循環流化床鍋爐受熱面防磨噴涂質量控制
李 森
摘要 水冷壁管磨損是循環流化床鍋爐受熱面磨損中最突出的問題，根據運行中磨損程度的不同，采取爐膛內直接熱噴涂或補焊后熱噴涂的方法，在水冷壁管磨損區域或部位噴涂金屬耐磨層來提高耐磨性，是方便快捷和有效的方法。磨損狀況檢查、磨損補焊、噴前粗糙處理、選擇噴涂方法與耐磨涂層、噴涂質量檢查驗收，是爐內熱噴涂質量控制的關鍵環節。實踐表明，在爐膛內噴涂金屬耐磨層，使水冷壁管因磨損漏泄、爆管得到有效控制。
關鍵詞 水冷壁管磨損 補焊 粗糙處理 噴涂
前 言
在爐膛內布置水冷壁管的循環流化床鍋爐，普遍產生水冷壁管磨損。磨損程度（速度）因不同設計的爐型、燃燒煤種、燃燒調整等因素有關，有些磨損是相當嚴重的。人們都在采取辦法，試圖對磨損進行有效控制，以提高循環流化床鍋爐運行的安全穩定性和經濟性。近些年，熱噴涂技術在我國發展很快，防磨噴涂在各個行業都得到了廣泛應用，鍋爐受熱面四管防磨噴涂得到關注。在循環流化床鍋爐水冷壁管防磨方面，有的鍋爐制造廠家制造鍋爐時，在水冷壁管常出現的磨損部位預先噴涂金屬耐磨層，有一定防磨效果，但是在鍋爐運行中，磨損經常超出了鍋爐制造廠家預先噴涂范圍；有的生產企業在鍋爐水冷壁管磨損時更換新管，新管先在爐外噴涂再安裝。在爐外噴涂，噴涂方式和噴涂設備選擇空間大，施工條件相對較好，容易得到好的噴涂質量，但是確定換管的難度大，容易浪費，施工不便，工期拖長；而采取在爐膛內直接噴涂水冷壁管的方法，可不必割管，施工面積可大可小，施工省時方便，耗費小，給生產企業帶來了很大的便利。但是爐內噴涂限制了噴涂條件，使有些高質量的噴涂方法由于設備和場地的限制，無法進入爐膛內噴涂。眾多熱噴涂方法和熱噴涂設備中，方便進入爐膛內噴涂的，目前只有火焰噴涂和電弧噴涂，并且一般爐內噴涂面積不大。因此一些有實力的大型做熱噴涂的企業，往往把眼光盯在高精尖的熱噴涂設備和承攬大利潤熱噴涂業務上，這就限制了爐內水冷壁管直接噴涂技術的研究與提高。這些年一直很少看到爐膛內直接噴涂的技術報道和經驗資料。我公司在某電廠220t/h、130t/h、75t/h共8臺循環流化床鍋爐水冷壁管磨損引起的泄漏、爆管的不利影響，曾在不同爐型上進行過改造、燃燒調整、加防磨護瓦、增添澆注料、以及在爐膛內直接噴涂金屬耐磨層等方法做防磨嘗試。經過摸索，通過在循環流化床鍋爐爐膛內直接噴涂金屬耐磨層，使水冷壁管因磨損泄漏、爆管事故得到有效控制，并在循環流化床鍋爐磨損檢查與爐內直接熱噴涂質量控制方面積累了經驗。我們體會到：爐膛內直接熱噴涂是提高水冷壁管耐磨性的方便快捷和經濟有效的方法。爐膛內直接噴涂金屬耐磨層的目的，是提高管壁的耐磨性，防止因水冷壁管磨損而頻繁出現的泄漏、爆管或大量換管。因此要達到理想效果，必須做好與噴涂相關的每個環節的質量控制。檢查管壁磨損狀況、制定補焊工藝、選擇金屬耐磨層、管壁噴前粗糙處理及噴涂后質量檢查驗收，是做好爐內水冷壁噴涂時質量控制的關鍵環節。
1檢查磨損狀況
檢查管壁磨損狀況是爐內防磨噴涂第一步工作，要根據各個鍋爐不同磨損狀況來制定噴涂方案，可做較大范圍噴涂，也可做個別修補噴涂。在計劃停爐檢修時，或因水冷壁管泄漏、爆管停爐臨時搶修時，都應檢查爐水冷壁管磨損情況；此外還應根據鍋爐狀況和運行的時間，有計劃安排磨損狀況檢查，以做到及時發現問題及時處理。
