鍋爐水冷壁防高溫硫腐蝕涂層性能的測定方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鍋爐水冷壁防高溫硫腐蝕涂層性能的測定方法，包括以下步驟：1）對涂層原材料進行化學(xué)成份分析，檢驗原材料合金成份及含量；2）涂層厚度測量，測定涂層厚度均勻性；3）對涂層進行能譜分析及微觀組織形貌檢驗，測定微觀形態(tài)、孔隙率、物相組成；4）對涂層結(jié)合強度進行檢驗，測定涂層與水冷壁管的結(jié)合性能；5）涂層熱震測試，測定涂層的抗冷熱交變能力；6）涂層高溫硫腐蝕測試，測定涂層防高溫硫腐蝕的綜合性能；7）涂層傳熱特性測試。該方法可以綜合評定涂層的防高溫硫腐蝕效果，為鑒定防高溫硫腐蝕涂層的性能優(yōu)劣提供了測定體系，并且簡單可靠。
【專利說明】
鍋爐水冷壁防高溫硫腐蝕涂層性能的測定方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種鍋爐水冷壁防高溫硫腐蝕涂層性能的測定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 為了有效降低煙氣中的Νοχ濃度的，火力發(fā)電廠進入了低氮燃燒器改造的高峰期。 低氮燃燒器的改造則導(dǎo)致了燃燒器附近水冷壁處的還原性氣氛加強，從而加劇水冷壁的高 溫硫腐蝕。目前，水冷壁防高溫硫腐蝕最有效的途徑之一，就是實施噴涂。
[0003] 但是由于當(dāng)前水冷壁噴涂市場異?；靵y，關(guān)鍵是火力發(fā)電廠也缺乏噴涂技術(shù)了解 和涂層質(zhì)量監(jiān)督檢驗手段，從而導(dǎo)致噴涂效果千差萬別，有的涂層可以堅持3~5年，防腐效 果良好;有的涂層不到幾個月便消失殆盡，幾乎起不到防腐效果，白白浪費近百萬的工程費 用。
[0004] 因而有必要設(shè)計一種科學(xué)有效的水冷壁噴涂測定方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對上述技術(shù)問題，提供一種鍋爐水冷壁防高溫硫腐蝕涂層性能的測定方 法。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明包括的技術(shù)方案如下： 一種鍋爐水冷壁防高溫硫腐蝕涂層性能的測定方法，包括以下步驟： 1) 對涂層原材料進行化學(xué)成份分析，檢驗原材料合金成份及含量； 2) 涂層厚度測量，測定涂層厚度均勻性； 3) 對涂層進行能譜分析及微觀組織形貌檢驗，測定微觀形態(tài)、孔隙率、物相組成； 4) 對涂層結(jié)合強度進行檢驗，測定涂層與水冷壁管的結(jié)合性能； 5) 涂層熱震測試，測定涂層的抗冷熱交變能力； 6) 涂層高溫硫腐蝕測試，測定涂層防高溫硫腐蝕的綜合性能； 7) 涂層傳熱特性測試。
[0007] 本發(fā)明鍋爐水冷壁防高溫硫腐蝕涂層的具體測定過程如下： 1) 原材料化學(xué)成份分析:要求絲材中含Cr質(zhì)量百分比達到40%，并且含Ni質(zhì)量百分比達 到 50%; 2) 涂層厚度:采用磁性測厚儀檢測涂層厚度，要求厚度達到0.3~0.5_。
[0008] 3)涂層能譜分析及微觀組織： @微觀外貌不允許有裂紋和穿透性缺陷； @孔隙率彡3%; ③涂層須由Cr2〇3相、Ni的面心立方固溶體相構(gòu)成。
[0009] 4)結(jié)合強度:涂層與水冷壁基材結(jié)合強度、涂層之間的結(jié)合強度測定均應(yīng)不低于 40MPa〇
[0010] 5)熱震性能測試:試驗溫度600~720 °C、保溫1.5~2小時、冷卻至11~20°C，如此 往復(fù)10~15次。涂層不脫落、不開裂，即為達標。
