CN109852923A - 一种锅炉集箱及管座内壁抗氧化涂层的制备装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锅炉集箱及管座内壁抗氧化涂层的制备装置及方法，可显著提高集箱及管座内壁抗氧化能力。本发明采用气相沉积的方法在集箱及管座内壁制备涂层，且将密封的集箱及管座作为气路的一部分，具体包括加热炉和，由待制备内壁涂层的集箱及管座、渗剂罐、气路导管、气体循环泵、阀门、抽/排气管路和背压阀组成的连通回路。根据集箱及管座材质及热处理工艺设置最终加热温度和保温时间，可制备不同厚度的抗氧化涂层。本发明设备简单，制造成本低，能够显著提高集箱及管座抗蒸汽氧化能力，具有非常高的工程实用价值。
Description
技术领域
本发明属于锅炉制造技术领域，具体涉及一种锅炉集箱及管座内壁抗氧化涂层的制备装置及方法。
背景技术
集箱也叫联箱，汇集或者分配汽水工质，减少工质的输送连接管道，减少锅筒的开孔数，从而有利于提高锅筒的安全性能。近年来，已经投入商业运行机组的集箱蒸汽温度已经达到620摄氏度,集箱壁温接近640℃，正在设计研发的630-650℃机组的集箱蒸汽温度会更高，而出于制造成本、热膨胀及焊接性能的需要，锅炉集箱及管座多采用马氏体钢制造，如P91，P92,G115,P112等材料。如，根据ASME的规定，P92满足蒸汽温度低于620℃集箱及管道的高温强度要求。
但是，马氏体耐热钢(如P92)在热工条件下工作时所发生的氧化，其氧化层内层为极薄的含有大量阳离子空位的CrFe2O4的单相无晶界非晶体结构；中层为较厚的CrFe2O4单相细等轴晶和在其上生长的粗柱状晶结构；外层为Fe3O4-Fe2O3的细等轴晶和在其上生长的粗柱状晶结构。氧化层的三层结构依顺序而生成，三层结构可只出现前一层(内层)或前二层(内层和中层)，也可全部出现，在氧化层的每个分层中，外层的Fe3O4-Fe2O3粗柱状晶层对基体的附着力最差，因此氧化层的剥落往往容易在外层发生，脱落的氧化皮随工质流通到机组的各个部件并造成堵管、冲刷腐蚀等问题。因此，从电厂的实际使用的角度出发，解决集箱及管道蒸汽侧氧化层的增厚和脱落问题，对减少爆漏事故的发生及延长管子的使用寿命，提高锅炉的安全运行水平，具有重要的意义。
高温防护涂层能为高温下使用的金属材料提供有效的抗氧化腐蚀防护，已广泛应用于航空航天、能源、石油化工等领域。其中具有代表性的应用是在飞机、舰船和地面发电用的各种燃气涡轮发动机上，其高温防护涂层的发展主要经历了3个阶段：第一代热扩散涂层，第二代M(M＝Fe，Ni或Co)CrAlY包覆涂层；第三代热障涂层。截至目前，还没有针对电站锅炉集箱及管座的涂层材料设计和制备技术，提高锅炉集箱及管座抗蒸汽氧化能力主要靠提高合金耐蚀等级来解决。例如，现役620℃机组管座使用了大量Super304H和HR3C取代P92材料，不仅增加了制造成本，同时也因异种焊接带来安全隐患。利用高温涂层技术解决集箱及管道蒸汽侧氧化问题，将具有显著的经济效益和工程意义。
发明内容
针对锅炉集箱及管座抗蒸汽氧化能力不足的缺点，本发明提供了一种锅炉集箱及管座内壁抗氧化涂层的制备装置及方法，可显著提高集箱及管座内壁抗氧化能力。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种锅炉集箱及管座内壁抗氧化涂层的制备装置，包括渗剂罐、气体循环泵、用于加热的待制备内壁涂层的集箱及管座的第一加热炉以及用于加热渗剂罐的第二加热炉；其中，
