电厂锅炉受热面管防护涂层的性能研究

电厂锅炉受热面管防护涂层的性能研究胡军志，杨克强，陶和平，张铁明中国电能成套设备有限公司，北京鼓楼外大街26号，100011PerformanceResearchofanArcSprayingCoatingforProtectingBoilerTubeinPulverizedCoalFiredPowerStationHuJun-zhi,YangKe-qiang,TaoHe-ping,ZhangTie-minChinaPowerCompleteEquipmentCo.,LTD,No.26GulouwaidaStreet,Beijing,China,100011ABSTRACT:Inordertoprotectboilertubeofthepulverizedcoalfiredpowerstation,anovelcoredwireforproducingFeCrAl/WCintermetalliccoatingbyarcsprayingwasdeveloped.Thepaperresearchedsomeperformancesofthecoatingsuchasmicroscopicstructure,phasecomposition,processingproperty,mechanicalpropertyatroomtemperature,corrosiveanderosivewastageathightemperature.Theresultsindicatedthatthecoatingexhibitedtypicalcharacteroflayerstructure.ThecoatingwascomposedofFeCr(about84%),WCandW2C(about16%),(FeCr)2O3andAl2O3(little).Thebondstrengthwas30.8MPa.Thecorrosiveanderosivewastageathightemperaturewasbetterthanthatof20Gwhichwasaboilertubematerial.Itwasalsoindicatedthatthecoatingwithexcellentperformancecouldbeusedtoprotecttheboilertubeinthepulverizedcoalfiredpowerstation.KEYWORDS:pulverizedcoalfiredpowerstation,boilertube,arcsprayingcoating,performance摘要：本文利用自行研制的FeCrAl/WC粉芯丝材，用高速电弧喷涂技术制备了用于火电厂锅炉四管防护的FeCrAl/WC涂层，并对涂层的显微组织及相组成、工艺性能及常温力学性能、抗高温腐蚀性能和抗高温冲蚀磨损性能等进行了研究。结果表明，涂层组织呈现出典型的层状结构特征，其相组成为84%的FeCr和16%的WC、W2C、少量的(FeCr)2O3及Al2O3，与基体的结合强度为30.8MPa，高温腐蚀和高温冲蚀磨损抗力均优于基体材料20G。这也表明具有优良综合性能的FeCrAl/WC涂层能够满足电厂燃煤锅炉管道的工况要求。关键词：火力发电厂；锅炉受热面管；防护涂层；性能1前言高温腐蚀和冲蚀磨损一直是导致火力发电厂锅炉四管（水冷壁管、过热器管、再热器管、省煤气管）爆管和泄露的主要原因之一。据有关资料统计[1-4]，锅炉四管常常因高温腐蚀和冲蚀磨损而导致减薄，这个速度一般约在1mm/年，严重的可达5～6mm/年，由此引发的“四管”爆裂事故在火力发电厂锅炉事故中占40%～60%。由此可见，锅炉“四管”的高温腐蚀和冲蚀磨损是严重影响锅炉安全运行的一个亟待解决的技术问题。因此，开发一种或几种抗高温腐蚀和冲蚀磨损的材料，改善锅炉管道对流受热面高温腐蚀和冲蚀磨损抗力，具有现实的工程意义。文中采用自行研制的FeCrAl基粉芯丝材，利用高速电弧喷涂技术[5]制备出FeCrAl/WC涂层，并对涂层的显微组织及相组成、工艺性能及常温力学性能、抗高温腐蚀性能和抗高温冲蚀磨损性能等进行研究，以考察该涂层是否满足电厂燃煤锅炉管道的工况条件和服役需要。2试验材料及试验方法2.1试验材料试验材料为自行研制的φ3mm的FeCrAl/WC粉芯丝材，材料成分见表1。利用高速电弧喷涂技术在20G基体上制备了0.5mm左右的涂层，对比材料为20G。表1FeCrAl/WC粉芯丝材化学含量Tab.1ChemicalcompositionsofFeCrAl/WCcoredwires(wt%)元素含量元素含量C1.0～4.5RE0.5～1.0Cr22.0～29.0Si≤0.03Al4.0～6.5Mn≤0.50Ni2.5～3.5Feremains2.2试验方法（1）涂层成分、显微组织和相结构测定利用CSM-950扫描电镜、TRACORNorthern型能谱仪和布鲁克D8-ADVANCEDX-衍射仪分析了涂层的显微组织、成分及相结构。（2）涂层的工艺性能和常温力学性能试验利用OLYMPUSPMG3金相显微镜和ISA4图像分析系统测量涂层中硬质相、氧化物含量及孔隙率。采用称重法、拉伸法分别对涂层的密度、结合强度进行测量，利用ПМТ－3型显微硬度计测定了涂层的显微硬度。（3）涂层的抗高温腐蚀试验腐蚀介质是摩尔比为7：3的Na2S2O7+K2S2O7饱和水溶液，并刷涂于试件表面上，刷涂盐膜量达2.0-3.0mg/cm2,烘干、称重。刷涂后的试件置于650℃的箱式电阻炉中保温，然后取出冷却称重；再涂盐、烘干、称重、腐蚀。