电弧喷涂技术在电厂中的应用.pdf

8 8 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年增刊 电弧喷涂技术在电厂中的应用 沈亚郯，洪伟，安云岐 中国矿业大学江苏中矿大正表面工程技术有限公司，徐州2 2 1 0 0 8 摘要综述了电弧喷涂技术在电厂的应用情况，根据不同的腐蚀环境和磨损情况进行了分析。分别就电 厂钢结构及输电设施的长效防腐、电厂各种管路的长效防腐、锅炉“四管”高温防腐、轴类零件及风机叶 轮等易磨损件的修复等提出了采用电弧喷涂技术的解决方案，并列举了一些应用实例。 关键词电弧喷涂；高温腐蚀；磨损；电厂 中图分类号T G l 7 4 ．4 文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 6 S O 一0 0 8 8 一0 3 A p p l i c a t i o no fA r cS p r a y i n gT e c h n o l o g yo nP o w e rP l a n t S H E NY a t a n ，H O N GW e i ，A NY u n - q i J i a n g s uC U M TD ∞h e n gS u r f a c eE n g i n e e r i n gT e c h n o l o g yC o ．L t d ．，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y ，X u z h o u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t T h ea p p l i c a t i o n so fa r cs p r a y i n gt e c h n o l o g yo np o w e rp l a n ta r es u m m a r i z e d ．A c c o r d i n gt ot h ec o r r o s i o n p r o t e c t i o nr e q u i r e m e n ta n da b r a s i o n ，s e v e r a lr e s o l u t i o n sa r ed i s c u s s e df o rc o r r o s i o np r o t e c t i o n ，s u c ha s s t e e l s t r u c t u r e s ，t r a n s m i te l e c t r i c i t ye s t a b l i s h m e n t s ，p i p e l i n e so fw a t e rc y c l es y s t e m s ，b o i l e rt u b e s ，a n ds o m em a c h i n e p a r t s ．S o m ea p p l i c a t i o nc a s e sa r ee n u m e r a t e d ． K e y w o r d s A r cs p r a y i n g ；H i g ht e m p e r a t u r ec o r r o s i o n ；A b r a s i o n ；P o w e rp l a n t 电弧喷涂技术近年来作为一种先进的热喷涂长 效防腐蚀技术越来越多地为人们所认识和应用，它 已在我国经济建设中发挥着重要作用。国内很多公 司在致力于电弧喷涂长效防腐的推广和应用，先后 对煤矿、电力、桥梁、铁道、水利、港口码头、冶金、机 械、广播电视、市政、消防等领域的许多项目上进行 了防护施工。电弧喷涂技术在电厂中的应用主要有 电厂金属钢构厂房结构件及输电设施的长效防腐、 电厂化学处理系统及冷却水循环系统中各种管路的 长效防腐、锅炉“四管”高温防腐、轴类零件及风机叶 轮等易磨损件的修复等。 1电厂钢结构电弧喷涂长效防腐应用 对电厂钢结构所采用的电弧喷涂长效防腐涂层 主要是由电弧喷涂锌、铝或其合金涂层再加上有机 封闭涂层组成的复合涂层。铝／锌金属喷涂层的电 极电位比钢铁低，对钢铁起电化学阴极保护作用 即 作者简介沈亚郯 1 9 7 0 一 ，男，湖南省浏阳市人，副总经理 牺牲铝／锌涂层而保护钢铁 。