火电厂循环流化床锅炉受热面磨损机理及防磨技术优化研究

中图分类号：TM12 文献标识码：A

引言

循环流化床燃烧技术是近几十年来迅速发展起来的一种高效、清洁的燃煤技术。其核心特点在于炉内存在一个高浓度、高速运动的床料颗粒循环系统，剧烈的气固两相流运动极大地强化了燃烧和传热过程，使得CFB锅炉能够燃用煤矸石、泥煤、石油焦等多种劣质燃料，并通过炉内添加石灰石实现低成本脱硫，有效控制NOx的生成。然而，“成也萧何，败也萧何”。正是这种保证其优异性能的剧烈气固两相流动，导致了锅炉受热面（包括水冷壁、过热器、再热器、省煤器等）面临着严峻的磨损问题。受热面管壁的长期磨损会导致管壁减薄，当壁厚低于承压要求时，极易引发爆管事故，造成非计划停炉，带来巨大的经济损失和安全风险。据统计，CFB锅炉因受热面磨损导致的泄漏事故占其总事故率的相当高比例。因此，深入理解CFB锅炉受热面的磨损机理，并据此制定有效的防磨策略，对于提升CFB锅炉的运行可靠性、延长其使用寿命具有至关重要的意义。

1、受热面磨损的主要机理

1.1、冲击磨损

冲击磨损是CFB锅炉中最主要、最普遍的磨损形式。它是指固体颗粒以一定的速度和角度冲击材料表面，从而造成材料流失的现象。根据冲击角度的不同，其机理有所差异：小角度冲击（ 15^∘～30^∘; ）： 这是CFB锅炉中最常见的情况。大量颗粒随烟气平行或小角度冲刷受热面管壁。此时，颗粒对表面的切削作用占主导，类似于“刨削”或“微切削”，会在材料表面形成犁沟状的划痕，导致材料逐渐被剥离；大角度冲击（接近 90^∘. ）：颗粒垂直或近乎垂直地撞击表面。此时，材料的失效模式以塑性变形和疲劳剥落为主。反复的冲击会在材料亚表层产生微裂纹，裂纹扩展、连接，最终导致片状或块状的磨屑脱落；在CFB锅炉中，水冷壁的磨损主要以小角度冲刷磨损为主，而在屏式过热器弯头、炉内凸起物（如测温套管）的正面，则可能承受更多的大角度冲击。

1.2、 微振磨损

这种磨损主要发生在受热面管束之间、管壁与固定件或支撑件之间。由于CFB锅炉内流动的不稳定性，管子会产生高频、低幅的振动。相邻管子或管子与支撑件之间会发生微小位移的相互撞击和摩擦，同时又有细小的灰颗粒侵入其间，起到磨料的作用。这种“微振 + 磨料”的复合作用，会加速接触点的材料损耗，通常在管子之间形成明显的磨损亮斑甚至深沟。省煤器、过热器管束的穿墙部位和管夹处是微振磨损的高发区。

1.3、腐蚀磨损

这是一个复杂的化学-物理协同作用过程。在CFB锅炉中，燃料中的碱金属、氯元素等会在受热面管壁表面形成粘性灰层或发生腐蚀反应，生成低熔点的共晶体，破坏管壁表面的致密氧化层 (Fe₂O₃ ）。这层氧化膜原本对基体金属有一定的保护作用。一旦保护层被破坏，裸露的新鲜金属基体其硬度和耐磨性会显著下降，更容易被固体颗粒磨损掉。磨损掉表层后，新的金属基体又会暴露出来继续被腐蚀，如此形成“腐蚀-磨损-再腐蚀”的恶性循环，极大地加速了管子的失效进程。高温过热器和再热器区域是腐蚀磨损的易发区[1]。

2、火电厂循环流化床锅炉受热面防磨技术优化策略分析

2.1、基于大数据与状态检修的防磨管理优化

在高温高压区域广泛安装热电偶，实时监测管壁温度，异常超温往往是磨损导致保温脱落或内部结焦的征兆；推广应用便携式或固定式的超声波测厚装置，定期对高磨损区域进行网格化定点测厚，建立“受热面壁厚数据库”。通过趋势分析，精准预测剩余寿命，实现预测性维修，避免“过度维修”或“维修不足”；整合运行数据（风量、压力、负荷、煤质）、检修数据（历史测厚记录、爆管位置、喷涂/堆焊维修记录）和 inspection 数据（内窥镜、无人机检查影像）；利用数据挖掘和机器学习算法，分析磨损速率与各种运行参数之间的关联模型，找出对磨损影响最大的运行因素，从而优化运行指导。例如，确定不同煤种下的最佳运行床压和风量配比[2]。

