锅炉受热面磨损机理及防护措施

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关于锅炉受热面磨损机理及防护措施方面的探讨
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: i/ N( W# t) C              关键词：磨损机理  运行调整  延缓  措施

锅炉受热面的磨损自锅炉投入运行后就发生着，其具体形式就直接反映在其使用周期上，周期越长则反映出来的磨损量越小，反之就越大。相关的资料表明，受热面的磨损量与烟速的三次方成正比，由此可得出设备的磨损量与速间的关系，和非正常磨损所带来的后果。造成磨损的形式多种多样，不一而定。在我们运行过程中经常碰到是冲刷、偏流、烟气走廊等，就磨损的性质而言可分为显性磨损和隐性磨损。显性磨损就是指由冲刷、偏流等原因直接造成的磨损；隐性磨损就是指由设备的结构设计、安装和运行调整的影响所造成的间接磨损。磨损带来的经济损失是巨大的。但磨损不可避免，设备本身也随使用时间和延长而逐渐老化乃至报废，所以我们所做的只能是使设备磨损的周期延长，使磨带来的运行影响降到最小。从某种意义上说，设备的防磨损其实就是延缓设备的磨损。
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  B/ d7 z. g$ s5 P3 p! r不同的炉型、不同的烟气流速设计和不同的含尘浓度对锅炉受热面的磨损程度是不一样的。循环流化床炉是目前主要的经济炉型，有其突出的优点，但其最根本的缺点就在于设备的磨损问题未能得到较好的解决，而垃圾焚烧炉又是循环流化床的一个支派，设备的磨损问题同样在垃圾焚烧炉上得以顺延。因此，从目前各厂所反映的故障来看，磨损是制约各个电厂经济运行的关键因素之一。我们综合各电厂的磨损现象，对其磨损机理进行一定的分析，并从运行调整、控制和维护上作一讨论以供参考。
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一、由流化风速引起的磨损
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# ~- i! j7 p5 o: u" E由流化风速引起的磨损主要是指对有浸埋受热面锅炉的埋管磨损及风帽的磨损，这在一般的常规流化床炉和垃圾焚烧炉上均有明显的反映。从埋管磨损的机理分析：对于埋管来说，由于埋管浸埋于密相区中，离布风板的距离不高，颗粒床料初始流化速度较高，床料流化时对埋管下部及竖直壁面的冲刷、撞击形成其磨损，其原理与喷砂抛光的原理一样，使埋管表面的金相组织被逐渐磨损并最终导致爆管。对于风帽的磨损，其磨损机理如下：１、床料在流化时所形成的气泡、及床料的涌动致使床料在风帽间的摩擦造成风帽的磨损；２、由于返料或是床料偏析造成部分布风板区域流化剧烈，则该区域的风帽磨损程度增加；３、风帽小孔对邻近风帽的冲刷磨损，局部有结焦或死区时，会使结焦区或是堆积区边缘成为富氧区，如该区域含炭量高的话，则会使风帽烧蚀。对于这一点，风帽的的节距对风帽有一定的影响，节距大有利于降低风帽磨损的倾向，但对整体流化不利，反之则有加剧磨损的趋势，但对流化的均匀性有利。
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) W# j5 f, s: R. z8 L1 X流化风速对浸埋受热面的磨损在锅炉有浸埋受热面的电厂均有明显的反映，对风帽的磨损也具有普遍性。
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# L% U' W* l' i, a% h, F对于有浸埋受热面的电厂，目前所采取的防磨损措施：一是加厚埋管的壁厚，二是加焊防磨环来延长其使用周期，并对在每次停炉时进行必要的检查维护进行防磨加焊。这些措施均是各电厂根据现场实际总结出的，是切实可行的。对于风帽的磨损，在日常的维护中只能加以检查，局部破损加以堆焊处理以延长磨损周期，在适当的时候给予风帽更换。其次是考虑更耐温耐磨的材质。
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! H  e4 s! u- n5 f再一个就是从运行调整方面来减弱磨损。众所周知，磨损与风速的三次方成正比，因此我们也可从控制流化风速来减弱床料对埋管的及风帽的冲刷磨损，据资料热态的流化风量为冷态的45%左右。冷态时床层能流化的风量热态肯定是流化的，但我们为确保流化的均匀性及床料粒度的影响，运行得的风量大大超出临界流化风量。这势必会加剧磨损，因此对常规流化床来说，只要我们能控制其燃料粒度不偏离设计范围，我们就能从控制流化风速上来减弱磨损，但对垃圾焚烧炉来说，由于不是单一燃料，如能控制物料粒度的合理比率，也能进行一定的控制。

