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鍋爐受熱面管子超音速活性鎳基復(fù)合防護(hù)涂層的試驗(yàn)研究

文檔作者：朱定偉董重里林介東聶銘文檔來(lái)源： 1 廣珠發(fā)電公司 2．廣東省電力試驗(yàn)研究所		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2022年10月24日
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【}Ilf1 9『J
廣東電力
GUANGI)()N【 ELE rRIC lJt)W ER
V01．19 NO．9
Sop． 【}It6
文章編號(hào)：1【lI】7．290X( f}Ilr-)¨u．?)43．Il5
鍋爐受熱面管子超音速活性鎳基
復(fù)合防護(hù)涂層的試驗(yàn)研究
朱定偉 ，董重里 ，
(1 廣珠發(fā)電公司．廣東珠海51t)051}；2．
林介東!，聶銘!
廣東省電力試驗(yàn)研究所．廣州51f)“f}f})
摘要：針對(duì)電站鍋爐受熱面管的防護(hù)．應(yīng)用超音速活性噴涂系統(tǒng)研制鎳基復(fù)合活性功能涂層。通過金相組織
分析、掃描電鏡檢測(cè)以及x射線衍射分析。證明該涂層具有良好的組織形貌。高溫腐蝕試驗(yàn)也說明了涂層能夠
耐受高溫腐蝕。
關(guān)鍵詞：鍋爐；電??；熱噴涂；涂層
中圖分類號(hào)：TG174．44 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
Test and research on high velocity activated arc sprayed Ni—based alloy coating
for heating surface tubes of boilers
ZHU Ding—wei ，DONG Zhong—li!，LIN Jie—dong ，NIE M ing
(1．Ouangzhu Power Generation Co．·Ltd．·Zhuhai·Ouangdong 519050．China；2．Ouangdong Power Test&amp;amp; Research
1nst．．Guangzhou 5 1f 【1f}．China)
Abstract：Aiming at the protection of heating surface tubes of utility boilers，Ni—based alloy coating has been developed by
means of the technique of high velocity activated arc(HVAA)spraying．In order to test its technical quality。metallographic
structure analysis．scanning electron microscopy (SEM )test。X—ray diffraction analysis as well as high—temperature erosion
test were made．The results certify that the coat can be applied to the protection of heating surface tubes．
Key words：bo iler；arc；thermal spraying；coating
電站鍋爐受熱面管子，最常見的問題就是腐蝕
和減薄，其主要原因是受到灰分中硫元素以及其化
合物的高溫腐蝕，或是受到了煤灰的沖刷減薄與吹
灰器的吹損。圖1為珠海某電廠的三級(jí)過熱器管，
有超溫現(xiàn)象，并且有輕微的高溫腐蝕傾向(約0，5
mm深)，圖2為被吹損省煤器管。一旦受熱面管
爆管停機(jī)檢修，電站將蒙受較大的經(jīng)濟(jì)損失。
1 防護(hù)涂層的模擬試驗(yàn)
對(duì)于受熱面管的防護(hù)主要有三種，一是加裝防