渗剂罐通过气路导管和第五阀门连通至第一加热炉，第一加热炉的出口处设置有抽/排气管路，抽/排气管路上依次设置有第二阀门、第三阀门和背压阀，第二阀门和第三阀门之间的管路上设置有支路，该支路上设置有第一阀门，且抽/排气管路上还设置有与背压阀连通的支路，该支路上设置有第四阀门、气体循环泵和第六阀门，并连通至气路导管。
本发明进一步的改进在于，第一加热炉和第二加热炉均为电加热、燃气或燃油加热炉，加热炉均温区空间分别大于待制备内壁涂层的集箱及管座和渗剂罐的体积。
本发明进一步的改进在于，待制备内壁涂层的集箱及管座的内壁经过除油、除锈清理，裸露金属表面。
本发明进一步的改进在于，渗剂罐内含有由质量百分数为95-99％铝合金粉和1-5％NH4Cl组成的渗剂，且渗剂重量与集箱及管座内壁面积比不低于500g/m2。
本发明进一步的改进在于，气路导管进入集箱的一端密封，管壁加工若干通孔，用于气相物质均匀扩散。
一种锅炉集箱及管座内壁抗氧化涂层的制备方法，该方法基于上述一种锅炉集箱及管座内壁抗氧化涂层的制备装置，包括如下步骤：
1)关闭第二阀门，同时打开第三至第五阀门，利用机械泵经第一阀门对管路系统抽真空，当系统真空度高于1000Pa时关闭第一至第四阀门和第六阀门；
2)打开第一加热炉，同时对待制备内壁涂层的集箱及管座和渗剂罐加热，保持升温曲线一致。根据集箱及管座材质及热处理工艺设置最终加热温度和保温时间，最终加热温度范围600-950℃；
3)加热过程中，渗剂罐中物质加热分解，经气路导管上的通孔充满整个集箱，压力增加，当系统压力大于1大气压时，打开第二阀门和第三阀门，超压气体通过第二阀门、第三阀门及抽/排气管路排出，通过设置背压阀保持系统压力值为1-2MPa；
4)系统压力在最终加热温度、1-2MPa压力下稳定后，关闭第二阀门、第三阀门和第五阀门，关闭用于加热渗剂罐的第二加热炉，打开第四阀门、第六阀门及气体循环泵，实现气体在1-2MPa压力循环流通；
5)在最终加热温度、1-2MPa压力下循环流通时间2-20h，关闭第一加热炉，待制备内壁涂层的集箱及管座空冷后切除气路导管及密封导管，完成集箱及管座内壁抗氧化涂层制备。
本发明具有以下有益的技术效果：
本发明所述的一种锅炉集箱及管座内壁抗氧化涂层的制备装置，将待制备内壁涂层的集箱及管座作为本发明装置的一部分，通过连接供气及气路循环系统实现回路，从而达到在特定热处理工艺中实现制备内壁涂层的目的。与现有涂层制备技术相比，本发明装置可一次实现在集箱和管座多部件均匀制备抗氧化涂层，不影响部件的焊接工艺；同时，由于将待制备内壁涂层的集箱及管座作集成在本发明装置中，避免了待制备内壁涂层的集箱及管座多次受热带来的组织退化等问题。
本发明所述的一种锅炉集箱及管座内壁抗氧化涂层的制备方法，采用气相沉积的方法在集箱及管座内壁制备涂层，且将密封的集箱及管座作为气路的一部分。最显著的技术效果在于将涂层制备工艺集成到箱及管座材质及热处理工艺中，避免了待制备内壁涂层的集箱及管座多次受热带来的组织退化等问题。由于不同钢种热处理工艺不同，通过设置热处理的温度和保温时间，可制备不同厚度的抗氧化涂层。本发明的另外一个显著的技术效果在于，依托发明所述的制备装置及方法，可最大限度的利用渗剂材料获得涂层制备所需要的化学气氛，且通过操作阀门及循环泵的启闭有效控制气相沉积速率及尾气排放。
