超音速电弧喷涂

在循环流化床锅炉的现场施工问题

封立波（淄博意蓝表面工程有限公司）

【摘 要】超音速电弧喷涂技术的问世，使得全球表面工程技术领域得到了很好的充实和发展，尤其是在电力锅炉的防磨、防腐领域，更是得到了很好的应用，为电力系统持续、稳定供电、供热提供了可靠保障，同时在电力锅炉的节能、环保方面也起到了很好的推动作用。国内在超音速电弧喷涂技术应用于发电锅炉领域已经有近二十年的时间，其已经成为发电企业安全运行、增产、增效的有力保证。

近几年来，国内循环流化床锅炉防磨领域又出现了一些新的技术，比如导流板防磨、激光熔覆防磨、纳米陶瓷涂料防磨等，但同时这些新技术也都存在各自的不足，从锅炉防磨的市场来看，超音速电弧喷涂工艺依然是无法取代的，笔者根据相关招标网站的锅炉防磨项目统计，超音速电弧喷涂依然占到70%以上（一些不经招标的小型锅炉防磨项目，电弧喷涂工艺占比会更大），因此超音速电弧喷涂技术之于流化床锅炉防磨领域在未来的一段时间内将是不可或缺的。

【关键词】超音速电弧喷涂、锅炉喷涂、锅炉防磨技术

一、概述

超音速电弧喷涂工艺在发电锅炉的检修、维护当中已经是非常成熟的技术了，一些论述超音速电弧喷涂的文章、书籍和流化床锅炉防磨损方面的文献也时常见诸报刊，但是对于超音速电弧喷涂在流化床锅炉现场施工的文献却并不多，这也使很多电厂锅炉专业技术人员对工程节点、质量把控、验收等各行其是，在此，笔者根据相关知识和十余年超音速电弧喷涂现场施工经历，浅谈一些经验和体会，仅为新入行的同行和相关专业技术人员提供借鉴。

二、超音速电弧喷涂设备的原理及关键点

要了解超音速电弧喷涂工艺就要先了解超音速电弧喷涂的原理，简单来说其原理就是；燃烧于丝材端部的电弧将均匀送进的丝材融化，经拉伐尔喷嘴加速后的超音速气流将融化的丝材雾化为粒度细小、分布均匀地的粒子，喷向工件形成涂层。超音速电弧喷涂和普通电弧喷涂的区别就在于喷枪，前者喷枪具有拉伐尔装置，其可将压缩空气加速至超音速状态（实际速度可达380m/s以上），将熔化的金属粒子以超音速喷射到基体表面，而普通电弧喷涂喷枪则没有拉伐尔装置，其射流速度最多只相当于亚音速。表现在涂层质量上，超音速电弧喷涂设备使金属粒子沉积率更高、雾化效果更好、涂层更均匀细腻（孔隙率≤0.9）、结合强度更高。但其缺点是喷枪造价高，导电嘴损耗快，因此，为降耗增效，大多数喷涂施工厂家采用的都是亚音速喷涂设备。从超音速电弧喷涂设备使用情况来看，国内在用超音速设备不超过20%。如下图：超音速电弧喷涂涂层均匀细腻孔隙率低。

三、超音速电弧喷涂施工设备、施工流程

超音速电弧喷涂（以下简称喷涂）机只不过是喷涂施工的终端设备，正常开展喷涂施工还需要压缩空气系统、喷砂系统等辅助系统，具体设备有配电箱、空压机、分离器、冷干机、储气罐、喷砂机、喷涂机、送丝机、电源电缆、喷涂电缆、控制电缆、喷砂管、以及低压照明等设备等组成。