磨瓦，二是降低煙速，三是噴涂功能涂層。加裝防
磨瓦會(huì)顯著地影響該位置的熱量吸收，也會(huì)由于防
磨瓦的導(dǎo)向而引起磨損部位的轉(zhuǎn)移，磨損部位轉(zhuǎn)移
后，缺陷更難處理。另外，加裝防磨瓦也無(wú)助于抵
收稿日期：2f}f)6．f)5．19
圖1 高溫腐蝕作用下的過熱器管壁
御高溫下腐蝕介質(zhì)對(duì)于受熱面管的高溫腐蝕。降低
煙速必須對(duì)整個(gè)受熱面的布置重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，T作
量大，而且受條件限制很大。因此，噴涂功能涂層
就有其優(yōu)越性，特別是對(duì)于冷灰斗等沒有辦法加裝
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第19卷
圖2 被吹損的省煤器管
防垮瓦的地方，噴涂功能涂層更成為了u偉一的選
擇。本模擬試驗(yàn)采用一種新電弧噴涂方法一?超音
速活性電弧噴涂(HVAA)，其主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)是過飽
和的活性氣體和壓縮空氣(壓力均存()．7 MPa以
L)存燃燒室混合，經(jīng)點(diǎn)燃后形成高速的熱氣流(速
度最高可超過680 m／s，即馬赫數(shù)大于2)，同時(shí)燃
燒于絲材端部的電弧將均勻送進(jìn)的絲材熔化，經(jīng)超
音速火焰氣流將熔化的絲材霧化為粒度細(xì)小、分布
均勻的粒子，噴向基體表面形成涂層。超音速活性
電弧噴槍的結(jié)構(gòu)原理如網(wǎng)3所示。廣東省電力試驗(yàn)
所采用的超音速活性電弧噴涂設(shè)備是美國(guó)
UniqueCoat公司生產(chǎn)的超音速活性電弧噴涂系統(tǒng)。
試驗(yàn)的結(jié)果為電站鍋爐受熱面管的防腐蝕和耐沖蝕
防護(hù)領(lǐng)域及其他領(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論和實(shí)用基
礎(chǔ)。本模擬試驗(yàn)除了驗(yàn)證涂層的常規(guī)性能和組織結(jié)
構(gòu)，還進(jìn)行了高溫腐蝕模擬試驗(yàn)。
粒子
燃燒竄
圖3 超音速活性電弧噴槍示意圖
置
2 常規(guī)試驗(yàn)過程以及結(jié)果分析
2．1 工藝規(guī)范
試驗(yàn)所采用的工藝規(guī)范見表1。本試驗(yàn)采用的
噴涂絲材為罔內(nèi)新近研制的合金NiCrFe．Cr C
(LX34)。這種合金主要應(yīng) 于電站鍋爐受熱面管
的防腐蝕和耐沖蝕等方面，其主要成分 表2。
表1 超音速活-眭電弧活性噴涂工藝規(guī)范表
表2 LX34絲材主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) ％
2．2 超音速活性電弧噴涂涂層的組織形貌
超音速活性電弧噴涂試驗(yàn)試樣金相照片見圖
4，涂層表面自然形貌見圖5，涂層截面形貌見圖
6?？梢钥?HVAA涂層具有典型的層狀結(jié)構(gòu)特
征，涂層組織致密且無(wú)微裂紋和表面粗大孑L隙，與
基體的結(jié)合緊密過渡均勻。
圖4 超音速活性電弧噴涂層的金相組織形貌
(涂層厚度0．3 mm。400 X)
2．3 X射線衍射分析結(jié)果
試驗(yàn)設(shè)備為荷蘭Philips公司的APD10型X
射線粉末衍射儀(XRD)，涂層經(jīng)XRD分析所得
物質(zhì)如下：CrFe2 32 MoNi；CrMo21 Ni21)；(Cr)2B；
(Cr)8C； A1Cr2； Cr4 6 M oNi2 1； Ni5 A13； A1Ni3；
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9期 米定偉等：鍋爐受熱面管子超卉述 性鎳 復(fù)合防{廠I涂層的 驗(yàn)研究
圖5 超音速活性電弧噴涂表面自然形貌的掃描電鏡照片
(涂層厚度0．2 mm，500×)
圖6 超音速活性電弧噴涂截面形貌的掃描電鏡照片
