一種先驅(qū)體轉(zhuǎn)化陶瓷涂層的制備及其現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究

＊蘇靜 陳承超 陳祥 王甜甜 陳威

（1.陜西德源府谷能源有限公司 陜西 719407 2.陜西科技大學(xué) 陜西 710042）

火力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行環(huán)境惡劣，尤其是受熱面通常服役于高溫、高壓、腐蝕介質(zhì)、煙氣磨損等環(huán)境，進(jìn)而誘發(fā)管道損傷，導(dǎo)致服役壽命縮減，增加維護(hù)費(fèi)用。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，鍋爐內(nèi)過熱器管、再熱器管、水冷壁管及省煤器管導(dǎo)致的質(zhì)量安全事故占國(guó)內(nèi)鍋爐事故的2/3左右[1]。尤其是，隨著火力發(fā)電機(jī)組功率的提升、環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高以及低氮燃燒器的普及，導(dǎo)致鍋爐受熱面面臨的腐蝕與吹損風(fēng)險(xiǎn)更加嚴(yán)峻，使管壁減薄甚至導(dǎo)致爆管事故發(fā)生，嚴(yán)重影響鍋爐運(yùn)行的安全性與經(jīng)濟(jì)性[2-4]。

針對(duì)鍋爐內(nèi)受熱面管壁的服役特點(diǎn)，目前常利用表面涂覆技術(shù)對(duì)爐內(nèi)管壁表面進(jìn)行表面處理。通過表面涂覆添加管壁表面防護(hù)層，可以有效減少管壁腐蝕和磨損失效，延長(zhǎng)管壁的服役壽命，大幅度降低鍋爐管道的維護(hù)成本[5]。美國(guó)蘇爾壽-美科公司采用等離子噴涂技術(shù)在水冷壁管表面制備鐵鉻基復(fù)合涂層，擁有良好的耐蝕抗磨性能，涂層每年只損耗0.025mm[6]。瑞士卡斯特林-厄特蒂公面向水冷壁防護(hù)制備一種高鎳鉻復(fù)合涂層，該涂層與基體結(jié)合良好，擁有良好的耐磨性能。近年來，國(guó)內(nèi)學(xué)者亦開展相關(guān)的研究工作，如韓建軍等[7]利用超音速火焰噴涂技術(shù)在鍋爐受熱面制備Fe基非晶涂層，發(fā)現(xiàn)該涂層有良好的耐酸腐蝕性能，但其粘結(jié)性欠佳。隨著火力發(fā)電鍋爐向著更高參數(shù)化運(yùn)行的方向邁進(jìn)，傳統(tǒng)金屬材料的經(jīng)濟(jì)性和耐腐蝕性越來越無法滿足長(zhǎng)服役的要求。

近年來，耐高溫陶瓷涂層發(fā)展迅速，已經(jīng)開展相關(guān)的試驗(yàn)研究，并在一定范圍內(nèi)應(yīng)用在電站鍋爐[8]。尤其是先驅(qū)體轉(zhuǎn)化陶瓷涂層主要由陶瓷粉體填料、粘結(jié)劑、溶劑及助劑等組成，可采用浸涂、掛涂及噴槍噴涂等簡(jiǎn)單易行的方式在受熱面管壁上進(jìn)行涂覆加工[9-11]。學(xué)者Barroso等[12]利用簡(jiǎn)單的涂漆方式在鋼材表面制備出厚度為50μm的陶瓷涂層，該涂層有效減少金屬基材氧化。Martin等[13]利用浸涂的工藝方法在不銹鋼表面制備先驅(qū)體轉(zhuǎn)化陶瓷涂層，該涂層可在1000℃高溫環(huán)境下有效防護(hù)金屬表面。國(guó)內(nèi)學(xué)者華雋石等[14]在20鋼表面制備了一種復(fù)合陶瓷涂層，研究表明噴涂涂層可有效抵抗SO2、H2S以及高溫熔巖的腐蝕。

