超音速电弧喷涂技术在锅炉水冷壁上防腐技术的应用与探讨
摘 要：锅炉水冷壁热腐蚀引起管道减薄造成的突发性暴管事故，对电厂生产安全，稳定发
电的危害十分严重，成为热电厂亟待解决的问题。本文介绍了国内外锅炉水冷壁管道表面防
护技术的概况，并通过贵阳发电厂锅炉水冷壁的实际应用。超音速电弧喷涂镍铬—铝涂层防
腐效果明显。实践表明，采用热喷涂技术治理热电厂锅炉水冷壁防腐问题具有良好的应用效
果与发展前景。
关键词：锅炉管道；热腐蚀；超音速电弧喷涂；涂层
1 概况
实施国家，西部大开发，作出了西电东送决策。对贵州来说要抓住这一历史性机遇，加快电力产
业的发展。近几年来在贵州发电生产中，大容量，高参数的机组，陆续投入运行。锅炉是火力发电的
主要设备，它是一种化学能转变为热能的重要工业装置。构成锅炉的主要工作面是炉膛内的水冷壁管
及烟管高温区的过热器，由于燃料燃烧的化学腐蚀，高温烟气的冲蚀及飞尘的磨损，致使锅炉工作面
处于十分恶劣的工作环境。据检测，锅炉运行一年，水冷壁管平均减薄1—1.5mm 以上。尤其以燃烧
区部分腐蚀最为严重。管壁的减薄，造成的突发性爆管事故，对火力发电厂安全，稳定发电危害十分
严重。紧急停炉抢修，更换水冷壁管，采用切割、换管、焊接的方法，既费时、费工、费料，还影响
正常发电，减少发电量，并且增加抢修费用，影响工农业生产，造成社会效益的巨大损失。由此可见，
锅炉水冷壁管道爆漏是影响机组发电效率，安全生产的重要因素。锅炉水冷壁管的高温腐蚀是急需解
决的技术问题。
2 国内外锅炉水冷壁管表面防护技术的发展趋势
关于锅炉管道的高温腐蚀造成的危害，世界各国都在研究、开发。解决这一难题有两个主要途径，
其一是通过研究开发具有更好的优质锅炉管用钢的材料，其二是随着表面工程技术的发展，采用热喷
涂技术解决锅炉管道的高温腐蚀，冲蚀问题。通过热喷涂处理后，提高管材防护性能，提高使用寿命，
经济效益显著，该技术受到相关部门的高度重视。
2.1 国外发展情况
英美日及瑞士等国家，从20 世纪60 年代开始采用热喷涂工艺（包括氧乙炔粉末喷涂，线材火焰
喷涂，电弧喷涂及等离子喷涂），先后进行热喷涂技术修复锅炉水冷壁管表面研究工作，美国在20 世
纪60 年代世界上率先开发采用18—8 不锈钢—铝复合涂层，这种涂层由于多孔性，使金属经受两面腐
蚀，结果不锈钢涂层转变为硫化镍，表面铝不能很好扩散到不锈钢涂层中，最后导致涂层脱落，工作
十一省市机械工程学会学术年会论文集 中国 贵阳 2003 年9 月
101
寿命达一年。七十年代发展复合粉METCO444（镍基粉未）、CF2148（高铬复合粉）直至465（铁铬
基复合粉），采用等离子喷涂，使之涂层有根本性改善，涂层致密，结合强度高，具有良好抗腐蚀性，
年腐蚀速度仅0.025mm 左右。八十年代美国TAFA、METALSPRAY 等跨国性热喷涂公司，成功研制
出含Cr40%以上高铬合金45CT 用于锅炉管道防腐蚀和抗磨损涂层，年腐蚀速度小于0.05mm，该涂
层的热膨胀系数与碳钢管道材料非常接近，涂层脆性低，结合强度高，大大减少了应用过程中机械剥
离的可能性，是一种优异的抗高温腐蚀涂层。英国、瑞士、日本等国家采用等离子，火焰等喷涂技术。
使用的喷涂材料有铁基铁铬铝合金，镍基、镍铬合金都具有良好的耐高温抗腐蚀、耐磨损的效果。
2.2 国内及省内情况
与国外相比，我国热喷涂技术在锅炉管道防护的应用上，在材料开发、设备研制等方面还有差距。
目前，中、小型发电厂锅炉管道未进行防护处理，大型少数电厂九十年代未采用热喷涂技术，喷涂镍
铬合金和镍铬铝合金，在锅炉上进行应用研究，在我省九十年代初，清镇电厂曾采用渗铝管取代低碳
钢管，使用经验表明能延长水冷壁管的安全运行时间，但是渗铝钢管在运行中也存在机械强度降低，
内壁结垢后产生爆管等问题。1999 年贵阳发电厂9＃机组锅炉水冷壁管选材料为NiCrAl，Ai—Mg 合
金作为复合层的工作层材料，以LF 封闭剂对涂层孔隙加以封闭，减少孔隙腐蚀的发生。采用火焰喷涂
与电弧喷涂相结合工艺，机组运行一年半左右，涂层翘起，没有达到一个周期三年使用效果。
3 实例
贵阳发电厂9＃机组在2001 年11 月、2002 年5 月、2003 年6 月的每次小修，根据水冷壁管腐
