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摘要：火电厂锅炉水冷壁管高温腐蚀和磨损的机理复杂，它与炉膛火焰温度、燃煤的含硫量、烟气与灰分颗粒的冲蚀密切相关。根据其磨损、腐蚀、烧蚀、开裂等故障现象,应用电弧喷涂技术和适合的喷涂材料,对水冷壁表面喷涂保护涂层,减小了水冷壁管的磨损、腐蚀,延长了其使用寿命。
关键词：电弧喷涂；高温腐蚀和磨损；水冷壁
中图分类号：U472.44文献标识码： A
一、引言
锅炉水冷壁管高温腐蚀和磨损是火力发电厂普遍存在的问题，它的直接危害表现在以下两个方面：
(1)使管壁减薄，据统计一般每年减薄量约为1mm 左右，严重的可达5～6mm/年，形成安全运行的严重隐患。
(2)发生水冷壁突发性爆管事故，造成紧急停炉抢修，直接影响企业效益，同时也干扰了地区电网的正常调度。
机组运行期间，由于燃烧煤中硫及其它有害杂质的存在，在高温下对水冷壁构成腐蚀。元宝山电厂1号、2号炉喷口、燃烧器附近区域水冷壁存在高温腐蚀，腐蚀坑点密布在管壁向火侧，腐蚀坑点直径一般在φ0.5-φ2mm,直径最大者达φ3mm，坑点最深达0.35mm。同时，煤燃烧时产生的大量灰粉，在锅炉内部燃烧的复杂动态过程中，猛烈撞击水冷壁，对水冷壁工作面产生严重切削，使水冷壁管工作面被磨损成不同程度的小平台，造成水冷壁壁厚的实际减薄，容易导致水冷壁管在高温下爆管，其危害作用同高温腐蚀一样严重，在我厂尤其以四台锅炉斜坡水冷壁表现的更为严重。此前我厂一直采取在受热面加装防磨瓦的方法，虽然起到了防磨作用，但同时明显地降低了受热面的换热效果，增加了排烟热损失，降低了锅炉效率。
二、水冷壁管高温腐蚀和磨损的机理。
水冷壁管高温腐蚀和磨损的机理是很复杂的，主要有以下三点：
①高温氧化作用 炉温高达1700℃以上，高温气体直接与锅炉管发生高温氧化，致使管壁经受化学腐蚀而损坏。
②燃料中硫的作用燃料中硫经高温作用而产生各种硫化物，其中烟气中的硫化氢与管壁金属反应，灰尘中不可燃的硫生成硫酸盐，又经分解而生成三氧化硫，后者又与氧化铁产生腐蚀。
③烟气与灰粉颗粒的冲蚀包括有硫化氢、二氧化硫、氮气的高温炉烟，以及含有二氧化硅、氧化铁和氧化铝等成份的灰粉颗粒，在高温下高速在炉内飞行，与管壁产生强烈冲击而造成冲蚀磨损。
三、防止水冷壁高温腐蚀和磨损的措施
我厂为减少水冷壁爆管，投入了大量人力、物力，加强对水冷壁的监测和更换，但未取得任何实质性的效果，换管则大大增加生产成本和维修费用。只有防患于未然才是最好的办法。分析清楚了水冷壁高温腐蚀的产生原因，就可采用有效的方法来进行防止，常用方法可以分为两类，即非表面防护方法和表面防护方法。非表面防护方法有：
A. 采用低氧燃烧技术。
B. 尽可能使各燃烧间的煤粉浓度均匀。
C. 合理的配风及强化炉内的湍流混合。
D. 控制适当的煤粉细度。
E. 避免出现受热面壁温局部过热。
F. 在壁面附近喷空气保护膜。
G. 加添加剂。
H. 控制合理的炉膛出口烟温。
I. 对易产生高温腐蚀的煤种采用抗腐蚀高温合金。