附图说明
图1为本发明一种锅炉集箱及管座内壁抗氧化涂层的制备装置的示意图。
图2为涂层截面形貌。
图3为涂层主要元素分布图。
图4为渗铝前后P92钢在650℃蒸汽中的氧化500h的增重对比图。
图中：1为第一加热炉，2为待制备内壁涂层的集箱及管座，3为渗剂罐，4为气路导管，5为气体循环泵，6～11为第一至第六阀门，12为抽/排气管路，13为背压阀，14为第二加热炉。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的锅炉集箱及管座内壁抗氧化涂层的制备装置，包括渗剂罐3、气体循环泵5、用于加热的待制备内壁涂层的集箱及管座2的第一加热炉1以及用于加热渗剂罐3的第二加热炉14；其中，渗剂罐3通过气路导管4和第五阀门10连通至第一加热炉1，第一加热炉1的出口处设置有抽/排气管路12，抽/排气管路12上依次设置有第二阀门7、第三阀门8和背压阀13，第二阀门7和第三阀门8之间的管路上设置有支路，该支路上设置有第一阀门6，且抽/排气管路12上还设置有与背压阀13连通的支路，该支路上设置有第四阀门9、气体循环泵5和第六阀门11，并连通至气路导管4。
其中，第一加热炉1和第二加热炉14均为电加热、燃气或燃油加热炉，加热炉均温区空间分别大于待制备内壁涂层的集箱及管座2和渗剂罐3的体积。待制备内壁涂层的集箱及管座2的内壁经过除油、除锈清理，裸露金属表面。渗剂罐3内含有由质量百分数为95-99％铝合金粉和1-5％NH4Cl组成的渗剂，且渗剂重量与集箱及管座2内壁面积比不低于500g/m2。气路导管4进入集箱的一端密封，管壁加工若干通孔，用于气相物质均匀扩散。
本发明所述的一种锅炉集箱及管座内壁抗氧化涂层的制备方法，包括如下步骤：
1)关闭第二阀门7，同时打开第三至第五阀门8～10，利用机械泵经第一阀门6对管路系统抽真空，当系统真空度高于1000Pa时关闭第一至第四阀门6～9和第六阀门11；
2)打开第一加热炉1，同时对待制备内壁涂层的集箱及管座2和渗剂罐3加热，保持升温曲线一致。根据集箱及管座材质设置最终加热温度和保温时间，最终加热温度范围600-950℃；
3)加热过程中，渗剂罐3中物质加热分解，经气路导管4上的通孔充满整个集箱，压力增加，当系统压力大于1大气压时，打开第二阀门7和第三阀门8，超压气体通过第二阀门7、第三阀门8及抽/排气管路12排出，通过设置背压阀13保持系统压力值为1-2MPa；
4)系统压力在最终加热温度、1-2MPa压力下稳定后，关闭第二阀门7、第三阀门8和第五阀门10，关闭用于加热渗剂罐3的第二加热炉14，打开第四阀门9、第六阀门11及气体循环泵5，实现气体在1-2MPa压力循环流通；
5)在最终加热温度、1-2MPa压力下循环流通时间2-20h，关闭第一加热炉1，待制备内壁涂层的集箱及管座2空冷后切除气路导管及密封导管，完成集箱及管座内壁抗氧化涂层制备。
实施例一
在P92材质的集箱及管座内壁制备抗氧化涂层，将经过内壁除油、除锈的集箱及管座焊接连通在管路系统中。经测量，待制备内壁涂层的集箱及管座2面积约为20m2，渗剂罐3放入15KG渗剂。根据P92材质及焊缝的热处理工艺，终加热温度为760℃、保温时间6h。
制备的内壁涂层形貌如图2，涂层主要元素分布见图3。
