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1、CFB锅炉炉膛受热面防磨防腐喷涂技术方案设计 在循环流化床锅炉中，有许多部件工作在高温、高固体颗粒不断冲刷环境下，虽然已采取了一些防磨损措施，但循环流化床锅炉的运行结果表明,锅炉设备的磨损仍是十分严重的，经常由于磨损问题造成停炉。由于循环流化床锅炉水冷壁管受到炉膛中气固两相流的冲刷，磨损严重，是引起水冷壁管爆管的主要原因，因此如何从防磨损机理出发，采取进一步的防磨损措施，对循环流化床锅炉的推广应用和稳定运行是一个十分现实又重要的问题。为确保锅炉安全、稳定、经济运行，对以上部位采取防护措施是十分必要的。贵公司已充分认识到该问题，并在该部位提出的防护方案是合理可行的。但要获得良好的防护效果，则必须
2、要在分析设备失效的基础上，并根据锅炉运行的具体情况、工艺参数、结构特点针对性地设计防护工艺和产品。一、失效分析1耐火材料过渡区； 2角落区域；3不规则区域； 4一般水冷壁管图1-1CFB中水冷壁主要磨损区水冷壁管磨损是CFB锅炉中与材料有关的最严重的问题。炉内水冷壁管磨损主要可分为四种情形，如图1-1所示：水冷壁管耐火材料过渡区域的磨损、炉膛角落区域水冷壁磨损、不规则区域管壁的磨损和一般水冷壁管的均匀磨损。如前所述，在循环流化床锅炉中,炉膛的上部稀相区是快速床，在一定条件下，稀相区的颗粒发生团聚，细颗粒聚集成大颗粒团后，颗粒团重量增加，自由沉降速度提高，一旦大于流化速度，颗粒团不是被吹上去而是
3、逆着气流向下运动。下降过程中，被上升的气流打散成细颗粒，再被气流带动向上运动，又再聚集成颗粒团，再沉降下来。这种颗粒团不断聚集、下沉、吹散、上升又聚集形成的物理过程，使循环流化床内气固两相间发生强烈的热量和质量交换。由于颗粒团的沉降和边壁效应，循环流化床内气固流动形成靠近炉壁处很浓的颗粒团以旋转状向下运动，炉膛中心则是相对较稀的气固两相向上运动，产生一个强烈的炉内循环运动，大大强化了炉内传热和传质过程，有效地延长了包括焦炭颗粒在内的固体物料的停留时间，并保证了整个炉膛内纵向及横向都具有十分均匀的温度场。这一炉内物料颗粒在水冷壁附近下降流动的形态，导致了在垂直水冷壁的表面存在着潜在的磨损的可能，
4、尤其是垂直面的凸起或凹进，必然导致磨损的发生。典型的是收缩的密相区的耐火材料与上部垂直水冷壁的交界处。耐火材料过渡区的气固两相流流场如图1-2所示。图1-2水冷壁管耐火材料过渡区域的磨损耐火材料过渡区磨损原因有两个，一是在过渡区域内由于沿壁面下流的固体物料与炉内向上运动的固体物料运动方向相反，因而在局部产生涡流。涡流方向主要决定于气流的方向，磨损坑的形状表明气流是从下向上磨损的。二是沿炉膛壁面下流的固体物料在交界区域产生流动方向的改变，产生对水冷壁管的冲刷。循环流化床锅炉炉膛内部存在着大量的床料内循环，延长了煤粒的炉膛内停留时间。内循环粒子流多为贴壁粒子流，其循环量要比外循环量大得多。炉膛近壁
5、区物料浓度较高，在水平方向上，物料浓度的分布是中间低、近壁区高，见图1-3。在两面墙组成的角部，流动发生叠加，出现了角部浓度更高的现象，这是角部磨损严重的物理基础。不规则管壁包括穿墙管、炉墙开孔处的弯管、管壁上焊缝、管壁间的鳍片、焊缝不平整以及有关安装剩余的铁件等。即使很小的几何尺寸不规则也会造成局部的严重磨损。图1-3燃烧室近壁区物料浓度分布示意图图1-4不规则区域管壁的磨损情况炉膛部分设有人孔门、观火孔等圆孔处也是易磨损的部件之一。测炉温时，炉内插入足够深的热电偶也会对局部颗粒和流动特性造成较大影响，造成附近水冷壁管的磨损。在各种孔的周围，由于贴壁处的颗粒向下流动，与上升气流作用，导致受热
