燃煤電廠設備耐磨防腐材料應用現(xiàn)狀及展望

馮偉

(大唐耒陽發(fā)電廠，湖南 耒陽 421800)

0 引言

磨損和腐蝕是燃煤電廠設備的常見現(xiàn)象，也是能源消耗的主要根源之一。目前我國電力需求呈不斷增長趨勢，電力仍需要得到較快的發(fā)展。我國電力生產(chǎn)能源結構以煤為主，燃煤電廠是一個復雜的磨損腐蝕環(huán)境，熱力工藝轉換裝備(如物料輸送設備)都是在高溫、高壓、強磨損和腐蝕、高黏度、結晶、高粉塵等工況環(huán)境下運行的。電廠在實施以可靠性為中心的設備維護管理過程中，將新材料、新產(chǎn)品、新工藝和新技術應用到設備維護中來，同時也創(chuàng)造出許多新的管理理念和工藝技術[1]，因此，研制和應用新型耐磨防腐材料和維護技術，提高設備使用壽命，達到保護環(huán)境和節(jié)能降耗的目的，也是實現(xiàn)發(fā)電廠安全、經(jīng)濟運行的重要保障。

1 耐磨材料在電廠碎煤制粉系統(tǒng)中的應用

1.1 破碎機耐磨材料的應用

錘式破碎機在燃煤電廠應用十分廣泛，主要用于破碎煤、爐渣和石灰石等中、低硬度物料，破碎產(chǎn)品屬中細物料，如循環(huán)流化床鍋爐燃燒的是煤粒而不是煤粉，產(chǎn)品粒度一般為3～6 mm，而煤粉鍋爐燃燒的原煤經(jīng)破碎制粉后粒度為0.02～0.08 mm。

環(huán)錘式破碎機是一種帶有環(huán)錘的沖擊轉子式破碎機，環(huán)錘不僅能隨轉子旋轉，還能繞錘銷軸自轉。受環(huán)錘的剪切、擠壓、研磨以及物料之間的相互作用，物料得到破碎，并通過篩孔排出機外。

錘式和環(huán)錘式破碎機錘頭、篩孔板工作型腔襯板一般都是根據(jù)物料破碎工況選用ZG120Mn13和ZG120Mn13Cr2等高錳鋼材料，也有采用雙金屬復合鑄造或堆焊制造的，還有采用淬硬45鋼、合金鋼釬焊硬質合金、合金鋼與陶瓷材料復合鑄造等工藝制造。目前，國內(nèi)生產(chǎn)單位用于破細料的錘式破碎機的錘頭采用高鉻鑄鐵(硬度≥62 HRC)，為進一步提高錘頭的抗磨性，將鎢鈷類硬質合金(硬度為89 HRA，密度為14.6 g/cm3,抗壓強度為1 841 MPa)釬焊在錘頭工作面上，使錘頭的使用壽命大幅度提高。

高錳鋼環(huán)錘可選用低氫鉀型高錳鋼堆焊焊條修復后再進行水韌處理，以減少裂紋傾向。

1.2 磨煤機耐磨材料的應用

磨煤機是制粉系統(tǒng)的關鍵設備，它在工作流程中起樞紐作用。原煤和一次風被輸入磨煤機，煤粉與一次風混合物被輸出磨煤機，經(jīng)粗細粉分離器分離，合格的煤粉由一次風輸送至爐膛內(nèi)燃燒。

根據(jù)磨煤部件的工作轉速，電廠磨煤機大致可分為：低速磨煤機，轉速為15～25 r/min，最常用的如筒式鋼球磨煤機；中速磨煤機，轉速為50～300 r/min，最常見的如中速輥盤磨煤機、中速環(huán)球式磨煤機、輥碗式磨煤機(RP型、HP型)及輥環(huán)磨煤機(MPS型、ZGM型)；高速磨煤機，轉速為750～1 500 r/min，如風扇磨煤機(S型、N型)等。由于各燃煤電廠使用的煤質不同，選用的磨煤機也不一樣，各種磨煤機及制粉系統(tǒng)的適用范圍也不相同。低速球磨機運轉過程中，鋼球與襯板等易損件以磨粒磨損和沖擊磨損為主；中速環(huán)球磨煤機運轉過程中，磨球在上下環(huán)形軌道中滾動，以磨粒磨損、黏著磨損和表面接觸疲勞磨損為主，中速輥式磨煤機的磨輥碗和磨輥盤以磨粒磨損和表面接觸疲勞磨損為主；高速風扇磨煤機運轉過程中，利用運動的沖擊板將煤粉碎，以沖蝕磨損為主。