为简单直观了解喷涂施工流程，可参照下图了解，具体施工步骤如下图：（红线代表电路，黑线代表气路）

1、启动空气压缩机（容量须达到6立方以上），会持续产生六至八公斤压缩空气；

2、压缩空气经储气罐（稳定气压、冷却排水作用）；

3、压缩空气经油水分离器过滤掉压缩气体中的油分和部分水分；

4、压缩空气经冷冻干燥机，使高温的压缩空气降低温度、排除剩余水分；

5、清洁、冷却的压缩空气分兵两路，一路进入喷砂机，另一路进入喷涂机（严格来说，还有一小路气体通入施工人员保护服，使之保持正压，防止粉尘进入保护服内）；

6、施工开始，第一步先进行喷砂除锈施工，目的是去除基体上的氧化层，使基体完全露出金属光泽并具备一定的粗糙度；

7、控制启动喷涂机和送丝机，进行超音速电弧喷涂施工。

四、工程材料的选择

1、喷砂材料：

循环流化床锅炉喷涂施工中最重要的步骤之一就是喷砂除锈工艺，如果这一步做不好，会直接影响喷涂的质量，导致涂层起皮、脱落的原因大多与之相关。

在GB/T17850.1中，关于喷砂材料的种类有九种之多，但在流化床锅炉喷砂施工中通常选择石英砂、金刚砂或铜矿砂等材料进行，由于近几年国家对矿产资源和环保的控制，应用石英砂情况正逐渐减少，优质的铜矿砂和金刚砂也是很好的选择。

根据经验喷砂材料的选择一般掌握下列几点；a、硬度高（莫氏硬度7H以上），b、棱角分明，c、颗粒均匀（一般1-3mm）、d、粉尘少。现场对a材料硬度的判断比较困难，有经验的施工人员用榔头轻轻敲击砂粒便能大体判断材料硬度，再有，喷砂过后如果炉膛砂子都呈粉末状，则证明砂子硬度不高，如果水冷壁是二次以上喷涂，涂层质量则不能保证。而对于b、c、d的检验，目测既能直观的判断。

2、喷涂丝材：

循环流化床锅炉喷涂的目的就是为了防止床料对管壁的冲刷，这就要求所用的喷涂材料必须要具有优异的防磨性能和高结合强度，因很难在一种材料上兼具上述两种性能，所以常用喷涂丝材可分为两种，一种是打底丝（喷打底层），一种是防磨丝（喷工作层），即通常所说的底丝和面丝，如果炉管是新管，则只需喷面丝即可，如果是二次以上喷涂，则必须先喷涂打底丝，再喷涂面丝。目前效果最好的打底丝是镍铝合金丝（镍含量95%以上），但因其成本高昂，目前喷涂工程大多采用普通铁基打底丝施工。防磨丝材大体分为实芯丝和粉心丝两种，实芯丝大多是3Cr13、7Cr13之类不锈钢材质，空芯丝中间为空心，以金属或非金属化合物粉末等耐磨材质填充，其大体又分为碳钢外皮和不锈钢外皮丝，目前循环流化床锅炉喷涂项目大都使用这两种丝材，这两种丝材喷涂完工后从表面目测不易分别，但运行一个周期后，前者涂层和水冷壁管颜色差别不大，后者则能很容易的分辨。

五、影响流化床锅炉喷涂工程质量的主要因素

流化床锅炉喷涂工程施工环境恶劣、劳动强度大，表面看似是“粗活”，但真正做到完美无缺也是不容易的，其工程质量往往受到以下因素影响：

1、人员素质：

施工工人必须具有丰富的施工经验和认真、细致的工作态度，施工过程中喷砂彻底与否、喷涂涂层厚度把握等，完全是施工工人凭经验掌控，因此，人的因素是工程质量的最关键环节。

2、环境：

（1）空气湿度：是影响喷涂工程质量的重要因素之一，尤其是喷砂工序，影响更大。一般喷砂、喷涂间隔在9小时之内，在阴雨天或空气湿度较大时，应适当缩短喷砂和喷涂的时间间隔，有盐雾或硫腐蚀环境不能超过2小时（JB/T11615-2013规定，炉管温度应高于其露点3℃以上，湿度超过80%，应当采用供暖等措施改善环境状况），如果间隔过长，会造成喷砂后的炉管氧化锈蚀（肉眼就可以看到失去金属光泽或表面泛黄），如果在此基础上喷涂，即便勉强喷上，运行过程中也会发生起皮、脱落现象。

（上图为喷砂不彻底导致涂层脱落）

（2）炉膛环境：喷砂、喷涂施工中，炉膛内会产生大量的粉尘和金属粒子，如果空气交换不好（引风机因故未开），则会直接影响施工人员的身体健康和视线，不能及时观察喷砂面的效果，也不能判断喷涂层的大体厚度，从而造成质量影响，另外喷涂烟尘如果不能及时消散，还会沉积到涂层表面，形成黑色烟尘，影响下步的封孔工艺。

