Neue Technologien zur Kesselbeschichtung für den Schutz gegen Korrosion und Verschleiß

G. R. Heath, A. Tremblay, W. Satke*, D. Braha*

Castolin Eutectic Group, Research & Technology Center, Schweiz.

* Castolin Europe, Deutschland

Abstrakt

Die Wanddickenabzehrung von Kesselrohren aufgrund der schweren Betriebsbedingungen kann zu vorzeitigem Rohrbruch und ungeplanten Ausfällen führen. Es gibt immer höhere Anforderungen, um Müll und Mischabfälle bei höheren Temperaturen mit einer verbesserten Zuverlässigkeit der Kesselrohre zu verbrennen. Anlagenbetreiber von Müllverbrennungen sind immer stärker dazu gezwungen kostengünstige Lösungen für eine höhere Verführbarkeit von Flossenwänden und Überhitzerrohren im Vergleich zur großflächigen Schweißplattierungen mit Inconel 625 zu finden.

Thermisch gespritzte Beschichtungen etablieren sich als zuverlässige und kostengünstige Lösungen. Diese können mit einfachen Mitteln auf der Baustelle eingesetzt werden, mit dünnen Beschichtungen und mit einer Reihe von Legierungen und Prozessen, die auf die unterschiedlichen komplexen Korrosions- und Verschleißsituationen abgestimmt sind.

Es wurden neuartige Legierungen mit verbesserten Korrosions- und Verschleißschutzeigenschaften gegenüber der Legierung 625 entwickelt. Jedoch ist es nicht möglich, diese Fülldrahtlegierungen zu verschweißen, aber sie können mit den thermischen Spritzverfahren aufgebracht werden. Mehrere neue Beschichtungsmaterialen und -verfahren (Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, Lichtbogenspritztechnik, Pulver-Flammspritzen mit Einschmelzen, Laserschweißen) haben sich in langfristigen Kesselrohr-Untersuchungen gegen Verschleiß und Korrosion bewährt und bei neuen Arten von "verdichteten" thermischen Spritzschichten wurden ihre technischen und kommerziellen Daten nachgewiesen.

Der Beschichtungsprozess kann in Fachwerkstätten auf neue Rohre und Flossenwände mit einer Vielzahl von Durchmessern und Geometrien durchgeführt werden. Auch eine vor-Ort-Beschichtung direkt im Kessel ist möglich, um bereits geschädigte Kesselrohre und Wärmetauscher flächig zu sanieren und zu schützen. Die theoretischen und praktischen Aspekte der Beschichtungen und wie sie angewendet werden wird im Detail zusammen mit einigen Fallstudien vorgestellt und diskutiert.

1. EINFÜHRUNG

Typische Kessel zur Stromerzeugung in Müllverbrennungsanlagen (MVA) setzen das Kesselrohrmaterial einer aggressiven Umgebung mit Hochtemperatur-Korrosion und Erosions-Verschleiß aus. Die vielen Formen, Größen, Konstruktionsformen, Hersteller usw. von Kesseln, zusammen mit der Vielzahl an verwendeten Brennstoffen (Kohle, Öl, kommunale Abfälle, Biomasse etc.) und Betriebssysteme erzeugen einen komplexen Umfang an Abnutzungs- und Korrosionsproblemen. Trotzdem kristallisieren sich einige Muster heraus und allgemeine Probleme, die typischerweise auftreten, werden in Abbildung 1 dargestellt. Dazu kommen die Probleme des Materialabtrages durch Abzehrung mit Korrosion (1,2) von eingebauten Kesselrohren, die bei den verschiedenen Formen von Wirbelschicht-Brennkammern, atmosphärischen Wirbelschicht-Brennkammern, zirkulierenden und Druck-Wirbelschicht-Brennkammern auftreten.

1.1 Verschiedene Kesselkonstruktionstypen und Brennstoffe führen zu verschiedenen Typen von Abzehrungs- / Korrosionsmustern, die verschiedene Lösungen, mit Beschichtungen vor Ort und in der Werkstatt, nötig machen

Bei sauber verbrennenden Müllkesseln (separierter Müll oder mit Brennstoffen vermischt) können Oxidation und Sulfidierung, in Abhängigkeit von den örtlichen Sauerstoff und Schwefelkonzentrationen (3,4) zu Problemen führen. Die Verbrennung von Brennstoffen mit hohen Anteilen an Chlor oder Elementen wie Natrium, Kalium, Vanadium etc. kann zu Aschenformung und Salzrückständen führen, die Substanzen mit sehr niedrigem Schmelzpunkt beinhalten. Wenn die Oberflächentemperatur des Metalls diesen Wert übersteigt, können sich außerordentlich ätzende Bedingungen entwickeln, da das geschmolzene Salz den Oxidzunder verschlackt oder das Metall direkt auflöst. Solche Korrosion wird oft in Müllverbrennungen (5) beobachtet, aber ebenso in Schwarzlaugen-Rückgewinnungskesseln in der Zellstoff- und Papierindustrie (6).

