域方向的改變，產(chǎn)生沖刷磨損[1]。

爐膛內(nèi)水冷壁管的磨損還存在于爐膛的四個(gè)角、爐膛頂部及出口、屏式受熱面以及開(kāi)孔區(qū)域。爐膛四角區(qū)域磨損比較明顯。是由于水冷壁下降流的疊加作用，濃度幾乎成倍增加，這樣就會(huì)加重水冷壁管四角磨損。

水冷壁管在噴涂之前，首先需要做的工作就是檢查水冷壁管大致情況。檢查時(shí)首先需要搭好腳手架。人到達(dá)預(yù)定位置后，主要通過(guò)肉眼、手摸、儀器察看外表結(jié)渣結(jié)焦、變形以及壁厚情況。從檢修的3臺(tái)鍋爐水冷壁幾個(gè)地方磨損情況看，循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管磨損高度一般不超過(guò)水冷壁管衛(wèi)燃帶上4～6m 的區(qū)域。三臺(tái)爐大致情況相當(dāng)，這也說(shuō)明這些區(qū)域?qū)?huì)是檢修檢測(cè)中檢查的重點(diǎn)。如果運(yùn)行時(shí)間超過(guò)三個(gè)月以上，上述四個(gè)容易出現(xiàn)磨損的地方就要仔細(xì)檢查，外表查看磨損痕跡、管壁光亮程度、護(hù)板有無(wú)松動(dòng)、儀器測(cè)量壁厚來(lái)鑒別一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)水冷壁管的整體狀況，做出評(píng)估。掌握磨損規(guī)律。指導(dǎo)運(yùn)行過(guò)程中的燃燒調(diào)整，及時(shí)變化固體物料濃相區(qū)高度來(lái)延緩水冷壁管磨損速度。在檢修過(guò)程中制定檢修方案、檢修重點(diǎn)和檢修內(nèi)容，制定噴涂方案和措施，決定實(shí)施噴涂時(shí)機(jī)和范圍。

結(jié)合我單位鍋爐實(shí)際檢修檢測(cè)情況，鍋爐爐膛衛(wèi)燃帶以上4至6米、爐膛煙道出口處澆注料四周區(qū)域和中、高溫過(guò)熱器屏穿爐膛前墻澆注料四周區(qū)域水冷壁管是較易磨損和沖刷嚴(yán)重部位。

2 超音速電弧噴涂防磨應(yīng)用

10號(hào)鍋爐為上海鍋爐廠設(shè)計(jì)制造的高溫高壓參數(shù)、自然循環(huán)、單爐膛平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、緊身封閉、全鋼構(gòu)架的循環(huán)流化床鍋爐，型號(hào)設(shè)計(jì)為SG-75/9.81-M2807型，于2019年12月投產(chǎn)運(yùn)行。由于受建設(shè)經(jīng)費(fèi)等原因的限制，鍋爐本體系統(tǒng)受熱面水冷壁、過(guò)熱屏在安裝過(guò)程中沒(méi)有進(jìn)行防磨防腐等噴涂工藝的施工處理。經(jīng)過(guò)近2年時(shí)間的系統(tǒng)運(yùn)行，檢查發(fā)現(xiàn)鍋爐爐膛水冷壁衛(wèi)燃帶上部管壁已出現(xiàn)磨光發(fā)亮的問(wèn)題，長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)對(duì)水冷壁管造成嚴(yán)重的磨損，甚至出現(xiàn)泄漏、爆管等問(wèn)題，嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定。

2.1 噴涂前處理

循環(huán)流化床鍋爐水冷壁的基體表面清潔、無(wú)結(jié)焦結(jié)渣，達(dá)到毛化的要求。水冷壁打磨的目的是使水冷壁表面呈灰白色的金屬外觀和均勻粗細(xì)。選擇磨料時(shí)根據(jù)涂層的厚度而定，磨料須清潔、有棱角，才能保證涂層與基體的結(jié)合良好。在檢查中發(fā)現(xiàn)，要是水冷壁管壁厚低于理論計(jì)算強(qiáng)度，碳鋼管減薄量超過(guò)設(shè)計(jì)壁厚的30%，合金管減薄量超過(guò)25%。就要采取局部更換水冷壁管，在換管的過(guò)程中注意焊接質(zhì)量，同時(shí)還要對(duì)表面進(jìn)行處理，達(dá)到光潔的目的[2]。

2.2 噴涂前的補(bǔ)焊

目前全站循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管的管材都是用20G，此種管材是一種優(yōu)質(zhì)碳素鋼管，有非常好的焊接性能。20G 具有一定的高強(qiáng)度和延展性，在焊接實(shí)施過(guò)程中較易取得好的焊接效果。焊工選擇時(shí)得有相應(yīng)的級(jí)別證書(shū)，開(kāi)展同類工種時(shí)間超過(guò)五年以上，具有一定的專業(yè)水準(zhǔn)，主要的技術(shù)要求是焊接完整個(gè)表面平整，焊接的試件要有X 射線探傷檢查，合格后方可進(jìn)行正常工作。采用匹配的焊條，小直徑、小電流進(jìn)行斷弧點(diǎn)焊，主要是防止焊接時(shí)水冷壁管過(guò)熱變形。因此補(bǔ)焊可以取得好的效果[2]。

