锅炉受热面管GF系列复合防护涂层的研究及应用驱动IC

锅炉受热面管GF系列复合防护涂层的研究及应用

锅炉受热面管GF系列复合防护涂层的研究及应用武汉大学化学与分子科学学院(武汉 430072) 罗立新 章应霖 林万新摘要：本文论述了一种能在锅炉炉管光滑表面表面进行涂覆并有效保护炉管腐蚀的涂料的设计和应用。该涂料应用了当今流行的凝胶和超微粉技术，综合性能优秀。关键词：防护涂层 锅炉炉管 火力发电厂水冷壁管，过热器管，再热器管，省煤器管(简称锅炉四管)的爆破泄漏是导致非计划停炉的重要原因之一okmart.com。爆管的原因有材质不良、局部超温、磨损、腐蚀、焊接缺陷等方面，根据统计由磨损造成爆管事故的比例占四管爆管率的28.7~45.3%。对某些型号的锅炉，其省煤器管经18000小时运行后，其迎风面被磨损成薄到原来厚度的1/5。 目前我国电厂现场施工中曾使用的方法有：1，采用防磨瓦，此法防磨效果良好,但由于烟气温度尚高，许多部位仍采用合金钢，甚至高Ni-Cr合金钢来保护低碳低合金管材，不仅成本较高，还耗工时,降低热效率。2，热喷涂，合理的涂层也可取得良好的防磨效果，但被涂管材不仅受热变形而且表面处理要求较高，工艺复杂，成本也较高。3，固敷耐火磨料，即在管表面捆轧金属网，然后以金属网为骨架加填耐磨物料。此法一方面不能确保固覆层与管材的牢固结合，可能在运行中剥落；另外，由于其固覆层很厚（达数毫米），严重影响热效率。 我们的工作就是利用近年来在粘接技术基础上发展起来的粘涂技术和超微粒子技术，开发一种适应锅炉高温抗磨的陶瓷-金属复合粘涂材料及其相应工艺，可能会既有效地达到防磨目的，又能避免上述诸方法的缺点。 本项目研制的涂料应达到的下列目标：1，粘涂层能在600℃高温长期工作， 其化学和物理性能稳定。2，粘涂层能经受600℃至室温的反复加热冷却的热冲击疲劳试验。3，涂层应具有与钢相当或更高的抗磨能力。4，粘涂层应致密，防止高温气氛渗入涂层，使钢基体氧化和腐蚀。5，粘涂工艺应简单，现场可行。6，粘涂过程对环境无污染无毒，成本不高。 也就是要研制出一种成本不高，工艺较简单的高温抗磨粘涂层。 二，用表面粘涂技术对受热面管进行防护需解决的技术问题2．1．表面粘涂技术的现状：表面粘涂技术是指将添加填料的复合胶粘剂涂敷于处理好的零件表面，以赋予零件特殊功能的一种表面技术。它是近年来发展起来的一项非常重要的表面修复和强化技术。粘涂作为粘接技术的发展，具有粘接技术的大部分优点，应力分布均匀，容易做到密封、耐蚀、导电等。作为一种表面修复和强化技术，与堆焊、电镀、电刷镀、热喷涂相比，粘涂工艺简单，不需专门设备，只需将配好的胶涂覆于处理好的零件表面并固化后即可，一般在室温操作，不会使零件产生热影响区和变形。这种技术可根据需要是零件表面获得耐磨、防腐、绝缘、导电等功能。2．2．受热面管的工况特点1，受热面管为炉膛内平行排列的数量众多的排管。管表面受高温烟气流长期冲刷，省煤器的烟气温度一般为600℃以下，烟气流速可达十余米/秒 。2，锅炉运行有周期性，停炉时，管温将降至室温，管表面将经受大气和残留烟气的侵蚀。 由此，涂层的工作条件为：1），600℃高温下烟灰冲刷磨损；2），600℃至室温反复的热疲劳；3），大气和烟气的硫腐蚀。