J. 采用烟气再循环。
K. 对受热面的设计布置合理，以避开高烟温区和高壁温区出现。
L. 对易腐蚀区加炉衬防护。
非表面防护法的共同之处在于，一定程度上可以减轻水冷壁的腐蚀，但并不能真正做到防腐。而且有些方法在实际运行中会因为各种原因而不能有效地实施，甚至个别方法还存在争议，如炉衬防护，不但影响燃烧室吸热能力，还会使腐蚀复杂化。
对受腐蚀构件表面覆盖耐腐蚀的隔离层，是最直接有效的防腐措施，属于高温腐蚀的表面防护方法，主要有：
(1)涂刷法：涂刷的涂层塑性、热膨胀性等不能适应锅炉内环境置，使用中易产生脱层，难于实际应用。
(2)电镀、热渗镀：镀层的覆盖性及结合度较好，但受工件尺寸限制，镀件在现场拼焊中镀层也会出现薄弱环节，降低使用性能，无法进行再次防腐。
(3)热喷涂：适合现场操作，涂层材料选择范围宽，组合方式多，能提供多种性能涂层，对水冷壁的未防护部分进行追加防护，已防护部分进行再次防护。超音速电弧喷涂技术利用了流体力学中的“拉瓦尔原理”，使喷涂时的粒子速度真正超过了音速。与普通电弧喷涂和火焰喷涂比较存在以下技术优点：1）热效率高。电弧喷涂是直接用电能转化为热能来熔化丝材，热能利用率高达70－80%。2）生产效率高。电弧喷涂的生产效率高，表现在单位时间内喷涂的金属丝材多。一般情况下，其生产效率是火焰喷涂的8倍以上。3）操作简单，安全可靠。电弧喷涂设备没有复杂的操纵机构，仅使用电能和压缩空气，不用氧气和乙炔等易燃气体，安全可靠。4）涂層结合强度高。电弧喷涂可在不提高工作温度，不使用贵重金属的条件下获得较高的结合强度，一般可达20MPa,是火焰喷涂涂层强度的2.5倍。而超音速电弧喷涂涂层的结合强度可达60MPa，与等离子的质量接近。 5）涂层孔隙率低。涂层表面的孔隙率普遍低于1%，提高了涂层的耐磨耐蚀性能。
四、超音速电弧喷涂45CT合金的应用
我厂技术人员经过对水冷壁的防高温腐蚀和磨损各种方法综合考虑，选择了热喷涂技术。2001年2号炉小修、2002年1号炉大修及2号炉小修期间对我厂1号、2号炉喷口附近高温腐蚀水冷壁进行了防腐耐磨超音速电弧喷涂。
对于水冷壁防高温腐蚀和磨损喷涂，元宝山电厂1号、2号炉采用的喷涂材料是自发放热型材料45CT。喷涂层材料的膨胀系数与水冷壁管材料接近，具有抗腐蚀、抗氧化、耐高温、延展性好、抗冲蚀能力强且价格便宜等特点，涂层厚度0.8～1.0mm。喷涂工艺如下：
A.喷砂打磨： 喷涂前对水冷壁表面进行清洗，达到清洁和毛化要求。喷砂后，基体表面粗糙度达到 Rz40～80um。我们选择棕刚玉和冷硬铸铁砂等符合有关规定的磨料进行打磨，磨料有棱角，清洁、干燥、没有油污、可溶性盐的游离物和长石，达到提高喷涂结合强度的目的。
B.防腐蚀喷涂：使用超音速电弧喷涂技术对水冷壁进行喷涂，喷涂材料为专用 45CT，喷涂厚度0.8～1.0mm。喷涂表面达到均匀、致密。喷砂后12小时内进行水冷壁喷涂作业。
C. 后处理：
喷涂后，在涂层表面加封孔剂，避免腐蚀物质通过涂层的孔隙渗入腐蚀母材，或间接减少防腐涂层的有效厚度。封孔剂选择有机硅加铝粉，采用喷涂方法覆盖在涂层上面。