6、面下部的磨损严重，如图11-4所示。从目前运行的循环流化床锅炉看，一般水冷壁管的磨损虽然普遍存在，停炉检查时也发现管壁被磨损得光亮，但磨损速度较小，为均匀磨损，基本上不会危及受热面的安全。在上述四类磨损中，前两类是主要的。循环流化床锅炉内的炉膛水冷壁管的磨损过程是十分复杂的。在循环流化床锅炉中，烟气中颗粒对受热面撞击产生的磨损，与煤粉锅炉尾部受热面的冲刷磨损相类似。这种磨损的形式大致可以分为两类：一类是在碰撞过程中由于材料的反复变形引起的疲劳磨损，另一类是材料在自由运动的颗粒的切削作用下引起的破坏，称为凿削式磨损。磨损的程度与颗粒的冲击角度有很大的关系。冲击角为90o没有凿削式磨损，仅是疲劳磨
7、损，磨损很轻微；当冲击角度为20o 50o时，磨损最严重。一般而言，循环流化床锅炉中的疲劳磨损非常小，主要是凿削式磨损。循环流化床锅炉本身的特性决定了气固两相流动于受热面的作用是必然存在的。较大的物料浓度是锅炉性能的基本要求，是燃烧、传热和脱硫的必要条件。在两相流动中，绝大部分颗粒与受热面表面的相对速度比较慢，与受热面接触的颗粒，无论是上升流还是下降流，通常速度在2m/s以下，这些颗粒的磨损非常小，主要是产生均匀磨损。但是当与受热面接触的颗粒受到其他来自于主流区的颗粒或者气流的作用，可能会迅速改变方向，成为磨损介质，这就是所谓的三体磨损。循环流化床实际上还是依赖于气泡的生成与碎裂，才能形成扬析
8、夹带，而气泡的碎裂会以高达数十米的速度将颗粒抛向上部空间，而这些颗粒的方向是不规则的，这是产生改变与受热面直接接触的颗粒的方向的重要动力之一。当然，炉内局部射流，包括给料射流（燃料和脱硫剂）、固体物料回送口射流、布风板风帽的空气射流、二次风射流等，射流卷吸的床料对射流口附近的受热面形成直接的冲刷而造成磨损。制造、安装、维护等，在受热面表面造成的几何不规则形状，也能造成磨损。因此，水冷壁管子的磨损，与受热面及炉膛形状有关，还取决于灰颗粒的物理性质。这些磨损的动力，归根到底来源于流化速度。因此影响循环流化床锅炉受热面磨损的因素较多。水冷壁管的磨损与床内颗粒的硬度有关，且与被磨材料的硬度和颗粒的硬度
9、比值也有关。当颗粒硬度接近或高于被磨材料时，磨损率会迅速增加。相对比较年轻的煤的灰分，其硬度比较小，比较软，磨损就比较低。国外大量的烧褐煤的循环流化床锅炉，甚至没有采取防磨措施，磨损也比较轻微。同样的设计，在燃烧我国的硬煤时，出现的磨损就比较严重，就是这个原因。在运行中，床料不断循环，较软的物料会逐渐被磨损掉，只有那些性质稳定也就是硬度比较大不易损耗的颗粒累积下来，其硬度大大高于新鲜床料。除燃料外，床料粒径、浓度与其磨损能力也有密切关系，也直接关系到受热面磨损状况。当床料直径很小时，受热面所受的冲蚀磨损较小；随着床料直径的增大，磨损量随之增大，当床料直径大到临界值后(经验值为0.1mm)，磨损
