循環(huán)流化床鍋爐膜式水冷壁管磨損及處理

王金枝 肖 明

山東電力高等專科學(xué)校 山東 濟(jì)南 250002

近年來，循環(huán)流化床鍋爐由于其燃燒效率高、煤種適應(yīng)性廣、負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大、有利于環(huán)保等特點(diǎn)得到迅速的發(fā)展。但是，受熱面磨損——尤其是水冷壁管的磨損問題，嚴(yán)重制約了該爐型的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。山東某能源有限公司的8個(gè)電廠24臺循環(huán)流化床鍋爐在運(yùn)行7年中，因受熱面磨損泄露停爐占到整個(gè)事故停爐數(shù)的 85%［4］［5］［6］［7］。循環(huán)流化床鍋爐受熱面磨損主要發(fā)生在爐膛水冷壁、省煤器、過熱器等部位，其中又以爐膛水冷壁管的磨損最為突出。Pyropower公司生產(chǎn)的一臺安裝于美國加州Stockton的49.9 MW循環(huán)流化床機(jī)組鍋爐，燃用低硫煙煤，其水冷壁在衛(wèi)燃帶過渡區(qū)域焊有防磨蓋板，運(yùn)行8天以后就發(fā)現(xiàn)防磨蓋板有明顯磨損，再連續(xù)運(yùn)行5周以后磨損已擴(kuò)展至水冷壁本身，所測得的最大磨損速率高達(dá) 5.2 μm/h［8］，因此應(yīng)重視循環(huán)流化床鍋爐膜式水冷壁的防磨問題。

1 磨損機(jī)理

磨損是指由于機(jī)械作用，間或化學(xué)和電的作用，物體工作表面材料在相對運(yùn)動中不斷損耗的現(xiàn)象。按磨損機(jī)理的不同，可分為黏著磨損、磨料磨損、腐蝕磨損、接觸疲勞磨損、沖蝕磨損、微動磨損等。流體或固體顆粒以一定的速度和角度對材料表面進(jìn)行沖擊所造成的磨損稱為沖擊磨損。沖擊磨損有兩種類型，一種叫沖刷磨損，另一種叫撞擊磨損。沖刷磨損是顆粒相對于固體表面沖擊角較小，甚至接近平行，顆粒垂直于固體表面的分速使得它鍥入被沖擊物體，與固體表面相切的分速使得它沿表面滑動，二者合成為刨削的效果。如果固體表面經(jīng)不起這種作用，即被切削掉一小塊，反復(fù)作用從而產(chǎn)生磨損。撞擊磨損是指顆粒相對于固體表面沖擊角度較大，或接近于垂直，以一定的速度撞擊固體表面使其產(chǎn)生微小的塑性變形或顯微裂紋，在反復(fù)撞擊之下，逐漸使塑性變形脫落而形成磨損。在循環(huán)流化床鍋爐中，床料顆粒與受熱面的沖擊角度在0~90°之間，因此循環(huán)流化床鍋爐受熱面的磨損是沖刷磨損與撞擊磨損的綜合作用［1］［2］［3］。

1.1 爐膛水冷壁的磨損機(jī)理

在循環(huán)流化床鍋爐爐膛內(nèi)，流體動力學(xué)結(jié)構(gòu)為環(huán)—核結(jié)構(gòu)。在內(nèi)部核心區(qū)，顆粒團(tuán)向上流動；而在外部環(huán)狀區(qū)，固體物料沿爐膛水冷壁面向下回流。環(huán)狀區(qū)的厚度從床底到頂部逐漸減薄。固體物料沿爐膛水冷壁面向下回流是水冷壁產(chǎn)生磨損的主要原因。爐膛水冷壁的磨損有雙體磨損和三體磨損兩種方式（如圖1）。雙體磨損是由于固體物料與水冷壁相接觸，水冷壁受到向下回流物料的沖刷。在三體磨損中，沿爐膛運(yùn)動的固體物料受到顆粒團(tuán)的碰撞，利用貼壁的固體顆粒作為磨損介質(zhì)使水冷壁受到磨損，循環(huán)流化床鍋爐水冷壁的磨損主要為三體磨損。