D. 现场检测：
喷涂完成后，外观检查涂层表面致密、均匀、颗粒细小，无起皮、鼓泡、大溶滴、裂纹、掉块及其他影响涂层使用的缺陷。使用美国MX—3测厚仪进行现场实测，厚度达到要求。
五、喷涂效果分析
1、喷涂后检测情况：
a涂层测厚执行GB11374-89热喷涂厚度的无损检测方法。
b80%以上的被检测点厚度在0.25～0.45mm范围内。
c孔隙率<2%。
d氧化率在5～15%范围内。
e结合强度>630Kg/cm2。
f宏观硬度为55～60HRC。
2、运行后的涂层检测
我厂1号、2号炉经超音速电弧喷涂45CT涂层的水冷壁管，外观检查，涂层完好，未见裂纹、起皮、脱落等任何宏观缺陷，也未因腐蚀原因造成爆管。在2006年（喷涂最早位置已运行5年）的机组等级检修中，对喷涂位置的水冷壁进行检查发现涂层较完整，与基体结合良好，结合部位未发现明显缺陷。
3、应用
借鉴1号、2号锅炉喷口水冷壁电弧喷涂技术的成功经验，2006年我厂机组检修期间分别对2号、3号斜坡水冷壁检修大量使用热喷涂膜式壁，以增加斜坡水冷壁的防护性能。2013年2号机组优化升级改造期间，我厂对改造后的斜坡水冷壁同样采用了热喷涂技术。
六、结束语
水冷壁管运行的可靠性，关系到电厂机组安全运行，但运行中水冷壁不可避免地存在腐蚀、冲蚀（磨损）现象，使其有效承载能力下降、安全性降低。超音速电弧喷涂涂层能对水冷壁管表面实施有效保护，减少或避免非计划停炉，降低运行成本，直接经济效益和间接经济效益都很高，有极大的开发利用价值。
参考文献：
[1]《电弧喷涂技术的发展与应用》 作者：清华大学精仪系 张秀会 索双富 华北石油管理局 齐春影 汤华军
[2] 姜求志王金瑞．火力发电厂金属材料手册[M]
关键词：电弧喷涂；高温腐蚀和磨损；水冷壁
中图分类号：U472.44文献标识码： A
一、引言
锅炉水冷壁管高温腐蚀和磨损是火力发电厂普遍存在的问题，它的直接危害表现在以下两个方面：
(1)使管壁减薄，据统计一般每年减薄量约为1mm 左右，严重的可达5～6mm/年，形成安全运行的严重隐患。
(2)发生水冷壁突发性爆管事故，造成紧急停炉抢修，直接影响企业效益，同时也干扰了地区电网的正常调度。
机组运行期间，由于燃烧煤中硫及其它有害杂质的存在，在高温下对水冷壁构成腐蚀。元宝山电厂1号、2号炉喷口、燃烧器附近区域水冷壁存在高温腐蚀，腐蚀坑点密布在管壁向火侧，腐蚀坑点直径一般在φ0.5-φ2mm,直径最大者达φ3mm，坑点最深达0.35mm。同时，煤燃烧时产生的大量灰粉，在锅炉内部燃烧的复杂动态过程中，猛烈撞击水冷壁，对水冷壁工作面产生严重切削，使水冷壁管工作面被磨损成不同程度的小平台，造成水冷壁壁厚的实际减薄，容易导致水冷壁管在高温下爆管，其危害作用同高温腐蚀一样严重，在我厂尤其以四台锅炉斜坡水冷壁表现的更为严重。此前我厂一直采取在受热面加装防磨瓦的方法，虽然起到了防磨作用，但同时明显地降低了受热面的换热效果，增加了排烟热损失，降低了锅炉效率。
二、水冷壁管高温腐蚀和磨损的机理。