10、量变化很小或几乎不变，对于这种现象，可以认为在相同的颗粒浓度下，颗粒直径越大，单位体积内颗粒数就越少，虽然大颗粒冲刷管壁的磨损能力较大，但由于冲刷管壁的总颗粒数下降，故材料的磨损量仍变化不大。床料成分不同，其破碎性、硬度就不同，磨损特性也不同。床料主要成分为Ca、Si、Al、S等，含Si和Al成分较高的床料比含Ca和S较高的床料对受热面磨损性更强。循环流化床锅炉运行床温直接影响着烟气的温度和受热面的温度，当运行床温升高时，烟气温度和受热面的温度随之升高；反之亦然。虽然循环流化床锅炉床温的变化范围不大，但随温度的提高，床料颗粒的硬度和磨损性下降，在一定程度上可以降低磨损。颗粒的粒径和浓度取决于物
11、料的性质和物料平衡系统的部件性能，并且受制于锅炉整体性能的要求，运行中也是不可变参数，是由设计决定的。历史上曾经出现过浓度过高磨损严重的问题。事实上，炉膛中的灰浓度只要满足传热和燃烧的最低需要就可以了。对于局部磨损，可以采用消除局部流速的方法。因为局部磨损主要是气流的不均匀和局部涡流产生的，所以消除或者躲避涡流是根本的处理方法。因此设计中要合理选择流化速度。因此，可以总结出影响磨损的主要因素有：烟气流速、物料浓度、颗粒撞击可能性、灰粒磨损特性、炉内流场、受热面及内衬的材质等。根据这些磨损的机理和主要影响因素，可以在设计中采取相应的措施，避免或减小磨损。失效图1 （炉膛四角） 失效图2失效图3
12、失效图4（耐火材料过渡区） 二、防护部位及涂层设计针对上述受热面部位失效机理及大多数厂家实际使用和磨损情况，我们设计对炉膛密相区、炉膛四角、烟气出口、顶棚、悬吊屏及焊缝区域等磨损严重部位水冷壁进行超音速电弧喷涂防护，具体方案如下：1、先采取二次喷砂工艺对防磨部位进行表面糙化，即先用优选砂对表面进行清洁，再用金刚砂对管子表面进行糙化处理。2、采用超音速电弧喷涂技术，并选用硬度特别高、耐冲刷磨损性能优异，同时具备抗高温氧化和热腐蚀性能良好的HDS-88A合金丝材制作涂层。3、表面用KM型高温耐磨防腐专用封孔剂进行封孔。由此制得复合涂层结合强度高，具有优异的抗吹损、冲刷磨损和耐高温腐蚀、耐热疲劳性能
13、，涂层不开裂、不脱离，能满足防护要求。三、防护层技术指标1、HDS-88A涂层厚 度：0.6-0.8mm 粒子速度：386m/s结合强度：50MPa硬 度：HRC60抗高温氧化性：+12.16mg/cm2（750氧化250h）孔 隙 率：0.9%喷涂时基体温度：100工件变形性：不变形，不改变母材表面金相组织及理化性能2、 高温耐磨防腐专用封孔层工作温度：1000耐 磨 性：10mg/1000r结合强度：6MPa厚 度：0.1-0.2mm左右四、丝材说明超音速电弧喷涂采用硬度特别高、耐磨损和抗高温氧化腐蚀性能优异的HDS-88A金属合金丝材，该丝材是一种非金属态产品，主要晶型结构比较特殊，所以
14、特别耐磨。其主要成份及含量构成为：高温耐磨陶瓷相40%，塑性金属合金相60%，微量稀土。其主要化学成份有： Cr、C、B、Si、Fe、Ti等。在喷涂过程中发生放热反应，强化涂层与基体，以及涂层间颗粒的结合，喷涂完后由于涂层中还含有残留的部分自融性材料，涂层运行一段时间后，由于受热而与基材间形成了一种亚冶金结合结构，从而制得涂层结合强度更高，特别耐磨；该金属合金材料热膨胀系数与锅炉钢系数相近，故在冷热交变的工况下，不会出现起皮、开裂等现象，结合牢固；其热导率与锅炉钢材料热导率相近，且厚度不到1.0mm，因此不会影响传热效果。五、KM型高温耐磨抗蚀专用封孔剂说明KM型高温耐磨抗蚀专用封孔剂系采用超
