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现代喷涂技术用于锅炉管道的防护及其发展

文档作者：刘保国1’2，柯鹏2，陈鹏飞2，张世宏2 文档来源： 1．安徽省池州市特种设备监督检验中心 2．安徽工业大学材料科学与工程学院，		点击数：	更新时间： 2024年06月30日
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一综述～
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现代喷涂技术用于锅炉管道的防护及其发展
刘保国1’2，柯鹏2，陈鹏飞2，张世宏2
(1．安徽省池州市特种设备监督检验中心，安徽池州247000；
2．安徽工业大学材料科学与工程学院，安徽马鞍山243002)
摘要：锅炉管道在高温、氧化和腐蚀性环境中运行，因此应进行防护处理。详述了当前应用最广的两种防
止锅炉管道腐蚀的喷涂技术一电弧喷涂和超音速速火焰喷涂技术的发展现状及各自的优势；结合
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的发展，提出随着我国电力必威体育官方网站
对锅炉管道防护涂层性能和质量要求的不断提高，高速火
焰喷涂技术用于锅炉管道防护将会得到日益广泛的应用。
关键词：喷涂技术；锅炉管道；冲蚀磨损；超音速速火焰喷涂
中图分类号：TGl74．442 文献标识码：B 文章编号：1008—1690(2016)03．0055．03
The Application of Modern Spraying Technologies in Protecting
Boiler Tube from Corrosion and Their Development
LIU Baogu01’2，KE Pen92，CHEN Pengfei2，ZHANG Shihon92
(1．Center of Special Equipment Supervision and Inspection of Chizhou City in Anhui Province，
Chizhou 247000，Anhui China；2．School of Materials Science and Engineering，
Anhui University of Technology，Ma’anshan 243002，Anhui China)
Abstract：Boiler tubes should be protected with a coating due to their operating in an oxidizing and corrosive
atmosphere at high temperature．Development of the most commonly used two types of spraying technology
protecting boiler tube from corrosion at present(i．e．，arc spraying and high velocity oxy—fuel spraying)and their
superiority were described in detail．On the basis of development of related trade，it is suggested that as desired
performance and quality for coating protecting boiler tube become higher in power industry at home，the high speed
flame spraying will be more and more extensively used in protecting boiler tube from corrosion．
Key words：spraying technology；boiler tube；erosion wear；high velocity oxy—fuel spraying
1 锅炉轨道防护技术的现状
我国电站锅炉和工业锅炉主要以燃煤为主。据
统计，1998年由煤生产电力的总份额达到75％⋯。
虽然天然气、核能以及其他可再生资源在电力生产
所占比例越来越高，但预计到2050年之前，火力发
电占全国电力能源比例仍会超过50％。由于燃料
用煤以劣质煤(高含灰量、含硫量)为主，大型锅炉
受热面特别是水冷壁管、过热器管、再热器管和省煤