水冷壁管高温腐蚀和磨损的机理是很复杂的，主要有以下三点：
①高温氧化作用 炉温高达1700℃以上，高温气体直接与锅炉管发生高温氧化，致使管壁经受化学腐蚀而损坏。
②燃料中硫的作用燃料中硫经高温作用而产生各种硫化物，其中烟气中的硫化氢与管壁金属反应，灰尘中不可燃的硫生成硫酸盐，又经分解而生成三氧化硫，后者又与氧化铁产生腐蚀。
③烟气与灰粉颗粒的冲蚀包括有硫化氢、二氧化硫、氮气的高温炉烟，以及含有二氧化硅、氧化铁和氧化铝等成份的灰粉颗粒，在高温下高速在炉内飞行，与管壁产生强烈冲击而造成冲蚀磨损。
三、防止水冷壁高温腐蚀和磨损的措施
我厂为减少水冷壁爆管，投入了大量人力、物力，加强对水冷壁的监测和更换，但未取得任何实质性的效果，换管则大大增加生产成本和维修费用。只有防患于未然才是最好的办法。分析清楚了水冷壁高温腐蚀的产生原因，就可采用有效的方法来进行防止，常用方法可以分为两类，即非表面防护方法和表面防护方法。非表面防护方法有：
A. 采用低氧燃烧技术。
B. 尽可能使各燃烧间的煤粉浓度均匀。
C. 合理的配风及强化炉内的湍流混合。
D. 控制适当的煤粉细度。
E. 避免出现受热面壁温局部过热。
F. 在壁面附近喷空气保护膜。
G. 加添加剂。
H. 控制合理的炉膛出口烟温。
I. 对易产生高温腐蚀的煤种采用抗腐蚀高温合金。
J. 采用烟气再循环。
K. 对受热面的设计布置合理，以避开高烟温区和高壁温区出现。
L. 对易腐蚀区加炉衬防护。
非表面防护法的共同之处在于，一定程度上可以减轻水冷壁的腐蚀，但并不能真正做到防腐。而且有些方法在实际运行中会因为各种原因而不能有效地实施，甚至个别方法还存在争议，如炉衬防护，不但影响燃烧室吸热能力，还会使腐蚀复杂化。
对受腐蚀构件表面覆盖耐腐蚀的隔离层，是最直接有效的防腐措施，属于高温腐蚀的表面防护方法，主要有：
(1)涂刷法：涂刷的涂层塑性、热膨胀性等不能适应锅炉内环境置，使用中易产生脱层，难于实际应用。
(2)电镀、热渗镀：镀层的覆盖性及结合度较好，但受工件尺寸限制，镀件在现场拼焊中镀层也会出现薄弱环节，降低使用性能，无法进行再次防腐。
(3)热喷涂：适合现场操作，涂层材料选择范围宽，组合方式多，能提供多种性能涂层，对水冷壁的未防护部分进行追加防护，已防护部分进行再次防护。超音速电弧喷涂技术利用了流体力学中的“拉瓦尔原理”，使喷涂时的粒子速度真正超过了音速。与普通电弧喷涂和火焰喷涂比较存在以下技术优点：1）热效率高。电弧喷涂是直接用电能转化为热能来熔化丝材，热能利用率高达70－80%。2）生产效率高。电弧喷涂的生产效率高，表现在单位时间内喷涂的金属丝材多。一般情况下，其生产效率是火焰喷涂的8倍以上。3）操作简单，安全可靠。电弧喷涂设备没有复杂的操纵机构，仅使用电能和压缩空气，不用氧气和乙炔等易燃气体，安全可靠。4）涂層结合强度高。电弧喷涂可在不提高工作温度，不使用贵重金属的条件下获得较高的结合强度，一般可达20MPa,是火焰喷涂涂层强度的2.5倍。而超音速电弧喷涂涂层的结合强度可达60MPa，与等离子的质量接近。 5）涂层孔隙率低。涂层表面的孔隙率普遍低于1%，提高了涂层的耐磨耐蚀性能。
四、超音速电弧喷涂45CT合金的应用
我厂技术人员经过对水冷壁的防高温腐蚀和磨损各种方法综合考虑，选择了热喷涂技术。2001年2号炉小修、2002年1号炉大修及2号炉小修期间对我厂1号、2号炉喷口附近高温腐蚀水冷壁进行了防腐耐磨超音速电弧喷涂。
对于水冷壁防高温腐蚀和磨损喷涂，元宝山电厂1号、2号炉采用的喷涂材料是自发放热型材料45CT。喷涂层材料的膨胀系数与水冷壁管材料接近，具有抗腐蚀、抗氧化、耐高温、延展性好、抗冲蚀能力强且价格便宜等特点，涂层厚度0.8～1.0mm。喷涂工艺如下：
A.喷砂打磨： 喷涂前对水冷壁表面进行清洗，达到清洁和毛化要求。喷砂后，基体表面粗糙度达到 Rz40～80um。我们选择棕刚玉和冷硬铸铁砂等符合有关规定的磨料进行打磨，磨料有棱角，清洁、干燥、没有油污、可溶性盐的游离物和长石，达到提高喷涂结合强度的目的。
B.防腐蚀喷涂：使用超音速电弧喷涂技术对水冷壁进行喷涂，喷涂材料为专用 45CT，喷涂厚度0.8～1.0mm。喷涂表面达到均匀、致密。喷砂后12小时内进行水冷壁喷涂作业。
C. 后处理：
喷涂后，在涂层表面加封孔剂，避免腐蚀物质通过涂层的孔隙渗入腐蚀母材，或间接减少防腐涂层的有效厚度。封孔剂选择有机硅加铝粉，采用喷涂方法覆盖在涂层上面。
D. 现场检测：
喷涂完成后，外观检查涂层表面致密、均匀、颗粒细小，无起皮、鼓泡、大溶滴、裂纹、掉块及其他影响涂层使用的缺陷。使用美国MX—3测厚仪进行现场实测，厚度达到要求。
五、喷涂效果分析
1、喷涂后检测情况：
a涂层测厚执行GB11374-89热喷涂厚度的无损检测方法。
b80%以上的被检测点厚度在0.25～0.45mm范围内。
c孔隙率<2%。
d氧化率在5～15%范围内。
e结合强度>630Kg/cm2。
f宏观硬度为55～60HRC。
2、运行后的涂层检测
我厂1号、2号炉经超音速电弧喷涂45CT涂层的水冷壁管，外观检查，涂层完好，未见裂纹、起皮、脱落等任何宏观缺陷，也未因腐蚀原因造成爆管。在2006年（喷涂最早位置已运行5年）的机组等级检修中，对喷涂位置的水冷壁进行检查发现涂层较完整，与基体结合良好，结合部位未发现明显缺陷。
3、应用
借鉴1号、2号锅炉喷口水冷壁电弧喷涂技术的成功经验，2006年我厂机组检修期间分别对2号、3号斜坡水冷壁检修大量使用热喷涂膜式壁，以增加斜坡水冷壁的防护性能。2013年2号机组优化升级改造期间，我厂对改造后的斜坡水冷壁同样采用了热喷涂技术。
六、结束语
水冷壁管运行的可靠性，关系到电厂机组安全运行，但运行中水冷壁不可避免地存在腐蚀、冲蚀（磨损）现象，使其有效承载能力下降、安全性降低。超音速电弧喷涂涂层能对水冷壁管表面实施有效保护，减少或避免非计划停炉，降低运行成本，直接经济效益和间接经济效益都很高，有极大的开发利用价值。
参考文献：
[1]《电弧喷涂技术的发展与应用》 作者：清华大学精仪系 张秀会 索双富 华北石油管理局 齐春影 汤华军
[2] 姜求志王金瑞．火力发电厂金属材料手册[M]