15、硬新材料，合成新工艺，以及粒子的配级等技术精心加工、配制而成，在常温下可快速固化，高温下形成坚硬的陶瓷体。其高温耐磨性好，导热系数大，抗蚀性强，与金属表面粘结具有极强的吸附性和热震稳定性，不脱落、不出现裂纹等特点。用其对金属热喷涂涂层表面进行封孔，能有效渗透、浸湿涂层孔隙，并在高温下逐渐陶瓷化，使整个涂层更致密，阻止介质中的有害成份通过微小的涂层孔隙进入涂层内部，能获得有效封闭涂层孔隙的效果。六、喷砂设备与技术说明 1、设备说明莎贝珂PCS控制系统喷砂设备其PCS遥控系统气动型控制系统，由RCM控制器（喷嘴处）、RIV进气阀、ROV排气阀、OF过滤器、控制气管和接头等组成，并配有贮沙罐等。在非
16、工作状态时，RCM控制器手柄被弹簧顶起，RIV进气阀旋塞打开。工作时，压下RCM手柄，控制气流经另一根控制气管到达RIV进气阀和ROV排报导阀顶部，使进气阀打开，排气阀关闭，磨料桶内压力升高，喷砂作业开始。2、喷砂对基体表面的作用净化表面：去除被喷表面的各种污杂物，特别是油脂、污垢、氧化皮、铁锈、油漆涂层等，表面显示均匀的金属光泽，以利于熔融粉末与基体表面的粘合吸附（分子的熔解和扩散）。工作面清洁度达到GB8923-88涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级中规定的Sa3.0级。粗化表面：热喷涂涂层与基体的结合以机械结合为主，这就要求基体前处理不仅要除油除锈，还要粗化表面，使用面具有一定的粗糙度。表
17、面粗糙度达到GB11373-89热喷涂金属预处理通则中规定的RZ30-50m。粗化处理的目的a增大喷涂层与基体的接触面积，提高结合面的粘合吸附力。b增加涂层材料与基体表面的填塞嵌合，锚合咬合作用，以加强涂层与基体的附着力。活化表面喷砂使被喷涂表面形成活化能力：如晶格缺陷、塑性变形，产生一定的应力状态，以利于增加喷涂粒子与基体表面吸附力，提高喷涂颗粒与基体的冶金结合能力。活化效果分析如下：a喷砂使工件表面在经过砂粒的反复打击后形成一定的残余应力，尽管该应力数值极小，但对于松驰工件在喷涂过程中涂层热应力，对提高涂层的结合强度有利，同时也可以提高工件的抗疲劳强度。b喷砂可除去工件表面上的有机污杂物和
18、氧化层，并能增大金属表面晶粒的塑性变形和造成晶格缺陷，使基体表面处于容易发生化学反应的状态，有助于喷涂颗粒与基体表面间的物理化学结合进行。所以工件喷涂前进行喷砂处理是极为必要的，而且喷砂后的工件应尽快进行喷涂，时间越短表面活化效果越好，涂层质量越高。七、超音速电弧喷涂设备与技术简介1、设备简介ZLP-001型电弧喷涂设备是我公司在消化吸收普通电弧喷涂设备的基础上自行研发生产的新一代电弧喷涂设备，具有国际领先水平。该设备采用拉伐尔喷嘴技术和高性能电弧喷枪，使雾化后的喷涂粒子速度达到超音速以上，使该设备在具有普通喷涂优点的基础上，大幅度地提高了涂层的质量。它是以各种实心丝材和特殊粉芯丝材为原料，广
19、泛应用于各种表面的抗腐蚀和耐磨损处理的电弧喷涂系统，该系统使粉芯丝材经过特殊熔化、高能密度和特殊加工的电弧后，可充分熔化其金属管及其内部的粉芯。此外，我公司针对部分硬度特别高的丝材，专门开发了大功率喷涂机，使其得到充分的熔化。ZLP-001型电弧喷涂系统设备组成如下：便携式电源箱可以旋转的送丝装置喷枪送丝管2、技术简介超音速电弧喷涂是我公司通过引进先进设备和技术开发的金属热喷涂新技术，其原理是利用两根连续送进的金属丝材作为自耗电极，在其端部产生电弧作为热源，经拉伐尔喷嘴加速后的超音速气流将熔化的丝材雾化为粒度细小、分布均匀的粒子，喷向工件形成涂层。超音速电弧喷涂是一个不断连续进行的熔化雾化沉积