有机封闭涂层同时具 有油漆涂层的隔离作用和对电弧喷涂层的封闭作 用，进一步延缓铝／锌涂层电化学腐蚀发生时间和降 低铝／锌涂层的腐蚀速率，使得封闭的电弧喷铝／锌 复合涂层成为钢结构件优良的长效防腐涂层。 防腐涂层与钢铁结合力是决定防腐是否成功的 关键指标，涂层与钢铁结合不牢靠，再好的防腐涂层 也不能发挥其自身价值。电弧喷涂层与钢铁结合力 主要以机械相嵌、局部为冶金结合，相比较油漆防腐 涂层而言，具有更高的基材附着力和涂层内聚强度。 有机封闭涂层与电弧喷铝层结合力为机械相嵌，但 与普通油漆涂层不同的是，封闭涂料渗透到金属喷 涂层孔隙内，可使结合强度大大增加。 电厂中的各种钢结构件及各种循环管路的防腐 可靠性是非常重要的，寻求可靠的防腐方案是保证 电厂安全运行的最有效的措施之一。采用电弧喷涂 长效防腐复合涂层可以实现在3 0 年内无需任何维 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年增刊 8 9 护，年均防腐费用很低。3 0 年后维护目的只是对喷 涂层进行再封闭和增加外观美观，现场施工工艺简 单，维护费用低廉，可节约大量的人力、物力、财力， 具有明显的社会经济效益。如果采用重防腐油漆涂 层体系，则一般每隔8 ～1 0 年需进行重新涂装维修， 在电厂含硫气氛比较浓及长期渗水环境下重新涂装 修的目的是对钢构件重新进行防腐，电厂需停工、停 产，施工时需喷砂除去表面旧漆皮和锈皮，施工工艺 麻烦，维修费用高昂，维修效果不尽人意。 过了维修期后，为了延长防腐涂层的使用期限， 需要对涂层进行维修。电弧喷涂防腐涂层维护施工 工期短，维护费用低；油漆涂层维修工艺复杂，现场 次数会更多，涂层年均防腐费用昂贵。而且，油漆维施工工期长，维修费用高，其比较如表1 所示。 表1电弧喷涂与油漆涂层维护费用比较表 T a b l e1 C o m p a r i s o no fm a i n t e n a n c ec o s to fa r cs p r a y i n gc o a t i n g sa n d3 - c o a tp a i n t i n g s 电厂的送变电设施及各种室外钢结构长期暴露 在工业大气中，经受日晒雨淋而遭受严重的工业大 气腐蚀，采用电弧喷涂长效防腐技术可以获得3 0 年 以上的免维护防护寿命，解决了油漆防腐需要经常 维护的缺点。例如，2 0 0 0 年4 月，徐州华润发电厂 的循环冷却水管路外表面采用了电弧喷涂技术防 腐；2 0 0 4 年3 月及2 0 0 5 年4 月，徐州华润电力有限 公司彭城发电厂的补水箱、除盐水箱内壁、淡水箱等 采用电弧喷涂技术防腐。 2电弧喷涂技术用于锅炉四管高温防 护 动力用煤一般质量偏劣，含灰量和含硫量均较 高，这就使得燃煤电厂和工业锅炉的煤粉生产系统、 输送系统及锅炉“四管” 即水冷壁管、过热器管、再 热器管、省煤器管 容易受到磨损和腐蚀，造成设备 损坏并可能导致事故发生。高温腐蚀和磨损的直接 危害是管壁减薄，造成“四管”泄漏，增加电厂的临时 性检修和大修工作量，频繁更换管道给电厂造成很 大的经济损失。 高温腐蚀和磨损造成锅炉受热面“四管”的泄漏 爆管事故是热力发电厂的普遍现象，直接影响锅炉 的安全，每年造成的经济损失达数千万元，已成为火 电厂安全运行中一个急待解决的技术难题。据资料 统计，仅西北电网1 9 8 8 年就发生“四管”泄漏事故 1 5 0 起，占全年锅炉事故2 3 9 起的6 2 ．7 ％。 近十几年来发展的循环流化床锅炉技术的主要 特点在于燃料及脱硫剂经多次循环，反复地进行低 温燃烧和脱硫反应，炉内湍流运动强烈，而且炉内固 体物料浓度是煤粉炉的几十倍到上百倍，因此锅炉 受热面和耐火材料的防磨问题特别严重。我国运行 的循环流化床锅炉时常发生有磨损爆管事故的发 生。从2 0 世纪8 0 年以来，几个主要工业国家试验 和研究成功了热喷涂耐高温磨蚀涂层来解决这些问 题。例如，美国T A F A 公司开发成功了电弧喷涂 4 5 C T 合金涂层，4 5 C T 合金线材的名义成分为4 5 ％ C r 、4 ％T i 、N i 余量。从1 9 8 4 年7 月起到1 9 8 6 年9 月，世界各地有3 0 多台锅炉“四管”用T A F A 公司 的4 5 C T 合金线材喷涂了12 0 0 多平方米。经测定， 4 5 C T 喷涂层的年平均磨蚀损失小于0 ．0 2 5m m ，因 此这种电弧喷涂材料得到了国际上的承认，并被许 多国家所采用。