檢查的重點一般放在水冷壁管衛燃帶交界處向上1.5米范圍內。要按檢查需要打好手腳架。檢查方法可采取宏觀肉眼察看、手模、使用超聲波測厚儀測量壁厚來進行。
循環流化床鍋爐水冷壁管磨損可分為四種情形：爐膛下部衛燃帶與水冷壁管過渡區域管壁磨損、爐膛四個角落區域管壁磨損、不規則區域管壁磨損和一般水冷壁管磨損。
爐膛下部敷設衛燃帶與水冷壁管過渡（交界）區域的管壁磨損形式如圖1－1和照片1、照片2所示。
圖1－1與照片1、照片2水冷壁管敷設的衛燃帶結構是兩種不同形式，但是都出現了磨損，磨損特點也有所不同。磨損原因一是在過渡區由于沿壁面下流的固體物料與爐內向上的固體物料運動方向相反，因而在局部產生渦流；二是沿爐膛壁面下流的固體物料在交界區域產生流動方向的改變，因而對水冷壁管產生沖刷。
從已運行的循環流化床鍋爐爐膛四個角落區域水冷壁磨損、泄漏及爆管檢查分析中發現，爐膛角落區域水冷壁管磨損較其它部分更為迅速和嚴重，是磨損引發泄漏、爆管多發區。其原因是角落區域沿壁面向下流動的固體物料濃度比較高，同時流動狀態也受到破壞。下面照片3與照片4是從130t/h循環流化床鍋爐水冷壁角發生磨損泄漏和爆管時拍照下來的。照片3是在新爐投入運行不到兩個月，由于安裝時水冷壁管在鍋爐爐角處銜接時，鰭片局部縫隙過大而添充鋼筋焊補，結果焊補鋼筋突出，導致沿壁面向下流動的固體物料撞擊突出部位產生擾動，擾流加速磨損相鄰兩管側壁，短時間泄漏。照片4是由于鍋爐爐角水冷壁管直角銜接處，在兩水冷壁管上加焊防磨瓦時，防磨瓦及焊接面焊肉突出，也同樣導致管壁磨損加速而爆管。
循環流化床鍋爐水冷壁不規則區域管壁磨損主要發生在未經打磨的焊口余高，以及開孔處的彎管上。照片5是一220t/h循環流化床鍋爐水冷壁安裝焊口，由于焊口余高未經打磨而突出壁面，在運行不到半年時間加強面被磨去，且沿焊口壁厚出現凹面減薄。
爐膛一般的水冷壁管磨損速度較慢，在運行較短時間檢查一般只發現水冷壁管被磨亮，測量壁厚減薄不大。
有的循環流化床鍋爐制造廠家在鍋爐制造時，在水冷壁衛燃帶上（包括爐膛水冷壁四角）150mm高的水冷壁管外表面堆焊或噴涂了合金耐磨層，起到了一定的防磨作用。但是經運行后仍然發現有磨損現象。
耐磨層出現的磨損現象，說明了即使做了耐磨層的部位，也不是一勞永逸的，只可能延緩磨損，不能杜絕磨損；耐磨層以外的磨損現象，說明循環流化床鍋爐水冷壁管磨損超出衛燃帶上150mm的范圍。
不同型號大小的循環流化床鍋爐，固體物料濃相區高度不一樣，同一型號鍋爐也可能因運行條件不同，固體物料濃相區高度和狀態有所變化，從而造成水冷壁管磨損范圍的變化。
檢查中我們發現，循環流化床鍋爐水冷壁管磨損高度，一般不超過水冷壁管衛燃帶上1.5米，因此在這一范圍內要做重點檢查。
水冷壁管噴涂后，經過長時間運行也會產生磨損，應及時檢查磨損狀況，掌握磨損規律。對磨損部位進行再噴涂。
總之，檢查循環流化床鍋爐磨損狀況是非常重要的，噴涂前要對水冷壁管認真、細致地做好檢查，根據檢查狀況，制定爐內噴方案，再進行噴涂。
2噴涂前處理
經過檢查，水冷壁管已存在磨損時，根據磨損情況，噴涂前先做好處理。我們處理原則是：當磨損面減薄比較均勻，沒有出現局部凹坑現象，且壁厚測量大于理論強度計算值的，表面粗糙處理后即可做熱噴涂；如果磨損面磨損嚴重，減薄比較均勻，面積大，壁厚已小于理論強度計算值的，則應做換管處理（只要檢查及時可避免這種情況）；對于局部磨出凹坑，先做補焊，再噴涂；噴涂過的金屬耐磨層，長時間運行磨出新的凹坑時，也做補焊后再噴涂。同水冷壁管相連接的鰭片磨出凹坑，也要補焊。總之循環流化床鍋爐水冷壁管壁面（包括鰭片壁面）都應順平，凡突或凹部位都會加速磨損。
3噴涂前的補焊
由于循環流化床鍋爐水冷壁管都是用20G一類的優質碳鋼管制造的，有好的焊接性能。同時需要補焊的凹坑或面較小，因此補焊可以取得好的效果。
在補焊效果評估上，我們曾對一手工電弧補焊管運行效果進行了跟蹤，運行4000多小時后割管做性能試驗，結果補焊管的各項性能指標同母材接近。
但是補焊必須講究工藝，應采取小規范焊接方法。要選用小的焊條直徑，小的焊接電流，斷弧焊接，防止過熱，以減輕焊接熱影響區的影響；同時要選擇技術過硬的焊工施焊，焊后要對高出管壁的焊肉打磨，使焊接部位管壁同其它管壁保持同一平面。
對噴涂過耐磨涂層的水冷壁管，經過一定時間的運行，又磨損出現凹坑時，補焊應考慮金屬耐磨層中合金成分對焊接的不利影響，一般要把需補焊部位殘留的合金成分磨掉再補焊。如果不磨掉合金成分，必須制定合理的焊接工藝。
在補焊余高磨平后，應對補焊焊面做表面著色探傷檢驗，檢驗合格才可進行下一步工作。
4噴涂前管壁表面粗糙處理
熱噴涂時，熔化的噴涂材料粒子以高速噴射到基體表面，產生撞擊變形而與基體表面互相鑲嵌咬合在一起，基體表面粗糙度程度的大小，直接影響噴涂層與基體的結合強度。
采用噴砂對管壁進行表面粗糙處理時，要選好砂型、砂粒度、砂粒角度及氣體壓力和流速；同時還要注重操作者的操作熟練程度和噴砂經驗，才可得到好的表面粗糙處理效果。
噴砂完應進行質量檢查，被噴砂的基體表面粗糙度要適當而均勻。表面粗糙處理后的管壁應盡快進行噴涂，以防出現氧化而影響噴涂質量。
5爐內水冷壁管熱噴涂
根據循環流化床鍋爐工況條件，水冷壁管防磨熱噴涂涂層應有下列要求：
1)涂層對基體必須有良好的結合，防止在運行條件下因物理和化學的作用而脫落，即使出現意外情況，例如出現漏水驟然冷卻、突然過熱等。
2)涂層應與基體有大體一致的熱膨脹系數。
3)涂層不應是嚴重隔熱的，噴涂后的涂層要不影響水冷壁管正常的熱交換功能。
4)涂層不能損害基體，尤其工件加熱到高溫時。
5)涂層在運行條件下，要有良好的耐磨性，耐熱性和抗氧化能力。
6)有盡可能低的經濟成本。
迄今，已進入市場的噴涂粉末類別有數百種，各類噴涂絲材近百種，已給用戶選擇不同性能的噴涂材料提供了方便。循環流化床鍋爐四管噴涂，根據涂層不同性能要求，都可找到各自適合的噴涂材料。
循環流化床鍋爐爐膛內熱噴涂，目前爐膛入口和爐內條件限制了一些大型噴涂設備進入，火焰噴涂和電弧噴涂的最大優點是設備可進入爐膛內進行噴涂，實踐證明只要掌握好噴涂工藝，控制好水冷壁管噴涂過程中關鍵環節的處理，火焰噴涂和電弧噴涂都可取得好的防磨效果。而電弧噴涂在結合強度、噴涂效率、經濟性和安全性方面都優于普通火焰噴涂。
我們在涂循環流化鍋爐爐膛內采用電弧噴水冷壁管，選用LX88A噴涂絲材，取得很好的效果。用LX88A噴涂絲材噴涂，涂層與管壁結合良好，硬度高，耐沖蝕磨損和磨粒磨損性能優越。
電弧噴涂操作要注意控制以下幾點：
1) 調整好電纜長度與線徑比。電弧噴涂進入爐膛內，電纜一般要加長，這時要考慮長電纜對電弧電壓和電弧電流產生的影響，做好調整。電纜加長，回路電阻增加，線損加大。如果不加調整，將影響電弧狀態，甚至不能正常工作。解決的方法一般在電纜增加較長時，要加粗電纜線徑，調整好長度與線徑比，使回路電阻值變化較小。同時電壓指示也應適當調整，以電弧穩定和電纜發熱不超過額定值為準。
2) 控制好噴槍的噴涂角度、弧長和噴槍移動速度。
3) 控制好壓縮空氣質量和空氣壓力。壓縮空氣要過濾凈化，在規定的氣壓范圍內，氣壓盡量調得大些并保持穩定，這樣可提高霧化效果和粒子噴射速度，得到質量高的涂層。
4) 爐膛水冷壁管鰭片應噴涂，爐膛四角水冷壁管噴涂層適當加厚。
5) 要盡可能在過水冷壁管粗糙度處理面范圍內噴涂層。由于爐膛內水冷壁管噴涂是局部噴涂，噴前粗糙處理（噴砂）也是局部的，噴涂操作時涂層如果超出粗糙處理面范圍外的光管上，光管處涂層在鍋爐運行中很容易脫落，在粗糙面和光管交界處噴涂層會出現斷碴，涂層出現斷碴容易引起爐膛內固體磨粒改變方向，撞擊斷碴，迅速磨損管壁。
6噴涂質量檢查驗收
循環流化床鍋爐水冷壁管爐膛內噴涂，應做好質量檢查驗收。但是目前還缺少現場檢驗測試的儀器條件，噴涂涂層性能檢測試驗大都是在試驗室做的，所以在噴涂施工現場質量檢查驗收受到了一定限制。
根據現有條件，我們的做法是：
1)首先了解用于噴涂的材料的性能，尤其要查看噴涂材料生產廠家提供的材料性能檢驗單。以LX88A噴涂絲材為例，廠家提供的材料性能檢驗數據：涂層孔隙率：2％、涂層硬度：HRc 69、涂層結合強度：41.3MPa。
2)宏觀檢查：
a涂層噴涂范圍檢查：要求的涂層噴涂范圍要噴涂到位，涂層應噴在粗糙處理過的壁面上，濺到光管上的涂層應盡量短而薄。
b涂層噴涂厚度檢查：在噴涂現場加試樣管，噴涂后抽取樣管斷面，確定涂層厚度。也可根據噴涂面積與材料用量估算涂層厚度。
c涂層面要平整，粒度應均勻，不應出現粘絲，適當用力敲擊觀察涂層附著情況。
3)硬度測試：
a儀器：手持式里氏硬度儀，沖擊裝置選C, 硬度種類HRc。
b表面處理條件：被測點表面粗糙度小于 0.4μm。
c硬度值：依據噴涂方案要求，參考噴涂材料生產廠家提供的硬度值數據來評價。
7結束語
采取在循環流化床鍋爐爐膛內做熱噴涂，以達到控制水冷壁管嚴重磨損的做法，可切中循環流化床鍋爐水冷壁管磨損實際狀況來施行；同時它結合磨損狀況的檢查和補焊來做，可最大限度減少水冷壁管換管量，擴展了水冷壁管防磨噴涂的途徑。它可在爐膛內做大面積的噴涂，也可對個別磨損（包括噴涂過的涂層局部再磨損）做噴涂。總之這些體現了它的靈活性、方便性、經濟性。我們企業通過在循環流化床爐膛內直接做水冷壁管防磨熱噴涂，已從中受益。
但是我們也看到，由于條件的限制，一些高質量的熱噴涂方法還不能進入爐膛，現有設備在爐膛內噴涂的涂層質量，還達不到超音速火焰噴涂、等離子噴涂等高端大型設備在爐外噴涂的涂層質量級別；同時社會上有的施工隊伍對爐膛內噴涂工藝和質量控制環節缺乏了解與把握，介入噴涂后出現的質量問題使用戶還心存疑慮，影響了爐膛內噴涂的信譽。
我們相信，隨著熱噴涂技術的快速發展，更適用的爐內熱噴涂設備會不斷涌現，熱噴涂的技術水平會有更大更普遍的提高，它將受到鍋爐用戶的普遍歡迎。
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