涂敷工程的特点为：1，现场炉内作业；2，管表面状态比较复杂，新管表面有防护层，旧管表面则存在锈，污，灰，以及氧化层；3，工作量大； 4，涂层必须在运行前形成并硬化，随后在运行升温过程中无同素异形转变，即不发生体积等物理性能的突变。2．3．需要解决的技术问题1），无论是热喷涂还是现行的粘涂技术，为了获得结合牢固的涂层，都不仅要求对被涂工件表面做认真的清理，去净油、污，而且还要求表面达到一定的毛糙程度，为此常需要进行喷砂、电火花打毛等作业。为此，本项目要求研制的涂料能允许在悠扬画皮膜的光滑表面上涂覆，并形成结合强度足够的涂层。2），通常耐高温的材料都需要在相当高的温度下才能成形，锅炉现场涂覆难以满足这一要求。因此，本项目涂料必须能在常温或较低温度下自硬化并定形。3），省煤器管外壁最高温度可达600℃，停运时管温降至室温，其升降温的温差接近600℃。为防止涂层与管壁之间在热胀冷缩时产生国大的剪切应力以及其反复作用而导致涂层剥落，要求涂料的线膨胀系数必须和工件相匹配。4），足够的抗磨性，抵御烟气流的冲蚀磨损，延长炉管的使用寿命；5），足够的致密性，抵御腐蚀性气体渗入，抗腐蚀。3，涂层的设计3．1．涂层基本原料的选择原则 涂层原料应具有一定的化学和物理活性，但一旦生成涂层后其物理和化学特性应充分稳定并对酸性气氛有较高抵抗能力。在物理特性方面，更应考虑其线膨胀系数、硬度和高温无同素异性转变等，据此，下列物质可作为待选原料：SiO2,Al2O3,ZrO2,SiC,TiO2,SiN,TiC,BC以及铁合金粉末，即以 Si, Al, Ti ，Zr的氧化，氮化，碳化物及铁合金粉为原料。3．2．粘合剂的作用，种类。粘合剂一般有粘料、固化剂和具有一定特性（耐磨、抗蚀、导热等）的填料（又称特殊填料）及辅助材料组成。粘料满足以下条件：1，对被覆基体及填料有较高的结合强度，２，固化物应具有较高的机械强度及优良的耐化学和抗老化性能，稳定性要高。３，固化物收缩率要小。固化剂的要求为：１，固化物硬度高，耐磨性好。２，最好能在室温固化，固化时间短。可选用的固化剂主要为：缩合磷酸铝、氧化镁、氧化锌、氟硅酸钠等。特殊填料的要求为：１，填料应是中性的，与粘料亲和性好，对液体及气体无吸附性或很少有吸附性。２，要有足够的耐热性和一定的纯度。３，要求离子分散性好，不宜沉降。为有效控制涂层性能，在特殊填料的选择上我们以现有粘涂基料为基础，选择对其进行特种方式处理加以改性，提高其综合性能。3.3. 涂层的设计涂层以来源最广的SiO2、Al2O3为基体，以Ti、Zr的氧化物，Si、Ti、B的碳化物和氮化物为添加料作为甲组分。在选择添加料时充分考虑它们的硬度、导热、膨胀系数等综合性能。高分子硅酸盐形成空间立体结构在添加的氧化物、碳化物、氮化物的填充下可获得较高的强度，故选它为粘料，为乙组分。通过试涂时的涂敷工艺性能确定甲乙两组分的比例。而涂层的成分通过涂层工艺实验和涂层性能考核实验来确定。此外，对基体材料的添加料的形状方面，除了常规的颗粒装外，还选用部分鳞片状微粒，使物料间有更大的接触面积，利于提高涂层强度。4。 涂层的配制及性能测试 设计并经工艺调试确定的粘涂剂，以2克固体基料：1毫升液体粘结剂的比例混合搅拌均匀，就可直接用毛刷在室温下涂刷底层，自然固化24小时，再涂表面层，自然固化24小时。炉管试样要求无浮灰无油垢，可为带氧化皮的光滑钢管。每层涂覆的厚度应控制在0.2mm左右。