蚀情况进行抢修，通过超音速电弧喷涂取得明显效果。喷涂工艺阐述如下：
3.1 表面处理——喷砂表面粗糙化
粗化的目的，净化水冷壁管表面，增加表面粗糙度。通过喷砂处理，可以使用表面呈凸凹状态，
增加表面积，使基体表面晶体产生塑性变形，这样有利于提高涂层的结合强度。
喷砂工艺：采用压力式喷砂机，喷砂压力为0.5—0.7Mpa，喷砂磨料及粒度先用16—50 目石英砂，
再用刚玉砂，喷砂喷嘴与工作表面距离为100—250mm，形成75°夹角作往复摆动。根据ISO8501
标准，基体表面喷砂清理后的表面质量达到Sa3 级表面呈一致灰白色，有一定的粗糙度，以提高涂层
的附着力，表面的油脂、污垢、氧化物、锈斑、腐蚀物和其它杂质均被彻底清除。
3.2 超音速喷涂工艺
喷涂设备：CMD-AS-3000 电弧喷涂机。
喷枪：超音速CMP-AS 喷枪。
喷涂丝材：Φ2mm 镍铬合金（22%Cr 余Ni）
Φ2mm40A
Φ2mm 铝丝
十一省市机械工程学会学术年会论文集 中国 贵阳 2003 年9 月
102
超音速电弧喷涂工艺参数
丝材名称
丝材直径
(mm)
电压(V) 工作电流(A) 压缩空气(Mpa)
涂层厚度
(mm)
40A Φ2 34 200 >0.5 0.1~0.15
镍铬合金 Φ2 34 250 >0.5 0.4~0.5
铝丝 Φ2 34 150 >0.5 0.15~0.18
注：40A 打底层。镍铬合金，Cr 含量22%。铝，纯度99.96%。①有足够含量，AL2O3 膜不断再生；②封孔作用。
4 问题的探讨
4.1 喷涂材料问题
电弧喷涂技术应用于锅炉管道防护，我国是在20 世纪九十年代开始，所以起步较晚，对喷涂材料
开发和工艺的研究，有很多工作要做。目前，以铁、镍基为主有FeCrAl、NiCrAl、SL30、FeCrTi、
NiCr 等等喷涂材料。研究高温氧化防护涂层、材料研究是主要的。美国TAFA 公司开发的45CT（45%Cr、
4%Ti 余Ni）涂层0.38mm,使用5 年后仍然完好，甚至使用9 年后基本上无磨损。我国目前，一般使
用三年为一个大修期，所以在材料的开发，研究是很有前景的。
制备高温氧化防护涂层，高温合金必须同时具备两方面的性能要求：①优异的高温力学性能；②
抗高温腐蚀。实际上同是一种合金，这两方面的性能之间有时是相互矛盾的。不可能同进达到最优化。
要解决这一矛盾，一个非常有效的途径是在合金表面施加适当的涂层，主要起保护基体金属不受高温
腐蚀作用。而对高温强度的要求，主要由基体合金来承担。选择高温下抗腐蚀的合金，从材料本身讲，
通过在合金中添加一些合金元素来促进稳定的氧化物形成，可降低合金的热腐蚀速度，对抗热腐蚀而
言，铬是最有效的合金元素，也是最重要的抗高温腐蚀元素。铬能在合金表面形成致密、均匀、生长
缓慢、具有优异的保护性能的Cr2O3 膜，当铬﹥20%高温合金表面，可以形成完整的 Cr2O3 膜，一旦
膜发生破裂，由于合金中的铬含量高，也会再形成连续的Cr2O3 膜。从再生角度看，合金中含铬量越
高越好。如果供应的铬含量不足，那么在合金/氧经膜界面的氧压增大，此时铁必是参与氧化，使Cr2O3
膜失去保护性，加速氧化，产生腐蚀，必定带来严重后果。
其次，铝，Al2O3 膜是最重要抗氧化元素，铝在合金中或在涂层中达到临界含量以上，主要形成
Al2O3 膜，该合金具有非常优良的抗氧化性能。
还有钛、稀土元素，也能提高抗热腐蚀，可以改善氧化膜粘附性能，提高氧化膜的结合度，都起
到良好作用。
4.2 工艺的研究
国外的经验，高铬合金（40%以上Cr）抗腐蚀性能最好，而我们应根据当时现有材料，满足高温
防护涂层要求，工艺必须从实际情况出发，设计合理的涂层结构，通过工艺方案来实施。
十一省市机械工程学会学术年会论文集 中国 贵阳 2003 年9 月
5 结束语
目前，我国火力发电厂锅炉水冷壁管道，由于高温腐蚀、磨损等问题带来了严重的经济损失，采
用超音速电弧喷涂层技术解决锅炉管道的早期失效问题是有重要实际意义的。尤其是对我省保证西电
东送正常安全发电具有重要实际意义。把这项技术掌握好，根据我国及我省实际情况开展防腐材料和
工艺的应用与研究，在21 世纪将会得到更好的发展并取得显著的经济效益。