2.2、防磨新材料与新工艺的研发

高性能耐磨涂层的研发：开发新型复合涂层材料，如金属-陶瓷复合梯度涂层，使其既具备陶瓷的高硬度、高耐磨性，又拥有金属的良好韧性和抗热震性能，解决涂层易剥落的问题；探索冷喷涂（Cold Spraying）等低温沉积技术，该技术几乎不对基体材料产生热影响，可避免传统热喷涂带来的基体变形和性能劣化问题。防磨结构细节的精细化优化：利用先进的CFD-DEM（离散元法）耦合仿真技术，对炉内复杂的气固两相流动和磨损进行微观模拟，精准预测每一个局部结构（如让管形状、焊缝余高）对流动和磨损的影响，从而实现防磨结构的“精准优化”；推广激光熔覆技术替代传统堆焊，其热输入更小，变形可控，熔覆层质量更高，尤其适用于对变形敏感的薄壁管修复[3]。

2.3、系统性的防磨技术集成与应用

根据每台锅炉的具体设计、主要燃料特性、历史磨损特点和运行习惯，制定个性化的综合防磨策略，例如，对于燃用极高磨损性燃料的锅炉，可能需要在设计阶段就采用更保守的流速设计，并优先考虑大面积堆焊方案；而对于燃用生物质等磨损性较轻燃料的锅炉，则可能以运行优化和局部热喷涂为主。同时在选择防磨技术时，不能只看初次投入成本，而应进行全生命周期成本分析。一项初期投入较高但寿命长、免维护的技术（如高质量激光熔覆），其LCC可能远低于需要频繁停机施工的热喷涂技术。将非计划停炉的损失纳入成本计算，会使决策更加科学合理[4]。

2.4、状态监测与智能化管理优化

声波测温/成像技术：在炉膛外部安装声波测温系统，实时监测炉内温度场分布，间接判断流化状态和可能存在的局部磨损导致的吸热异常；壁温在线监测： 在关键受热面管屏上安装密集的壁温测点，实时监控管壁温度。若某处因磨损导致壁厚减薄，其温度会异常升高，系统可及时报警；振动监测： 在可能发生微动磨损的支撑件和穿墙管处安装振动传感器，监测振动烈度，评估磨损风险，整合锅炉设计数据、运行数据（DCS）、检修历史数据和在线监测数据，构建CFB锅炉的数字化孪生模型。利用机器学习算法，分析海量运行数据与磨损速率之间的内在关联，挖掘最优运行工况，并对受热面的剩余寿命进行预测，实现真正意义上的智能预警和智慧检修决策[5]。

结束语

循环流化床锅炉受热面的磨损是一个由气固流体动力特性、物料性质及结构设计等多因素耦合作用的复杂问题。其机理主要表现为切削磨损、变形疲劳磨损及二者的腐蚀协同效应。随着新材料、新工艺、新技术的不断涌现，特别是智能电站概念的深入推进，CFB锅炉的受热面防磨必将迎来新的突破。通过持续的技术优化和综合管理，必将有效遏制磨损问题，显著提升CFB锅炉的运行可靠性和经济性，使其在能源结构调整和节能减排中发挥更加重要的作用。

参考文献：

[1]陈好卫. 关于火电厂循环流化床锅炉的常见故障与预防对策探讨[J].中国设备工程,2023,(24):213-215.

[2] 李建华. 火电厂循环流化床锅炉床温控制的优化分析[J]. 中国设备工程,2023,(20):94-96.

[3]王尚尚.350 MW CFB锅炉NOx浓度预测及SNCR脱硝控制策略优化[D].山西大学,2022.DOI:10.27284/d.cnki.gsxiu.2022.000976.

[4] 宋江. 浅谈循环流化床锅炉大比例掺烧煤泥应用实践[J]. 中国设备工程,2021,(21):125-126.

[5]高天,肖日宏,揣兴,等. 大型循环流化床锅炉与煤粉炉汞排放特性研究[J].燃料化学学报,2022,50(03):275-282.DOI:10.19906/j.cnki.jfct.2021075.