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3 {8 v! U- n) h二、烟气偏流所造成的磨损

我们公司下属电厂的锅炉设备磨损，突出的反映还是在尾部受热面上，如高低温过热器省煤器等，尤其反映在垃圾焚烧炉高低温过热器上面。从其表现形式上来看，均是由局部严重磨损而导致爆管停炉。由于检修工艺的难度大大高于埋管，所以高低温过热器的磨损爆管的检修一直是困扰各厂一个课题。考虑到生产考核及运行周期，一般的处理方式均是以封堵为主。在有较长停炉周期时，也有对受热面进行局部更换维护的。
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从各厂所反映的磨损情况来看，原因不外乎以下几种：
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１、由受热面积灰、挂焦而导致的磨损

由受热面积灰挂焦导致受热面磨损爆管在中温分离形式的垃圾焚烧炉上有具体的体现，在我们浙江片的中温垃圾焚烧炉上的反映更为突出。由于过热器表面挂焦积灰，造成烟气的流通截面减小，烟气流速增加而导致磨损，而且由于挂焦受振动，温差影响局部跌落，致使局部烟气流向改变形成偏流，导致受热面局部被冲刷磨损而爆管。所以针对该类炉型的停炉维护至关重要，每次停炉均应对高低温过热器的挂焦、积灰予以彻底的清理，保持其有效的烟气流通截面以控制烟气流速。尽可能做到垃圾给料的均匀，并根据季节的变化适当控制，使锅炉运行时的烟气量控制在一稳定的范围。从芜湖电厂、荥阳电厂的情况来看，荥阳电厂垃圾焚烧炉上面几乎没有挂焦，芜湖电厂相应的也较少，对烟气流通截的面影响很小，所以该两厂锅炉高低温过热器的使用寿命相对是较长的，究其原因有三：一是垃圾量焚烧不足；二是垃圾万分中的化纤、尼龙，乃至氯化物的含量低于浙江片电厂，而垃圾中的灰土等不可燃物料的含量高于浙江片电厂，也即是浙江片电厂的垃圾热值要高于上述电厂，三是燃煤中的灰分含量高，这一点针对荥阳电厂，其灰份一般都在35%以上的含量。正是由于上述三项原因造成其不易挂焦，并决定了其烟气的量和烟气通道的畅通，使烟气流速相应的能控制在合理的范围，从而延长了高低温过热器的使用周期。这一点对浙江片中温分离型的锅炉有值的借鉴的地方。
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! t+ N- O& g+ f2、烟气偏流造成的磨损

8 t3 {& h! ^7 w- o烟气偏流的原因不一而定，有设计方面的原因，有安装方面的影响，也有运行中不可控的因素造成。

芜湖电厂、荥阳电厂虽然过热器的使用寿命同比公司其它同类型的电厂来说相对较长，但也发生了爆管现象，芜湖电厂已对1#、2#炉的高低温过热器进行了更换。它们爆管的表现形式均是由局部磨损而引起爆管，其原因有如前所述由挂焦跌落引起局部烟气偏流或集中冲刷外（不可控因素），过热器管排由于制作和安装原因引起的局部变形或是突出部位将首先受到烟气的冲刷磨损。再者，中温分离器炉型的高温过热器爆管大部分集中在左右两侧分离器入口的中性线区域。从此处分离器的结构形状对烟气的导流分析，左右两侧分离器入口的中心区域是烟气流速较高的区域，如再加上挂焦对烟气流通截面的影响，所以浙江片中温分离炉型的过热器的使用寿命短就可想而知了。