每次腐蚀增重数据按式（1）处理。通过试验获得腐蚀动力学曲线。ΔWi=[（Wi+2-Wi）/A]-[（Wi+1-Wi）/A]×0.6（1）式中：Wi—第i次腐蚀前试件称重Wi+1—第i次涂盐后的称重Wi+2—第i次腐蚀后称重A—试件的总的表面积0.6—扣除盐膜结晶水的系数。（4）涂层的抗高温冲蚀磨损试验在自制的GW/CS－MS型高温冲蚀磨损装置[6]上考察涂层的高温冲蚀性能，试验条件：大气环境，250m石英砂，磨粒速度62m/s，冲击角30°、60°和90，冲蚀时间75～90min，总砂量125～150g。3结果与讨论3.1涂层成分、显微组织和相结构图1为FeCrAl/WC涂层截面组织。由图所知，整个涂层组织呈现层状特征，涂层与基体界面结合良好，不规则颗粒状WC硬质相分布在基体上，黑色颗粒状或膜状氧化物分布在扁平颗粒之间。涂层的高倍SEM分析和能谱微区成分分析（见图2）表明，白亮色颗粒为WC硬质相，边缘亮而中间发暗的颗粒为Al2O3。结合X-Ray分析（见图3），FeCrAl/WC涂层的相组成为：FeCr的质量分数约为84%，WC、W2C及少量的(FeCr)2O3和Al2O3的质量分数约为16%。CPSOAlWCrFeNiCrFeFeCWNi图2FeCrAl/WC涂层的能谱图Fig.2EDSofFeCrAl/WCcoatingENERGY(keV)substatesubsurfacecoating图1FeCrAl/WC涂层的组织结构Fig.1StructureofFeCrAl/WCcoating3.2涂层的工艺性能和常温力学性能FeCrAl/WC涂层工艺性能和常温力学性能见表2。由表可见，涂层致密度高、孔隙率低、氧化物质量分数高。涂层与基体的结合强度高，这主要是由于在Fe­Al合金中加入Cr，可以有效地提高其室温塑性,从而使涂层与界面的结合优异。表2FeCrAl/WC涂层性能Tab.2PropertiesofFeCrAl/WCcoating结合强度/MPa30.8显微硬度/HV330.9密度/Kg.m-35470硬质相及氧化物含量wt/%15.65孔隙率/%1.463.3涂层的抗高温腐蚀性能图4为涂层和基体材料20G在650℃下的热腐蚀曲线。由图可知，在经过30小时650℃高温腐蚀后，基体材料20G的腐蚀速度较高。80小时后其总增重已超过了17mg·cm-2。动力学曲线在30小时后呈直线规律且斜率非常大，腐蚀以较高的恒速进行，说明腐蚀产物层毫无保护性，在腐蚀过程中，观察到产物层大片剥落。FeCrAl/WC涂层的腐蚀动力学曲线大体呈抛物线规律，腐蚀初期增重很快，约10小时后腐蚀速度降低，进入稳定腐蚀阶段，即在测量范围内呈直线规律，且斜率不大。从图中还可以看出，FeCrAl/WC涂层的腐蚀增重量小于20G，80小时腐蚀后，20G的腐蚀增重为FeCrAl/WC涂层的2.1倍。这表明，涂层的抗高温腐蚀性能较好。3.4涂层的抗高温冲蚀磨损性能图5为650℃高温条件下，涂层与基体材料20G的稳态冲蚀率与磨粒攻角的关系曲线。由图可知，基体材料20G在60°攻角下的冲蚀磨损率最大，而FeCrAl/WC涂层的冲蚀率随攻角增加略呈下降趋势，其冲蚀率对攻角的变化不太敏感，表明较高温度冲蚀条件下FeCrAl/WC涂层具有良好的全攻角冲蚀磨损抗力。同时，从图中还可以看出，FeCrAl/WC涂层的抗冲蚀磨损能力均高于20G。4结论（1）FeCrAl/WC涂层组织呈现出典型的层状结构特征，其相组成为：FeCr的质量分数约为84%，WC、W2C及少量的(FeCr)2O3和Al2O3的质量分数约为16%。（2）FeCrAl/WC涂层有较好的腐蚀抗力，其腐蚀增重量小于20G，80小时腐蚀后，20G的腐蚀增重为涂层的2.1倍。（3）FeCrAl/WC涂层的结合强度为30.8MPa，具有优异的综合工艺性能和常温力学性能。（4）FeCrAl/WC涂层的高温冲蚀抗力高于20G，在较高温度冲蚀条件下具有良好的全攻角冲蚀磨损抗力。（5）FeCrAl/WC涂层具有优良的综合性能，能够满足电厂燃煤锅炉管道的工况要求。参考文献【1】刘凯琳，胡安民，陶载澜，等。锅炉管道高温腐蚀防护技术的现状与发展。材料导报，2007,z2:185～188【2】刘鹏飞,陶凯,周香林,张济山。锅炉四管用耐磨耐蚀涂层研2/()图3FeCrAl/WC图层的XRD图Fig.3XRDofFeCrAl/WCcoating●FeCr△(FeCr)2O3■WC□W2C图4FeCrAl/WC和20G在650℃下的热腐蚀率Fig.4HotcorrosionratioofFeCrAl/WCcoatingand20Gwith650℃腐蚀率/mg·cm-1时间图5FeCrAl/WC涂层和20G在不同角度下的冲蚀率Fig.5ErosionrateofFeCrAl/WCcoatingand20Gwithimpactangles冲蚀率/mg·g-1冲蚀角度/°FeCrAl/WC20G究进展。表面技术，2007,36（01）:75～78【3】徐滨士,马世宁等.几种电弧喷涂涂层抗热腐蚀性能研究.中国表面工程,1998,11(2):14～19【4】电力监督委员会。2003年发电设备运行可靠性报告。【5】徐滨士，梁秀兵，马世宁等.新型高速电弧喷涂枪的开发研究[J].中国表面工程，1998，11（3）：16～19【6】田保红.(博士论文)高速电弧喷涂Fe3Al/WC复合涂层高温冲蚀行为研究.2000作者简介：胡军志（1975年生），男，湖南双峰人，博士，高级工程师，现从事设备监造工作。联系电话：[phone]or010-84118356-8855E-mail:[e-mail]