20、的过程。熔化粒子与基材主要以机械、物理和冶金等方式结合，其结合强度可达50MPa以上。与普通电弧喷涂和火焰喷涂相比，超音速电弧喷涂具有更高的粒子飞行速度，所制得合金涂层具备更高的结合强度、更低的孔隙率，涂层均一度高、致密性好，且喷涂粒子到达工件表面时温度不足100，工件不会变形，更不会改变母材金相组织，可获得高质量的合金涂层。 电弧喷涂原理图八、施工条件为了作好施工准备工作，其施工需要具备以下条件：（1）电源： 380V 20KW 三相交流电（2）气源： 气压5kgf 流量5m3/min （3）平台： 长4m（最少3m） 宽2m（最少1.5m）（4）喷涂工件的位置离主机放置位置的距离不超过15
21、m（5）施工部位所需的脚手架九、施工工艺流程：审查资料现场勘察编制施工技术方案工序检查粗糙度对比检验二次喷砂作业管壁表面检验管壁测厚1喷涂合金丝材涂层质量检验、测厚2 合格 不合格涂层封孔质量验收 十、施工技术规范：1、施工准备： 根据实际需要搭好脚手架。 清除受热面上的杂物等。 对管壁需实施喷涂的部位进行全面的质量检查。 利用现场已有条件进行设备就位、电气接线、气源管线连接及磨料回收帆布铺设工作。2、表面预处理：表面预处理按照GB11373-89热喷涂金属件表面预处理通则进行，其处理的好坏直接影响喷涂层的结合强度。 喷砂前，对非有效表面采用遮蔽带、硬木板或橡胶等物进行遮蔽保护。并预留过渡区域
22、，以保证涂层边缘光滑过渡。 磨料选择及使用：喷砂材料应选用质坚有棱角的优质石英砂和金刚砂必须净化，使用前应经筛选，砂内粘土及细粉尘含量不应大于5%,不得含有油污。喷砂前要晾晒干燥，含水量应不大于1%,并存放干燥，防止受潮、雨淋、砂内混入杂质。所用砂粒必须清洁、干燥，喷砂区域设围护及其它回收措施，确保不污染周围环境，经质量工程师确认后方可进行喷砂。 喷砂装置：采用压力式喷砂设备 压缩空气：利用现场气源或自备空压机，空气压力范围为0.5-0.6Mpa，气体流量控制在6m3/min左右。 操作方法：喷砂距离100-300mm；喷砂角度：与基体70-90；每次喷砂5-6m2。除锈应从下至上进行，将凹凸
23、不平的受热面打磨光滑平整后立即喷砂。表面清理度达到Sa3.0级，即完全去除钢材表面的锈、氧化皮、油污等附着物，并露出灰白色金属光泽，其粗糙度达到RZ30-50m。 在喷砂后应检查预处理的表面，采用TR100袖珍式表面粗糙度测试仪进行检测，发现有锈蚀或不合格的部位应重新进行处理，合格后再用DC-2000B型智能超声波测厚仪对管壁进行第一次测厚1。喷砂完工后设备表面不得受潮、氧化及污染，在2-4小时内必须进行电弧喷涂，以保持被喷表面较高的活化度。除锈后经有关人员验收合格后方可进行喷涂施工。3、喷涂： 超音速电弧喷涂按照GB11375-1999热喷涂操作安全执行。喷涂前，在表面预处理和喷涂工序之间需
24、中间停留时，应对经预处理的有效表面采用干净牛皮纸或塑料膜等进行覆盖保护。 丝材选用：2.0 mm HDS-88A金属合金丝材 洁净气路：经冷冻式干燥机及三级过滤即可获得干燥洁净的压缩空气。 喷涂设备选用：选用ZLP-001型电弧喷涂设备。 喷枪选用：选用超音速电弧喷涂，其雾化气流速度大于500m/s，粒子速度达到386m/s以上，涂层孔隙率可控制在0.9%以内，同时涂层与基体的结合强度也得到了明显的改善。 喷涂工艺参数：a、粒子喷涂速度：386m/sb、电弧电压：33-42V；电弧电流：150-200Ac、雾化空气压力：0.5-0.6Mpa d、喷涂距离：100-200mm；喷涂角度：70-9