(涂層厚度0．2 mm，250 x)
A1l1_4 Ni【l 5H； A1l 1 Nil1_。； 9A12 ·2NiO； 8一NiAl2n
04．．； (Fe， Cr， Ni， Ti)B； ((Cr， Fe)2 N )H；
(CrMoN )H ； (CrNi)C； (C 04)T； HNi2；
NiH1¨；FeCr104；Fe(AL，Cr)204；Ni4N；Ni3N；
Cr4Ti4 O；Crj Ti3 O；(Cr2 Ti)24F。由結(jié)果可知，
活性電弧氣氛，更有利于各元素之間的冶金反應(yīng)而
造成的成分趨于多元化的結(jié)果，可以有效地提高涂
層的防高溫腐蝕和耐沖蝕能力。
2．4 硬度試驗(yàn)
分別采用超音速活性電弧噴涂和普通高速電弧
噴涂做試驗(yàn)，測(cè)得超音速活性電弧噴涂層和普通高
速電弧噴涂層的硬度值如表3所示。
由表3測(cè)試結(jié)果可以看 ，超音速電弧噴涂的
噴涂層的硬度明顯比一般電弧噴涂層的硬度高，這
是因?yàn)槌羲倩钚噪娀娡康耐繉雍休^多Cf和
Fe的硬質(zhì)相化合物．而r{_更』Jfi致密．令涂層的硬
化程度得以提高。
表3 涂層硬度試驗(yàn)結(jié)果
2．5 涂層結(jié)合強(qiáng)度
超音速活性電弧噴涂LX34的涂層平均結(jié)合強(qiáng)
度為29．03 MPa，遠(yuǎn)高于在相同條件下普通高速電
弧噴涂Lx34的平均結(jié)合強(qiáng)度21．3 MPa。
3 高溫腐蝕試驗(yàn)
3．1 腐蝕環(huán)境
煤粉燃燒形成的煙氣基本上由Na!O，K!O，
SO ，SO!等組成。煙氣的溫度約為5(1(I℃ 。存這
樣高的溫度下，煙氣中含有的硫分(H!S，SO2和
SO，)與金屬氧化物(K!O，Na!O)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，
生成二元堿性硫酸鹽，硫酸鹽進(jìn)一步與鍋爐管表面
的氧化鐵作用，形成熔融態(tài)的熔鹽，從而引起腐
蝕。因此，未加任何保護(hù)的煤氣管的腐蝕主要是由
于硫分和較高的T作溫度造成的。
3．2 熱腐蝕原因分析
金屬材料在高溫下由于環(huán)境兇素反應(yīng)而沉積在
其表面上的沉積物在氧和其它腐蝕性氣體同時(shí)作用
下而加速腐蝕的現(xiàn)象稱為熱腐蝕。
根據(jù)熱腐蝕動(dòng)力學(xué)的理論，熱腐蝕可以分為孕
育期和加速腐蝕期兩個(gè)階段。以碳鋼為例，在孕育
期內(nèi)碳鋼首先被氧化，表面形成保護(hù)性的Fe 和
Na S —K S ．Fe (S ) 復(fù)合鹽膜，而后在鹽膜
內(nèi)又形成疏松的Fe 。最初，在鹽膜下形成的腐
蝕產(chǎn)物能在一定程度上阻止熱腐蝕的進(jìn)行，也阻止
了腐蝕性氣體與碳鋼的反應(yīng)。繼而在碳鋼的表面保
護(hù)層下可能形成某些硫化物(S ，S()j一等)。保護(hù)
層中因此出現(xiàn)了某些缺陷、空洞或裂紋，由此鹽開
始穿過表面保護(hù)層與碳鋼表面反應(yīng)，到一定的程
度，表面保護(hù)層將失去保護(hù)作用，從而使熱腐蝕進(jìn)
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第19卷
入力Il速腐蝕階段。
含硫煤氣巾的熱腐蝕過程可以簡(jiǎn)單歸納為以卜
兒個(gè)步驟：
a)陽(yáng)極溶解
存500℃ 左右，碳鋼表面發(fā)生鐵的快速氧化．
彤成致密的Fe O 氧化膜。
2Fe 2Fe + 4e。
2Fe =2Fe” +2e。
2Fe +30 ：Fe!Oj．
b)陰極還原
在500℃左右，致密的Fe o 氧化膜與炯?xì)鈘}]
的Na!O，K!O等金屬氧化物和硫化物(O：，So ，
S )發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成復(fù)合熔鹽Na2S ．K2SQ．
Fe：(S ) 從而發(fā)生S O；一(SO，在熔鹽巾是以
S o 的形式存在的)和溶解氧及Fe 的還原
反應(yīng)。