Wirbelschicht- Müllverbrennung Abb. 1 Schema eines typischen Kessels mit Korrosions-/Abnutzungsstellen

SuperheatersCyclone

Furnace Floor

Waterwalls

Economizers

Korrosion tritt nicht nur bei hohen Temperaturen auf. Wenn der Kessel nicht betrieben wird, können Säuren aus Rauchgasen kondensieren (unter ca. 120°C) und die Kesselrohre direkt angreifen. Zudem können diese Säuren mit den Oberflächenprodukten (Oxiden, Zunder, Beschichtungen etc.) reagieren und Hochtemperatur-Korrosion nach dem Wiederanfahren der Verbrennung beschleunigen.

Das Hauptproblem ist, dass die Abnutzung oder Korrosion der Kesselverrohrung zu einer Verringerung der Wandstärke der Rohre - eines Druckbehälters - führt. Wenn die Wandstärke der Rohre zu gering wird, bricht das Rohr und der Betreiber muss den Austausch der Rohre durchführen. Die Abnutzungsrate der kritischen Rohre muss beobachtet und teure Betriebsstillstände zur Ersetzung derselben müssen eingeplant werden. Oft stimmen die Abnutzungsrate und damit die Termine für die Ersetzung nicht mit den Terminen der geplanten Stillstände überein, was große zusätzliche Kosten zur außerplanmäßigen Kesselabschaltung mit sich bringt. Außerdem ist das Herausschneiden und Ersetzen von Kesselrohren eine kostspielige Aufgabe, da es nicht nur zu einem Stillstand der Anlage führt, sondern die Rohre auch herausgeschnitten und neue eingeschweißt, geprüft und druckgetestet werden müssen, bevor die Anlage wieder in Betrieb gehen kann. Da Kosten- und Leistungsdruck für die Kesselbetreiber stetig ansteigen (Abb. 2), stellt ein Rohraustausch einen großen Kostenfaktor und einen unerwünschten Wartungsaufwand dar.

Abb. 1 Schema eines typischen Kessels mit Korrosions-/Abnützungsstellen

Abb. 2 Schema von typischen Auflagen der Betreiber von Müllverbrennungsanlagen

Das Abnutzungsprodukt ist vom verwendeten Brennstoff abhängig, ist aber normalerweise ein Nebenprodukt des ursprünglichen Brennstoffes oder wird während des Verbrennungsvorgangs erzeugt. Trotzdem ist das Abnutzungsprodukt normalerweise härter als die Kesselverrohrung, bewegt sich mit hoher Geschwindigkeit im Gasstrom und greift die Verrohrung aus verschiedenen Winkeln an. Bei weniger hochwertiger Kohle ist dieses Abnutzungsprodukt typischerweise feiner Quarz, der extrem hart und auch aufgrund seiner winkeligen Form, sehr zerfressend wirkt. Bei Biomasse kann der Quarz auch von im Holz gebundener Erde herrühren. Bei Müll- und Biomassenverbrennung können sich harte Partikel während des Verbrennungsvorgangs formen. Außerdem kann es sich um Oxide aus metallischen Verunreinigungen (z.B. Nägel, Schrauben etc.) handeln.

Der Verschleiß in Kesselrohren ist ein altbekanntes Problem bei mit Kohle betriebenen Kesseln und im Laufe der Zeit wurden verschiedene Lösungen entwickelt, um diese Rohre zu schützen. Diese Lösungen können auch bei Müllverbrennungsanlagen eingesetzt werden, bei denen Korrosion die Hauptabnutzungserscheinung ist. Normalerweise beinhaltet eine solche Lösung die Beschichtung der Kesselrohre mit einer dünnen Schicht eines Materials, das wesentlich härter als das relativ weiche Rohrmaterial selbst ist. Es wurden eine Reihe von Beschichtungstechniken und Legierungen entwickelt, abhängig von der Zugänglichkeit der betroffenen Rohre und davon, ob die Rohre neu sind und in einer Fachwerkstatt beschichtet werden können oder ob die abgenutzten Rohre sofortigen Schutz brauchen und mit einer harten Beschichtung vor Ort versehen werden müssen.

Abschließend ist festzuhalten, dass es eine Vielzahl von Anforderungen für den Schutz von Müllverbrennungsanlagen gibt und die Auswahl nicht nur aufgrund der Kosten oder der Leistung erfolgt, sondern auch auf Basis der Wartungsplanung und der Beschichtungsanforderungen vor Ort, die dem Anlagenbetreiber am meisten entgegenkommt.

1.2 Lösungen zur Reduzierung von Kesselverrohrungs-Schwund in der Vergangenheit und Gegenwart

Es gibt verschiedene Ansätze zur Reduzierung des Schwundes bei Rohren auf ein akzeptables Maß (1,2,7,8). Diese beinhalten Modifizierungen der Konstruktion, der Betriebstemperaturen und des Gasstromes (was die Effizienz des Kessels herabsetzen kann) oder Äderungen des Rohrmaterials (was kostspielig sein kann und wofür normalerweise andere Eigenschaften geopfert werden müssen). Aufgrund der Tatsache, dass Abnutzung durch Korrosion ein die Oberfläche einer ansonsten mechanisch perfekt funktionierenden Verrohrung angreifendes Phänomen ist, setzen viele Kesselhersteller auf eine Form von schützender Oberflächenbehandlung oder Beschichtung. Die angewandten Methoden reichen von Co-Extrusion, Kalorisieren, Nitrieren, Chromieren, Borieren, Voroxidierung, Schweißplattierung und thermisch gespritzten Beschichtungen.

