1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Теплоэнергетика
  4. № 10, 2023

Теплоэнергетика, 2023, № 10, стр. 34-44

Результаты натурных исследований коррозионной и абразивной стойкости ионно-плазменного покрытия, сформированного на образцах трубных поверхностей нагрева биотопливного котла

А. В. Рыженков a, А. Ф. Медников a, С. В. Григорьев a, А. Б. Тхабисимов a, *, Г. В. Качалин a, Н. А. Логинова a, О. Ю. Милованов a

a Национальный исследовательский университет “Московский энергетический институт”
111250 Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Россия

* E-mail: TkhabisimovAB@mpei.ru

Поступила в редакцию 11.04.2023
После доработки 11.05.2023
Принята к публикации 01.06.2023

Аннотация

Представлены результаты натурных исследований коррозионной и абразивной стойкости поверхностей экспериментальных образцов трубной стали 20 с защитным ионно-плазменным покрытием на основе Cr–CrN и без него за время их экспозиции в течение 1000 ч в топке котла номинальной мощностью 200 кВт, работающего на гранулированном биотопливе. Образцы выдерживались в рабочем режиме 220 ч, в режиме простоя 780 ч. Температура внутри задней дымовой коробки, где были размещены экспериментальные образцы, составляла около 700°С. Химический анализ состава золы, полученнной при сжигании лузги подсолнечника, показал наличие калия, фосфора, серы и хлора, т.е. тех элементов, присутствие которых может привести к образованию высокоагрессивных коррозионно-опасных соединений при кондесации влаги в периоды простоя котла. Выявлено, что исследуемое покрытие не подверглось коррозионному разрушению, его адгезионная прочность за время выдержки не изменилась, исходная толщина покрытия снизилась в среднем на 10–15%, шероховатость поверхности осталась прежней. Отмечено небольшое отклонение морфологии из-за окисления поверхностного слоя покрытия при максимальном времени выдержки, окисления материала под покрытием на поперечных шлифах образцов с покрытием не обнаружено. Проведенные при углах атаки воздушно-абразивного потока 30, 60 и 90° испытания образцов стали 20 с защитным ионно-плазменным покрытием на основе Cr–CrN после выдержки в топке биотопливного котла в течение 1000 ч показали, что абразивная стойкость по установившейся скорости повысилась не менее чем в 2.5 раза относительно образцов без покрытия. Согласно результатам металлографических, коррозионных и абразивных исследований, ионно-плазменное покрытие на основе Cr–CrN является перспективным для защиты трубных поверхностей биотопливных котлов, подвергающихся коррозионому и абразивному воздействию солей щелочных металлов и частиц золы при высоких температурах и переменной нагрузке.

Ключевые слова: биотопливный котел, лузга подсолнечника, коррозионное воздействие, абразивный износ, трубная поверхность, ионно-плазменные технологии, натурные исследования

Список литературы

  1. Temperature and combustion kinetics of wood pellet chair in a fluidized bed / G. Palchonok, A. Borodulya, V. Golubeva, B. Leckner, K.M. Hansson, C. Tullin, J.E. Johnsson // Heat Transfer Res. 2003. V. 34. No. 1. P. 142–155. https://doi.org/10.1615/HeatTransRes.v34.i1-2.190

  2. Rao T.R., Ram Bheemarasetti J.V. Minimum fluidization velocities of mixture of biomass and sand // Energy. 2001. V. 26. Is. 6. P. 633–644. https://doi.org/10.1016/S0360-5442(01)00014-7

  3. Liske J., Svensson J.E., Johansson L.G. Alkali-induced corrosion of 304-type austenitic stainless steel at 600°C; comparison between KCl, K2CO3 and K2SO4 // Mater. Sci. Forum. 2008. V. 595. P. 367–375. https://doi.org/10.4028/0-87849-366-2.367

  4. Kim G.S., Lee S.Y. Microstructure and mechanical properties of AlCrN films deposited by CFUBMS // Surf. Coat. Technol. 2006. V. 201. No. 7. P. 4361–4366. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2006.08.076