器管(简称“四管”)在高温高压的酸性环境中受到
飞灰冲蚀、高温氧化和腐蚀的共同作用，导致管壁减
薄严重，极易造成泄漏和爆管等工业事故，大大增加
了运行成本和人身安全隐患。据调查，我国
100 MW以上机组由于锅炉“四管”爆漏事故而停机
抢修的时间约占整个机组非计划停用时间的40％，
占锅炉设备本身非停用时间的70％以上，少发电量
占全部事故少发电量的50％以上，是影响发电机组
安全经济运行的主要因素。从生产实践看，单纯的
锅炉运行调整和设备改造无法从根本上解决锅炉
“四管”在复杂环境下寿命短、损坏严重的问题旧J。
现代喷涂技术在制备高性能耐磨、耐高温、防腐蚀涂
层上的优势为锅炉“四管”防护、修复提供了一条切
收稿日期：2016-03-29
作者简介：刘保国(1981一)，男，安徽安庆人，本科，工程师，主要从事锅炉检验工作。E．mail：46282812@139．con
通讯作者：张世宏(1981一)，男，甘肃会宁人，博士，教授，主要从事表面工程研究工作。E-mail：shzhang@ahut．edu．en
基金项目：安徽省科技攻关项目(2014kjl68)
《热处理》2016年第31卷第3期。55‘
万方数据
实有效的途径。本文对现代喷涂技术在锅炉管道防
护领域的应用及发展现状做了综述，对“四管”防护
技术的发展趋势进行了展望。
锅炉“四管”的爆漏原因主要是磨损与腐蚀。
由于电厂燃料多为劣质燃煤，炉内飞灰含量高达
40％，在气流循环过程中高速运动的飞灰会对锅炉
管壁造成高温冲蚀磨损，从而加速受热面管壁减薄。
在充满硫、氯化物的高温高压环境中，锅炉管壁受腐
蚀和高温氧化的共同作用，易发生管壁穿孔和氧化
皮剥落。
针对锅炉内高温、腐蚀、磨损共存的苛刻工况，
采用喷涂技术在受热面喷涂镍铬合金、金属一碳化物
(或硼化物等)陶瓷等耐热、耐蚀、高硬度涂层可有
效保护受热面，大幅提高“四管”使用寿命。国际上
采用喷涂技术对锅炉管道进行防护始于上世纪60
年代，到上世纪80年代初趋于成熟【3 J。30多年来，
各国采用不同的喷涂手段开发出多种锅炉防护涂
层，如美国TAFA公司采用电弧喷涂45CT涂层，瑞
典采用电弧喷涂KANTHAL M涂层，英国中央电力
部采用等离子喷涂Ni—cr合金涂层，日本采用超音
速火焰喷涂Cr3C：．NiCr金属陶瓷涂层等。这些涂层
有效延长了锅炉管道的使用寿命，取得了良好的经
济效益。国内对锅炉“四管”防护涂层的研究始于
上世纪70年代开发的水冷壁管热浸渗铝技术，80
年代又开发了水冷壁管喷熔Ni．w合金技术等。这
些涂层虽然延长了“四管”的使用寿命，但由于技术
相对陈旧，防护效果非常有限。20世纪90年代，现
代喷涂技术在国内锅炉管道防护领域的应用逐渐成
熟，如电弧喷涂Ni—Cr涂层已在国内多个电厂推广
应用。截至2002年，锅炉管道的喷涂面积已达数千
平方米‘4。5]。
2锅炉管道防护技术的应用
目前，有报道的可用于锅炉防护的喷涂技术包
括：火焰喷涂(Flame spraying)、冷喷涂(Cold
spraying)、等离子喷涂(Plasma spraying)、爆炸喷涂
(Detonation gun spraying)、电弧喷涂(Arc spraying)
和超音速火焰喷涂(这里主要指氧燃料超音速火焰
喷涂，High velocity oxy—fuel spraying，HVOF)等。由
于普通火焰喷涂和冷喷涂涂层与基体的结合力不
强，而等离子喷涂成本过高，爆炸喷涂操作、组装过
程复杂，所以以上四种喷涂技术在锅炉防护中的应
用非常有限。当前，国内外应用最广泛的锅炉管道
防护技术是电弧喷涂和超音速等离子喷涂。
2．1 电弧喷涂锅炉管道防护技术的应用
电弧喷涂是利用两根待喷涂丝材作为自耗电
极，当两极短接后将电弧引燃，熔化电极在压缩空气
的作用下吹向工件来完成喷涂的过程。电弧喷涂的
涂层结合强度较好、孑L隙率较低，设备携带方便、操
作灵活，适合锅炉现场作业，喷涂效率和能源利用率
高、成本较低，适合大面积喷涂。早在上世纪80年
代，美国TAFA公司就采用电弧喷涂技术喷涂45CT
(55％Ni一43％Cr-2％Ti)涂层对锅炉进行涂层防护，
该涂层在锅炉管道上可保持7年不脱落。目前，我
国锅炉管道防护领域应用最广的就是电弧喷涂Ni—
Cr基涂层∞一j。例如，山西某电力企业采用超音速
电弧喷涂技术在超临界对冲燃烧直流锅炉的水冷壁
上喷涂某金属一陶瓷涂层。所得涂层结合强度为
38 MPa，硬度大于52 HRC，孔隙率小于1％，预期平
均磨损速度小于130 Ixm／a，提高了管壁耐磨耐蚀性
能。
虽然电弧喷涂技术在锅炉防护领域有不少优
势，但依然存在不足。电弧喷涂的涂层具有典型的
层状结构，在扁平颗粒之间有氧化膜；由于喷涂速率