目前，國內(nèi)各燃煤電廠低速球磨機一般選用中碳低合金襯板配中、低鉻鋼球，高碳低合金襯板配中、高鉻鋼球，雙金屬高鉻襯板配中、高鉻鋼球的機制；中速磨煤機主要采用高鉻鋼或高鉻堆焊復合鋼制造的磨輥和襯瓦，也有采用硬質合金復合澆鑄制造的磨輥和襯瓦；高速風扇磨煤機主要采用高錳鋼制造的沖擊板、護鉤和護甲，也有采用復合雙金屬材料的；脫硫系統(tǒng)石灰石制漿的球磨機采用橡膠作為襯板，配高鉻球。

2 耐磨防腐管道在電廠物料輸送中的應用

火力發(fā)電廠耐磨管道主要用于輸送原煤粉粒、灰渣、煙氣脫硫系統(tǒng)中的石灰石粉粒及漿液等介質，由于輸送的介質流速快、濕度大、腐蝕性強，致使管道的彎頭、變徑管嚴重磨損和腐蝕而失效。干灰氣力輸送管道以磨粒磨損和沖蝕磨損為主，煙氣脫硫系統(tǒng)管道以多相流體加速腐蝕為主。耐磨和防腐管道可分為單金屬管道和復合管道2大類。

早期的煙氣脫硫管道采用了低碳和超低碳奧氏體不銹鋼，如316(00Cr17Ni14Mo3)或317(0Cr18Ni12Mo3Ti)等不銹鋼，這類不銹鋼對氧化性介質有很好的耐腐蝕性能，但在實際應用中發(fā)現(xiàn)存在點蝕、縫隙腐蝕以及沖刷腐蝕等現(xiàn)象。鈦合金是優(yōu)良的耐腐蝕抗磨材料，應用在煙氣系統(tǒng)的管道和容器上都表現(xiàn)出良好的耐腐蝕性能，但是價格昂貴。鎳基合金的應用效果非常理想，它以鎳為主體，與Co，Mo，F(xiàn)e，W和Cr形成連續(xù)固溶體合金，最具代表性的有蒙耐爾合金和哈氏合金，其耐腐蝕性能、熱穩(wěn)定性能與加工性能相當優(yōu)異，使用效果較為理想，但是價格昂貴。

在煙氣脫硫裝置中，選擇合金材料要考慮的主要因素有：環(huán)境溫度、pH值、氯化物質量濃度以及可溶性氟化物質量濃度。輸送不同腐蝕介質的管道選材時，必須遵循一定的原則。需注意的是，不同工況、不同環(huán)境條件下選材不可能完全相同，任何微小的差異都會對管道材料性能產(chǎn)生較大的影響。

2.1 鑄石復合管道

鑄石復合管道是把玄武巖熔化后鑄在鋼管內(nèi)壁所制成的復合管。其優(yōu)點是耐磨，防腐蝕性良好；缺點是鑄石層厚，管道密度大、性脆，易碎裂掉塊。適用于燃煤電廠的氣力輸灰、水力輸渣管道以及其他輸送腐蝕、磨損介質的管道。

2.2 抗磨白口鑄鐵復合管道

抗磨白口鑄鐵復合管道是用抗磨白口鑄鐵(低鉻白口鑄鐵或高鉻白口鑄鐵)澆鑄在鋼管內(nèi)壁所制成的復合管。其優(yōu)點是抗磨性好、可焊接，如用高鉻白口鑄鐵作復合層，還有較好的抗腐蝕性，其抗磨性明顯高于普通耐磨鋼管；缺點是密度大、性脆。