Heute ist die am häufigsten verwendete Methode in Müllverbrennungsanlagen die Schweißplattierung (normalerweise ca. 2mm dick) mit einer auf Nickel basierenden komplexen Legierung (normalerweise Inconel 625). Diese Lösung wurde zum Schutz in hunderten von Kesseln eingesetzt und hat es diesen erlaubt, die Kesselabnutzung verlässlich zu bewältigen. Diese Lösung wird sowohl bei einzelnen Rohren als auch bei größeren Elementen eingesetzt und wird mit spezieller Ausrüstung in Fachwerkstätten durchgeführt. Bei großen Elementen wie zum Beispiel Flossenwänden kann die Schweißplattierung auch vor Ort durchgeführt werden, aber nicht bei einzelnen Rohren. Außerdem wird die Schweißplattierung in Kesseln nicht zum Aufbringen von Legierungen verwendet, die gegen Verschleiß schützen. Aus diesem Grund wurden parallel Spritzbeschichtungen entwickelt, die die inhärenten Nachteile der Schweißüberlagerung kompensieren sollen, die da sind:

• Inhärente starke Beschichtung, die eine geringe thermische Leitfähigkeit besitzt und eine lange Zeit zur Aufbringung benötigt (wichtig bei Vor-Ort-Arbeiten)

• Inhärent hohe Vermischung mit dem Schichtträgermaterial der Verrohrung (Höchstwert 5%), was den Korrosionsschutzeffekt durch die Vermischung mit Eisen zur 625 Chemie verringert

• Es gibt keine zuverlässige Schweißplattierung, die gleichzeitig vor Verschleiß schützt und gute Korrosionsschutzeigenschaften besitzt

• Raue unebene Oberflächen, die Korrosion durch erleichterte Ablagerung von Schlacke beschleunigen können oder Stellen mit geringerer Beschichtungsdicke erzeugen, die die Oberflächenenergiebelastung konzentrieren.

Typische Eigenschaften von thermischen Spritzbeschichtungen sind, dass sie dünn (0,3 - 1,0 mm) und schnell aufzutragen sind, über einzigartige chemische Attribute verfügen und wie Lack auf komplex geformte Teile, wie auch abgenutzte Rohre aufgetragen werden können. In der Vergangenheit wurden thermische Spritzbeschichtungen mit unterschiedlichem Erfolg eingesetzt, da es zu Haftungsproblemen, Porosität oder unzufriedenstellendem Schutz vor Korrosion und Verschleiß kam. Aufgrund dessen kam es zu verstärkter Entwicklung von neuen Beschichtungstechnologien und neuen Beschichtungsmaterialien. Heute haben Spritzbeschichtungen eine wichtige Stellung im Kampf gegen Hochtemperatur-Korrosion und Verschleiß erreicht und sind die bevorzugte Lösung zum Korrosions- und Verschleißschutz bei vielen Kesseln.

Die Hauptvorzüge der Beschichtung sind:

• Flexibilität bei der Legierungszusammensetzung, um auch sehr harte, verschleißfeste Legierungen aufzutragen

• vielschichtige Strukturen, die optimalen Korrosionsschutz und Verschleißschutzeigenschaften vereinen

• einzigartige Mikrostrukturen aufgrund verschiedener Beschichtungsprozesse und einer hohen Rate der Beschichtungsabkühlung

• dünnere Beschichtungen, dadurch bessere Wärmeübertragungsleistung und geringere Kosten pro Quadratmeter

• keine Vermischung der Schichtträger wie normalerweise bei der mechanischen oder Diffusionsverbindung, deshalb keine Vermischung der Korrosionseigenschaften der Legierung

• hohe Auftragsgeschwindigkeit im Vergleich zum Schweißen (benötigte Zeit, um einen Quadratmeter Rohrmaterial zu beschichten)

• erlaubt es, einzelne Rohre vor Ort zu beschichten und Reparaturen von Komponenten vor Ort durchzuführen

Die Spritzprozesse, die beim Kesselschutz verwendet wurden sind: Flammspritzen (mit Pulver oder Draht/Fülldraht), Lichtbogen-Drahtspritzen, Plasmaspritzen (APS), Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (HVOF), Spritzschmelzverfahren und schließlich Beschichtungen mit anorganischen, keramischen Verbundstoffen (BTC-Versiegelung).

Heute werden alle diese thermischen Spritzverfahren angewandt, da jeder Prozess und die damit verbundenen optimierten Legierungen eine Erfolgsnische in Sachen Preis, Leistung und Zweckmäßigkeit gefunden hat.

