锅炉控制系统中胶粘剂的应用分析

张伟岗

摘要：文章主要对锅炉控制系统中胶粘剂的应用进行了研究和分析，针对大型内衬陶瓷锅炉控制系统完成了专用胶粘剂的研制，在阐述了专用胶粘剂结构及性能的基础上，相比有机胶和硅溶胶，无机磷酸盐胶粘剂在耐高温、低固化收缩率等方面表现出了明显的优势，介绍了制备磷酸盐胶粘剂的原料及工艺，并通过试验制备出了一种高粘性的胶粘剂，试验的主要成分为磷酸二氢铝，结合使用适量的PH调节剂、缓蚀剂、增稠剂等完成了胶粘剂的制备，该胶粘剂表面干燥耗时不超过24h，耐温800℃，并降低了对金属表面的腐蚀，表现出了本文胶粘剂良好的技术经济优越性。

关键词：锅炉控制系统;胶粘剂;磷酸二氢铝

中图分类号：TQ437文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）11-0001-04

目前工业生产及日常生活服务对高质量高效率锅炉的要求不断提高，以火力发电厂为例，位于其锅炉内部的金属管道对电厂的安全运营产生直接影响，所使用锅炉工作环境的温度可达约1000℃，承受的工况条件（包括高强度的冲蚀磨损和结焦）较为复杂，根据国内外实践经验可知将复合涂料涂刷到管道表面可使高温环境导致的锅炉内部磨损程度得以显著降低进而实现防止结焦的目的。目前国对于此种适合锅炉控制系统使用的复合胶粘剂的研制水平还有待提高，现有的胶粘剂体系存在不同的问题，例如，表面干燥速度快的硅酸盐胶粘剂存在较大的固化收缩率上的不足，涂层耐高温性能较差易开裂;而传统的磷酸盐胶粘剂较为明显的劣势表现在发生于金属基体上的反应较强烈且表面干燥耗时较长，限制了其在实际施工中的广泛应用;貼衬陶瓷衬里的胶粘剂的成本较高，自身性能无法使控制系统工作条件下的需求得以有效满足。

1需求分析

锅炉控制系统内壁需长期在较为恶劣的环境下工作，持续面临着高温气体的侵蚀及煤粉颗粒的冲，已经成为决定锅炉使用寿命的关键因素。采用优质合金材料制作控制系统有利于控制系统使用寿命的有效延长，此类材料需具备基本的耐磨及耐高温腐蚀特点。近年来随着研究领域的拓展一些当做控制系统衬里和涂层的材料不断被研发出来，此种情况下对控制系统的材质要求不高（一般钢材即可），降低了锅炉生成及使用成本，例如，采用绝热的钻基合金制造控制系统并将稳定性较高的氧化错纤维置于控制系统内壁（日本专利），使控制系统内壁由煤粉颗粒运动导致的冲刷问题得以有效减缓和阻挡;将耐介质腐蚀的三氧化二铝瓷片（以刚玉作为主晶相）置于控制系统内壁，使控制系统本体的抗煤粉颗粒及高温气流冲击性能得以有效提升（巴布科克·威尔科克斯公司）;提供优质锅护装置的北京巴布科克·威尔科克斯公司生产的锅炉主要供大型电站及工业使用（包括发电厂、石油、化工、造纸等），专业水平较高，其首台超高压自然循环电站锅炉（20万kW）采用口简式PAS型控制系统（共24只）结构，使用寿命为15-20年，扩容进入控制系统的风混合煤粉（速度为30m/s）混合增速热风直吹人锅炉炉膛，在高温环境下控制系统管道内壁承受高硬度煤粉的冲刷（哈式可磨系数70～80），复杂的结构增加了维修和更换的难度。因此需选用满足条件的胶粘剂，粘接工艺需简单易行，具备可承受强力撞击的稳定结构强度，耐高温经冷热冲击后不脱开，本文尝试将三氧化二铝瓷片粘接到控制系统内壁以提高锅炉耐热耐磨性能。