3、设备：

（1）产气系统：空压机产气气压要保持在0.6-0.8MPa之间，喷枪入口端压力不得小于0.5MPa，稳定、充足的气压是保证喷砂效果和喷涂雾化效果的前提保证，气压过低，则喷砂达不到必要的粗糙度，进而影响喷涂涂层和基体的结合，喷涂粒子也达不到最佳的雾化效果，另外空压机压缩空气中如果含有油分（油滤、油分未及时更换等原因所致）、水分，也会对涂层质量产生影响（应符合GB/T13277.1-2008规定的湿度等级3级，含油等级1级）。

（2）喷涂机：喷涂施工中，如果喷涂机没有选择合适的喷涂电压和送丝机速度，其金属粒子就达不到最好的雾化效果。表现在涂层上就会产生粗细不均的颗粒，影响质量和观感。

4、材料：

（1）丝材：喷涂施工中有些丝材会发生雾化效果不好、沉积率低的现象（即所谓“上丝”不好），如果用了这种材料，不但影响施工质量，也会直接影响施工进度。

（2）喷砂材料：喷砂材料的硬度、粒度直接影响喷砂效果，粒度过大，易堵砂枪，影响工程进度，粒度过小，即便除锈彻底，但基体打不出粗糙度，涂层结合强度也不好。

六、确保工程质量、效率的条件

一次完美的循环流化床锅炉喷涂工程，必须具备下列条件：

1、首先要确保施工作业区通风良好，施工作业中人员视线清晰，施工平台或脚手架安全可靠，设备移动方便。

2、施工前应由专业水平的项目经理对锅炉施工面进行全面的检查。

这一点是保证工程防磨周期的最重要的一点，但大部分施工单位恰恰忽略掉这点，往往都是简单的厂方指定喷涂区域，施工单位最后交出多少喷涂面积了事，从这方面也能判断施工队伍的优劣。在喷涂施工过程中，喷涂火花在管壁上是呈球面在均匀移动，其并不能像电焊一样修补细小的点，如下图这样，这种严重磨损的沟槽式冲刷，如果发现不了和不经过细致的焊补和打磨就直接喷砂、喷涂，则将很快就会发生爆管。可以说锅炉喷涂要达到理想的效果，面积和部位不在于多，而在于精。

（水冷壁沟槽式冲刷）

3、要保证空压机油、油滤、油分等在正常检修期内，启动空压机，空气压力保持在在0.6-0.8兆帕之间，每次开机要检查储气罐排污口水气中不含油分。

4、喷涂丝材应选用正规厂家的产品，丝材粗细一致，接头顺滑，无开裂（空芯丝材），材料雾化效果好、沉积率高（即所谓“上丝”好），如有条件可现场抽检丝材样品进行检测。

5、喷砂工序必须干净、彻底，尤其是二次以上喷涂，必须保证喷砂面的粗糙度。喷砂材料除按前述条件选择材料之外，喷砂材料还必须保持干燥，单位面积用量足够，按经验一般每喷砂10平方米用砂量≥1吨。

6、喷涂机根据丝材不同选择合适的喷涂电压，喷涂开始前调整送丝机速度，根据火花判断是否达到最好的雾化效果。喷涂枪具有拉伐尔超音速装置（可目测判断较短小的枪头基本不具有超音速功能），从而使熔化的金属粒子均匀细腻的沉积的基体表面。及时更换导电嘴、喷嘴和送丝管。

7、二次以上喷涂施工必须按照先打底层、后工作层顺序进行，禁止只喷底丝（验收时不易分辨）和面丝搭配底丝喷涂施工。涂层上部留有足够的过度区，以免涂层过厚导致上部出现沟槽式磨损。

8、喷涂施工必须根据空气湿度情况，按时对储气罐、分离器、冷干机手动排污阀排水、排污。

9、冷干机制冷效果正常，排污间隔正常。

10、封孔材料或防磨涂料必须按比例充分搅拌，喷涂或涂刷厚度均匀，无漏拉。

七、循环流化床锅炉喷涂工程验收标准

喷涂工程完成后，是工程验收环节，如何才能判断工程是否合乎标准，是相关工程技术人员必须掌握的技能。以下是检测超音速电弧喷涂涂层的国家标准

《热喷涂涂层厚度的无损测量方法》      GB11374-89

《热喷涂层结合强度的测定》            GB8642-88

《热喷涂层抗拉强度的测定》            GB8641-88

《金属热喷涂层表面洛氏硬度试验方法》  GB8640-88

《热喷涂涂层空隙率试验方法》          JB/T7509-94

可以看到，这些方法由于检测设备造价昂贵、技术专业，因此大都不适合现场检测，一般现场验收可直观从下列几点参考：

1、按照GB/T8923.1规定，喷砂面达到Sa3级标准，即完全除去氧化皮、锈、油污和旧涂层等附着物，工件表面完全显露出金属光泽。如是二次以上喷涂，则附着坚固、非常难打的部分旧涂层可以保留，但肉眼必须能辨识到粗糙度（有粗糙度仪可直接测量）。