[0011] 6)防高溫硫腐蝕性能測試:試驗溫度600~720°C，腐蝕介質(zhì)用流動的氣態(tài)單質(zhì)硫， 腐蝕時間約10~30小時。涂層不脫落、不開裂，管子基材不產(chǎn)生腐蝕，即為達標。
[0012] 7)傳熱特性測試:涂層導(dǎo)熱系數(shù)須與奧氏體不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)基本相似，應(yīng)不低于 13W · m-1 · K-、
[0013] 本發(fā)明中，涂層噴涂材料選用NiCrTi系列噴涂材料。具體如PS45高溫防硫腐蝕材 料。
[0014] 步驟3)中檢驗結(jié)果良好，具體條件如下： 對涂層進行能譜分析，富含Cr、0、Ni元素。再利用X射線衍射儀對物相進行分析，涂層由 深色的Cr2〇3相、淺色的Ni的面心立方固溶體相等兩相構(gòu)成。
[0015] 采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于： 1、本發(fā)明的測試方法，設(shè)計新穎，科學(xué)合理，可以有效檢測鍋爐水冷壁防高溫硫腐蝕涂 層的性能，從而保護管壁經(jīng)久耐用。
[0016] 2、采用本方法，可以綜合評定涂層的防高溫硫腐蝕效果，為鑒定防高溫硫腐蝕涂 層的性能優(yōu)劣提供了測定體系，并且簡單可靠。
[0017] 3、經(jīng)本測定方法測定合格的水冷壁防高溫硫腐蝕涂層，使用壽命在40個月以上， 仍有較好的防高溫硫腐蝕效果。
[0018] 4、本發(fā)明測定方法可以有效控制目前噴涂市場普遍存在的材質(zhì)以假亂真、施工及 噴涂工藝混亂、施工驗收盲目等亂象，有利于行業(yè)整頓及健康發(fā)展。
[0019] 本發(fā)明的鍋爐水冷壁防高溫硫腐蝕涂層性能的測定方法各步驟作用如下： 1)原材料化學(xué)成份分析:該項指標考核的是原材料的合金成份及其含量;根據(jù)合金成 分及含量可以初步評判該原材料的防高溫硫腐蝕性能和效果。
[0020] 2)涂層厚度:該項指標考核的是涂層厚度均勻性。厚度均勻性與涂層的完整性和 覆蓋特性密切相關(guān)，這是因為：由于涂層和管子基材的熱膨脹性不一致，過厚容易導(dǎo)致涂層 產(chǎn)生裂紋;但過薄又容易造成涂層無法對管子基材的粗糙度進行覆蓋；因此涂層厚度均勻 性決定了涂層的完整性和覆蓋特性。
[0021] 3)涂層能譜分析及微觀組織:該項指標考核的是涂層的微觀形貌、孔隙率和物相 組織。物相組織和形態(tài)結(jié)構(gòu)決定了涂層是否具有防高溫硫腐蝕的能力?？己丝紫堵手饕?因為:如有較多孔隙存在，則腐蝕介質(zhì)硫沿孔隙接觸管子基材，產(chǎn)生腐蝕，而腐蝕產(chǎn)物體積 較大(一般鐵基的硫化物體積比氧化物體積大8倍），較大的體積膨脹則容易將其他良好的 涂層頂裂;另外孔隙率也從側(cè)面反映了原材料的優(yōu)劣和噴涂施工質(zhì)量。
[0022] 4)結(jié)合強度:該項指標考核的是涂層與管子基材的結(jié)合性能、涂層之間的結(jié)合性 能?？梢耘卸ㄍ繉拥睦喂坛潭群涂蛊茐某潭?。
[0023] 5)熱震性能:該項指標考核都是涂層經(jīng)受冷熱交變的能力。鍋爐運行時水冷壁涂 層溫度要達到近500°C左右，而鍋爐停機時又會冷卻至室溫，伴隨著鍋爐的頻繁啟停，抗冷 熱交變的能力是涂層穩(wěn)固的基本條件。
[0024] 6)防尚溫硫腐蝕性能:該項指標考核的是涂層最終的綜合性能。
[0025] 7)傳熱特性:該項指標考核的是鍋爐的熱效率。涂層既要有防高溫硫腐蝕的性能， 又要有良好的傳熱性，不能影響鍋爐效率和經(jīng)濟效益。
【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
[0027] 實施例一： 本實例以某火力發(fā)電廠進行了水冷壁防高溫硫腐蝕噴涂為例，其噴涂材質(zhì)為PS45(屬 NiCrTi系列噴涂材料）。采用目前廣泛應(yīng)用的超音速電弧噴涂方式進行噴涂施工。采用本發(fā) 明進行了水冷壁防高溫硫腐蝕涂層性能的測定，各項測定標準和過程如下。
[0028] 1)原材料化學(xué)成份分析:涂層材料絲材中含Cr量要達到40%以上，并且含Ni量要達 到50%以上。
[0029]主要由于：因為含有40%以上的Cr元素，在噴涂過程中，會形成穩(wěn)定的氧化鉻致密 保護膜，其能攔截腐蝕介質(zhì)進入涂層內(nèi)。而含有50%以上的Ni元素會具有超強的附著特性和 可延展性，使涂層與管子基材的附著更加牢固、熱膨脹性一致。但當(dāng)含Cr、Ni太高會導(dǎo)致成 本直線增加，并且防腐效果沒有更大的提高。
[0030]采用化學(xué)成分分析儀進行測定，檢驗結(jié)果如表1所示:顯示本材質(zhì)的化學(xué)成份及含 量合格。
[0031]表1化學(xué)成份分析
2)涂層厚度:厚度0.3~0.5mm〇
[0032]主要由于:太薄不能有效覆蓋管子基材的粗糙度;太厚又因為涂層熱膨脹性與管 子基材有差異，容易出現(xiàn)涂層表面開裂。
[0033] 對噴涂區(qū)域進行了測厚，檢驗結(jié)果顯示:大部分區(qū)域厚度基本分布于0.4~0.5mm 區(qū)域。只有少部分區(qū)域厚度低于〇.3mm(由于采用磁性測厚儀，由于涂層不具磁性，而管子基 材為鐵磁性，當(dāng)厚度低于0.3mm時便出現(xiàn)了磁性顯示，亦即涂層未能覆蓋管子基材的粗糙 度），對該部分區(qū)域需補噴至0.5mm，方為合格。厚度均勻性合格，覆蓋性良好。
[0034] 3)涂層能譜分析及微觀組織檢驗： ⑩微觀外貌不允許有裂紋和穿透性缺陷； 孔隙率彡3%; 涂層須由深色與淺色兩相構(gòu)成，深色相主要為Cr2〇3,淺色相主要為Ni的面心立方固 溶體。兩相彌散均勻分布。
[0035] 主要由于： ?當(dāng)有裂紋或穿透性缺陷時，涂層根本無法起到保護基材的作用。
[0036]綴孔隙率太大涂層容易開裂，而又由于受噴涂實施方式的影響孔隙率也不能達到 低于1%。孔隙率大于3%，說明噴涂不緊密，噴涂不均勻，未完全覆蓋，未覆蓋之處容易成為腐 蝕點。
[0037]觀只有Cr203相、Ni的面心立方固溶體相是可以攔截腐蝕介質(zhì)進入涂層內(nèi)部的，如 存在其他相時，將破壞涂層的防高溫硫腐蝕效果。
[0038]檢驗結(jié)果良好，具體如下： @利用掃描電鏡進行微觀形貌檢驗，涂層結(jié)合致密，不存在穿透性的缺陷和裂紋，說明 涂層微觀形貌完整。
[0039] 利用圖像測試法計算了涂層孔隙率，均在2%左右，該項指標合格。
[0040] 利用掃描電鏡進行微觀形貌檢驗，涂層由深色與淺色兩相構(gòu)成，后分別對深色 與淺色區(qū)進行能譜分析，深色相富集元素主要為Cr和0,淺色相富集元素為Ni，未見Fe元素 存在則進一步說明涂層覆蓋性良好。又利用X射線衍射儀對深色相與淺色相進行了物相分 析，顯示深色相主要為Cr 2〇3，氧化鉻具有致密性，比腐蝕元素硫元素更緊密，這種致密的結(jié) 構(gòu)作為屏障攔截了硫滲透穿過涂層;而淺色相主要為Ni的面心立方固溶體，兩相均勻彌散 分布，即為達標。
[0041] 4)結(jié)合強度：涂層與水冷壁基材結(jié)合強度、涂層之間的結(jié)合強度均應(yīng)不低于 40MPa〇
[0042] 主要由于:結(jié)合強度反映了涂層抗外力沖擊、剪切等破壞的能力；當(dāng)結(jié)合強度低于 25MPa時，在實際運行工況中容易脫落。
[0043] 檢驗結(jié)果：用拉伸試驗機進行拉伸試驗，按GB/T8642-2002標準制備試樣并進行試 驗。結(jié)果顯示斷裂位置均在涂層與水冷壁基材結(jié)合部位，結(jié)合強度均在44MPa以上。