1.3 Die technischen Probleme steigen

Der Anstieg von alternativen Energieformen und die Anforderungen an geringere CO2-Mengen und allgemein saubere Emissionen in Europa und auch vermehrt in Asien haben zu strengeren Kesselbetriebsauflagen zu Stickstoff-Ausstoß und zur Verwendung von alternativen Brennstoffen (kommunaler Abfall, Biomasse) in Müllverbrennungsanlagen geführt. Gleichzeitig haben Anstrengungen zur Reduktion der bereits hohen Kosten der Energieproduktion traditionelle, mit Kohle betriebene Kraftwerke dazu gezwungen, Kohle von geringerer Qualität (mit hohem Schwefel- und Partikelgehalt) zu verwenden. Diese Trends haben zu einem Anstieg der Korrosion und der Abnutzung bei Kesselrohren geführt.

1.4 Die ökonomischen Faktoren, Einschränkungen und Probleme in Kraftwerken

Zusätzlich zu vermehrten technischen Problemen, versuchen alle Kraftwerksbetreiber trotz fixen Brennstoffpreisen und Preisen des gelieferten Stroms, die wirtschaftlichen Ergebnisse ihrer Kraftwerke zu verbessern, in dem sie a) ihre Wartungs- und Stillstandkosten reduzieren oder b) mehr Strom mit der gleichen Anlage produzieren (höhere Betriebstemperatur und längere Betriebsbereitschaft). Beschichtungsqualität und -leistung, die Kosten der Beschichtung, die Reduzierung von Stillstandzeiten, um Beschichtungen vor Ort aufzutragen, neue Rohre oder

Instandsetzung der abgenutzten Rohre, etc. werden immer mehr zu kritischen Faktoren in der Wirtschaftlichkeit vieler Kraftwerke (Abb. 2).

Dünne thermische Spritzbeschichtungen können auch dafür verwendet werden, die Lebensdauer von bereits existierenden Lösungen (wie Schweißplattierung mit 625) zu reduzierten Gesamtkosten um einige Jahre zu verlängern, um der Wartungsplanung des Kraftwerkes zu entsprechen. Viele zusätzliche Lösungen zur Schweißplattierung werden angeboten (Abb. 3).

1) Neue Verrohrung 2) Beschichtete Verrohrung 3) Beschichtung von alter Schweißplattierung 625 4) Beschichtung auf Beschichtung 5) Mischbeschichtung

Abb. 3 Schema der verschiedenen möglichen Beschichtungslösungen mit vor Ort aufgetragenen BTC-Spritzbeschichtungen

1.5 Neue wirtschaftliche Lösungen

Castolin Eutectic verbessert durch zahlreiche Entwicklungsprogramme konstant seine Technologien. Optimal kontrollierte Prozesse, Verdichtungstechnologien, neue Legierungen und Vor-Ort-Automatisierung zusammen ergeben wirtschaftliche Lösungen, die Castolin Eutectic seinen Kunden zur Problemlösung anbieten kann.

Zusätzlich zur Erfahrung, die die Castolin Eutectic Gruppe seit den 1970er Jahren in den Bereichen Spritzschmelzverfahren, Flammbeschichtung, Drahtspritzen und Verdichtung gesammelt hat, wurde das Angebot in der letzten Zeit durch die Übernahme der in den Vereinigten Staaten ansässigen Firma WherTec erweitert. WherTec konnte seit 1996 Erfahrung in der Kesselbeschichtung mit Schweißplattierung 622, Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, Drahtspritzen und BTC-Versiegelung vor Ort und in der Fachwerkstatt sammeln. Abb. 4 gibt einen Überblick über unser Angebot an Vor-Ort- und Werkstattprozessen zusätzlich zu den Spritzschmelzverfahren.

Abb. 4 Überblick über Kesselbeschichtungstechnologien in der Werkstatt und vor Ort zusätzlich zu den

etablierten Spritzschmelzverfahren.

2. IDEALE LÖSUNGEN

In diesem Kontext führt der Erfolg über eine Feinabstimmung der Legierungen, des Prozessequipments und der Auftragungsmethoden auf die speziellen Korrosions- und Verschleißbedingungen wie schematisch in Abb. 5 dargestellt. Jedes der drei Elemente ist entscheidend und wenn sie nicht kontrolliert und optimiert werden, kann dies zu schlechter Beschichtungsleistung im Kessel führen.

Abb. 5 Entwicklungselemente in der Herstellung von optimalen Kesselbeschichtungen

Infolgedessen wurden eine Reihe von Materialien und Prozessen entwickelt, die für den Müllverbrennungsbereich zur Verfügung stehen. Trotzdem verlangt der Müllverbrennungsbereich nach wie vor nach den folgenden Verbesserungen in Technologie und Service, die über die Eigenschaften der standardmäßigen

Legierung

• Korrosion • Abnutzung • Thermische

Ausdehnung • Rissbildung

Prozess

• Thermische Spritzbeschichtung

• Laser • Schweißen • Draht

Verfahren

• Parameter • Vorbereitung • Automatisierung • Qualitätsprüfung

Optimal zur Auftragung & für den Schichtträger

Schweißplattierungen mit Inconel 625 und Drahtspritzverfahren mit bewährten, auf Eisen basierenden Legierungen, hinausgehen:

• Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit von auf Nickel basierenden Beschichtung bei gleichzeitiger Erhöhung der Härte zur Verschleißbeständigkeit

• Dichte, hoch haftfähige thermische Spritzbeschichtungen • Qualitativ hochwertige Beschichtungen zur niedrigeren Preisen und schnellere

Vor-Ort-Auftragung zur Verkürzung von Stillstandszeiten

3. THERMISCHE SPRITZBESCHICHTUNGEN UND PROZESSTECHNOLOGIEN

Viele Jahre lang wurde die thermische Auftragung von Schichten an schützenden Materialien erfolgreich als Beschichtungsmethode zur Verbesserung oder Reparatur der Oberflächeneigenschaften einzelner Teile verwendet.