目前，国产化的4 5 C T 合金线材也 已研制成功，并在国内一些锅炉“四管”上获得应用。 为了提高电弧喷涂金属涂层的耐磨性，国内还开发 了高硬度高耐磨的电弧喷涂粉芯线材 可加入T i B 2 一～0 3 等复合陶瓷粉末材料 。对于循环流化床 锅炉，根据现场使用经验，可以使用电弧喷涂4 5 C T 涂层 耐高温氧化和耐硫化物腐蚀效果较好，耐磨性 能一般 作为底层，在磨损严重的部位再电弧喷涂高 铬合金粉芯线材作为工作面层 涂层中含陶瓷相，耐 磨效果更好 。 我国已有几十个火力发电厂 如天津大港发电 厂、安徽淮南平圩电厂等 采用了电弧喷涂技术来防 护锅炉“四管”，喷涂面积已达上万平方米。当然，由 于电厂所用煤质的不同、锅炉型式的不同、使用和防 护要求的不同，因此，各个电厂锅炉“四管”的电弧喷 万方数据 9 0 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年增刊 涂防护方案也不尽相同。 尽管各单位应用到电厂具体项目中的热喷涂材 料不完全一样，但热喷涂技术用于锅炉“四管”防护 一般都具有以下特点①该涂层合金成分合理配比， 能形成耐蚀膜，并在6 5 0 ℃以下不会形成低熔点的 熔盐，同时能抗燃煤硫化物腐蚀和继续氧化腐蚀，具 有较好的抗低温腐蚀和阻止硫的腐蚀能力；②喷涂 材料与锅炉管道钢材具有相当的热膨胀系数，确保 涂层在加热、冷却和长期工作情况下，涂层与锅炉 “四管”有优良的结合力，同时涂层本身不起皮、不开 裂、不剥落；③电弧喷涂防护层具有优良的热传导系 数，不影响管壁的传热效果，保证锅炉供热效率不受 影响；④金属喷涂层具有优良的耐高温氧化和耐磨 损性能，涂层自身耐磨性能是锅炉用钢的数十倍以 上，在锅炉环境中具有较长的使用寿命，满足用户维 修周期的需要。 3电弧喷涂技术用于机械表面修复与 强化 电厂许多机器设备零件在高速、重载、磨损、腐 蚀等苛刻条件下运行，机器的零部件往往因表面局 部损坏而导致报废或事故的发生。金属磨损是造成 机械零部件失效的主要原因。我国每年因磨损造成 的直接损失惊人，间接损失更是难以计算。如果用 电弧喷涂修复与强化技术对磨损机械零件表面进行 修复与强化，每年可为国家节省大量资金，为企业减 少损失并可得到良好的经济效益。 电弧喷涂技术用于机械零件表面修复与强化， 主要是利用表面涂层对磨损零件进行恢复尺寸，对 新零件进行防磨预保护，实现修旧利废、使报废了的 机械零件“起死回生”，使新设备“益寿延年”。 电弧喷涂技术用于表面修复与强化，具有如下 特点①电弧喷涂维修可以喷涂多种材料，以满足不 同工况零件的减摩、耐磨损要求，涂层硬度可达 H R C 3 56 0 ，涂层有大量微孔可起到减摩作用；② 电弧喷涂维修涂层厚度可达0 ．1 ～8m m ，可对任意 磨损量的零件进行有效修复，克服电刷镀仅能维修 0 ．1 5m m 以下厚度的缺陷，也避免火焰喷涂结合力 不足的问题；③电弧喷涂生产效率高，克服其它维修 方法生产效率低的缺点，使得大面积大磨损量的工 件能在很短时间内修复成功，解决用户大修时间紧 迫的问题；④电弧喷涂维修工艺简单，工件不需要预 热维修成本低廉；⑤电弧喷涂层与各种钢质零件基 体的结合强度较高，可以对喷涂层进行机械后加工 而不会导致涂层剥落。 火力发电厂燃煤锅炉所需煤料和尘、渣的排出 均是通过各类风机来完成的，在送风机、引风机、排 粉风机和一次风机中，尤以排粉机、引风机的工作环 境为恶劣，风机叶轮的磨损很严重，使用不长时间就 需要更换。电弧喷涂、等离子喷涂和氧乙炔火焰喷 熔工艺是目前较好的风机叶轮强化方法。虽然电弧 喷涂层与基体的结合强度、涂层致密度和耐磨性都 不及后两种热喷涂工艺，但无论是从热量输入的多 少和叶轮的变形程度，还是从现场施工的方便性和 施工效率来看，电弧喷涂工艺都要优于后两种热喷 涂工艺。武汉阳逻发电厂、徐州发电厂、徐州大屯发 电厂、安徽淮南平圩发电厂、徐州诧城电厂等许多电 厂的排粉机和引风机都采用了电弧喷涂铬合金涂层 对叶轮进行防护，使用效果较好。 武汉阳逻电厂的3 炉空预器人口烟道由于磨 损严重，在2 0 0 3 年5 月进行维修时采用了电弧喷涂 铬合金进行防磨保护，电弧喷涂层结合强度高，不用 打底，无剥落及裂纹出现，涂层耐磨性能较好。2 0 0 4 年5 月，该电厂的1 炉空预器入口烟道在维修时也 采用了电弧喷涂铬合金涂层方案进行防磨保护。 