[0044] 5)熱震性能:試驗溫度700°C、保溫2小時、冷卻至11°C左右，如此往復(fù)15次。涂層不 脫落、不開裂，即為達標。
[0045] 主要由于:試驗溫度700 °C、保溫2小時、冷卻至11°C左右，如此往復(fù)15次與實際工 況下（水冷壁壁面溫度為400 °C~500 °C左右，且停爐后隨爐緩慢冷卻）鍋爐啟停15次（一般 情況下，5年時間鍋爐啟停次數(shù)約10次左右)的熱疲勞損傷當(dāng)量值相同。
[0046] 此結(jié)論的獲得由如下方法測定：由于熱疲勞損傷即冷熱交變損傷亦即熱震損傷。 因此采用熱疲勞試驗機對管子基材15CrMo鋼進行試驗溫度700°C、保溫2小時、冷卻至11°C 左右，如此往復(fù)15次的熱疲勞試驗，然后運用X射線衍射儀測量熱應(yīng)力，同時對運行5年的鍋 爐(該爐啟停記錄15次)水冷壁割管，其材質(zhì)同樣為15CrMo鋼，同樣運用X射線衍射儀測量熱 應(yīng)力。兩者熱應(yīng)力值基本相同（熱應(yīng)力是熱疲勞的直接表征），因此兩者熱疲勞損傷當(dāng)量值 相同。
[0047] 檢驗結(jié)果：用熱處理爐將涂層試樣(涂層厚度0.5mm)，加熱至700°C、保溫2小時、冷 卻至11°C左右，如此往復(fù)，對涂層試樣進行檢驗。重復(fù)22次后，才開始出現(xiàn)涂層起皮變形的 跡象。
[0048] 6)防高溫硫腐蝕性能:試驗溫度700°C，腐蝕介質(zhì)用流動的氣態(tài)單質(zhì)硫，向采用上 述涂層的水冷壁管內(nèi)通流氣態(tài)單質(zhì)硫，腐蝕時間約20小時。涂層不脫落、不開裂，管子基材 不能產(chǎn)生腐蝕，即為達標。
[0049]主要由于:試驗溫度700°C，腐蝕介質(zhì)用流動的氣態(tài)單質(zhì)硫，腐蝕時間約2個小時的 20G鋼塊狀試樣的高溫硫腐蝕增重，與燃煤含硫量3~4%(-般發(fā)電廠燃煤含硫量基本在1% 以下，含硫量在3~4%的煤為高硫煤，只在云貴地區(qū)生產(chǎn)并運用）工況下運行4個月的20G鋼 試塊的爐內(nèi)掛樣的高溫硫腐蝕增重，基本一致。
[0050] 經(jīng)線性外推10倍，即試驗溫度700 °C，腐蝕介質(zhì)用流動的氣態(tài)單質(zhì)硫，腐蝕時間約 20個小時與燃煤含硫量3~4%工況下運行40個月高溫硫腐蝕損傷當(dāng)量值相同。
[0051] 檢驗結(jié)果:采用用高溫氣氛爐，試驗溫度設(shè)置為700°C，腐蝕介質(zhì)用流動的氣態(tài)單 質(zhì)硫，向采用上述涂層的水冷壁管內(nèi)通流氣態(tài)單質(zhì)硫，腐蝕時間約20小時，對涂層試樣進行 檢驗。試驗結(jié)束后進行掃描電鏡檢驗及X射線衍射分析。掃描電鏡檢驗發(fā)現(xiàn)涂層表面為致密 顆粒狀組織，未見涂層開裂。對涂層試樣進行XRD分析，結(jié)果顯示涂層經(jīng)腐蝕的致密顆粒狀 組織主要由Cr 2〇3與Cr2Ni04構(gòu)成。這說明涂層攔截了腐蝕介質(zhì)氣態(tài)單質(zhì)硫進入涂層內(nèi)，充分 保護了管子基材，這說明防高溫硫腐蝕效果優(yōu)良。
[0052] 7)傳熱特性：導(dǎo)熱系數(shù)須與奧氏體不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)基本相似，應(yīng)為13W · πΓ1 · ΙΓ1 左右。
[0053] 主要由于:根據(jù)PS45涂層合金成分，與高Cr不銹鋼合金(奧氏體不透鋼)成份相似， 因此其導(dǎo)熱系數(shù)不允許有較大差異。
[0054]檢驗結(jié)果:采用熱導(dǎo)率測試儀檢測，結(jié)果顯示涂層的導(dǎo)熱系數(shù)均在13.6W · πΓ1 · K 4以上，與奧氏體不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)基本相同。