目前，關(guān)于先驅(qū)體轉(zhuǎn)化涂層的研究主要集中于抗氧化耐腐蝕性能上，對(duì)于涂層在復(fù)雜的鍋爐現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下的綜合服役性能的考察尚屬少見。鑒于此，本文結(jié)合實(shí)驗(yàn)室測(cè)試分析及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用兩個(gè)方面，探討先驅(qū)體轉(zhuǎn)化涂層在提高鍋爐受熱面管壁耐腐蝕耐磨損方面的應(yīng)用前景。首先，實(shí)驗(yàn)室中，在20鋼表面制備先驅(qū)體轉(zhuǎn)化陶瓷涂層試樣，對(duì)其微觀形貌、物相組成、涂層厚度等進(jìn)行表征，并將該涂層應(yīng)用于某電站鍋爐受熱面水冷壁上，現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證該涂層的防護(hù)效果。

1.實(shí)驗(yàn)材料及方法

(1)實(shí)驗(yàn)材料

本研究所用涂層漿料的組分及比例如表1所示，由表可見，涂層成分包括陶瓷粉體、聚合物、玻璃粉、溶劑及助劑等。其中，陶瓷粉體作為涂層填料可有效提高涂層的耐腐蝕耐磨損性能；先驅(qū)體聚合物在一定溫度下高溫裂解，促使表面陶瓷涂層；玻璃粉可有效提升涂層與基材的結(jié)合強(qiáng)度，并形成玻璃釉層使涂層表面更加致密。漿料按比例配置后，將漿料置于行星式球磨機(jī)中充分混合，1h后取出、過濾、封裝，進(jìn)而得到陶瓷涂層漿料。

表1 涂層漿料成分及比例

本研究中，選取鍋爐常用鋼材20鋼作為基材，將鋼材切割成15mm×15mm×5mm方塊，并對(duì)鋼塊表面進(jìn)行噴砂處理及超聲波清洗，使其表面粗糙度為Ra2.0-2.5μm，提高金屬基材與涂層的結(jié)合強(qiáng)度。利用噴槍將漿料噴涂于鋼塊表面，而后在干燥箱內(nèi)100℃干燥1h，待試樣干燥后將其置于馬弗爐內(nèi)500-600℃燒結(jié)。由此，制備獲得先驅(qū)體轉(zhuǎn)化陶瓷涂層，實(shí)物如圖1所示。

圖1 涂層試樣實(shí)物圖a

(2)試驗(yàn)方法

①實(shí)驗(yàn)室表征

利用VEGA Ⅱ XMU型掃描電子顯微鏡及自帶能譜儀對(duì)涂層樣品進(jìn)行形貌和微觀組織分析，利用D/max2200PC型X射線衍射儀（XRD）對(duì)涂層進(jìn)行物相組成檢測(cè)，利用奧林巴斯（中國(guó)）有限公司的DSX510數(shù)碼顯微鏡對(duì)涂層厚度進(jìn)行檢測(cè)分析。

②現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

與某電站合作，選取一鍋爐受熱面水冷壁表面作為試點(diǎn)。首先，對(duì)鍋爐水冷壁受熱面管壁進(jìn)行結(jié)焦及銹蝕情況觀察及分析，如圖2（a）所示，表面結(jié)焦和銹蝕的情況十分嚴(yán)重；之后對(duì)該處進(jìn)行噴砂處理，實(shí)現(xiàn)除焦和除銹，如圖2（b）所示；噴砂后，利用噴槍對(duì)金屬表面進(jìn)行噴涂，獲得良好的噴涂效果，獲得大面積全覆蓋的陶瓷涂層表面，如圖2（c）所示。而后，累計(jì)運(yùn)行4000h，考察其表面情況。