2.3 表面預(yù)處理

表面缺陷處理全部完畢，焊縫打磨平滑過(guò)渡，無(wú)凹凸臺(tái)階、飛濺物、焊瘤。整個(gè)基體表面的的粗糙程度大小直接決定了噴涂后的整個(gè)強(qiáng)度，所以基體表面粗糙度的處理顯得尤為重要。一般采用噴砂、砂輪磨削等方法進(jìn)行管壁表面處理。采用砂輪磨削打磨時(shí)，由于磨削的不精細(xì)，存在涂層局部脫落、鼓包等質(zhì)量問(wèn)題。噴砂作業(yè)就是使用石英砂或鑄鐵砂依托高壓氣流直接噴射到管壁表面，進(jìn)行粗糙化處理。需要注意的是，操作者經(jīng)驗(yàn)、砂型的選用、噴射角度、氣體壓力和流速都需經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)踐來(lái)進(jìn)行調(diào)整，噴砂完成后要進(jìn)行質(zhì)量檢查，主要檢查管壁的清潔度要達(dá)到Sa3.0級(jí)，粗糙度要達(dá)到Rz60～90μm 適當(dāng)且均勻，處理完的管壁表面要立即進(jìn)行噴涂作業(yè)，防止出現(xiàn)打磨后的管壁被氧化而影響噴涂質(zhì)量。

2.4 采取措施

根據(jù)磨損部位分析情況，對(duì)10鍋爐爐膛水冷壁前墻衛(wèi)燃帶以上6.76米區(qū)域（圖2）、左右側(cè)墻衛(wèi)燃帶以上4米區(qū)域（圖3）、爐膛后側(cè)墻衛(wèi)燃帶以上4米區(qū)域和爐膛煙道出口（圖4）處澆注料四周500mm區(qū)域，共約115m2面積，選用鎳鉻鈦等金屬合金絲材進(jìn)行超音速電弧防磨噴涂，增強(qiáng)其耐磨防腐性能，延長(zhǎng)鍋爐設(shè)備使用周期。

圖2 水冷壁布局

圖3 過(guò)熱屏布局局

圖4 爐膛布局

2.5 噴涂作業(yè)

超音速電弧噴涂時(shí)金屬噴涂的一種，所以噴涂材料的選用顯得尤為重要。在實(shí)際作業(yè)中，一般選用硬度高、強(qiáng)度大、耐磨性優(yōu)、耐腐蝕、抗高溫氧化的鈦合金作為噴涂材料，對(duì)鍋爐水冷壁受熱面噴涂區(qū)域進(jìn)行噴涂。

超音速電弧噴涂原理是利用兩根連續(xù)送進(jìn)的金屬絲作為自耗電極，在其端部產(chǎn)生電弧作為熱源，用壓縮空氣將熔化了的絲材霧化，并以超音速噴向工作件形成一種結(jié)合強(qiáng)度高、孔隙率低、表面粗糙度低的涂層的熱噴涂方法。具有粒子飛行速度高、與基體結(jié)合好，粒子細(xì)小、孔隙率低，沉積效率高、涂層組織致密，電弧穩(wěn)定性高，噴涂基體不存在熱變形，一次噴涂被磨蝕掉后可以二次進(jìn)行噴涂等優(yōu)點(diǎn)。

圖5 超音速電弧噴涂示意圖

要求噴涂層與母材結(jié)合良好，外觀均勻致密，無(wú)起皮、無(wú)鼓泡，無(wú)開(kāi)裂、無(wú)生絲附著。涂層厚度0.5mm～0.8mm，防磨噴涂厚度嚴(yán)禁一次成型，應(yīng)分5～8遍均勻噴涂，確保每層不漏噴、少噴。噴涂作業(yè)過(guò)程搭接部位銜接結(jié)合嚴(yán)密、光滑，噴涂與未噴涂分界線必須平滑過(guò)渡，嚴(yán)禁出現(xiàn)凸臺(tái)。

2.6 封孔劑涂刷及超音速電弧噴涂操作注意事項(xiàng)

涂層驗(yàn)收合格后，刷涂高溫專用封孔劑進(jìn)行封孔，盡可能地將涂層孔隙堵住，并填平其凹坑，延長(zhǎng)涂層的使用壽命。

圖6 工藝流程圖

使用的壓縮空氣要凈化，壓力和流量要保證要求；調(diào)整好電流和電壓；主要噴槍的角度和噴槍的移動(dòng)快慢，這個(gè)主要由操作者經(jīng)驗(yàn)來(lái)控制噴涂質(zhì)量；在特殊部位（水冷壁四角、頂棚、出入口）噴涂時(shí)，噴涂層可以盡量厚一點(diǎn)。

施工主要參數(shù)驗(yàn)收：預(yù)處理清潔度Sa3.0、預(yù)處理粗糙度Rz60～90μm、噴涂粒子速度≥400m/s、噴涂涂層厚度0.5mm～0.8mm、硬度≥HRC40、結(jié)合強(qiáng)度≥55MPa、使用溫度≥1200℃、涂層孔隙率＜1%、封孔劑工作溫度≥1000℃、封孔劑耐磨性10mg/1000r、噴涂時(shí)基體受熱溫度＜150℃。

綜上，由于爐膛所處的特殊位置，平時(shí)檢修檢測(cè)非常困難，人員看不到外表磨損情況，只能借助高空作業(yè)平臺(tái)，無(wú)論是搭腳手架還是使用爐內(nèi)升降平臺(tái)都要花費(fèi)大量的人力物力。如果出現(xiàn)磨損嚴(yán)重泄漏情況，就需要專業(yè)焊工實(shí)施換管或者補(bǔ)焊，焊接作業(yè)面條件復(fù)雜，焊工只能看到水冷壁管的一個(gè)面、看不到整個(gè)水冷壁管，焊接難度較大、影響檢修質(zhì)量。為此，采用超音速電弧噴涂技術(shù)進(jìn)行防磨處理，噴涂層的硬度較基層的硬度更大，且在高溫下會(huì)產(chǎn)生致密、堅(jiān)硬和穩(wěn)定性更好的氧化層。此方法有效解決了爐膛內(nèi)水冷壁管的磨損，為機(jī)組長(zhǎng)周期運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。