2原料与制备工艺

为使高辐射涂层的综合性能得以有效提高，要求胶粘剂在抗腐蚀、黏度、耐高温方面具有较大的优势，使用制备的磷酸二氢铝溶液（3.15：1的磷酸和氢氧化铝）显著提高涂层黏度，且溶液的粘度会随反应温度的升高而提升，黏度在128℃左右达到临界值（0.8Pa·s），通过降低涂层酸度实现对体系酸度的有效控制，从而使制备出的低酸度涂层更适用于金属基体，在对胶粘剂试验数据做出进一步优化的基础上制备出涂层，验证了本文胶粘剂的优异性能;针对骨料之间及骨料通基体间通过调节各种无机填料使其结合力得以有效提升，调节膨胀系数可使涂层耐高溫性得到进一步提高。

2.1原材料

2.1.1磷酸盐溶液的试验原料

胶粘剂的粘接性能同金属离子半径成反比，对于胶粘剂的不同性能，磷酸盐的金属离子对其影响情况表现为：附着力由强盗弱的顺序为Al、Mg、Ca、Cu、Fe、Zn，强度由大到小的顺序为Al、Mg、Ca、Fc、Cu、Ba，由此可知Al³⁺表现出的粘接性最好，Al结构（配位数较低）有助于无序固溶体的形成以及对应力和应变的吸收，为此本文选用了Al（OH）₃，结合使用磷酸溶液完成了磷酸盐胶粘剂的制备，作为一种中强酸磷酸的电离过程是分步进行的，发生反应的化学表达式如下。

Al（OH）₃+3H₃PO₄=Al（H₃PO₄）+3H₂O

2Al（OH）₃+3H₃PO₄=AI₂（HPO₄）₃+6H₂0

Al（OH）₃+H₃PO₄=AlPO₄+3H₂O

根据现有研究成果可知，胶粘剂的粘接性能随着磷酸二氢铝含量的增多而增强，磷酸二氢铝的产物在质量比为3.1：1-3.41：1间的H₂PO₄和Al（OH），反应的情况下最多，低于或高于此值则产物中会残留多余的Al（OH）₃或H₃PO₄。

2.1.2PH调节剂的选用

本文选用了碱性溶液对试验过程进行调节，使磷酸盐溶液在配制好时达到2-3范围间的PH值，用量过多的碱性溶液会使磷酸盐溶液的粘性降低甚至失去，用量过少的碱性溶液则无法满足降低磷酸盐溶液酸性的要求。

2.1.3缓蚀剂的选用

磷酸盐胶粘剂不能只通过使用碱性溶液实现酸性的完全降低，涂层面临着较大的化学反应活性而导致易开裂，需通过缓蚀剂的添加使此种问题得以有效弥补，为此本文选用了双组分体系（即磷酸盐和适用于磷酸盐胶粘剂的铬酸盐）对试验过程进行调节，增大涂层的交联密度，磷酸盐的防腐机理在于通过涂层离解成磷酸和缩合磷酸两种离子使金属产生钝化，并在金属和涂层间形成络合物，金属的腐蚀通过使用缓蚀剂形成钝化层而得以有效避免，使涂层常温化学反应活性得以显著降低从而有效避免了涂层开裂现象的出现，达到后期的防腐蚀效果。

2.1.4固化剂的选用

考虑到磷酸盐胶粘剂存在固化速度较慢且涂层表面干燥速度较慢（通常超过48h）的问题，为进一步提升工程施工效果，本文的催化剂选用了MgO，同时采用了硅溶胶胶粘剂（硅溶胶具备较大的固化收缩率，需根据实际需要适量使用），实现了在降低固化温度的同时使涂层的固化速度得以显著提高。