2.3 鋁熱法制造的陶瓷復合管道

鋁熱法陶瓷復合管采取燃燒合成技術(SHS)和離心鑄造技術相結合的工藝，利用鋁熱反應形成陶瓷內(nèi)襯。Al2O3的硬度在2 000 HV以上，所以耐磨性能十分優(yōu)異，抗腐蝕性和耐熱性也非常好。其缺點是性脆、易裂，如果工藝不當易剝落，影響使用。

2.4 粘貼法制造的陶瓷復合管道

采用高分子黏接劑將氧化鋁陶瓷片粘貼在管道上，可以獲得好的抗沖蝕、抗磨損的效果。由于氧化鋁陶瓷屬于脆性材料，物料輸送過程中，在沖蝕角大于45°的情況下，其耐磨性并不理想。因此，該復合管道抵抗非大顆粒(沖擊力很大)和較小的沖蝕角(沖蝕角≤45°)的磨料沖蝕，效果較好。

采用這種技術對火電廠裝備進行防磨防腐處理，要比堆焊工藝處理的使用壽命長1～2倍，但如果操作工藝控制不嚴，可能會造成陶瓷片脫落。

2.5 高分子橡塑復合管道

電廠煙氣脫硫和脫硝系統(tǒng)漿液輸送屬液固氣輸送，磨損腐蝕機制較為復雜，目前各電廠采用的是內(nèi)襯塑料或內(nèi)襯橡膠復合管道輸送煙氣脫硫、脫硝漿液。

優(yōu)點是對物料的輸送阻力小，耐磨和抗腐蝕性好，對濕態(tài)物料輸送管內(nèi)壁結垢有很好的緩解作用；缺點是強度低、抗老化性能差、使用溫度低、不耐有機溶劑腐蝕、部分塑料橡膠有吸水性。

2.6 再制造堆焊復合管道技術

燃煤電廠輸灰、輸煤粉管道由于其工作溫度較高，并承受著高溫磨粒劇烈的沖刷磨損，因此采用高鉻鋼和鋼結硬質合金等耐磨焊條對失效部位進行堆焊修復，實現(xiàn)管道再制造。管道再制造技術是提高使用壽命最有效的方法[2]。

煙氣脫硫系統(tǒng)管道和容器因磨損腐蝕失效，采用高分子樹脂及陶瓷等復合材料實施再制造，能有效地提高管道設備使用壽命和性能。

3 耐磨防腐材料應用展望

我國火力發(fā)電廠發(fā)電量和裝機容量巨大，還存在著很大的節(jié)能潛力。將先進的摩擦與磨損失效分析理論與實用新技術、新工藝、新材料、新產(chǎn)品相結合，是實現(xiàn)發(fā)電廠安全、經(jīng)濟、節(jié)能的重要手段和措施。新型復合材料將愈來愈廣泛地應用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領域。目前，新型復合材料正向多元混雜復合、功能復合、微觀復合以及智能復合的方向發(fā)展，常規(guī)設計正向仿生設計和電子計算機輔助設計方向發(fā)展，21世紀將是復合材料廣泛應用的時代[3]。

3.1 陶瓷復合管道的應用

陶瓷復合管道是由金屬、陶瓷、聚合物(有機/無機)等多層材料經(jīng)過反應加工復合而成的高性能復合管道，其中外層結構管為承載件，中間陶瓷層為抗磨耐腐蝕件，可根據(jù)管道輸送物料工況選擇鋁熱法、粘貼法等工藝，內(nèi)壁為有機/無機混合涂料，主要起黏結和防腐蝕滲透作用[3]。陶瓷復合管制品充分發(fā)揮了單一材料的特有性能以及有機/無機粘膠與陶瓷材料的復合效應，即使在較高的運行溫度下，仍具有優(yōu)異的抗腐蝕磨損與防結垢的性能。陶瓷復合管道主要用于燃煤電廠粉煤灰、灰渣的干/濕態(tài)輸送，煙氣脫硫、脫硝系統(tǒng)的漿液輸送等。長期使用溫度為-10～150 ℃，壓力為-0.1～6.0 MPa，管道公稱直徑為50～2 000 mm，與常規(guī)防磨鋼管相比，使用壽命至少提高2～3倍[4]。