Das Schutzmaterial wird dabei in Form eines Drahtes, Pulvers oder Keramikstabes in einer Gasflamme, einem Lichtbogen oder Plasmastrahl geschmolzen. Das geschmolzene Material wird dann in einem Gas- oder Luftstrom zerstäubt und auf das zu beschichtende Objekt aufgesprüht (Abb. 6). Metalle, keramische Materialien, Karbide und Kunststoffe sind Beispiele für Beschichtungsmaterialien, die mit Hilfe thermischer Spritzverfahren aufgetragen werden können.

Abb. 6 Schema des thermischen Spritzprozesses zur Aufbringung von Beschichtungen

Castolin Eutectic und anderen Pioniere haben im Laufe der Zeit eine Vielzahl von thermischen Spritztechnologien entwickelt, die auf der Optimierung von Rohmaterial, Heizquelle, Partikelbeschleunigung und Verdichtungsmethode basieren - siehe Darstellung in Abb. 7 unten:

Abb. 7 Überblick über thermische Spritzverfahren

3.1 Etablierte Spritzschmelzverfahren, Lichtbogen- und Hochgeschwindigkeits Flammspritzverfahren

Spritzschmelzverfahren

Spritzschmelzbeschichtungen stellen die älteste und erfolgreichste thermische Spritztechnik gegen Korrosion und Verschleiß dar und werden seit den 1970er Jahren eingesetzt.

Abb. 8 Schema des Spritzschmelzverfahrens

Das Spritzschmelzverfahren ist ein zweistufiger Prozess (Abbildung 8), bei dem das Aufbringen der Beschichtung (mit Hilfe thermischer Spritztechnik) von einem Aufschmelzprozess gefolgt wird, bei dem das Material über seine Schmelztemperatur erhitzt wird. Auch die Kessel-Rohr-Bauteile werden auf eine höhere Temperatur als bei irgendeiner anderen „kalten“ thermischen Spritztechnik gebracht. Die hohe Temperatur und die fluiden Eigenschaften der Beschichtung während des Schmelzens führen zu einer gleichmäßigen Mikro- und chemischen Struktur sowie

Fused Coating

Diffusion Zone

Heat TreatedSubstrate

Deposition Fusion

einer porenfreien, sehr glatten Oberfläche und einer diffusionsgebundenen Grenzschicht, was für wirksamen Korrosionsschutz besonders wichtig ist. Es gilt im Korrosionsschutz als das wirksamste thermische Spritzverfahren und wird seit 1973 ununterbrochen in harten industriellen Bedingungen zum Korrosions- und Abnutzungsschutz verwendet. In den letzten 15 Jahren haben sich Spritzschmelzverfahren gegenüber Schweiß-plattierungen mit Inc. 625 in Müllverbrennungsanlagen in Deutschland bewährt. Trotz dieser herausragenden Leistung konnten die inhärenten Nachteile wie hoher Wärmeeintrag auf das Basisrohr und die Unmöglichkeit der Auftragung vor Ort bei großen kommerziellen Müllverbrennungsanlagen nicht beseitigt werden.

Lichtbogenspritztechnik

Die Lichtbogenspritztechnik ist eine einfache, kostengünstige Lösung für große Flächen, die keine Erwärmung des Rohres erfordert und auch vor Ort durchgeführt werden kann. Das spezielle Rohmaterial sind zwei Drähte, die kurzgeschlossen werden, um die Drahtenden zu schmelzen. Druckluft wird verwendet, um die geschmolzenen Drahtenden zu zerstäuben und die Tröpfchen auf die Trägerfläche zu sprühen.

Auftragsraten von bis zu 20 kg/h sind möglich und der Prozess kann sowohl in der Werkstatt als auch vor Ort ausgeführt werden (Abb. 9).

Die Lichtbogenspritztechnik hat die Eigenschaft, dass es zwar eine raue, aber sehr gut haftende Oberfläche produziert (normalerweise über 35 MPa). Die Porosität der Beschichtung liegt üblicherweise unter 3%, wenn die Spritzparameter optimiert werden.

Abb. 9 Lichtbogenspritztechnik und moderne Eutronic Lichtbogenspritzsysteme zur Beschichtung von großen Flächen

Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen

Das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen ist eine Technik, die die dichtesten (weniger als 1%) und härtesten Beschichtungen mit sehr hoher Haftfestigkeit liefert. Während des Hochgeschwindigkeits-Flammspritzens erzeugt das entzündete Brennstoff-Sauerstoff-Gemisch einen heißen Gasstrom, in den ein Pulver eingebracht wird (und Geschwindigkeiten von über 800 m/s erreicht). Dies erzeugt Partikel mit einer hohen Aufprallenergie und eine hochqualitative Beschichtung. Mit dieser Technik können auch ausgesprochen harte WC-Beschichtungen mit einer Härte von über 1300 HV aufgetragen werden. Sie wird daher oft zum Schutz bei extrem abrasiver Abnutzung und zum Korrosionsschutz mit auf Nickel basierenden komplexen Legierungen benutzt.