3S2C圬一+6e=3SO3 一+3So2+30 一，
o!+2e=O_!一，
2Fe +2e=2Fe
c)疏松的Fe2O 形成
在陰極還原反應(yīng)中生成的Fe 又不斷地被硫
酸鹽中的溶解氧 和SO3氧化成Fe 。并與o 一
發(fā)生二次反應(yīng)生成疏松多孔的Fe 。
3Fe + o2=3Fe¨+{o 。
3Fe2++導(dǎo)S2 0；一=3F +導(dǎo)s()j一+ 3 s +導(dǎo) 一。
Fe¨+_÷o ={Fe2 ．
d)硫化物的腐蝕
由于S()；一離子和SO2分子可以沿Fe O1的缺
陷、空洞或裂紋向基體表面擴(kuò)散。因此造成碳鋼直
接接觸S()；一和SO ，從而發(fā)生電化學(xué)腐蝕。FeS
的形成促使基體進(jìn)一步發(fā)生陽(yáng)極溶解并被氧化。
形成
3Fe+SO2=FeS+2FeO．
其氧化物作為陰極，加強(qiáng)了“大陰極一小陽(yáng)極”效
應(yīng)，最終導(dǎo)致碳鋼管的失效。這正是熱腐蝕的加速
腐蝕階段的表現(xiàn)。
3．3 從防高溫腐蝕角度選擇有效的噴涂材料
目前應(yīng)用于鍋爐抗高溫腐蝕的電弧噴涂涂層主
要以Ni．Cr合金為基體，添加少量Ti，Si，Mo，
Al等合金元素．或者加入高溫穩(wěn)定性好、硬度高
的陶瓷相。如Cr C 等。組成金屬一陶瓷涂層。在
Ni—Cr合金巾．鉻是耐熱腐蝕最有效的合金元素，
它能在合金的表面上形成致密的Cr!o 保護(hù)膜。當(dāng)
合金表面沉積Na SO 時(shí)，Cr o 膜優(yōu)先與Na：S
反應(yīng)，既能降低鹽巾的活度，抑制氧化鎳堿性熔
融，又不至于發(fā)生酸性熔融。另外。鎳對(duì)于硫酸鈉
引起的腐蝕有最好的耐蝕性，同時(shí)可以改善涂層的
機(jī)械性能，阻止涂層剝落。在本試驗(yàn)中，我們選擇
了LX34(NiCrFe．Cr C )線材材料作為試驗(yàn)材料。
3．4 腐蝕試驗(yàn)設(shè)計(jì)與腐蝕試驗(yàn)結(jié)果
試樣溫度為500℃ ；腐蝕介質(zhì)為摩爾比7：3的
Na SQ和K2SQ溶液；試樣個(gè)數(shù)為兩個(gè)。試樣大小
均為1()mm×10 mm×3 mm；評(píng)定方法以腐蝕增重
(要扣除每次鹽膜增重)來(lái)描述腐蝕動(dòng)力學(xué)曲線圖。
腐蝕時(shí)間一共為136 h。間隔8～9 h測(cè)定一次，共
測(cè)定質(zhì)量17次(包括腐蝕試驗(yàn)前的質(zhì)量測(cè)定)。每次
質(zhì)量變化用折線記下如圖7，由圖7可以看m。腐蝕
只在最初的十幾小時(shí)內(nèi)比較嚴(yán)重。而后腐蝕速度基
本變化不大。說明涂層能夠耐受高溫腐蝕。
。D
呂
刪
蜓
4 結(jié)論
腐蝕時(shí)間／Il
圖7 熱腐蝕動(dòng)力學(xué)曲線圖
a)超音速活性電弧噴涂復(fù)合涂層的金相組織
具有典型的層狀結(jié)構(gòu)。涂層組織致密無(wú)微裂紋和表
面粗大孔隙；
b)通過X射線衍射分析，超音速活性電弧噴
涂涂層的組分呈現(xiàn)出多元化的組分傾向；
c)超音速活性電弧噴涂涂層的高硬度和結(jié)合
強(qiáng)度。使其涂層耐沖蝕；
d)通過高溫腐蝕試驗(yàn)，驗(yàn)證了該涂層能夠耐
高溫腐蝕。
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‘)期 求定偉等：鍋lIrI受熱而管f超音速 件鎳基復(fù)合防護(hù)涂層的試驗(yàn)研究
參考文獻(xiàn)：
【1 1徐濱 劉?：參 表 『 程『M：1．北 機(jī)械l 、 IfJ版
}f。． 【JllI J_
l：-1 f{JJ嘰羚．劉安，卜． Ii曉華．等超 速噴涂界 的微納構(gòu) 界
『啊結(jié)合強(qiáng)度l J f 電 做 ：報(bào)．『·)97．『9(3)：27l 276．
1 31爾子新．徐游 張仆．離速Il=i弧噴涂Fc．AI

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