3.2 高速噴涂技術的應用

為了使燃料資源能夠得到充分合理的利用，我國在電站鍋爐中已大量使用含灰量較高的劣質煤，尤其是循環(huán)流化床鍋爐以燃燒劣質煤為主。不同種類的燃料特性與受熱管面的磨損密切相關，并且直接影響到鍋爐的安全、經(jīng)濟運行，嚴重時還將導致事故。電站鍋爐中的“四管”(過熱器管、再熱器管、省煤器管和水冷壁管)因為受到含有硬質顆粒的沖蝕磨損而導致的爆管停機問題，一直是火電廠安全生產(chǎn)的重大隱患[5]。

世界上很多國家都在研究能有效控制燃煤電廠鍋爐管道高溫沖蝕磨損和熱腐蝕的技術，以提高燃煤電廠鍋爐運行的可靠性，解決問題的有效措施就是使用各種防腐耐磨的涂層技術。針對鍋爐管道的高溫沖蝕、熱腐蝕、高溫氧化，國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)出許多燃煤電廠鍋爐專用涂層，如金屬涂層、陶瓷涂層、金屬/陶瓷復合涂層以及金屬間化合物涂層。

燃煤電廠鍋爐維護已廣泛采用高速電弧噴涂技術，目前應用新型高鎳、高鉻合金兩種電弧熱噴涂絲材，運行結果表明：新型涂層具有更低的氧化速度，表現(xiàn)出較優(yōu)異的抗高溫腐蝕性能。

近年來，我國科學家利用高速電弧噴涂技術將FeCrAl/WC粉芯絲材制出復合涂層，涂層綜合力學性能優(yōu)異，具有結合強度高、致密度高、耐熱振性能較佳等特點。該涂層能適應電廠燃煤鍋爐管道的運行條件，有利于降低涂層與基體間的殘余內(nèi)應力，提高涂層的承載能力，可滿足實際應用的需要[5]。

3.3 高溫抗磨耐腐蝕涂料的應用

高溫抗磨耐腐蝕涂料由特種無機膠粘劑、固化劑、增強劑及填料組成。填料采用化學性能穩(wěn)定、硬度高、導熱系數(shù)大的碳化物、氧化物及金屬粉末。這種涂料的主要特點是：高溫抗磨、導熱系數(shù)大、耐高溫沖蝕、具有接近鋼材的膨脹系數(shù)。該系列涂料的應用，避免了鋼材熱硬性差、高溫不耐磨的缺陷，并且對煙氣的流通面積和熱交換性能沒有太大影響，最高使用溫度可達1 000 ℃，主要用于解決電站鍋爐內(nèi)管道，如省煤器、過熱器、再熱器和水冷壁的高溫煙氣過流區(qū)迎風面的磨損問題。

新材料的應用，使燃煤電廠設備抗磨損、耐腐蝕性能成倍提高，展現(xiàn)了新材料、新工藝和新產(chǎn)品在設備上應用的廣闊前景。新材料和新工藝的不斷發(fā)展，將為延長電站熱力轉換設備使用壽命、節(jié)能降耗減排做出更大的貢獻。

4 結論

(1)燃煤電廠物料輸送管道磨損失效分析發(fā)現(xiàn)，就材料本身而言，影響磨損量大小的主要因素是材料組織、硬度和韌性。在實際工作中，很難找到既具有合理的組織和高的硬度，又具有高韌性的單一材料，因此，把不同的材料組合在一起形成復合材料，是解決管道耐磨損、防腐問題的有效途徑。

(2)腐蝕與磨損是導致管道過早失效的主要原因，研究開發(fā)應用新一代耐磨防腐蝕復合材料管道是保障燃煤電廠設備安全、可靠、經(jīng)濟、高效運行的有力措施。

(3)再制造是對產(chǎn)品全壽命周期的延伸，再制造優(yōu)異的節(jié)能減排效果是依賴先進的設備維護技術實現(xiàn)的。先進技術和以可靠性為中心的設備維護(RCM)管理方法的應用是預防火電廠設備失效的關鍵。

參考文獻：

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[4]楊企泰. 復合材料在發(fā)電廠的應用[J]. 水利電力機械，2003，25(3)：21-24.

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