电厂有很多轴类零件，如磨煤机主轴、排粉机主 轴、汽轮机转子轴、发电机转子轴等的轴颈处常因磨 损超差而导致整个轴报废，汽轮机主轴的轴承油档 位置、发电机主轴的轴瓦部位因震动和供油问题也 容易产生主轴的拉槽磨损，这些都可以采用电弧喷 涂技术对磨损部位进行修复，不仅可以恢复其使用 性能，而且因喷涂层的高耐磨性还会使喷涂修复件 的使用寿命超过新件2 倍，从而使电厂获得可观的 安全和经济效益。例如，徐州发电厂电机转子轴重 约4t ，长4m ，工作转速14 5 0r ／m i n ，轴颈严重磨 损，1 9 9 8 年2 月采用电弧喷涂技术进行修复；1 9 9 9 年对永夏热电厂、徐塘发电厂、诧城发电厂的多根齿 轮轴采用电弧喷涂技术进行修复，这些轴重约2t ， 长不到2m ，直径0 ．5 ～1m ，修复前轴颈已严重磨 损，修复后使用寿命大大延长。 此外，应用电弧喷涂技术还可以修复汽缸密封 面、大型的轴承座、灰渣泵盘根轴套、集流器、磨煤机 进料斗等因机械性磨损而报废的零部件，不仅可通 过修复来恢复其原来的使用功能，还可延长其使用 寿命。 下转9 2 页 万方数据 9 2 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年增刊 2 涂层设计及试验3 施工 针对液压釜的状况，我们选择了采用热喷涂技 术对其进行修复。原则是采用电极电位与不锈钢加 热管道相近的、有良好防腐性能的奥氏体不锈钢材 料作为罐体材料的保护涂层。封闭材料选择具有优 良防腐性能且能耐高温、高压的材料。 根据液压釜的腐蚀状况，进行涂层设计，打底过 渡层选择钼、镍包铝、镍铬铝等，保护层为奥氏体不 锈钢，打底过渡层材料具有自粘结功能的材料，能使 涂层与基材表面产生原子扩散，结合牢固，并有一定 的粗糙度，作为过渡层，能提高涂层的结合强度。奥 氏体不锈钢有很好的防腐蚀能力，耐温性能良好。 然后选择合适的封闭剂封闭。喷涂施工前，先制作 试块和试棒，并对试块进行涂层结合强度性能试验 的测定，对试棒涂层进行工作状态考验。 选择了五种不同材料的组合进行结合强度试 验，按G B ／r 8 6 4 2 1 9 8 9 热喷涂层结合强度的测 定中的规定，采用力学实验机进行检测，结果全部 结合强度均超过1 0M P a 。符合J B ／T 6 9 7 4 - - 1 9 9 3 线材喷涂碳钢及不锈钢中的规定。最终选定打底 材料为镍铬铝 N i C r A l ，面层材料为奥氏体不锈钢 0 C r 2 1 N i l 0 。 然后进行工作状态试验，分别选择了四种材料 涂刷在喷涂了不锈钢涂层的试棒上，放进液压釜内， 随加工工件同时加温、加压。经过试验，其中S D 一4 号涂层效果最好，最终选择S D 一4 为封闭材料。 1 首先将液压釜体内表面喷砂除锈，经检验达 到表面清洁度S a 3 级，表面粗糙度达到R z2 5 ～1 0 0 肛m 级。符合G B l l 7 3 7 8 9 热喷涂金属预处理通 则的规定。因厂方要求在不拆卸电加热器的前提 下进行热喷涂施工，故电加热器管也被喷砂，其表面 亦光亮如新，在喷砂后立即进行喷涂涂层N i C r A I 为底层，奥氏体不锈钢 0 C r 2 1 N i l 0 2 0 0 ～3 0 0 肚m ， 为面层。 2 修补密封槽采用喷涂不锈钢在腐蚀坑中堆 积，填平凹坑后，打磨成形，恢复原来形状。 3 用S D 一4 材料对喷涂的不锈钢涂层进行封 闭，封闭厚度大于5 0 0 扯m 。 液压釜热喷涂完工后，对涂层厚度进行无损测 量，同时，按照实际工作压力和温度进行试运行，考 察涂层的耐压和耐温性能，在经过5 次升温升压、降 温降压的过程，涂层没有剥脱和锈蚀的迹象。 4结论 经修复的液压釜现已运行一年，状况良好。结 合我们在2 0 0 0 年时就成功地为某研究所的两台高 温、高压的球形反应罐，采用了与此相同的工艺进行 修复，至今仍在正常运行中。证明热喷涂技术可对 受损工件进行无偏修复。实现再制造工程中再利 用、再循环的目的。 上接9 0 页 4结论 电弧喷涂技术可以在电厂中获得广泛的应用， 不仅可降低电厂设备的运行故障率，提高其经济效 益，更是一种社会资源的节约。 参考文献 [ 1 ] 孙寅，易春龙，王锐，等．电弧喷涂技术用于电厂风机叶 轮防磨保护[ J ] ．华东电力，2 0 0 1 ，2 9 1 4 1 4 2 ． [ 2 ] 吴和元，闽小兵．热喷涂技术在火电行业的应用[ J ] ．湖 南电力，2 0 0 2 ，2 2 4 5 8 6 0 ． 万方数据