650℃饱和蒸汽氧化500h的增重曲线见图4。
Claims (6)
1.一种锅炉集箱及管座内壁抗氧化涂层的制备装置，其特征在于，包括渗剂罐(3)、气体循环泵(5)、用于加热的待制备内壁涂层的集箱及管座(2)的第一加热炉(1)以及用于加热渗剂罐(3)的第二加热炉(14)；其中，
渗剂罐(3)通过气路导管(4)和第五阀门(10)连通至第一加热炉(1)，第一加热炉(1)的出口处设置有抽/排气管路(12)，抽/排气管路(12)上依次设置有第二阀门(7)、第三阀门(8)和背压阀(13)，第二阀门(7)和第三阀门(8)之间的管路上设置有支路，该支路上设置有第一阀门(6)，且抽/排气管路(12)上还设置有与背压阀(13)连通的支路，该支路上设置有第四阀门(9)、气体循环泵(5)和第六阀门(11)，并连通至气路导管(4)。
2.根据权利要求1所述的一种锅炉集箱及管座内壁抗氧化涂层的制备装置，其特征在于，第一加热炉(1)和第二加热炉(14)均为电加热、燃气或燃油加热炉，加热炉均温区空间分别大于待制备内壁涂层的集箱及管座(2)和渗剂罐(3)的体积。
3.根据权利要求1所述的一种锅炉集箱及管座内壁抗氧化涂层的制备装置，其特征在于，待制备内壁涂层的集箱及管座(2)的内壁经过除油、除锈清理，裸露金属表面。
4.根据权利要求1所述的一种锅炉集箱及管座内壁抗氧化涂层的制备装置，其特征在于，渗剂罐(3)内含有由质量百分数为95-99％铝合金粉和1-5％NH4Cl组成的渗剂，且渗剂重量与集箱及管座(2)内壁面积比不低于500g/m2。
5.根据权利要求1所述的一种锅炉集箱及管座内壁抗氧化涂层的制备装置，其特征在于，气路导管(4)进入集箱的一端密封，管壁加工若干通孔，用于气相物质均匀扩散。
6.一种锅炉集箱及管座内壁抗氧化涂层的制备方法，其特征在于，该方法基于权利要求1至5中任一项所述的一种锅炉集箱及管座内壁抗氧化涂层的制备装置，包括如下步骤：
1)关闭第二阀门(7)，同时打开第三至第五阀门(8)～(10)，利用机械泵经第一阀门(6)对管路系统抽真空，当系统真空度高于1000Pa时关闭第一至第四阀门(6)～(9)和第六阀门(11)；
2)打开第一加热炉(1)，同时对待制备内壁涂层的集箱及管座(2)和渗剂罐(3)加热，保持升温曲线一致。根据集箱及管座材质及热处理工艺设置最终加热温度和保温时间，最终加热温度范围600-950℃；
3)加热过程中，渗剂罐(3)中物质加热分解，经气路导管(4)上的通孔充满整个集箱，压力增加，当系统压力大于1大气压时，打开第二阀门(7)和第三阀门(8)，超压气体通过第二阀门(7)、第三阀门(8)及抽/排气管路(12)排出，通过设置背压阀(13)保持系统压力值为1-2MPa；
4)系统压力在最终加热温度、1-2MPa压力下稳定后，关闭第二阀门(7)、第三阀门(8)和第五阀门(10)，关闭用于加热渗剂罐(3)的第二加热炉(14)，打开第四阀门(9)、第六阀门(11)及气体循环泵(5)，实现气体在1-2MPa压力循环流通；
5)在最终加热温度、1-2MPa压力下循环流通时间2-20h，关闭第一加热炉(1)，待制备内壁涂层的集箱及管座(2)空冷后切除气路导管及密封导管，完成集箱及管座内壁抗氧化涂层制备。
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