3.2 Neue Prozesse: Verdichtung und Schweißplattierung

Castolin Eutectic reagiert auf die industriellen Anforderungen und Wünsche der Kraftwerksbetreiber nach Schutzbeschichtungen mit höherer Korrosionsbeständigkeit, höherer Verschleißbeständigkeit, dichterer und schnellerer Auftragung vor Ort (Kostenersparnis) und hat deshalb neue Legierungen und Prozesse entwickelt.

Verdichtung

Castolin Eutectic hat ein patentiertes Verfahren entwickelt, bei dem die thermische Spritzbeschichtung „verdichtet“ wird, was auf sehr wirksame Weise alle Wege abblockt, durch die korrodierende Elemente die Beschichtung durchdringen und das aus Stahl bestehende Trägermaterial darunter angreifen könnten. Eine chemische Reaktion zwischen den „Verdichtungskomponenten“ und der aufgetragenen Beschichtungslegierung erzeugt diese einzigartige Korrosionsschutz-Barriere. Diese

Technik wird hauptsächlich in Kombination mit unseren optimierten Lichtbogenspritzbeschichtungen verwendet, kann aber auch mit Hochgeschwindigkeits-Flammspritzbeschichtungen benutzt werden.

Der Verdichtungsprozess wird mit dem Lichtbogenspritzprozess gekoppelt (Produktgruppe BTC Boiler-Tec-Coating) und ist gut zur Beschichtung von Flossenwänden in Müllverbrennungs- und Biomassekesseln geeignet, wo Korrosion einen wesentlichen Abnutzungsfaktor darstellt. In Fällen, bei denen die Korrosion nicht so schwerwiegend ist, kann eine anorganische, „selbst-verdichtende“ Beschichtung ohne thermische Spritzbeschichtung direkt auf die Kesselverrohrung aufgetragen werden. Dies führt zu einer großen Kosten- und Zeitersparnis. Die Beschichtungsleistung ist allerdings nicht auf der selben Stufe.

Die umfassendste globale Erfahrung auf dem Gebiet der „Verdichtungstechnologien“ zur Anwendung bei einer Vielzahl von Kesseln ist jetzt in der Castolin-Eutectic-Familie in einem Unternehmen (Monitor Coatings, WherTec) vereint.

Schweißplattierung

Der Aufstieg der Hochleistungsdiodenlaser macht die vorher vielversprechende, aber teure Methode der Schweißplattierung zu einer kostengünstigen Korrosionsschutz-Lösung für große Kesseloberflächen. Diese hochmoderne Technik erlaubt es, eine wirksame Versiegelung von Rohren und Paneelen in unserem Werk vorzunehmen. Inconel - Materialien können in einer Vielzahl an Stärken aufgetragen werden - ca. bis zu 0,7 mm. Diese Technologie konkurriert erfolgreich mit der traditionellen Schweißplattierungstechnik, erzielt aber bessere Eigenschaften wie geringere Vermischung, eine kleinere Wärmeeinflusszone und eine glattere Beschichtungsoberfläche.

Wir verwenden Laserauftragschweiß-Maschinen, die mit Diodenlasern bis zu 8 kW gekoppelt werden. Ihre hohe Auftragsgeschwindigkeit und Flexibilität in der Beschichtungsstärke ermöglichen ausgezeichnete Beschichtungen zu attraktiven Preisen auf dem Markt der Kesselbeschichtungen. In den Vereinigten Staaten sind bereits mehrere hundert Quadratmeter unserer laserauftragsgeschweißten Rohre in Kesseln montiert (Abb. 10).

Abb. 10 Der Prozess der Schweißplattierung auf ein einzelnes Kesselrohr im WherTec-Werk.

3.4 Lieferbare Legierungen

Seit den 1970er Jahren gehört Castolin Eutectic zu den führenden Herstellern von selbstfließenden, auf Nickel basierenden Legierungen und jetzt gibt es auch eine patentierte Legierung, die mittels des Spritzschmelzverfahrens, der Lichtbogenspritztechnik oder der Schweißplattierungstechnik aufgebracht werden kann. Ihre Korrosionsbeständigkeit ist noch besser als die von Inconel 625 (mit Feldversuchen in Müllverbrennungsanlagen in Frankreich, Österreich und Deutschland bestätigt) und verfügt auch über eine größere Härte. Tatsächlich stellt die Härte von 58 HRC eine herausragende Eigenschaft zum Schutz gegen erosive Bedingungen, die in hochkorrosiven Umgebungen auftreten.

Abb. 11 Mit Lichtbogenspritztechnik aufgetragene, von Castolin Eutectic patentierte Legierung für Kesselrohre

und Flossenwände

Abbildung 11 zeigt die Mikrostruktur dieser patentierten Legierung, die mit der Lichtbogenspritztechnik BTW 66 aufgetragen wurde. Die sehr hohe Dichte dieser Beschichtung (Porosität von weniger als 1%) und der sehr geringe Oxidanteil ist für eine mit Lichtbogenspritzen aufgetragene Beschichtung herausragend.