[0055] 經(jīng)本發(fā)明以上綜合測定，結(jié)論為:該涂層具有優(yōu)良的耐高溫硫腐蝕性能，鍋爐實際 運行工況下，可應(yīng)用40個月左右。
[0056] 該水冷壁經(jīng)過9個月的運行后，鍋爐停機檢修時，對其進行涂層測厚和宏觀檢驗， 結(jié)果顯示涂層未出現(xiàn)裂紋及變形脫落情況。對涂層表面黏著物取樣進行XRD分析，顯示涂層 表面存在硫酸鹽類物質(zhì)，該物質(zhì)為鍋爐燃燒積灰及結(jié)渣，并非高溫硫腐蝕產(chǎn)物。防腐效果運 行良好。后續(xù)持續(xù)跟蹤該涂層運行效果，每逢停機，進行涂層檢查。
【主權(quán)項】
1. 一種鍋爐水冷壁防高溫硫腐蝕涂層性能的測定方法，其特征在于:包括以下步驟： 1) 對涂層原材料進行化學(xué)成份分析，檢驗原材料合金成份及含量； 2) 涂層厚度測量，測定涂層厚度均勻性； 3) 對涂層進行能譜分析及微觀組織形貌檢驗，測定微觀形態(tài)、孔隙率、物相組成； 4) 對涂層結(jié)合強度進行檢驗，測定涂層與水冷壁管的結(jié)合性能； 5) 涂層熱震測試，測定涂層的抗冷熱交變能力； 6) 涂層高溫硫腐蝕測試，測定涂層防高溫硫腐蝕的綜合性能； 7) 涂層傳熱特性測試。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述測定方法，其特征在于:鍋爐水冷壁防高溫硫腐蝕涂層的測定過 程如下： 1)原材料化學(xué)成份分析:要求涂層材料絲材中含Cr質(zhì)量百分比達到40%以上，并且含Ni 質(zhì)量百分比達到50%以上； 2 )涂層厚度:采用磁性測厚儀檢測涂層厚度，要求厚度達到0.3~0.5mm; 3) 涂層能譜分析及微觀組織： Φ微觀外貌不允許有裂紋和穿透性缺陷； 孔隙率彡3%; ③涂層須由Cr2O3相與Ni的面心立方固溶體相兩相彌散均勻分布； 4) 結(jié)合強度：涂層與水冷壁基材結(jié)合強度、涂層之間的結(jié)合強度測定均應(yīng)不低于 40MPa； 5) 熱震性能測試:試驗溫度600~720°C，保溫1.5~2小時，冷卻至11~20°C，如此往復(fù) 10~15次;涂層不脫落、不開裂，即為達標； 6) 防高溫硫腐蝕性能測試:試驗溫度600~720 °C，腐蝕介質(zhì)用流動的氣態(tài)單質(zhì)硫，腐蝕 時間約10~30小時;涂層不脫落、不開裂，水冷壁基材不產(chǎn)生腐蝕，即為達標； 7) 傳熱特性測試:涂層導(dǎo)熱系數(shù)須應(yīng)不低于13W · πΓ1 · ΙΓ1。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述測定方法，其特征在于：涂層噴涂材料選用NiCrTi系列噴涂材 料。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述測定方法，其特征在于：涂層噴涂材料為PS45高溫防硫腐蝕材 料。5. 根據(jù)權(quán)利要求2-4任一所述測定方法，其特征在于:步驟3 )中，對涂層先進行能譜分 析，檢測富含Cr、0、Ni元素，再利用X射線衍射儀對物相進行分析，涂層主要由深色的Cr2O 3 相、淺色的Ni的面心立方固溶體相兩相構(gòu)成。
【文檔編號】G01N19/04GK106018708SQ201610578028
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月21日
【發(fā)明人】代真, 蔡培, 張云華, 邱質(zhì)彬, 黃啟龍, 謝航云
【申請人】南京電力設(shè)備質(zhì)量性能檢驗中心