对于高温分离的一般循环流化床和垃圾焚烧炉来说，受热面的磨损相对较好，这取决于高温分离器的分离效率。分离器的分离效率越高，则烟气中所含的粉尘浓度和粒度越小，对其后的受热面磨损量也就越小，受热面的使用寿命就相对延长。如乔司的3#炉。高温分离炉型的磨损主要发生在转向室两侧膜式侧包墙水冷壁上，解决该处的磨损有两种方式：一是破坏分离器出口的旋流，使其变成紊流，减少其对壁面的冲刷；另一种对受烟气流冲刷的受热壁面敷以导热系数较好的高铝浇注料，通过表面敷设浇注料来起到防磨作用。
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! l3 a6 o( X- K6 H% _) A9 I中温分离式的垃圾焚烧炉的凝渣管上部磨损，也是偏流磨损的一种具体表现。所发生的磨损爆管大多在凝渣管上部弯头段，它是由于炉膛中含尘浓度高的烟气流上升的惯性和炉顶转折，使上部烟气流的速度、粉尘浓度均大于中下部，使其在上部对受热面冲刷磨损导致爆管。同时这是高低温过热器挂焦堵塞为什么总是从上部开始的主要原因，也是06年3月初荥阳电厂1#炉高温过热器顶棚处磨损爆管的主要原因。目前我们所采取的措施是结合槽形分离器将该处浇注防磨。步云电厂采取了对凝渣管槽形分离器内整体浇注的措施来进行防磨处理，这在一定程度上将降低槽形分离器的内分离效率，提高了其后部烟气的粉尘携带量，可能对后续的过热器等受热面磨损产生影响。对于中温分离的炉型的凝渣管来说，除了顶部采用浇注防磨外，槽形分离器的鳍片和凝渣管满焊也是一种防止变形影响及防磨的方式，关键是顶部槽形分离器与浇注料的结构必须配置合理。再一个从运行中控制炉膛的烟气流速，降低烟气流上升的惯性，降低炉膛顶棚转角处的气流集度和粉尘浓度，使炉膛出口的烟气流在整个截面中趋于均匀分布，这对降低凝渣管的磨损有一定好处。对于凝渣管下部斜烟道处内循环灰对凝渣管下部的磨损，由于水冷管的间距小，该处可从水冷壁管的结构改进来调整，彻底改进由于挂焦跌落造成阻塞对尾部的磨损和内循环返料对下部凝渣管的磨损。

步云4#炉对流管束的磨损，根据以往我们在现场的经验及磨损区域的观察，也明显也是分离器出口的烟气偏流所致。目前步云厂采用将对流管束炉顶穿墙直管段拉稀的方式进行处理，目的是为外部防磨措施的便于实施，该处如对分离器出口的烟气偏流进行一定的干扰再辅之以防磨则效果会更好。王江泾电厂3#炉转向室两侧包墙水冷壁的局部啃挖磨损，是由于贴后墙过热器防磨盖板的导流所致。只要对防磨盖板的导流进行阻隔，就可避免该处的磨损。此外，膜式省煤器的变形所形成的烟气走廊等类似现象均能形成烟气的偏流磨损。布风板的流化不均也属偏流的一类，如产生大颗粒沉积及返料口返混强烈、局部结焦，则使布风板布风不均造成流化剧烈处的风帽磨损。
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因此，对于此类明确知道是由于结构，或是设计，施工不足引起的烟气偏流所造成的磨损，只要其仍具有改进的余地，我们就能相应地对其结构作出适当的调整以起到延缓磨损的目的。

0 r+ d3 I" k: V3 a3、炉内壁面流引起的磨损
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7 A  e: @  ]3 q7 X8 i' h壁面流引起的磨损没有前面所述所引起的磨损严重，因而受到的重视相对较小。壁面流磨损是指炉膛中心气流上升而四周因壁面摩擦和粘滞，使粉尘或颗粒失速下滑而对上部埋管穿墙段或是水冷壁造成的磨损。对于埋管来说，壁面流造成的磨损比较容易处理，只要加盖护瓦或是以浇注料辅设就能起到防磨作用，但对结构的处理有一定要求，目的是延长护瓦的使用寿命和避免对埋管蒸发量的影响。
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壁面流对炉膛下的扩散角处的膜式水冷壁磨损影响比较大，王江泾电厂3#炉水冷壁的磨损就是一个具体的例子。该炉前墙和四角在水冷壁扩散折角处的磨损非常严重，尤其是前水冷壁，经常由于磨损而引起爆管停炉事故。从现场磨损的现象和程度分析， 炉膛四面的壁面流可能随气流中的粉尘浓度和粒子团的变化波动，四周的磨损只是在一个区域内，前墙的磨损发生在炉膛的扩散折角处上部1000mm左右的区域内，并且存在明显的冲刷痕迹，也就是说有相对高速气流的存在加速其磨损，而同样结构的4#炉水冷壁磨损情要好的多。由于分析该3#炉磨损是由上升气流在炉膛扩散折角处形成的涡流造成，从图示的预想模型分析，前墙水冷壁的磨损可能是偏心的涡流加速下滑的壁面流并对其形成冲刷所致，也就是炉膛内的上升气流不在炉膛中心区域，而是趋近前墙。这一点可从前墙的磨损量大于前墙推断。四角的磨损也是由上升气流在磨损区域形成的涡流造成。假如上述分析被确认，则就可能采取针对性的措施予以处理：（一）对前后墙的二次风进行一次标定，调整前后墙的二次风量使其均匀；（二）确保燃料的颗粒度在许可范围，辟免布风板上发生物料粒度偏析；（三）必要时做冷态动力场试验，调整二次风喷嘴的角度或高度；（四）对受冲刷的水冷壁进行浇注处理。
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# J/ b) w' L0 C7 x- v由于运行调整方面对预防磨损是隐性的，而且对运行人员的操作素质和运行理解能力要求都较高，因此在我们平常的讨论中几乎没有涉及，基本上都是从外围因素对磨损的影响着手分析并采取措施，但归根究底，运行调整预防磨损就是控制烟气的流速、燃煤的灰分，使其趋于合理的范围，当然对烟气通道的流线型要求在设计时必须充分考虑，以减少烟道的阻力。
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对于上述的几种炉内受热面磨损的成因，各电厂或多或少都存在着，但磨损不可避免，只能采取相应的措施延缓，并且目前就锅炉受热面磨损方面也没有根本性的解决方案，一般的防磨措施在我们电厂均有应用。同时我们对从运行调整方面的措施也作一探讨。

一、防磨护瓦
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: f! v) |5 l4 o1 A+ r  L$ A就是用耐温耐磨的板材冲压成瓦块形状或有铸钢形式的防磨瓦覆盖在受热面表面以阻挡磨损。主要材料有Cr13、Cr20Ni14Si2、1CR18Ni9 ti等等，要求护瓦与受热面管壁紧密贴合，处理好其本身的冷却和膨胀问题。一旦护瓦变形对烟气流形成干扰也会对磨损产生不利影响。防磨护瓦是最简单易行的措施，施工工艺要求不高。

' W" b8 Y, T& ^, Z( v二、浇注防防磨
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2 K3 R3 h& K- _7 Y$ k" y9 \对于空间较大、浇注方便、不影响烟气流通的受热面部位，采用合理的耐温耐磨料浇注，确实是一行之有效的防磨措施。前提是所敷设的浇注料必须对受热面的导热系数影响小，不然则会影响锅炉的效率和经济性。如局部水冷壁、包墙水冷壁及埋管的受冲刷部位的防磨，对某些非受热面的磨损预防，如烟道，炉墙的磨损，只要不影响其性能和功效的前提下，采用浇注料防磨是比较经济的一个方法。如荥阳电厂布袋除尘器进口竖直烟道上下弯头处的冲刷磨损，采用耐磨捣打料进行防磨取得了较好的效果。

三、防磨环和防磨鳍片
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防磨环和防磨鳍片主要是在有埋管的流化床炉和垃圾焚烧炉上常采用的一种延缓埋管磨损的措施，防磨环在壁面流对水冷壁的磨损也能起到一定作用，主要防止在卫燃带浇注料与水冷壁金属面交接处下滑壁面流形成的涡流对水冷壁管的磨损。一般情况下防磨环或是防磨鳍片的材质采用16Mn就能使用，防磨环或是防磨鳍片与管壁采用满焊的形式，以起到冷却防磨环或是防磨鳍片并起到良好的导热作用，同时延缓防磨环或是防磨鳍片的磨损。
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四、运行调整方面延缓磨损

我们在前面已提到运行调整方面对受热面磨损的影响，所以我们也能够从加强运行调整和运行管理来延缓受热面的磨损。从运行调整方面：1）合理控制炉膛负压，降低整个烟气通道内的烟气流速，延缓烟气流对受热面的冲刷磨损；不同的炉型可根据各自运行工况合理控制流化风量，延缓风帽之间的冲刷磨损。2）必须严格控制锅炉不能长时间超负荷，以降低因超负荷而引起烟气量的增加、灰分的增加。3）控制锅炉的垃圾焚烧量在额定范围，目的也是控制大量烟气量的生成，防止由此引起的引风量的增加而导致的烟气流速的增加。从运行管理方面：1）从制度上对超负荷、超垃圾量进行硬性规定，并对此进行考核。2）加强对积灰挂焦炉的清理和维护，加强对防磨固件的检查和加固，并做好相应的台帐记录以利于运行分析和比较。3）加强燃料的质量管理，对于燃煤来说来说要严格控制其硫分和灰分的含量，降低由硫分引起的高温腐蚀和由灰分引起的冲刷磨损；对垃圾要加强人工分选的力度，减少大件不可燃物、建筑垃圾、工业不可燃废弃物的入炉量，降低由此引起的布风板大颗粒沉积、结焦等使布风不均匀的现象，同时还应根据垃圾的成分、水分和季节的不同及时作出运行的调整。



% p3 b, C# L; v8 ]' U当然，随着技术的发展和进步，新型的防磨技术和防磨材料不断出现，诸如在受热金属表面的喷涂、涂层等。由于新型防磨技术在我公司应用较少，故对此方面仅作初浅的讨论：
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1、金属喷涂防磨
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6 i/ M. @. ^7 H2 e目前金属喷涂技术的应用较为广泛，喷涂的方式有火焰喷涂、脉冲超音速电弧喷涂等。而我们公司只有在垃圾焚烧炉的高低 温过热器局部有喷涂技术的应用，具体的效果没有得到体现：（1）因为从频繁爆管的高低温过热器的爆管部位看，磨损区域大多在非喷涂区域；（2）高低温过热器的磨损是非均匀磨损、非常规磨损，因而也不能体现出喷涂对防磨的优势，根据对喷涂材料的了解，喷涂对受热面大面积均匀磨损部位磨损的延缓有其一定的优势。虽然有厂家应用喷涂防磨，但相关喷涂防磨的经济性等反馈资料几乎没有，与相关的喷涂施工单位接触后，对方也不能给予明确的保证，并且喷涂施工的单位成本较高。因此喷涂防磨的经济性、合理性还有待于进一步考证，但可以肯定，喷涂对延缓受热面的均匀磨损是有一定效果的。
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' G/ \' n- O- A" i; l6 ]7 J2、防磨涂层

! x+ m8 Z/ p4 |$ o从相关的网上资料了解到，目前还有一种新型的防磨方式，就是对磨损的受热面表面进行防磨涂层，施工方式是将受热面磨损的部位抛出金属光泽后，即可用防磨涂料进行刷涂，经进短时保养后即可投入运行，防磨涂料与金属材料的粘结性极强，其延展性与金属同等，没有由于膨胀影响而造成的脱落问题，耐温在800~1200℃之间，估计该产品的价格相对要较高。如果这类产品能够得以证明切实可行的话，从其施工的灵活性来说应该是一种较好的防磨方式，尤其是对局部磨损的防磨。
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对所出现的新材料、新技术、新方案和新措施，我们应当予以吸收并偿试并对比总结，找出经济合理的防磨方式来处理我们在生产中出现的磨损问题。但万变不离其宗，受热面的磨损是由具有一定速度携带有一定硬度的粒子的烟气流对受热面的冲刷引起的，因此受热面的磨损预防应从运行调整来控制锅炉的烟气量、流速和外在措施同步进行，才能使受热面的磨损得到有效控制。

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