圖2 涂層現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用圖

2.結(jié)果與討論

(1)涂層微觀組織形貌表征

涂層的XRD分析結(jié)果如圖3可見。由圖可見，陶瓷涂層的結(jié)晶情況良好，未觀察到明顯的非晶體饅頭峰。同時(shí)，涂層表面可明顯檢測(cè)到SiO2、ZrO2及Al2O3等物質(zhì)。這說明，涂層漿料經(jīng)過涂覆及熱轉(zhuǎn)化過程，先驅(qū)體聚合物熱解完全，形成結(jié)晶良好的陶瓷涂層。

圖3 涂層的XRD分析結(jié)果

圖4所示出了涂層表面的微觀形貌。由圖4（a）可見，在50×放大倍數(shù)下，涂層表面整體上較為連續(xù)、平整，但也觀察到明顯的龜裂現(xiàn)象；由圖4（b）可見，在1000×放大倍數(shù)下，涂層表面粗糙，但未觀察到明顯的脫落及凹陷情況。涂層的厚度如圖5所示，涂層連續(xù)，厚度均勻，平均厚度為155.1±2.5μm。

圖4 涂層表面的SEM圖

圖5 涂層橫截面的光鏡圖

(2)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

涂層施工完成后，于2020年11月29日投入使用，至2021年5月19日累計(jì)運(yùn)行約4000h，運(yùn)行期間未出現(xiàn)腐蝕泄露與大塊焦渣脫落導(dǎo)致的燃燒不穩(wěn)定和滅火現(xiàn)象，鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定。2021年5月31日，利用停機(jī)機(jī)會(huì)對(duì)改造區(qū)域進(jìn)行檢查，噴涂區(qū)域部分表面存在松散浮渣，部分受熱面管壁表面存在黑色覆蓋物質(zhì)，見圖6所示。由圖6（a）可見，浮渣區(qū)域的浮渣松散，用手輕觸后即可脫落；由圖6（b）可見，部分區(qū)域表面形成一層很薄的黑色致密物質(zhì)（經(jīng)檢測(cè)為黑色的Fe3O4），對(duì)其進(jìn)行打磨后綠色涂層可顯露。

圖6 鍋爐受熱面涂層運(yùn)行情況

圖7所示出了經(jīng)沖洗或打磨后的涂層情況，涂層保持完整，無明顯的腐蝕現(xiàn)象。這說明受熱面管壁無高溫腐蝕及表面磨損等現(xiàn)象。同時(shí)，浮渣停爐降溫時(shí)，半熔融狀態(tài)的浮渣因水冷壁驟冷而附掛在管壁表面，當(dāng)鍋爐繼續(xù)運(yùn)行時(shí)，浮渣會(huì)自動(dòng)脫落。管壁表面形成松散的浮渣可有效抑制管壁出現(xiàn)大面積的結(jié)焦、結(jié)渣，有助于鍋爐的正常運(yùn)行。

圖7 清洗后涂層情況

3.結(jié)論

結(jié)合實(shí)驗(yàn)室表征與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況，鍋爐受熱面涂覆該先驅(qū)體轉(zhuǎn)化涂層材料的防護(hù)效果較好，得到如下結(jié)論。

（1）本研究中，制備由陶瓷粉體、玻璃粉、聚合物等組成的先驅(qū)體轉(zhuǎn)化涂層漿料，經(jīng)漿料混合、涂覆、熱固化等過程獲得厚度約為155.1±2.5μm的涂層材料。該涂層結(jié)晶情況良好，主要有SiO2、ZrO2及Al2O3組成，且涂層表面連續(xù)，覆蓋情況良好。

（2）將陶瓷涂層應(yīng)用于電站鍋爐受熱面水冷管壁表面，運(yùn)行4000h后，受熱面表面無高溫腐蝕現(xiàn)象，且涂層整體完好無損，且有效阻止了部分區(qū)域的結(jié)焦、結(jié)渣風(fēng)險(xiǎn)。