Neue Legierungen mit noch besserer Korrosionsbeständigkeit sind zur Zeit in der Entwicklung und erste Tests in kommerziellen Kesseln wurden kürzlich begonnen.

3.4 Hochqualitative Beschichtungen

Für jedes Prozess-Legierungs-Paar müssen zuerst die Prozessparamater optimiert werden, um die besten Eigenschaften aus all diesen Beschichtungen auszuwählen. Dies wird mit Hilfe unserer Vor-Ort-Ausrüstung und der Betriebsmittel, die intern unter strengsten Bedingungen hergestellt werden, erreicht. Unsere automatisierten Systeme erlauben es, die Betriebskosten zu senken während das hohe Niveau der Beschichtungsqualität erhalten bleibt.

4. PRAKTISCHE ERGEBNISSE UND ERFAHRUNGEN BEI KESSELN

Mit der Veröffentlichung der 14112-Legierung, die kurz darauf von der damaligen Combustion Engineering lizensiert wurde, beschäftigt sich die Castolin Eutectic Gruppe seit den frühen 1970er Jahren mit der Entwicklung von Spritzschmelzlegierungen zur Vermeidung von Hochtemperatur-Korrosion und Verschleiß. Sie wurde anfangs erfolgreich bei Rauchgasabdeckungen für Sauerstoffblaskonverter verwendet, konnte aber auch gute Leistungen in den USA bei der Tennessee Valley Authority (TVA) in der Atmosphärischen Wirbelschichtanlage erzielen. Weitere Spritschmelzlegierungen wurden seit 1989 speziell für schwere Verschleiß-/Korrosionsschutzanwendungen in einer Reihe von Kesseltypen (staubgefeuerte Kessel, Wirbelschichtkessel, atmosphärische Wirbelschichtkessel, Druckwirbelschichtkessel) aber auch für Müllverbrennungsanlagen (kommunale und solche für Sondermüll) entwickelt. Eine Reihe von mittels elektrischem Drahtspritzen aufgetragenen Kesselbeschichtungen wurden in den 1990er Jahren für Kessel entwickelt und werden heute noch angewendet. Diese Techniken wurden kürzlich durch Legierungen mit höherer Abnutzungsbeständigkeit ergänzt. Abb. 12 gibt einen Überblick über vor kurzem mit dieser thermischen Spritzbeschichtung durchgeführte Beschichtungsaufgaben in Deutschland.

Abb. 12 Kesselbeschichtungen durch Thermisches Spritzen

4.1 Im Falle von schwerem Verschleiß:

In Müllverbrennungsanlagen werden in hohem Maße auf Nickel basierende Beschichtungen zum Korrosionsschutz eingesetzt. Wenn außerdem eine starke zerfressende oder abschleifende Abnutzung auftritt, können die notwendigen harten Phasen in der Beschichtung nicht mit einem Massivdraht für die Schweiß-plattierungstechnik einlegiert werden. Die Lichtbogenspritzmethode ist allerdings ideal und die auf Nickel basierende Matrix kann bis zu 65% der härtesten Phase, die für den Schutz verwendet wird (Wolframkarbid), aufnehmen. Solch eine Lösung ist die BTC 511 - Beschichtung. In Europa gibt es mehrere Spezialwerkstätten für BTC - Kesselbeschichtungen und kürzlich wurden über 46 km an Rohren und Rohrbögen mit dem Lichtbogendrahtspritzen gegen den Verschleiß an Überhitzerohren beschichtet (Abbildung 13).

Abb. 13 mit dem Lichtbogendrahtspritzen beschichtete Kesselrohre (links) und Castolin Eutectic - Kabine zum Lichtbogenspritzen mit BTC (rechts)

4.2 Korrosionsfall:

Ein großes französisches Unternehmen testete das patentierte BTC 561 Spritzschmelzverfahren in ihrem Laborreaktor für beschleunigte Korrosion, der die

typischen Korrosionsmechanismen, die in den Überhitzerrohren der Kessel ihrer Müllheizkraftwerken auftreten, simuliert. Viele verschiedene Legierungen und Beschichtungssysteme wurden getestet, inklusive der Inconel 625 Schweißplattierungstechnik. Es wurde bewiesen, dass die Castolin Eutectic BTC 561 Beschichtung allen anderen Legierungen und Auftragstechniken überlegen ist. Das beinhaltet auch die traditionelle Schweißplattierung mit Inc. 625. Wie in Abb. 12 dargestellt, bestätigen diese Labortests die langjährige Erfahrung aus realen Tests mit deutschen Betreibern von Müll- und Biomasse-Verbrennungsanlagen.

Schwere Korrosion an den Flossenwand-Paneelen in der zweiten Lage einer Müllverbrennungsanlage in Dänemark wurde vor kurzem mit dem Einsatz von BTC 265, das vom mobilen BTC-Team vor Ort aufgetragen wurde, bewältigt (Abb. 14).