  5. Oxidation resistance of magnetron-sputtered CrAlN coatings on 430 steel at 800°C / A. Kayani, T.L. Buchanan, M. Kopczyk, C. Collins, J. Lucas, K. Lund, R. Hutchison, P.E. Gannon, M.C. Deibert, R.J. Smith, D.S. Choi, V.I. Gorokhovsky // Surf. Coat. Technol. 2006. V. 201. No. 7. P. 4460–4466. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2006.08.049

  6. Vakkilainen E.K., Pohjanne P. Selecting the right material for recovery boiler superheaters // Proc. of the Intern. Conf. “Baltica VIII – Life Management and Maintenance for Power Plants”. Helsinki, Finland, 18–20 May 2010. V. 2. P. 37–51.

  7. Bala N., Singh H., Prakash S. Accelerated hot corrosion studies of cold spray Ni–50 Cr coating on boiler steels // Mater. Des. 2010. V. 31. No. 1. P. 244–253. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2009.06.033

  8. High temperature corrosion of thermally sprayed NiCr and FeCr coatings covered with a KCl–K2SO4 salt mixture / T. Varis, D. Bankiewicz, P. Yrjas, M. Oksa, T. Suhonen, S. Tuurna, K. Ruusuvuori, S. Holmström // Surf. Coat. Technol. 2015. V. 265. P. 235–243. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2014.11.012

  9. Hot corrosion behaviour of yttrium and aluminium modified wear resistance coating alloy in mixed sulphate at 900°C / A. Rehman, M.H.S. Bidabadi, Y. Liang, Z. Yu, C. Zhang, H. Chen, Z.G. Yang // Corros. Sci. 2020. V. 165. P. 108369. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2019.108369

  10. Kadhim M.J., Ajeel S.A., Resen A.M. Evaluation of microstructure and hot corrosion behaviour of YPSZ/Al2O3 composite plasma sprayed coatings at 900°C by molten eutectic vana-date-sulfate salt // Dijlah J. 2019. V. 2. No. 1. P. 3–18.

  11. ​Microstructure characteristics and properties of WC‑CrC-Ni HVOF coating for boiler tube steel / B. Somasundaram, G.P. Viresh, M.R. Ramesh, S. Kandaiah, N. Jegadeeswaran // Proc. Mater. Today. 2022. V. 54. No. 2. P. 366−371.

  12. Corrosion resistance and mechanical properties of pulse electrodeposited Ni-TiO2 composite coating for sintered NdFeB magnet / Q. Li, X. Yang, L. Zhang, J. Wang, B.O. Chen // J. Alloys Compd. 2009. V. 482. No. 1–2. P. 339–344. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2009.04.014

  13. Electrodeposition and characterization of nano-structured Ni–SiC composite films / C. Cai, X.B. Zhu, G.Q. Zheng, Y.N. Yuan, X.Q. Huang, F.H. Cao, J.F. Yang, B. Zhang // Surf. Coat. Technol. 2011. V. 205. No. 11. P. 3448–3454. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2010.12.002

  14. Solid particle erosion resistance of protective ion-plasma coating formed on full-scale objects based on modern additive technologies / A.B. Tkhabisimov, A.F. Mednikov, M.R. Dasaev, G.V. Kachalin, O.S. Zilova // Int. J. Innov. Technol. Explor. Eng. (IJITEE). 2019. V. 8. No. 7. P. 2295–2302.

