循环流化床锅炉炉内受热面磨损问题研究

　　摘  要：循环流化床（CFB）燃烧技术以其优良的性能、低污染燃烧特性成为当今世界先进可靠的洁净燃煤技术之一。本文介绍了循环流化床锅炉炉内水冷壁管磨损机理以及水冷壁磨损的原因，最后对水冷壁管防磨措施进行了探讨。
　　关键词：循环流化床；水冷壁；磨损机理；防范措施
　　
　　1 炉内受热面的磨损机理
　　磨损是机器最常见也是最大量的一种失效方式。凡两个相互接触或相对运动的表面都不免要发生摩擦，有磨擦即有磨损发生。由于磨损的复杂性，目前世界上还没有一个统一的分类方法，基于对不同条件的考虑，各地各学者有不同的分类方法，比较一致的看法是根据磨损方式将磨损分为以下几类，即：粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、磨料磨损、微动磨损等。1971年美国矿山机械行业建议把磨料磨损重新划分为七类：纯净流体冲蚀、撞击冲蚀、冲蚀磨损、切削磨料磨损、高应力研磨、凿削磨料磨损、冲刷腐蚀磨损。研究表明，锅炉水冷壁管的磨损失效机理是固体物料的冲蚀磨损、高温氧化和热腐蚀的综合作用。由于循环流化床炉内温度水平受脱硫最佳温度限制，一般在850℃左右，最高不超过930℃，这样的温度远低于煤粉炉中的温度水平，并低于一般煤的灰熔点。因此，与煤粉炉相比，循环流化床锅炉内结渣和碱金属析出现象要改善很多，而且由于固体物料冲蚀磨损速度相当快，因而循环流化床锅炉水冷壁管的失效机理以冲蚀磨损为主。
　　2 炉内受热面磨损原因分析
　　2.1 运行方面因素
　　2.1.1 长期超煤量、超负荷运行加剧炉内磨损。煤量的大小与热负荷、煤质及锅炉效率有关。一般同等负荷下的锅炉效率变化不大，而煤量仅与煤质相关。煤中灰分越大，其入炉煤量越大，炉内物料质量浓度越高，磨损越严重。
　　2.1.2 长期超床压运行会加剧炉内受热面的磨损。CFB锅炉的床压是炉内物料密度及高度的表征，床压越高，其密相层越高，密相区上移；床压越低，其密相层越低，密相区下移。当超过正常的床压运行范围时，会使密相层上移，加重炉膛上部受热面区域的磨损，当长期超床压运行时，磨损问题则会加重。
　　2.1.3 入炉煤的颗粒过粗，入炉煤质差，煤的硬度高等往往也是加剧磨损的运行因素之一。一般入炉燃料中含有大量SiO2、Al2O3、黄铁矿等矿物质，这些物质对炉壁的不断冲刷和撞击，造成磨损。入炉燃料的颗粒直径较小，细颗粒所占的比例较多时，受热面所受的磨损程度较小；随着颗粒直径增大、粗颗粒的比例增加，磨损率会随之加重。同时入炉燃料硬度对磨损也有影响，当颗粒硬度比被磨材料的硬度低时，磨损率较低，当硬度接近或高于被磨材料的硬度时，磨损率较高。
　　2.2 结构方面原因
　　炉内水冷壁受热面的磨损主要分为2种形式，一种是局部磨损，或称“点”磨损；另一种是区域性磨损，或称“面”磨损。
　　区域性磨损发生在炉内受热面的某个区域，如炉壁的四角、水冷壁的后墙、炉膛出口转向处水冷壁的迎风面、弯曲变形后的炉内管屏等。该类磨损的发生，多数也与结构有关。炉壁四角部位的物料质量浓度相对较高，相当于2个壁面物料质量浓度的叠加，同时流动状态易受到改变，导致该部位磨损较严重。由于部分CFB锅炉的返料口及进煤口均设置在炉膛后墙处，出口烟窗也在炉膛的后墙上部，而屏式受热面多处在偏向前墙的位置，使得炉膛后墙部位的物料质量浓度较前墙高，物料回流量大，造成了后墙炉壁冲刷磨损较重。炉内屏式受热面的磨损，一般是因管屏膨胀受阻引起了不规则变形后，使本来平直的管子变得弯曲，磨损基本就发生在管子弯曲的弓形部位，导致该区域的管壁较正常管子磨损率大。
　　局部磨损主要与结构有关。膜式炉壁及鳍片等部件的垂直度，光滑程度对磨损的影响是不同的，任何倾斜的管屏和壁面都将带来磨损。在炉壁上即使一个很小的凸台，微细颗粒也会形成反弹，造成该处炉壁磨损。根据现场经验，局部磨损大多发生在受热面穿墙管、弯管、开孔、浇筑料上部的水冷壁，以及不规则的水冷壁焊缝、焊瘤，急转弯等部位，这些均是形成局部磨损的祸根。此类磨损中有的是结构设计问题，有的是施工质量问题。
　　3 预防水冷壁磨损的措施
　　3.1 锅炉设计方面
　　3.1.1 在炉膛下部锥段区域即密相区水冷壁、炉膛至旋风分离器出口烟窗四周及相应的侧墙局部区域、前后墙水冷壁相交的顶部高灰浓度回流区，以及炉膛四面墙上的开孔区域均敷设TDP-1W型耐磨可塑料，耐磨材料采用高密度销钉固定，销钉单位面积数量达1200～1600颗/m2；销钉的材料均为耐高温不锈钢材料。
　　3.1.2 水冷蒸发屏和屏式过热器的布置方式为垂直布置，亦处于炉内高灰浓度区域，为减轻其磨损程度，在其下部穿墙及倾斜段采用销钉加上述耐磨材料的防磨方式。
　　3.1.3 炉内水冷壁弯管、让管区域如人孔、回料口、排渣口、热工测点、二次风口、管屏穿墙管等部位以及密相区与稀相区的交界过渡区域，均采用密焊销钉加耐磨材料的防磨结构，耐磨材料终结处附近一段区域内的管子上设置防磨盖板。
　　3.2 锅炉运行方面
　　为减缓炉内磨损，应禁止长期超床压运行，特别是燃用高灰分煤种时，需通过加大放渣数量和次数，控制床压在正常范围内；运行中尽量避免因某侧堵煤或给煤机发生故障后，长时间单侧给煤运行；上部二次风的配置要均衡，在不影响流化质量和床温控制的条件下，应尽量降低一次风流量，加大二次风流量。当某侧返料系统返料不正常时，应及时停炉，避免长时间偏烧；燃用高灰分煤种时，尽量不要长时间超床压，超设计煤量运行，以免增加炉内物料质量浓度，使磨损加剧；当水冷壁发生泄漏后，高速蒸汽流会携带大量固体颗粒冲刷其他管子，扩大磨损范围，因此，一旦发现水冷壁泄漏，应立即停炉处理，以免扩大故障范围。 [!--empirenews.page--]
　　3.3 热喷涂技术应用
　　金属表面喷涂能防止磨损和腐蚀有两个方面的原因：第一，涂层的硬度可能较基材的硬度更大；第二，涂层在高温下会生成致密、坚硬和化学稳定性更好的氧化层，且氧化层与其基体的结合更牢。其中后一种原因更为重要。
　　现在各循环流化床锅炉电厂普遍采用的是一种超音速电弧防磨喷涂技术。电弧喷涂具有喷涂速度高，涂层化学成分和硬质相含量易调整、沉积效率高等优点，尤其适宜于现场大面积耐磨部件的施工。电弧喷涂法以高温电弧为热源，将熔化了的高温金属丝材用高速气流雾化，并喷射到工件表面形成涂层。该项技术随着硫化床锅炉的大量推广而逐渐发展完善，它是在电弧喷涂的基础上加入了拉发尔喷嘴，并完善了控制系统和电源特性的一种喷涂方法。防磨喷丝在电弧枪中熔化的同时被高速气流带出。熔化的涂层粒子以超音速撞击金属表面，形成机械嵌合，速度越高，涂层越致密，嵌合力越大，结合强度也越高。从而在金属表面形成致密的防磨层，达到对水冷壁管的保护。
　　喷涂时最好选择耐磨性能较好、硬度较高且韧性较好的喷涂材料。目前国内比较先进的喷涂材料是LX88A超硬耐磨电弧喷涂材料。LX88A是针对高温环境中经受严重颗粒冲蚀和磨粒磨损兼有的工作表面，采用电弧喷涂工艺进行有效强化而设计的喷涂材料。该材料由陶瓷硬质相与塑性相相组成，月磨损量为0.1～0.3mm，可在循环流化床锅炉内经受3～4年的运行磨损。其主要理化指标是喷涂层厚度0.4～0.5mm；涂层的空隙率小于1%；涂层的洛氏硬度HRC大于45；涂层的结合强度大于50MPa；涂层的氧化层小于15%。在运行的多数循环流化床锅炉电厂中，实践证明该方法是目前解决燃烧室水冷壁防磨的技术含量较高、解决时间较短而且比较经济的方法。
　　3.4 水冷壁表面的检修
　　为了便于运输和安装，可将UG480/13.7-M超高压循环流化床锅炉水冷壁分为了上中下三部分，各部分之间的焊接和焊口之间鳍片的安装在现场由施工人员手工完成。在现场焊接过程中，管子和鳍片的焊口要尽量处理平整，避免造成局部的凸起，形成磨损。
　　
　　参考文献
　　[1]薛希群，循环流化床锅炉磨损分析及对策，电力自动化设备，2003.
　　[2]王少栋，循环流化床锅炉局部磨损及控制问题浅析，锅炉压力容器安全技术.2003.

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　　3.3 热喷涂技术应用
　　金属表面喷涂能防止磨损和腐蚀有两个方面的原因：第一，涂层的硬度可能较基材的硬度更大；第二，涂层在高温下会生成致密、坚硬和化学稳定性更好的氧化层，且氧化层与其基体的结合更牢。其中后一种原因更为重要。
　　现在各循环流化床锅炉电厂普遍采用的是一种超音速电弧防磨喷涂技术。电弧喷涂具有喷涂速度高，涂层化学成分和硬质相含量易调整、沉积效率高等优点，尤其适宜于现场大面积耐磨部件的施工。电弧喷涂法以高温电弧为热源，将熔化了的高温金属丝材用高速气流雾化，并喷射到工件表面形成涂层。该项技术随着硫化床锅炉的大量推广而逐渐发展完善，它是在电弧喷涂的基础上加入了拉发尔喷嘴，并完善了控制系统和电源特性的一种喷涂方法。防磨喷丝在电弧枪中熔化的同时被高速气流带出。熔化的涂层粒子以超音速撞击金属表面，形成机械嵌合，速度越高，涂层越致密，嵌合力越大，结合强度也越高。从而在金属表面形成致密的防磨层，达到对水冷壁管的保护。
　　喷涂时最好选择耐磨性能较好、硬度较高且韧性较好的喷涂材料。目前国内比较先进的喷涂材料是LX88A超硬耐磨电弧喷涂材料。LX88A是针对高温环境中经受严重颗粒冲蚀和磨粒磨损兼有的工作表面，采用电弧喷涂工艺进行有效强化而设计的喷涂材料。该材料由陶瓷硬质相与塑性相相组成，月磨损量为0.1～0.3mm，可在循环流化床锅炉内经受3～4年的运行磨损。其主要理化指标是喷涂层厚度0.4～0.5mm；涂层的空隙率小于1%；涂层的洛氏硬度HRC大于45；涂层的结合强度大于50MPa；涂层的氧化层小于15%。在运行的多数循环流化床锅炉电厂中，实践证明该方法是目前解决燃烧室水冷壁防磨的技术含量较高、解决时间较短而且比较经济的方法。
　　3.4 水冷壁表面的检修
　　为了便于运输和安装，可将UG480/13.7-M超高压循环流化床锅炉水冷壁分为了上中下三部分，各部分之间的焊接和焊口之间鳍片的安装在现场由施工人员手工完成。在现场焊接过程中，管子和鳍片的焊口要尽量处理平整，避免造成局部的凸起，形成磨损。
　　
　　参考文献
　　[1]薛希群，循环流化床锅炉磨损分析及对策，电力自动化设备，2003.
　　[2]王少栋，循环流化床锅炉局部磨损及控制问题浅析，锅炉压力容器安全技术.2003.

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　　3.3 热喷涂技术应用
　　金属表面喷涂能防止磨损和腐蚀有两个方面的原因：第一，涂层的硬度可能较基材的硬度更大；第二，涂层在高温下会生成致密、坚硬和化学稳定性更好的氧化层，且氧化层与其基体的结合更牢。其中后一种原因更为重要。
　　现在各循环流化床锅炉电厂普遍采用的是一种超音速电弧防磨喷涂技术。电弧喷涂具有喷涂速度高，涂层化学成分和硬质相含量易调整、沉积效率高等优点，尤其适宜于现场大面积耐磨部件的施工。电弧喷涂法以高温电弧为热源，将熔化了的高温金属丝材用高速气流雾化，并喷射到工件表面形成涂层。该项技术随着硫化床锅炉的大量推广而逐渐发展完善，它是在电弧喷涂的基础上加入了拉发尔喷嘴，并完善了控制系统和电源特性的一种喷涂方法。防磨喷丝在电弧枪中熔化的同时被高速气流带出。熔化的涂层粒子以超音速撞击金属表面，形成机械嵌合，速度越高，涂层越致密，嵌合力越大，结合强度也越高。从而在金属表面形成致密的防磨层，达到对水冷壁管的保护。
　　喷涂时最好选择耐磨性能较好、硬度较高且韧性较好的喷涂材料。目前国内比较先进的喷涂材料是LX88A超硬耐磨电弧喷涂材料。LX88A是针对高温环境中经受严重颗粒冲蚀和磨粒磨损兼有的工作表面，采用电弧喷涂工艺进行有效强化而设计的喷涂材料。该材料由陶瓷硬质相与塑性相相组成，月磨损量为0.1～0.3mm，可在循环流化床锅炉内经受3～4年的运行磨损。其主要理化指标是喷涂层厚度0.4～0.5mm；涂层的空隙率小于1%；涂层的洛氏硬度HRC大于45；涂层的结合强度大于50MPa；涂层的氧化层小于15%。在运行的多数循环流化床锅炉电厂中，实践证明该方法是目前解决燃烧室水冷壁防磨的技术含量较高、解决时间较短而且比较经济的方法。
　　3.4 水冷壁表面的检修
　　为了便于运输和安装，可将UG480/13.7-M超高压循环流化床锅炉水冷壁分为了上中下三部分，各部分之间的焊接和焊口之间鳍片的安装在现场由施工人员手工完成。在现场焊接过程中，管子和鳍片的焊口要尽量处理平整，避免造成局部的凸起，形成磨损。
　　
　　参考文献
　　[1]薛希群，循环流化床锅炉磨损分析及对策，电力自动化设备，2003.
　　[2]王少栋，循环流化床锅炉局部磨损及控制问题浅析，锅炉压力容器安全技术.2003.