邱質(zhì)彬， 王 杰， 李 澤， 袁 霖， 王 恒

（1.華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州3100 30；2.貴州華電桐梓發(fā)電有限公司，貴州5632 00）

0 引言

近年，高硫無煙煤已成為許多燃煤發(fā)電企業(yè)的選擇之一，高硫煤的使用給燃煤鍋爐帶來高溫腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)，特別對(duì)于燃用高硫煤的超臨界鍋爐情況更為嚴(yán)重，所以如何選擇合理的材料對(duì)鍋爐受熱面管進(jìn)行防護(hù)具有重要意義，以下主要針對(duì)NiCrTi涂層的高溫腐蝕性能在試驗(yàn)室與實(shí)際工況條件下進(jìn)行試驗(yàn)分析，確定該涂層是否能夠滿足燃用高硫煤超臨界鍋爐抗高溫腐蝕的要求，同時(shí)針對(duì)NiCrTi涂層厚度優(yōu)化選擇以及脫落機(jī)理進(jìn)行了分析，可為電廠在對(duì)受熱面管進(jìn)行NiCrTi涂層處理過程中提供參考。

1 試驗(yàn)材料

本文NiCrTi涂層采用Excalibur 2000超音速噴涂機(jī)制備，噴涂絲材型號(hào)為45 CT，試樣基體為20鋼，采用兩遍噴砂對(duì)基體進(jìn)行表面預(yù)處理，第一遍采用8目石英砂，第二遍采用16目棕剛玉，試驗(yàn)室試樣未進(jìn)行封孔處理，現(xiàn)場(chǎng)工況下試驗(yàn)的涂層采取了封孔措施，封孔劑型號(hào)為CT 2000高溫納米無機(jī)封孔劑。

2 高溫硫酸鹽腐蝕試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方法

根據(jù)高溫腐蝕的原理，硫酸鹽型腐蝕是鍋爐高溫腐蝕的主要形式[1]，所以本文采用高溫硫酸鹽腐蝕試驗(yàn)對(duì)涂層與基體進(jìn)行了測(cè)試。試驗(yàn)溫度選定為650℃；涂層完全覆蓋試樣表面；將摩爾比7∶3的N a2S O4與K2S O4飽和水溶液均勻涂到試樣表面，烘干后對(duì)試樣稱重，并置于650℃熱處理爐中進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，試樣在保溫到預(yù)定時(shí)間后取出，待冷卻后重新稱重，然后再涂鹽、烘干、稱重、腐蝕。腐蝕增重的數(shù)據(jù)按以下公式進(jìn)行處理。腐蝕時(shí)間共計(jì)為200 h，每20 h左右進(jìn)行一次試驗(yàn)。最后根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制出腐蝕動(dòng)力學(xué)曲線，試驗(yàn)選用同尺寸20鋼進(jìn)行對(duì)比。

圖1 NiCrTi涂層與20鋼腐蝕試驗(yàn)動(dòng)力學(xué)曲線

式中 Wi—第i次腐蝕前試件稱重，mg；

Wi+1—第i次涂鹽后的稱重，mg；

Wi+2—第i次腐蝕后稱重，mg；

A—試件的總的表面積，c m2；

0.6—扣除鹽膜結(jié)晶水的系數(shù)。

2.2 腐蝕試驗(yàn)結(jié)果與討論

圖1為試驗(yàn)得到的NiCrTi涂層與20鋼腐蝕試驗(yàn)動(dòng)力學(xué)曲線。20鋼的腐蝕增重呈直線增長(zhǎng)，而NiCrTi涂層試樣經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間腐蝕后，腐蝕增重曲線趨于穩(wěn)定，這說明NiCrTi涂層對(duì)腐蝕環(huán)境產(chǎn)生了惰性。圖2為NiCrTi涂層表面腐蝕前后的的形貌與X R D衍射分析結(jié)果，經(jīng)腐蝕后NiCrTi涂層表面形成了完整致密的具有優(yōu)良抗高溫腐蝕能力的Cr2O3與Cr2N i O4組織[2～4]，所以使得NiCrTi涂層具有良好抗高溫腐蝕能力。同時(shí)由圖3可以看出，腐蝕后試樣表面并未生成Cr、N i的硫化物，這說明涂層本體在試驗(yàn)過程中幾乎未發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，進(jìn)一步說明了NiCrTi涂層具有優(yōu)異的抗高溫硫腐蝕的能力。

圖2 NiCrTi涂層腐蝕前后表面形貌與X R D衍射試驗(yàn)結(jié)果

3 超臨界高硫煤工況下的使用情況

3.1 涂層運(yùn)行情況

于2010年在西南地區(qū)某電廠#2機(jī)組（燃煤硫含量約為5%左右）超臨界W火焰鍋爐水冷壁部分區(qū)域噴涂了本文試驗(yàn)用NiCrTi涂層，經(jīng)過3 a的運(yùn)行，對(duì)噴涂區(qū)域進(jìn)行了檢查，檢查情況如圖3所示，未發(fā)現(xiàn)涂層脫落與腐蝕現(xiàn)象，且涂層厚度未發(fā)生明顯變化，說明了NiCrTi涂層可滿足燃用高硫煤超臨界鍋爐高溫防腐的要求。

圖3 使用3年后的涂層檢查情況

3.2 涂層對(duì)鍋爐性能的影響

由上文可知NiCrTi涂層具有良好的抗高溫腐蝕能力，但大面積的涂層是否會(huì)造成鍋爐傳熱效率的下降，這是大家關(guān)注的問題之一，以下對(duì)此在試驗(yàn)室與實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。

3.2.1 熱導(dǎo)率測(cè)試

試驗(yàn)選用F D-T D-B熱導(dǎo)率測(cè)試儀，噴涂NiCrTi材料于未噴砂處理過的圓形20鋼板表面，直徑取60 mm，將涂層整體揭下后，使用C.H.Lees平板法進(jìn)行熱導(dǎo)率測(cè)試試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表1，結(jié)果顯示兩種涂層熱導(dǎo)率均在13 W·m-1·K-1左右，該導(dǎo)熱系數(shù)與不銹鋼接近，這說明涂層具有較好的導(dǎo)熱系數(shù)。

表1 熱導(dǎo)率測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果 W·m-1·K-1

3.2.2 鍋爐熱效率對(duì)比

分別于正式運(yùn)行后對(duì)該廠#1、#2機(jī)組進(jìn)行了性能考核試驗(yàn)，其中#1機(jī)組僅對(duì)少量區(qū)域進(jìn)行了NiCrTi材料的噴涂，#2機(jī)組爐膛燃燒室及燃燼室部分區(qū)域進(jìn)行了大面積的NiCrTi材料的噴涂。表2為#1、#2鍋爐熱效率試驗(yàn)結(jié)果，可見兩臺(tái)鍋爐實(shí)際熱效率均高于設(shè)計(jì)保證值，同時(shí)噴涂區(qū)域較多的#2鍋爐熱效率高于#1鍋爐熱效率，這說明，涂層并未對(duì)鍋爐熱效率造成負(fù)面影響。

表2 兩臺(tái)機(jī)組鍋爐熱效率試驗(yàn)結(jié)果

4 NiCrTi涂層厚度優(yōu)化及脫落原因分析

由上文可知NiCrTi涂層具有優(yōu)良的使用性能，所以提高NiCrTi涂層應(yīng)用的可靠性是確保NiCrTi涂層在應(yīng)用過程中發(fā)揮作用的基礎(chǔ)，在確保涂層施工過程中基體處理工藝后，涂層在使用過程中面臨的破壞性作用主要來自于溫度交變導(dǎo)致的涂層脫落，所以對(duì)不同厚度的NiCrTi涂層進(jìn)行熱循環(huán)試驗(yàn)。

4.1 試驗(yàn)方法

試樣尺寸為φ25.4 mm×8.3 mm，在試樣表面嚴(yán)格按工藝要求制備NiCrTi涂層，涂層厚度分別控制在300 μm、400 μm、500 μm、600 μm、700 μm左右，將試樣置于熱處理爐中加熱至650℃保溫15 min，取出后進(jìn)行水淬，觀察涂層，涂層完好則繼續(xù)上述步奏，涂層出現(xiàn)裂紋、脫落等則停止上述操作，并記錄水淬次數(shù)，最后根據(jù)數(shù)據(jù)繪制涂層熱震次數(shù)與涂層厚度的關(guān)系曲線。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

圖4 熱沖擊失效次數(shù)與厚度的關(guān)系

圖4為熱循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果曲線，隨著涂層厚度的增加，涂層抗熱沖擊次數(shù)明顯降低，這是由于涂層厚度增加，涂層與基體協(xié)調(diào)變形能力減弱，在反復(fù)熱沖擊的作用下，涂層與基體結(jié)合減弱從而導(dǎo)致涂層脫落。所以在實(shí)際使用過程中，應(yīng)對(duì)NiCrTi涂層厚度進(jìn)行控制，在易產(chǎn)生高溫腐蝕的爐膛燃燒器附近區(qū)域，溫度高，煤粉質(zhì)地軟，磨損輕微，可盡量將NiCrTi涂層厚度控制在300～400 μm左右，這樣可保證在較低的成本下達(dá)到優(yōu)良的抗高溫腐蝕效果。

4.3 結(jié)果與討論

圖5為失效后涂層與基體截面微觀形貌與EDS分析，可以看出涂層與基體尚未完全分離，結(jié)合界面與裂紋處產(chǎn)生了大量腐蝕產(chǎn)物，并對(duì)涂層產(chǎn)生了剝離作用，由此可見涂層與基體的膨脹不均的作用是涂層脫落的誘因，而涂層缺陷的出現(xiàn)與伴隨出現(xiàn)的腐蝕與氧化是導(dǎo)致涂層脫落的最主要原因，所以在涂層制備過程中應(yīng)盡量減少先天性缺陷的產(chǎn)生。

圖5 熱沖擊失效涂層結(jié)構(gòu)與涂層和基體界面產(chǎn)物EDS分析

5 結(jié)語

試驗(yàn)室條件NiCrTi涂層腐蝕性能試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際燃用高硫煤超臨界鍋爐工況下應(yīng)用情況顯示，NiCrTi涂層具有優(yōu)異的抗高溫腐蝕性能，能夠滿足燃用高硫煤超臨界鍋爐抗高溫腐蝕要求，且不會(huì)鍋爐傳熱造成負(fù)面影響。制備的NiCrTi涂層在應(yīng)用于主要的高溫腐蝕區(qū)域（燃燒器附近）時(shí)應(yīng)以300～400 μm為宜。涂層與基體的膨脹不均是涂層脫落的誘因，而由此導(dǎo)致的缺陷是導(dǎo)致涂層脫落的最主要原因，所以在制備NiCrTi涂層的過程中應(yīng)盡量避免先天性缺陷的產(chǎn)生。

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