2、肉眼分辨喷涂涂层表面应均匀、细腻，无起皮、开裂、脱落等现象，表面无大颗粒存在。

3、测厚仪检测厚度应在0.6mm-0.8mm区间，上部过渡层逐渐减薄。

4、封孔剂或防磨涂料涂刷均匀、致密。

八、关于循环流化床锅炉喷涂工程的几个常见问题 

在笔者多年施工过程当中，会有部分管理和技术人员提出一些相关的问题和疑问，在此摘几条谈谈笔者的认知：

1、问：喷涂施工中为什么要使用打底丝？

答：火焰喷涂是把喷涂材料和基体熔焊在一体，是一种熔融式结构，而电弧喷涂工艺是将金属粒子熔化后喷射到炉管表面，总体是一种嵌入式结构，其结合强度比火焰喷涂低，在锅炉经过停炉、起炉状态温度变化时，由于炉管和涂层的材质膨胀系数不同，因此易导致涂层从炉管上脱落，所以就需要选择结合强度较高的材质在基体上先喷一层打底层，然后再喷涂工作层，比如Ni95的结合强度可达68N/mm²以上，而普通喷涂丝材结合强度一般≤50N/mm²，打底层厚度应在0.08-0.12之间。

2、问：炉膛内涂层厚度用测厚仪测量和按材料重量面积比计算，哪个更适合？

答：组装之前的水冷壁管喷涂后，可以用千分尺比较精确地测量涂层厚度，但安装以后的水冷壁，往往不能使用千分尺测量。用测厚仪测量炉管的涂层厚度，往往受方法、材质导磁性等因素影响，存在一定误差。用材料面积比计算，每平方米的丝材用量实芯丝和粉芯丝是不一样的（按经验2.5公斤粉芯丝材喷涂一平方米，就可测得0.6mm厚度），加之考虑到不同丝材的沉积率差异，材料面积比往往也会有一定误差。如果验收要求较为准确的数值，可以提前做一个涂层试样，用千分尺和测厚仪分别测量结果得出差值，再用测厚仪测得的工程数据和其比较，最终得出工程的涂层数据。

3、问：硫化床锅炉喷涂完成后，封孔工艺的意义是什么？

答：电弧喷涂是金属粒子不断雾化、沉积的过程，即便粒子雾化再好，表面也会有微孔存在，即孔隙率，煤在炉膛内燃烧时产生的腐蚀性气体就会顺孔隙侵入到基体，从而对炉管造成腐蚀。封孔，顾名思义，就是封闭孔隙，这对硫腐蚀严重的煤粉炉是必须的。但是对于磨损严重的硫化床锅炉（生物质炉除外）来说意义不大。但从当前施工情况来看，喷涂以后的纳米陶瓷涂料倒是对涂层防磨损、腐蚀起到了很好的效果，据部分案例来看，陶瓷涂料施工后，锅炉运行一年多时间还能看到涂料的存在。

 

结束语：上述部分内容是笔者长期从事循环流化床锅炉防磨喷涂第一现场所总结的一点经验和体会，在此愿意和各位同行分享，因笔者水平和知识的局限，不当甚至谬误之处在所难免，望相关专家和同行朋友不吝赐教。

 

参考文献：

（1）王汉功《超音速电弧喷涂技术》北京，国防工业出版社，1999

（2）胡昌华《循环流化床锅炉磨损规律》  四川电力技术，成都，1999-06.

（3）《中华人民共和国机械行业标准锅炉炉管电弧喷涂技术规范JB/T11615-2013》，机械工业出版社，2014

 

作者简介：

封立波，男，1969年，大专学历，淄博意蓝表面工程有限公司经理，地方热电厂工作15年，后从事循环流化床锅炉防磨施工管理工作15年，期间取得三项流化床锅炉防磨专利，曾有数篇技术论文被相关专业期刊刊载。