Abb. 14 Vor-Ort-Auftragen von BTC 265 mit Lichtbogenspritzen auf Paneele in der zweiten Lage der MVA in Dänemark.

Es wurde eine kleine Fläche von 30 m² für erste Tests beschichtet und die Korrosionsrate wurde erfolgreich über ein Jahr beobachtet.

BTC 511 wurde kürzlich bei einer französischen MVA in der Umgebung von Paris aufgetragen. Deren Überhitzerrohre waren starker Korrosion ausgesetzt. Nach 4-jährigen Tests auf kleinen Testflächen wurden 2014 ca. 1.000 Quadratmeter an Überhitzerrohren mit BTC 511 beschichtet. Die Beschichtung wurde in unserem spezialisierten BTC Kesselbeschichtungswerk durchgeführt.

4.3 Im Fall einer Mischung aus Verschleiß und Korrosion: Kessel in Müllheizkraftwerken

In vielen Biomasse- und Müllverbrennungskesseln treten sowohl Abnutzung durch Korrosion als auch durch Verschleiß auf. Dies ist die schwerwiegendste Form der Abnutzung, da die normalerweise schützend wirkenden Oxid-Nebenprodukte der

Korrosion von dem Verschleiß beseitigt werden. Ein italienischer Betreiber von Müllheizkraftwerken sah sich schweren Korrosionsproblemen gegenüber, als das Unternehmen begann, der Kohle, die in ihren Kesseln verbrannt wurde, etwa 10% Abfall hinzuzufügen. Ein Betriebsversuch wurde durchgeführt mit zwei verschiedenen auf Nickel basierenden Lichtbogengespritzten Beschichtungen, die vor Ort auf Flossenwände aufgetragen wurden. Bei einem Versuch wurde unser patentierter Draht BTW 66 (Verschleiß+Korrosion), beim anderen unser BTW 65 Draht (Korrosion und weicher) eingesetzt. Beide vor Ort vorgenommenen Lichtbogenspritzbeschichtungen wurden schließlich unserem patentierten „Verdichtungsverfahren“ unterzogen. Die Beschichtung, die mit BTW 66 durchgeführt wurde, übertraf die BTW 65 Variante und wurde schließlich vom Kunden für die Beschichtung einer weit größeren Fläche bestellt (Abbildung 15).

Abb. 15 Betriebsversuch mit BTW 66 (links) und der Ort des Betriebsversuches in der Brennkammer (rechts)

6. SCHLUSSFOLGERUNGEN

• Die Abnahme der Wandstärke von Wärmetauscherrohren in Kesseln ist ein teurer und komplexer Prozess, der die Verfügbarkeit, außerplanmäßige Stillstände und die Effizienz von modernen MVA-Kraftwerken reduziert. Der Schweregrad hängt vom Typ des Abfalls, den Betriebsbedingungen und der Konstruktion der MVA ab.

• Die Hauptursache für die Abzehrung der Kesselverrohrung ist Verschleiß durch Partikel, die vom Verbrennungsvorgang oder von Brennstoffunreinheiten herrühren. Korrosion ist die zweite Ursache und wird durch Brennstoffe von minderer Qualität, unsortierten Brennstoffen, hohem Chlor- oder Schwefelanteilen und Betrieb im unterstöchiometrischen Bereich verursacht.

• Das Tempo der Abzehrung im Querschnitt wird sich in Zukunft durch einen

größeren Bedarf an höheren Verbrennungstemperaturen, kostengünstigeren Brennstoffen (hohe Unreinheiten), vermischten Brennstoffen, längeren Betriebszyklen usw. erhöhen. Außerdem werden Lösungen zum Verschleiß- und Korrosionsschutz unter schweren Bedingungen effektiver, verlässlicher und kostengünstiger sein müssen.

• Um dieses Problem anzugehen braucht es eine Reihe von Schutzlegierungen und speziellen Auftragstechniken von Beschichtungen, die auf die Anforderungen der Anlage in Bezug auf Korrosions- und Verschleißschutzleistung, die Kosten und die Anwendung zugeschnitten sind. Heute sind zuverlässige Lösungen am Markt, die im Laufe vieler Jahrzehnte entwickelt wurden und Schweißplattierungen mit Nickellegierungen beinhalten.

• Für die Zukunft müssen neue Legierungen, Prozesse und Beschichtungen unter dem Druck der Kostenersparnis und Praktikabilität im Werk und vor Ort entwickelt werden. Diese neuen Technologien beinhalten: Lichtbogenspritztechnik, Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, Schweiß-plattierung mit auf Nickel basierenden Legierungen in Kombination mit der Verdichtungstechnologie, hoch chromhaltige Legierungen und die Integrierung von Keramikpartikeln.

• Für eine Reihe von Kesseln gibt es heute langjährige Erfahrungen, die Wirbelschichtkessel, traditionelle mit Kohle befeuerte Kessel und Müllverbrennungs- und Biomassekessel beinhalten, wo diese neuen Schutzbeschichtungen die Lebensdauer von kritischen Kesselrohren in aller Welt erhöhen.

• Diese Auswahl an Beschichtungen wurde auf neue Rohre und Paneele sowie auf bereits abgenutzte Komponenten vor Ort aufgetragen.

7. REFERENZEN

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