经650℃30分钟的保温后，出炉自然冷却，所有测试的涂层试样都是在上述工艺条件下完成的。4．1．涂层的抗磨性能试验磨损试验数据表明：20G钢样每10小时磨损后平均单位面积失重μ=0.0113克/cm2，其标准偏差为σ=0.00701。但涂层试样经过15小时磨损试验后，试样重量不仅没有减少反而有所增加。对此现象曾假设是否由于涂层吸水引起，为此将所有磨损后涂层试样在120℃烘箱中干燥30分钟，再进行称重，结果基本未变，仍大于磨损前的重量。通过对试样的观察，可以发现，涂层表面发黑。涂层试样增重的现象可以理解为：在磨损试验中，涂层未被明显磨损，而磨料的细小碎粒却有一定程度的吸附到涂层上去所造成的。4．2．涂层的耐温和耐热冲击试验耐温及耐热冲击试验说明，涂层能经受700℃高温加热冷却累积10次以上的冲击循环。在700℃温度下累计5小时，650℃下累积132小时钢管无氧化痕迹，说明涂层不仅具有足够的耐700℃高温和耐热冲击性，而且有足够的防氧化能力。4．3．涂层的剪切强度和硬度为定量地衡量涂层与钢材表面的结合强度采用LOSENHAUSENWERK 10000kg 万能试验机测定其平板剪切强度。9个涂层试样的结合强度为2.3~4.5MPa(23~45kgf/cm2)，平均值为3.11MPa。与大部分无机粘接剂的平板剪切强度1.3~3MPa相比，涂层的结合强度达到或高于它们的上限值。依据国标GB10297-88试验规程测得涂层莫氏硬度为 5级 。与5级莫氏硬度对应的Hv为536，相当于结构钢Hv的两倍多。4．4．涂层的导热系数测试按国标GB10297-88检测要求，将涂层试样制成140×50×4mm的矩形试样进行检测。测得涂层导热系数为：0.096W/cm·K。4．5．涂层耐酸性能和耐渗性 将粘涂剂涂布于U形管上，固化，管口上方用环氧树脂封堵，以免酸气腐蚀钢管内壁。U形管置于恒温80℃的5%H2SO4溶液中，200小时后，H2SO4溶液中未检出Fe2+离子，涂层完好。它进一步说明了涂层对酸溶液的稳定性，也进一步说明了涂层是致密的，能防止酸液的快速渗入腐蚀钢基体。5. 应用5.1 1998年6月涂层在河南S电厂300MW锅炉省煤器管（Φ60×3.5,20G钢）上涂覆后运行8个月，涂层完好，无脱落，未见磨损痕迹。5.2 1998年10月涂层在河南X电厂200MW锅炉再热器钢管（Φ42×3.5,15CrMo钢管)和300MW锅炉省煤器（Φ60×3.5，20g钢管）上涂覆后，经过8个月运行后检查，涂层不仅完整无损，涂层的刷涂痕迹仍清晰可见，无被磨损的痕迹。5.3 1999年2月涂层在湖南Z电厂125MW锅炉大面积施工，经6个月运行后检查，各处涂层状况良好，涂层无磨损痕迹。6．结论6．1适当碱度的无机高分子溶胶，配合一定的高表面活度的超微Zn,Mg,Ti,Al及其氧化物粉末能与钢管表面的FeO和Fe反应，生成复合无机盐，形成牢固的涂层。6．2 ZnO,MgO,缩合磷酸盐等的添加共同促进了溶胶的胶凝过程，达到了在常温下形成坚固的由网状大分子结构，实现常温固化。6．3 含有超微颗粒的基料，不仅确保了完成与FeO和溶胶形成复合无机盐所要求的化学活性，也确保了涂层的致密性，有效

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