  15. Study of the wear resistance of ion-plasma coatings based on titanium and aluminum and obtained by magnetron sputtering / G.V. Kachalin, A.F. Mednikov, A.B. Tkhabisimov, S.V. Sidorov // J. Phys.: Conf. Ser. 2017. V. 857. No. 1. P. 012016. https://doi.org/10.1088/1742-6596/857/1/012016

  16. Investigation on the corrosion and oxidation resistance of Ni–Al2O3 nano-composite coatings prepared by sediment co-deposition / Q. Feng, T. Li, H. Teng, X. Zhang, Y. Zhang, C. Liu, J. Jin // Surf. Coat. Technol. 2008. V. 202. No. 17. P. 4137–4144. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2008.03.001

  17. Electrochemical impedance spectroscopy and corrosion behaviour of Al2O3–Ni nano composite coatings / A.C. Ciubotariu, L. Benea, M. Lakatos-Varsanyi, V. Dragan // Electrochim. Acta. 2008. V. 53. P. 4557–4563. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2008.01.020

  18. Studies of the Cr–CrN coating characteristics formed by means of the magnetron sputtering method from bulk targe / G.V. Kachalin, A.F. Mednikov, A.B. Tkhabisimov, S.V. Sidorov // J. Phys.: Conf. Ser. 2017. V. 872. No. 1. P. 012040. https://doi.org/10.1088/1742-6596/872/1/012040

  19. Wear and corrosion resistance of CrN/TiN superlattice coatings deposited by a combined deep oscillation magnetron sputtering and pulsed dc magnetron sputtering / Y.X. Ou, J. Lin, S. Tong, H.L. Che, W.D. Sproul, M.K. Lei // Appl. Surf. Sci. 2015. V. 351. P. 332–343. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2015.05.110

  20. A comparison of tribological and corrosion behavior of PVD-deposited CrN/CrAlN and CrCN/CrAlCN nanostructured coatings / M. Soleimani, A. Fattah-alhosseini, H. Elmkhah, K. Babaei, O. Imantalab // Ceram. Int. 2022. V. 49. No. 3. P. 5029–5041. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.10.016

  21. Современные технологические решения для формирования ионно-плазменных покрытий на элементах оборудования топливно-энергетического комплекса / Г.В. Качалин, А.В. Рыженков, К.С. Медведев, А.И. Бычков, М.А. Парфененок // Надежность и безопасность энергетики. 2014. № 2. С. 8–12.

  22. Hussein R.M., Albadrany A.A.M. High temperature hot corrosion resistance of coated stainless steel at NaCl/Na2SO4 mixtures environments // Anbar J. Eng. Sci. 2012. No. 1. P. 12–24.

  23. High temperature corrosion behaviour of T-91 and T-22 bare steel in 75 wt % Na2SO4 + 25 wt % NaCl molten salt environment at 900°C / D. Gond, V. Chawla, D. Puri, S. Prakash // J. Miner. Mater. Charact. Eng. 2010. V. 9. No. 7. P. 593–606. https://doi.org/10.4236/jmmce.2010.97042

  24. Hot corrosion of co-based clloys with 25% NaCl + + 75% Na2SO4 coating at 1173 K / G. Fu, X. Guo, Q. Liu, X. Zhao, Y. Su // High Temp. Mater. Processes. 2013. V. 323. No. 3. P. 317–321. https://doi.org/10.1515/htmp-2012-0134

  25. Somasundaram B., Kadoli R., Ramesh M.R. Evaluation of thermocyclic oxidation behavior of HVOF sprayed (Cr3C2–35% NiCr) + 5% Si coatings on boiler tube steels // Procedia Mater. Sci. 2014. V. 5. P. 398–407.

  26. Singh A., Goyal K., Goyal R. An investigation on hot corrosion behaviour of cermet coatings in simulated boiler environment // J. Bio- and Tribo-Corrosion. 2019. V. 5. No. 4. P. 86. https://doi.org/10.1007/s40735-019-0278-9

  27. ГОСТ 9.302-88. Единая система защиты от коррозии и старения. Покрытия металлические и неметаллические неорганические. Методы контроля. М.: Изд-во стандартов, 1988. Ввод в действие с 01.01.1990.

  28. ГОСТ 9.311-87. Покрытия металлические и неметаллические неорганические. Метод оценки коррозионных поражений. М.: Изд-во стандартов, 1987. Ввод в действие с 01.07.1990.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Теплоэнергетика

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал