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  循环流化床锅炉受热面防磨喷涂质量控制
李 森   
 
摘要 水冷壁管磨损是循环流化床锅炉受热面磨损中最突出的问题,根据运行中磨损程度的不同,采取炉膛内直接热喷涂或补焊后热喷涂的方法,在水冷壁管磨损区域或部位喷涂金属耐磨层来提高耐磨性,是方便快捷和有效的方法。磨损状况检查、磨损补焊、喷前粗糙处理、选择喷涂方法与耐磨涂层、喷涂质量检查验收,是炉内热喷涂质量控制的关键环节。实践表明,在炉膛内喷涂金属耐磨层,使水冷壁管因磨损漏泄、爆管得到有效控制。
关键词 水冷壁管磨损 补焊 粗糙处理 喷涂
前 言
  在炉膛内布置水冷壁管的循环流化床锅炉,普遍产生水冷壁管磨损。磨损程度(速度)因不同设计的炉型、燃烧煤种、燃烧调整等因素有关,有些磨损是相当严重的。人们都在采取办法,试图对磨损进行有效控制,以提高循环流化床锅炉运行的安全稳定性和经济性。近些年,热喷涂技术在我国发展很快,防磨喷涂在各个行业都得到了广泛应用,锅炉受热面四管防磨喷涂得到关注。在循环流化床锅炉水冷壁管防磨方面,有的锅炉制造厂家制造锅炉时,在水冷壁管常出现的磨损部位预先喷涂金属耐磨层,有一定防磨效果,但是在锅炉运行中,磨损经常超出了锅炉制造厂家预先喷涂范围;有的生产企业在锅炉水冷壁管磨损时更换新管,新管先在炉外喷涂再安装。在炉外喷涂,喷涂方式和喷涂设备选择空间大,施工条件相对较好,容易得到好的喷涂质量,但是确定换管的难度大,容易浪费,施工不便,工期拖长;而采取在炉膛内直接喷涂水冷壁管的方法,可不必割管,施工面积可大可小,施工省时方便,耗费小,给生产企业带来了很大的便利。但是炉内喷涂限制了喷涂条件,使有些高质量的喷涂方法由于设备和场地的限制,无法进入炉膛内喷涂。众多热喷涂方法和热喷涂设备中,方便进入炉膛内喷涂的,目前只有火焰喷涂和电弧喷涂,并且一般炉内喷涂面积不大。因此一些有实力的大型做热喷涂的企业,往往把眼光盯在高精尖的热喷涂设备和承揽大利润热喷涂业务上,这就限制了炉内水冷壁管直接喷涂技术的研究与提高。这些年一直很少看到炉膛内直接喷涂的技术报道和经验资料。我公司在某电厂220t/h、130t/h、75t/h共8台循环流化床锅炉水冷壁管磨损引起的泄漏、爆管的不利影响,曾在不同炉型上进行过改造、燃烧调整、加防磨护瓦、增添浇注料、以及在炉膛内直接喷涂金属耐磨层等方法做防磨尝试。经过摸索,通过在循环流化床锅炉炉膛内直接喷涂金属耐磨层,使水冷壁管因磨损泄漏、爆管事故得到有效控制,并在循环流化床锅炉磨损检查与炉内直接热喷涂质量控制方面积累了经验。我们体会到:炉膛内直接热喷涂是提高水冷壁管耐磨性的方便快捷和经济有效的方法。炉膛内直接喷涂金属耐磨层的目的,是提高管壁的耐磨性,防止因水冷壁管磨损而频繁出现的泄漏、爆管或大量换管。因此要达到理想效果,必须做好与喷涂相关的每个环节的质量控制。检查管壁磨损状况、制定补焊工艺、选择金属耐磨层、管壁喷前粗糙处理及喷涂后质量检查验收,是做好炉内水冷壁喷涂时质量控制的关键环节。
  1检查磨损状况
  检查管壁磨损状况是炉内防磨喷涂第一步工作,要根据各个锅炉不同磨损状况来制定喷涂方案,可做较大范围喷涂,也可做个别修补喷涂。在计划停炉检修时,或因水冷壁管泄漏、爆管停炉临时抢修时,都应检查炉水冷壁管磨损情况;此外还应根据锅炉状况和运行的时间,有计划安排磨损状况检查,以做到及时发现问题及时处理。
  检查的重点一般放在水冷壁管卫燃带交界处向上1.5米范围内。要按检查需要打好手脚架。检查方法可采取宏观肉眼察看、手模、使用超声波测厚仪测量壁厚来进行。
  循环流化床锅炉水冷壁管磨损可分为四种情形:炉膛下部卫燃带与水冷壁管过渡区域管壁磨损、炉膛四个角落区域管壁磨损、不规则区域管壁磨损和一般水冷壁管磨损。
  炉膛下部敷设卫燃带与水冷壁管过渡(交界)区域的管壁磨损形式如图1-1和照片1、照片2所示。
  图1-1与照片1、照片2水冷壁管敷设的卫燃带结构是两种不同形式,但是都出现了磨损,磨损特点也有所不同。磨损原因一是在过渡区由于沿壁面下流的固体物料与炉内向上的固体物料运动方向相反,因而在局部产生涡流;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,因而对水冷壁管产生冲刷。
  从已运行的循环流化床锅炉炉膛四个角落区域水冷壁磨损、泄漏及爆管检查分析中发现,炉膛角落区域水冷壁管磨损较其它部分更为迅速和严重,是磨损引发泄漏、爆管多发区。其原因是角落区域沿壁面向下流动的固体物料浓度比较高,同时流动状态也受到破坏。下面照片3与照片4是从130t/h循环流化床锅炉水冷壁角发生磨损泄漏和爆管时拍照下来的。照片3是在新炉投入运行不到两个月,由于安装时水冷壁管在锅炉炉角处衔接时,鳍片局部缝隙过大而添充钢筋焊补,结果焊补钢筋突出,导致沿壁面向下流动的固体物料撞击突出部位产生扰动,扰流加速磨损相邻两管侧壁,短时间泄漏。照片4是由于锅炉炉角水冷壁管直角衔接处,在两水冷壁管上加焊防磨瓦时,防磨瓦及焊接面焊肉突出,也同样导致管壁磨损加速而爆管。
  循环流化床锅炉水冷壁不规则区域管壁磨损主要发生在未经打磨的焊口余高,以及开孔处的弯管上。照片5是一220t/h循环流化床锅炉水冷壁安装焊口,由于焊口余高未经打磨而突出壁面,在运行不到半年时间加强面被磨去,且沿焊口壁厚出现凹面减薄。
  炉膛一般的水冷壁管磨损速度较慢,在运行较短时间检查一般只发现水冷壁管被磨亮,测量壁厚减薄不大。
  有的循环流化床锅炉制造厂家在锅炉制造时,在水冷壁卫燃带上(包括炉膛水冷壁四角)150mm高的水冷壁管外表面堆焊或喷涂了合金耐磨层,起到了一定的防磨作用。但是经运行后仍然发现有磨损现象。
  耐磨层出现的磨损现象,说明了即使做了耐磨层的部位,也不是一劳永逸的,只可能延缓磨损,不能杜绝磨损;耐磨层以外的磨损现象,说明循环流化床锅炉水冷壁管磨损超出卫燃带上150mm的范围。
  不同型号大小的循环流化床锅炉,固体物料浓相区高度不一样,同一型号锅炉也可能因运行条件不同,固体物料浓相区高度和状态有所变化,从而造成水冷壁管磨损范围的变化。
  检查中我们发现,循环流化床锅炉水冷壁管磨损高度,一般不超过水冷壁管卫燃带上1.5米,因此在这一范围内要做重点检查。
  水冷壁管喷涂后,经过长时间运行也会产生磨损,应及时检查磨损状况,掌握磨损规律。对磨损部位进行再喷涂。
  总之,检查循环流化床锅炉磨损状况是非常重要的,喷涂前要对水冷壁管认真、细致地做好检查,根据检查状况,制定炉内喷方案,再进行喷涂。
  2喷涂前处理
  经过检查,水冷壁管已存在磨损时,根据磨损情况,喷涂前先做好处理。我们处理原则是:当磨损面减薄比较均匀,没有出现局部凹坑现象,且壁厚测量大于理论强度计算值的,表面粗糙处理后即可做热喷涂;如果磨损面磨损严重,减薄比较均匀,面积大,壁厚已小于理论强度计算值的,则应做换管处理(只要检查及时可避免这种情况);对于局部磨出凹坑,先做补焊,再喷涂;喷涂过的金属耐磨层,长时间运行磨出新的凹坑时,也做补焊后再喷涂。同水冷壁管相连接的鳍片磨出凹坑,也要补焊。总之循环流化床锅炉水冷壁管壁面(包括鳍片壁面)都应顺平,凡突或凹部位都会加速磨损。
  3喷涂前的补焊
  由于循环流化床锅炉水冷壁管都是用20G一类的优质碳钢管制造的,有好的焊接性能。同时需要补焊的凹坑或面较小,因此补焊可以取得好的效果。
  在补焊效果评估上,我们曾对一手工电弧补焊管运行效果进行了跟踪,运行4000多小时后割管做性能试验,结果补焊管的各项性能指标同母材接近。
  但是补焊必须讲究工艺,应采取小规范焊接方法。要选用小的焊条直径,小的焊接电流,断弧焊接,防止过热,以减轻焊接热影响区的影响;同时要选择技术过硬的焊工施焊,焊后要对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。
  对喷涂过耐磨涂层的水冷壁管,经过一定时间的运行,又磨损出现凹坑时,补焊应考虑金属耐磨层中合金成分对焊接的不利影响,一般要把需补焊部位残留的合金成分磨掉再补焊。如果不磨掉合金成分,必须制定合理的焊接工艺。
  在补焊余高磨平后,应对补焊焊面做表面着色探伤检验,检验合格才可进行下一步工作。
  4喷涂前管壁表面粗糙处理
  热喷涂时,熔化的喷涂材料粒子以高速喷射到基体表面,产生撞击变形而与基体表面互相镶嵌咬合在一起,基体表面粗糙度程度的大小,直接影响喷涂层与基体的结合强度。
  采用喷砂对管壁进行表面粗糙处理时,要选好砂型、砂粒度、砂粒角度及气体压力和流速;同时还要注重操作者的操作熟练程度和喷砂经验,才可得到好的表面粗糙处理效果。
  喷砂完应进行质量检查,被喷砂的基体表面粗糙度要适当而均匀。表面粗糙处理后的管壁应尽快进行喷涂,以防出现氧化而影响喷涂质量。
  5炉内水冷壁管热喷涂
  根据循环流化床锅炉工况条件,水冷壁管防磨热喷涂涂层应有下列要求:
  1)涂层对基体必须有良好的结合,防止在运行条件下因物理和化学的作用而脱落,即使出现意外情况,例如出现漏水骤然冷却、突然过热等。
  2)涂层应与基体有大体一致的热膨胀系数。
  3)涂层不应是严重隔热的,喷涂后的涂层要不影响水冷壁管正常的热交换功能。
  4)涂层不能损害基体,尤其工件加热到高温时。
  5)涂层在运行条件下,要有良好的耐磨性,耐热性和抗氧化能力。
  6)有尽可能低的经济成本。
  迄今,已进入市场的喷涂粉末类别有数百种,各类喷涂丝材近百种,已给用户选择不同性能的喷涂材料提供了方便。循环流化床锅炉四管喷涂,根据涂层不同性能要求,都可找到各自适合的喷涂材料。
  循环流化床锅炉炉膛内热喷涂,目前炉膛入口和炉内条件限制了一些大型喷涂设备进入,火焰喷涂和电弧喷涂的最大优点是设备可进入炉膛内进行喷涂,实践证明只要掌握好喷涂工艺,控制好水冷壁管喷涂过程中关键环节的处理,火焰喷涂和电弧喷涂都可取得好的防磨效果。而电弧喷涂在结合强度、喷涂效率、经济性和安全性方面都优于普通火焰喷涂。
  我们在涂循环流化锅炉炉膛内采用电弧喷水冷壁管,选用LX88A喷涂丝材,取得很好的效果。用LX88A喷涂丝材喷涂,涂层与管壁结合良好,硬度高,耐冲蚀磨损和磨粒磨损性能优越。
  电弧喷涂操作要注意控制以下几点:
  1) 调整好电缆长度与线径比。电弧喷涂进入炉膛内,电缆一般要加长,这时要考虑长电缆对电弧电压和电弧电流产生的影响,做好调整。电缆加长,回路电阻增加,线损加大。如果不加调整,将影响电弧状态,甚至不能正常工作。解决的方法一般在电缆增加较长时,要加粗电缆线径,调整好长度与线径比,使回路电阻值变化较小。同时电压指示也应适当调整,以电弧稳定和电缆发热不超过额定值为准。
  2) 控制好喷枪的喷涂角度、弧长和喷枪移动速度。
  3) 控制好压缩空气质量和空气压力。压缩空气要过滤净化,在规定的气压范围内,气压尽量调得大些并保持稳定,这样可提高雾化效果和粒子喷射速度,得到质量高的涂层。
  4) 炉膛水冷壁管鳍片应喷涂,炉膛四角水冷壁管喷涂层适当加厚。
  5) 要尽可能在过水冷壁管粗糙度处理面范围内喷涂层。由于炉膛内水冷壁管喷涂是局部喷涂,喷前粗糙处理(喷砂)也是局部的,喷涂操作时涂层如果超出粗糙处理面范围外的光管上,光管处涂层在锅炉运行中很容易脱落,在粗糙面和光管交界处喷涂层会出现断碴,涂层出现断碴容易引起炉膛内固体磨粒改变方向,撞击断碴,迅速磨损管壁。
  6喷涂质量检查验收
  循环流化床锅炉水冷壁管炉膛内喷涂,应做好质量检查验收。但是目前还缺少现场检验测试的仪器条件,喷涂涂层性能检测试验大都是在试验室做的,所以在喷涂施工现场质量检查验收受到了一定限制。
  根据现有条件,我们的做法是:
  1)首先了解用于喷涂的材料的性能,尤其要查看喷涂材料生产厂家提供的材料性能检验单。以LX88A喷涂丝材为例,厂家提供的材料性能检验数据:涂层孔隙率:2%、涂层硬度:HRc 69、涂层结合强度:41.3MPa。
  2)宏观检查:
  a涂层喷涂范围检查:要求的涂层喷涂范围要喷涂到位,涂层应喷在粗糙处理过的壁面上,溅到光管上的涂层应尽量短而薄。
  b涂层喷涂厚度检查:在喷涂现场加试样管,喷涂后抽取样管断面,确定涂层厚度。也可根据喷涂面积与材料用量估算涂层厚度。
  c涂层面要平整,粒度应均匀,不应出现粘丝,适当用力敲击观察涂层附着情况。
  3)硬度测试:
  a仪器:手持式里氏硬度仪,冲击装置选C, 硬度种类HRc。
  b表面处理条件:被测点表面粗糙度小于 0.4μm。
  c硬度值:依据喷涂方案要求,参考喷涂材料生产厂家提供的硬度值数据来评价。
  7结束语
  采取在循环流化床锅炉炉膛内做热喷涂,以达到控制水冷壁管严重磨损的做法,可切中循环流化床锅炉水冷壁管磨损实际状况来施行;同时它结合磨损状况的检查和补焊来做,可最大限度减少水冷壁管换管量,扩展了水冷壁管防磨喷涂的途径。它可在炉膛内做大面积的喷涂,也可对个别磨损(包括喷涂过的涂层局部再磨损)做喷涂。总之这些体现了它的灵活性、方便性、经济性。我们企业通过在循环流化床炉膛内直接做水冷壁管防磨热喷涂,已从中受益。
  但是我们也看到,由于条件的限制,一些高质量的热喷涂方法还不能进入炉膛,现有设备在炉膛内喷涂的涂层质量,还达不到超音速火焰喷涂、等离子喷涂等高端大型设备在炉外喷涂的涂层质量级别;同时社会上有的施工队伍对炉膛内喷涂工艺和质量控制环节缺乏了解与把握,介入喷涂后出现的质量问题使用户还心存疑虑,影响了炉膛内喷涂的信誉。
  我们相信,随着热喷涂技术的快速发展,更适用的炉内热喷涂设备会不断涌现,热喷涂的技术水平会有更大更普遍的提高,它将受到锅炉用户的普遍欢迎。
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