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2023-10-20
应用实例：6.5能源工业的创新之路
【摘要】：图6-23 高速火焰喷涂的水冷炉壁管能源工业热喷涂技术最典型的应用是大中型火力发电厂锅炉水冷炉壁、过热气管、再热器管和省煤气器管的表面防护。图6-24 高速火焰喷涂排粉风机叶轮耐磨涂层3.在核能工业中的应用热喷涂涂层在核能工业中有着重要的用途。该技术成功地解决了原子能反应堆一次回路钴60放射性污染问题，已经在核工业中得到成功应用。
图6-23 高速火焰喷涂的水冷炉壁管
能源工业热喷涂技术最典型的应用是大中型火力发电厂锅炉水冷炉壁、过热气管、再热器管和省煤气器管（被称为锅炉四管）的表面防护。高温磨损和高温腐蚀是四管中最常见的重大技术问题，给电厂的安全运行带来很大的隐患，是造成电厂设备损坏和机组停运的主要原因。锅炉水冷炉壁普遍采用碳素钢钢管，在蒸汽锅炉中剥蚀主要是由于化学腐蚀与冲蚀。燃料中的硫化物与锅炉的高温冲蚀是导致碳素钢剥蚀的主要因素。含硫物在高温下产生单原子硫，硫与管道中的铁反应生成硫化铁（Fe+S→FeS）。同时，锅炉的腐蚀率与工作条件有关。锅炉超过额定效率时会加速腐蚀；过量的空气进入锅炉会产生大量的SO2，导致腐蚀加剧。环境酸碱度（pH值）、预热温度和黑色燃料中固态物质等也会导致管道的腐蚀加剧。
锅炉四管的表面防护，国外从20世纪70年代开始研究。20世纪80年代美国Metalspray和TaFa公司成功开发出延长四管寿命的成套热喷涂技术，并成功用于四管的防护，取得了明显的经济效益。四管采用热喷涂技术后，使用寿命可保证7～10年，涂层平均年消耗量小于0.03mm，较碳素钢耐蚀性提高60倍以上，抗冲蚀能力提高100倍以上。国内对锅炉四管的防护研究，涂层材料从FeCrAl、NiCrAl、Cr3C2-CrNi到45CT等；工艺方法从单一的渗金属到热喷涂涂层工艺技术。现在国内已有锅炉四管国产专用涂层材料喷涂设备，电厂已采用该技术进行防护处理。该技术的推广应用可取得显著的经济效益，若10座装机容量60万kW·h的电厂采用该技术，电厂锅炉四管的使用寿命由目前的1～2年延长到5年，年经济效益将达数亿元。锅炉不同的工作部位有不同的工况条件，应选用相应的涂层材料及涂层工艺制备涂层。下面简介锅炉四管涂层应用实例。
1.锅炉水冷壁管
锅炉水冷壁管是四管中最典型的涂层应用管件，通常采用电弧喷涂和高速火焰喷涂技术。
1）电弧丝材喷涂。涂层材料为45CT或PS45[材料成分（质量分数，%）45Cr、4Ti、余量Ni，PS45含有微量稀土元素]，涂层厚度≥0.25mm，涂层与基体有10μm的扩散区，结合强度≥40MPa，孔隙率≤5%，氧化物含量（质量分数）为5%～15%。大部分区域可采用该工艺方法，一次使用寿命大于7年以上。
2）高速火焰喷涂。涂层材料为25CrNi-75Cr3C2，涂层厚度≥0.25mm，结合强度≥70MPa，孔隙率≤2%。主要用于高温燃烧区，一次使用寿命大于7年以上。图6-23所示为高速火焰喷涂的水冷炉壁管。
3）Denseys工艺是Metalspray公司改进HVOF为现场喷涂施工而开发的工艺方法。涂层材料同样为25CrNi-75Cr3C2（粒度为10～20μm）。采用Denseys工艺得到的是一种高性能的抗冲蚀耐磨损涂层，涂层非常致密，孔隙率≤2%，具有均匀细小的“卵石”结构和良好的抗裂性，结合强度≥70MPa，硬度为750～900HV。近年来在美国、加拿大等专用于高温环境中抗磨损腐蚀的场合，特别适合于燃煤电厂锅炉、流化床锅炉、以矸石等低热值废弃物为燃料的锅炉、旋流锅炉等的各种管道。
2.电厂排粉风机叶轮
电厂排粉风机叶轮在工作过程中因受到煤粉的冲刷而产生严重的冲蚀和磨粒磨损，使用寿命低。特别是弯式排粉机叶轮，一般情况使用寿命为3个月左右。频繁地检修造成发电机组减负运行，影响正常发电。提高排粉风机叶轮的耐磨性是急需解决的问题。目前解决排粉风机叶轮耐磨耐蚀问题主要采用两种工艺方法：一是氧-乙炔火焰喷焊Ni60、NiWC35合金粉末材料，涂层厚度≥2mm，耐磨粒磨损性能较Q345材料分别提高17倍和52倍。后者主要是涂层中有一定的WC强化相弥散在Ni基体中，显著地提高了耐磨粒磨损性能。二是高速火焰喷涂NiCr-Cr3C2涂层，涂层厚度为0.35mm，结合强度≥70MPa，涂层较等离子喷涂强化叶轮提高2～3倍，经济效益十分明显。图6-24所示为高速火焰喷涂排粉风机叶轮耐磨涂层。
图6-24 高速火焰喷涂排粉风机叶轮耐磨涂层
3.在核能工业中的应用
热喷涂涂层在核能工业中有着重要的用途。采用中子吸收涂层、X射线吸收涂层、梯度功能陶瓷涂层、耐高温陶瓷涂层等，大大简化了核电站的结构设计，被称为核电设计的革命。
1）重水反应堆主泵推力轴承止推面采用等离子喷焊无硼NiCrW基合金，取代原钴基合金堆焊层。焊层具有良好的耐无油润滑条件下摩擦磨损和耐高温黏着磨损的性能。该技术成功地解决了原子能反应堆一次回路钴60放射性污染问题，已经在核工业中得到成功应用。
2）核聚变反应堆用B4C涂层。惯性约束型核聚变反应堆采用复合激光束以单脉冲形式点燃核燃料，形成高温等离子体燃气，能级高达3J/cm2，核岛中心第一级保护墙受到核燃料微细碎屑、X射线和中子等高能射线的照射和轰击。采用粒度为22～45μm的高纯B4C和高纯度W粉末，用低压等离子喷涂技术制备第一级保护墙涂层和偏转器涂层，能吸收高能X射线，有优异的抗热循环性能和高温燃气冲蚀性能，且表面受热小。涂层性能指标见表6-8。
表6-8 高纯度W和B4C涂层的物理性能
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