25、0e、喷砂与喷涂每5-6m2间隔循环进行，喷涂过渡区域宽度为150-200mm，边缘平滑过渡，无凹凸台阶。 喷涂方式：采用井字型喷涂方式，分层、分区作业，每区5-6m2，涂层喷涂58遍完成，每遍的喷涂厚度0.1左右。局部区域喷涂达到工艺设计厚度后再移换到其他区域，确保喷涂层的厚度均匀及结合力，防止出现漏喷现象。喷涂完毕后，应进行涂层质量检验，并测量厚度2，若2-1达到技术设计要求，判定合格，可进入下一道工序，否则对不合格部位应进行补喷涂。 操作注意事项：a、分块作业，局部区域喷涂达到设计厚度后再移换到其他区域，搭接部位设置辩认标志。操作时，层间温度不得高于80。b、送丝盘及送丝情况设专人监护，
26、以保证顺利送丝，防止丝材“打结”，同时必须保证两丝间绝对绝缘，以免造成短路。c、喷涂前应在试板上试喷，以便调节电压、电流、送丝速度、压缩空气流量，检查气路的活接头及软管接头，不得有漏气现象。如发现送丝不稳、电弧不稳定燃烧、严重漏气等特殊现场应及时检查、调整。调节电压时应断开主回路，以免损伤主变压器。4、封孔：喷涂结束后4小时内采用KM高温耐磨专用封孔剂对金属热喷涂涂层表面进行封孔，与金属涂层一起形成复合涂层，厚度0.1-0.2mm左右，以阻止空气中的氧气通过微小的涂层孔隙进入涂层内部，有效封闭涂层孔隙。5、施工结束后进行自查，对不合格处进行修整。十一、质量状况说明 选用16-24目优质石英砂去
27、除管壁表面氧化皮，直至管子表面露出金属光泽，使表面清洁度达到GB8923-88涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级规定的Sa3.0级。 选用14-18目金刚砂进行表面粗糙化处理，以增大表面积，提高结合强度，其表面粗糙度应达到GB11373-89热喷涂金属表面预处理通则规定的RZ30-50m。 涂层外观：涂层表面必须是均匀的，不允许有起皮、鼓包、塌陷、麻面、颗粒粗大、裂纹、掉块、漏喷及其它影响涂层使用的缺陷。 涂层厚度：在涂层厚度的把握上有如下措施：一是要求监督施工人员在操作过程严格按操作规范施工；二是通过喷涂材料的消耗来控制涂层厚度；三是依照施工前预设参数操作，喷涂代样或现场抽取实样用卡尺测量检验
28、；四是在对金属表面进行了喷砂处理后，先用便携式涂层测厚仪进行较大量的取点测厚1，而后再在热喷涂完毕，封孔前对管壁取点测厚2，并对数字进行微量修正，两平均数值之差即为涂层厚度。 涂层结合强度（涂层与基体）：采用拉刀检验，使用特制拉刀，在喷涂层上进行纵横条状况呈“#”字形拉痕，观察其是否存在片屑状剥落。安装时与支架磨擦不得脱落、起皮。 性能指标检验：现场喷涂时在同样工况条件下喷涂足够的各类试样，以便对涂层各项性能指标进行测试。十二、适用标准热喷涂涂层厚度的无损测量方法 GB11374-89热喷涂涂层结合强度的测定 GB8642-88热喷涂涂层抗拉强度的测定 GB8641-88金属热喷涂涂层表面洛氏硬度试验方法GB8640-88热喷涂涂层空隙率试验方法 JB/T 7509-94热喷涂金属预处理通则 GB11373-89涂装前表面锈蚀等级和除锈等级 GB8923-88超音速电弧喷涂质量检验和除锈等级 QB/YS03-11江西恒大高新技术股份有限公司2013年3月联系人：李富军手机：1897911839912