2.1.5酸性抑制剂的选用

具体选用了具有较强抑制金属基体腐蚀能力的NH-66耐火材料磷酸抑制剂，使涂层的黏度得以有效增强。

2.2胶粘涂层的制备工艺

本文在制备胶粘剂时采用的基料主要为磷酸二氢铝（由Al（OH）₃和H₃PO₄發生化学反应生成），并辅以添加相关填料，具体按照实际需要按一定比例将H₃PO₄和Al（OH）₃（浓度为85%）进行混合后加热到120～140℃，再进行1h的保温处理，最终获取一种无色透明的溶液。在此基础上调节溶液的PH值使其达到2-3间（使用碱性溶液），基料中MgO含量的占比、酸性抑制剂的占比、缓蚀剂占比分别在5%-10%、0.5%-5%、20%-55%区间内，CuO占比在5%-15%间，以对涂层腐蚀性产生影响的主要因素为依据进行正交试验（共16组），具体制备工艺如图1所示。

3试验结果分析

3.1磷酸二氢铝溶液黏度的提高

制备磷酸二氢铝溶液时需以实际工况需求为依据使溶液达到合适的黏度，过大的黏度会阻碍施工的顺利进行，过小的黏度会不同程度的减小骨料和基体间、骨料间的结合力，Al/P配比同胶粘剂黏度间的关系如图2所示，黏度随着磷酸二氢铝浓度的增大呈现上升的趋势，在其与氢氧化铝质量比达到3.15：1时达到最高值;黏度随温度的变化情况如图3所示，随着温度的上升黏度呈现快速升高的趋势，黏度在达到128℃后经过1h保温处理后为0.853Pa·S，测试结果表明此时涂层达到施工的临界值。在完成上述黏度实验后完成胶粘剂溶液的配制（以实验数据为依据），再进行固化处理获取样品，其XRD图谱如图4所示，采用RIR方法完成此时成分中含有磷酸二氢铝的计算，得到其物相质量分数为75%，现有研究成果已表明溶液黏度同磷酸二氢铝的比例成正比，进一步验证了溶液具备较高的黏度。

3.2胶粘剂体系酸度的降低

本文通过试验实现对胶粘剂酸度的有效控制，胶粘剂酸度的影响因素及水平如表l所示（根据正交试验），L₁₆（4⁵）表头设计如表2所示。胶粘剂的剪切强度试验测试结果如图5所示（该试验以GB7124-86为依据），通过正交试验的k值获取碱性溶液含量、酸性抑制剂含量、MCO含量、CuO含量、缓蚀剂含量、的计算结果分别为5%、1.7%、6.5%、5%、20%，涂层的剪切强度在此种含量配比下最强，接下来剪切强度通过使用万能试验机的拉伸试验得出对应值为7.4MPa，以为没有有效的对涂层膨胀系数进行调整，导致涂层间的结合力在受热膨胀后降低，使涂层的剪切性能受到了一定的限制。将高辐射涂层在采用上述最佳配方的同时通过加入骨料完成制备过程，经降低腐蚀处理后的试验结果如图6所示，光滑平整且具备高致密度的的涂层状态表明图层同金属基体的腐蚀反应得以有效避免，显著增强了骨料间以及骨料和基体间的结合力。实际在锅炉控制系统中应用胶粘剂时，需对被粘接表面进行去锈除油处理（可采用喷砂或酸洗方法除去金属表明的锈），用丙酮清洗陶瓷表面以去除油渍。在充分搅拌胶粘剂使其混合均匀的基础上，将其涂置金属和陶瓷表面（胶层厚度为1mm左右），并稍用力压平达到贴合状态，使用完毕后揩掉挤压出的余胶并按要求固化。

4结语

日常生产生活对锅炉使用性能的要求越来越高，随着高辐射涂层在锅炉管道内应用范围的不断扩大，对适用于该涂层的优质胶粘剂的需求日益凸显，为提高锅炉控制系统的使用性能和寿命，文中完成了一种新型胶粘剂的研制，在使用磷酸二氢铝的同时通过PH调节、缓蚀、催干及增稠等处理后完成了一种耐高温耐腐蚀的适用于锅炉控制系统使用的高粘性胶粘剂的制备过程，此种胶粘剂对粘接的材质种类限制较少，同时具备较佳的抗高温、热震及机械冲击特点，能够将有效的粘接提供给锅炉控制系统（内衬陶瓷），为新式控制系统的工业生产与使用提供支撑。