的限制导致涂层中可能存在较大孔隙，且与基体结
合力有限；涂层有较大的内应力。这些固有的缺陷
可能导致涂层在更为苛刻复杂的锅炉环境中出现穿
孑L、脱落。
2．2超音速火焰喷涂在国内锅炉管道防护中的应用
随着超临界、超超临界机组成为我国电厂新建
和扩建机组的主要发展趋势，锅炉不断向大容量、高
参数发展，电厂对锅炉涂层的性能与质量提出了更
高的要求。一方面，由于蒸气压力和水冷壁温度的
提高，管壁的高温氧化现象更为严重；另一方面，随
着电煤供应紧张，劣质燃煤掺烧比例加大，管壁磨损
和硫腐蚀加剧。此时，国内传统的电弧喷涂Ni．cr
系涂层在结合强度、硬度和耐蚀性等方面已无法满
足“四管”防护的需求旧J，尤其是在超(超)临界机组
锅炉腐蚀区的喷涂涂层常常出现脱落现象，使得防
护效果大打折扣。针对锅炉管道工作温度和燃气流
速越来越大的防护难题，从上世纪90年代起，美国
Metalspray公司开始采用超音速火焰喷涂DS．200
(75Cr，C2-25NiCr)涂层在锅炉水冷管壁上进行防护。
实践表明，超音速火焰喷涂NiCr-Cr3 C：涂层在结合强
度(>60 MPa)、孔隙率(<1％)、硬度(>60 HRC)，
耐磨(<37斗m／a)及耐蚀性(<4 I山m／a)上相较于电
·56‘ 《热处理》2016年第31卷第3期
万方数据
弧喷涂Ni—Cr涂层均有明显提高一o。
超音速火焰喷涂是利用丙烷、丙烯或者航空煤
油燃料与高压氧气在燃烧室或特殊的喷嘴中燃烧产
生高温焰流(>3 200℃)使粒子以极大的速度
(300～500 m／s)撞击在基体表面形成涂层。超音
速火焰喷涂涂层的优势是：(1)涂层致密，氧化渣和
空隙较少；(2)可制备涂层厚度较大；(3)与基体结
合强度高；(4)可用粉末材料较多等特点。在国外，
超音速火焰喷涂已广泛地用于锅炉“四管”，特别是
高温、高腐蚀和冲蚀工作面的涂层防护。实践表明，
对于工况更为苛刻复杂的超(超)临界锅炉、循环流
化床锅炉，超音速火焰喷涂技术能更好地发挥涂层
对锅炉“四管”防护效果，大大延长炉管使用寿
命[10]。
从上世纪90年代我国开始引入超音速火焰喷
涂技术至今，超音速火焰喷涂在各领域的应用有了
长足的发展。然而，在锅炉“四管”防护领域，超音
速火焰喷涂的应用研究与推广程度与国外同行依然
存在较大差距。以超(超)临界机组锅炉为例，国内
目前鲜有超音速火焰喷涂应用于“四管”防护的报
道。近年来，西安热工研究院利用超音速火焰喷涂
制备了Ni—Cr涂层在电厂进行现场挂片试验，虽然
试验结果良好，但至今未见后续应用报道。
一直以来，阻碍超音速火焰喷涂在我国锅炉防
护领域应用的因素主要有以下两点：(1)设备昂贵，
操作不便，现场施工困难；(2)沉积效率低，粉末材
料耗损大；由于我国粉体制备水平与国外存在差距，
一些喷涂专用粉体依赖进口，大大提高了喷涂成本。
近年来，随着国内装备制造技术和粉体制备水
平的提高，以上两大因素导致的瓶颈效应已经松动。
在装备制造方面，小型、便携式超音速火焰喷涂装备
的开发大大降低了设备及施工成本。例如，第二炮
兵工程学院研制的KY-HVO／AF超音速火焰喷涂设
备，喷枪采用二腔四段式结构，利于操作和拆卸，喷
涂时可用手持或机械手控制，设备主要指标达到国
际先进水平，而价格仅为进口设备的三分之一⋯o。
另一方面，我国在先进热喷涂粉末的自主研发上亦
有突破。例如，北京矿冶研究总院自主研发的镍铬
碳化铬复合型涂层材料，解决了高比重cr3C：一NiCr
颗粒复合粉末混合、制粒，镍铬合金粉末和碳化铬粉
末烧结，粉末的形状和粒度分布控制等一系列难题，
部分技术指标达到国际先进水平。
结合我国电力必威体育官方网站
需求和喷涂技术发展趋势
可以预见，利用超音速火焰喷涂技术开展锅炉“四
管”防护涂层研发并将其推向应用的时机已经成
熟。
3 结束语
(1)喷涂技术在锅炉管道防护领域发挥着越来
越重要的作用。目前，锅炉防护领域应用最广泛的
是电弧喷涂和超音速火焰喷涂技术，我国以电弧喷
涂为主。
(2)针对不同工况、工作面和涂层材料，电弧喷
涂和超音速火焰喷涂各有优势。但随着超(超)临
界机组和循环流化床锅炉的推广应用，超音速火焰
喷涂在锅炉管道防护中的优势更为明显，其应用比
例也大大增加。
(3)我国在利用超音速火焰喷涂技术应用于锅
炉管道防护方面与发达国家有明显差距。随着国内
装备制造和粉体加工必威体育官方网站
整体水平的提升，在电力
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需求的带动下，超音速火焰喷涂技术在锅炉管
道防护领域将大有作为。
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