圖1 雙體磨損和三體磨損示意圖

在運(yùn)行的循環(huán)流化床鍋爐中發(fā)現(xiàn)，爐膛內(nèi)一般的水冷壁管磨損并不嚴(yán)重，磨損主要發(fā)生在衛(wèi)燃帶與水冷壁管的交界、爐膛角落及不規(guī)則管壁處。

1.1.1 爐膛下部衛(wèi)燃帶與水冷壁管過渡區(qū)域管壁的磨損

在某廠的幾臺75 t/h的循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，膜式壁與衛(wèi)燃帶交界處以上1~2 m處磨損量較大，如果不采取措施，此區(qū)域管壁的大面積均勻減薄將達(dá)到不得不割換膜式壁的程度［5］。

此處磨損主要有以下兩個(gè)原因：一是在過渡區(qū)域內(nèi)由于沿壁面下流的固體物料與爐內(nèi)向上運(yùn)動的固體物料運(yùn)動方向相反，容易在此局部區(qū)域產(chǎn)生渦旋流而造成嚴(yán)重的沖刷磨損；另一個(gè)原因是沿爐膛壁面下流的固體物料在交界區(qū)域產(chǎn)生流動方向的改變，因而對水冷壁產(chǎn)生快速而嚴(yán)重的磨損。

防范措施：將密相區(qū)水冷壁折彎，使該處澆注料與膜式壁肋片形成上下一致的垂直平面。這樣，爐內(nèi)循環(huán)物料沿壁面平直下滑，消除了局部漩渦流，使磨損大大減輕。打衛(wèi)燃帶過程中，在澆注料施工完畢后拆模板時(shí)，一定要檢查澆注料與上部膜式壁肋片過渡是否平滑，不能出現(xiàn)臺階或滲漿造成的棱角，如有不平，可趁澆注料尚未硬化前及時(shí)修理。為增強(qiáng)該處的耐磨效果，要在衛(wèi)燃帶交界處涂刷一層防磨涂料。

1.1.2 爐膛四個(gè)角落區(qū)域的管壁磨損

在運(yùn)行的循環(huán)流化床鍋爐中，發(fā)現(xiàn)爐膛角落區(qū)域水冷壁的磨損比較嚴(yán)重，其原因是：角落區(qū)域內(nèi)沿壁面向下流動的固體物料濃度比較高，流動狀況受到破壞。

防范措施：采用讓管技術(shù)，每次停爐仔細(xì)檢查四角縫，要將焊縫打磨平整光滑。

1.1.3 不規(guī)則管壁處

不規(guī)則管壁處主要指膜式水冷壁管的鰭片焊波不平處。鰭片焊波不平會導(dǎo)致膜式壁鰭片磨損嚴(yán)重，甚至磨透漏灰，加劇對水冷壁管表面的沖刷。焊波不平有以下幾種情況：一是水冷壁管屏鰭片上下對接不平，存在凸臺現(xiàn)象；二是防磨護(hù)板與鰭片焊接的焊瘤沒有打磨，存在凸瘤現(xiàn)象；三是現(xiàn)場安裝吊裝孔在補(bǔ)焊鰭片時(shí)沒有打磨平滑；四是安裝水冷壁管屏?xí)r，將鰭片割開后，對接時(shí)焊波不平有凸臺、不光滑。爐膛內(nèi)部有大量的物料在進(jìn)行內(nèi)循環(huán)，物料沿著水冷壁進(jìn)行內(nèi)循環(huán)時(shí)，沿鰭片流下的物料遠(yuǎn)大于沿水冷壁管外弧面流下的物料。如果鰭片內(nèi)凹被堵塞，物料會從一側(cè)或兩側(cè)流出，從而對水冷壁進(jìn)行沖刷。

防范措施：檢查爐膛受熱面上絕對不能有影響物料循環(huán)的雜物，一些不太主要的測量元件應(yīng)盡量減少，確保水冷壁受熱面平整光滑。

2 影響循環(huán)流化床鍋爐受熱面磨損的因素

影響循環(huán)流化床鍋爐受熱面磨損的因素有許多，一旦受熱面布置確定、燃燒用燃料確定，影響受熱面磨損的因素主要為運(yùn)行參數(shù)及床料特性。

2.1 運(yùn)行參數(shù)的影響

2.1.1 煙氣速度的影響

煙氣速度對受熱面的磨損至關(guān)重要，一般認(rèn)為，磨損量E與煙氣速度u之間存在指數(shù)關(guān)系：即E∝nn值大小與灰粒性質(zhì)、濃度和粒度等因素有關(guān)，在循環(huán)流化床運(yùn)行狀態(tài)下，n通常大于3。

磨損量的大小主要取決于灰粒的動能和灰粒的撞擊頻率，均相流認(rèn)為，灰粒的動能與煙氣速度的平方成正比，灰粒的撞擊頻率與煙氣速度成正比，故磨損量與速度的三次方成正比。但是，在循環(huán)流化床鍋爐爐膛中，煙氣速度要高于顆粒速度，這樣會增加上述因素的影響，導(dǎo)致磨損量的迅速增加。煙氣流速越大，指數(shù)n越大，在煙速9～40 m/s的范圍內(nèi)，n＝3.3~4.0［3］。

2.1.2 氣流湍流強(qiáng)度的影響

依據(jù) Humphrey的數(shù)值模擬結(jié)果［3］，隨著湍流強(qiáng)度的增加，磨損量要減小。原因在于：隨著湍流強(qiáng)度的增大，顆粒的湍流擴(kuò)散作用增強(qiáng)，致使一部分本來應(yīng)和壁面碰撞的顆粒受湍流脈動的影響而遠(yuǎn)離壁面，所以碰撞頻率因子下降，磨損量也隨之減少。

2.1.3 煙氣溫度和壁面溫度的影響

飛灰顆粒溫度低于軟化溫度時(shí)，顆粒本身的磨損性能基本不受影響。然而煙溫的變化會影響到受熱面壁溫的變化，同時(shí)將在很大程度上影響到金屬材料的機(jī)械強(qiáng)度。在絕大部分情況下，磨損速率與受熱面壁溫的關(guān)系如圖2，即存在一個(gè)很窄的溫度范圍（約400℃），在此溫度附近受熱面磨損發(fā)生急劇變化。到達(dá)該溫度，受熱面的磨損急劇降低，原因?yàn)榇藴囟认卵趸さ膹?qiáng)度急劇增加，因而磨損量降低。

圖2 受熱面溫度對磨損的影響

此外，循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)，在還原性氣氛下金屬表面產(chǎn)生滲碳和硫化現(xiàn)象，從而破壞金屬表面氧化膜的致密性，導(dǎo)致金屬表面的磨損加劇。

2.2 床料特性的影響

2.2.1 床料粒徑的影響

受熱面的磨損量與床料的直徑大小有關(guān)，床料直徑很小時(shí)，受熱面所受的沖蝕磨損很小。隨著直徑的增大，磨損量隨之增加，當(dāng)床料直徑增大到某一臨界值（約0.1 mm）,受熱面的磨損幾乎不變。因?yàn)樵谙嗤念w粒濃度下，顆粒直徑越大，單位體積內(nèi)顆粒數(shù)就越少，雖然大顆粒沖擊管壁的磨損能力較大，但由于沖擊到壁面的總顆粒數(shù)降低，故材料的磨損量仍變化不大。

2.2.2 顆粒成分的影響

循環(huán)流化床鍋爐床料的主要成分為Ca，Si，Al，S等，含Si和Al成分較高的床料比含Ca和S成分較高的床料對受熱面的磨損更強(qiáng)一些。原因是各種不同成分的床料其強(qiáng)度是不同的，含Ca和S成分高的床料，強(qiáng)度較低，撞擊后易破碎，從而對受熱面的磨損較輕；此外Ca和S含量較高的床料可使受熱面表面產(chǎn)生較厚的保護(hù)層，以降低磨損。

一般認(rèn)為，帶有棱角的顆粒比球形顆粒更具有磨蝕性；同時(shí)床料表面的氧化膜越硬，對受熱面的磨損越大。

3 爐膛受熱面采用超音速電弧噴涂防磨

爐膛受熱面的防磨措施有多種，在此主要介紹目前應(yīng)用范圍較廣、施工技術(shù)較成熟的超音速電弧噴涂。

超音速電弧噴涂是在金屬絲之間形成電弧，通過超音速氣流把熔化的金屬霧化并噴射沉積在基體表面，形成具有特殊性能的噴涂層，對基體表面進(jìn)行改性處理，使金屬表面具有耐磨、耐腐蝕、耐高溫等特殊性能。

某廠的循環(huán)流化床鍋爐在2007年對鍋爐進(jìn)行大修時(shí)，對鍋爐衛(wèi)燃帶以上水冷壁采用超音速電弧噴涂，電弧噴涂所用材料為KF390循環(huán)流化床專用絲材。 該材料的主要成分為：鉻（Cr）、鎳（Ni）、硼（B）以及硬質(zhì)陶瓷等。此種噴涂材料，由于鉻的碳化物（Cr3C2）具有高的硬度，因此有良好的耐磨性；但鉻的碳化物的熱膨脹系數(shù)與基體相差較大，這就要求載體應(yīng)具有很好的延展性，具有與基體相似的熱脹系數(shù)，NiCrB作為載體保證了整個(gè)涂層的延展性，使涂層與基體在溫度變化過程中不開裂；同時(shí)NiCrB具有良好的抗腐蝕性，不會造成因載體的腐蝕而導(dǎo)致硬質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的實(shí)效脫落，從而影響涂層的耐磨性。

1）超音速電弧噴涂工藝

要求：熱噴涂技術(shù)國家標(biāo)準(zhǔn)；

施工過程：噴沙、噴涂及涂層封閉。

噴沙：先選用16~20號石英砂粗噴，再選用14~16號軸承鋼砂進(jìn)行表面粗糙化處理。噴涂后管壁表面應(yīng)干燥、無灰塵、無油污、無氧化皮、無銹斑及其它雜物，基材表面呈現(xiàn)均質(zhì)的灰白色金屬外觀。

噴涂：采用“井”字型噴涂方式，確保涂層厚度均勻及結(jié)合。水冷壁噴涂如果噴涂方式選擇不好會造成涂層局部溫度過高使涂層產(chǎn)生較大的應(yīng)力，從而導(dǎo)致涂層由于應(yīng)力過大而產(chǎn)生裂紋或剝落，導(dǎo)致腐蝕性氣體滲透至涂層與基材的結(jié)合面造成內(nèi)腐蝕。為防止在噴涂過程中產(chǎn)生局部溫度過高，在實(shí)際操作中采用“井”字型噴涂方式。分層、分塊作業(yè)，局部區(qū)域噴涂時(shí)控制層間厚度，每一層達(dá)到要求厚度后再進(jìn)行下一層的噴涂施工，直到噴涂區(qū)域涂層達(dá)到合同要求的厚度后再完成其它區(qū)域的施工。在每個(gè)施工區(qū)域或每天施工區(qū)域與非噴涂區(qū)域交界處應(yīng)設(shè)計(jì)出過渡層，過渡層涂層厚度由厚到薄均勻過渡，過渡區(qū)范圍200～300 mm 左右（見下圖3），并設(shè)明顯標(biāo)記。

圖3 噴涂示意圖

涂層封閉：為防止煙氣中的腐蝕性氣體通過涂層孔隙滲透到涂層與基層結(jié)合層面造成內(nèi)腐蝕，當(dāng)天噴完的區(qū)域應(yīng)及時(shí)封閉處理，采用滲透性較好的耐高溫有機(jī)硅封孔劑，封閉微觀孔隙。

2）噴涂涂層基本參數(shù)

涂層結(jié)合強(qiáng)度≥60 MPa；

涂層厚度≥0.6 mm；

涂層硬度≥HRC53；

噴涂涂層質(zhì)保期一般情況下為兩年。

4 噴涂的經(jīng)濟(jì)效益

通過對多臺鍋爐進(jìn)行噴涂處理，將鍋爐因水冷壁磨損導(dǎo)致的停爐周期由20天提高至45天，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算表1。

［1］循環(huán)流化床燃燒技術(shù)報(bào)告［R］.能源部科學(xué)技術(shù)司，能源部西安熱工研究所，1989.

［2］劉皓,林志杰,劉德昌.美國 Nucle電站420t/h循環(huán)流化床鍋爐的調(diào)試和運(yùn)行［J］.動力工程，1994，14（05）:42.

［3］岑可法等.循環(huán)流化床鍋爐理論設(shè)計(jì)與運(yùn)行［M］.北京:中國電力出版社,1997.

［4］全國電力行業(yè)CFB機(jī)組技術(shù)交流服務(wù)協(xié)作網(wǎng).循環(huán)流化床鍋爐磨損機(jī)理及防治［M］.北京:中國電力出版社,2008.