電廠風(fēng)機(jī)葉輪表面防磨強(qiáng)化技術(shù)及應(yīng)用

1、電廠風(fēng)機(jī)葉輪表面防磨強(qiáng)化技術(shù)及應(yīng)用陜西中科表面工程有限公司黎明摘要：分析了目前電廠風(fēng)機(jī)葉輪常用防磨技術(shù)的特點(diǎn)和存在的問題。根據(jù)幾種常用耐磨 材料和氧化鋁陶瓷的磨損試驗(yàn)以及高強(qiáng)韌性膠粘劑在各種溫度下的力學(xué)性能測試結(jié)果，結(jié)合 風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工況，對陶瓷耐磨葉輪的可靠性作了分析，闡述了其主要特點(diǎn)，并展示了優(yōu)異的 運(yùn)行業(yè)績。關(guān)鍵詞：風(fēng)機(jī)；磨損；陶瓷葉輪葉輪常用防磨技術(shù)的特點(diǎn)和問題11葉輪常用防磨技術(shù)的特點(diǎn)為了延長風(fēng)機(jī)服役周期，降低發(fā)電成本，國內(nèi)的燃煤電廠對排粉風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)葉輪幾乎 無一例外地要實(shí)施防磨處理。目前仍在采用，且具有一定效果的可分為熱態(tài)和冷態(tài)兩種防磨 技術(shù)。實(shí)踐證明，僅就葉輪的防磨效果而言，前者

2、優(yōu)于后者。電廠風(fēng)機(jī)葉輪常用防磨技術(shù)的 分類和特點(diǎn)見表。電廠風(fēng)機(jī)葉輪常用防磨技術(shù)的分類和特點(diǎn)類型疝法與母材結(jié)合形 式與與材結(jié)合強(qiáng)度耐磨性耐磨層 一般厚 度mm母材受 熱溫度 (K )耐磨層硬 度工藝復(fù)雜性態(tài)磨術(shù)熱防技耐磨焊條電弧 堆焊冶金高較好1 . 03 . 0150050HRC-60 HBC簡單、可在 現(xiàn)場施工合金粉塊碳弧 堆焊冶金高較好1 . 03. 0150055HRC-62 HEC簡單、可在 現(xiàn)場施工合金粉未火焰噴焊冶金較高較好0. 52. 0110050HRC-60 HEC要求較高、可在現(xiàn)場施多元共 滲冶金高較好0.25960兇 SOODW需專門設(shè) 畚、不能在 現(xiàn)場施工態(tài)磨術(shù)冷防技耐

3、磨涂料粘涂“機(jī) 械”中一般2.0-4.0室溫S0HRB-12D HEB簡單、可在 現(xiàn)場施工粉末亞音速火焰噴涂“機(jī) 械”為中引風(fēng)機(jī)有一定 效果，排粉風(fēng) 機(jī)不適合1 . 020030HRC-90HRC要求較高、可在現(xiàn)場施絲材高速電弧 噴涂“機(jī) 械”為中引風(fēng)機(jī)效果有 限，排粉風(fēng)機(jī) 不適合1 . 0P時(shí)，葉片上的陶瓷元件才不會發(fā)生脫落。此時(shí)這個(gè)最大 的離心力P=3 2 n2p s6 Rmax/900(N)，式中：n一葉輪轉(zhuǎn)速，r/min； p 陶瓷元件的體積 密度，Kg/m3； 6 一陶瓷元件的厚度，m； S 一陶瓷元件被粘接面的面積，m2； Rmax 一葉輪中 心至葉片出口處的最大半徑，m?？紤]到現(xiàn)

4、場大面積粘接施工條件和葉輪工作溫度等因素的 影響，為安全穩(wěn)妥起見，只將在實(shí)驗(yàn)室條件下測定的膠粘劑拉伸剪切強(qiáng)度OT值的一半代 入計(jì)算，即P1=SOT /2，并引入安全系數(shù)K=P1/P，則有K=450O T /n 2n2p 6 Rmax在正常工況下排粉風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)的工作溫度為70C和150C左右。常用陶瓷元件的厚度 6 =1.5mm，其體積密度p =3.7g/cm3。以粘接了氧化鋁陶瓷元件至今已投入2年7個(gè)月和3 年9個(gè)月運(yùn)行的兩種風(fēng)機(jī)葉輪為例，通過安全系數(shù)的計(jì)算和實(shí)際業(yè)績的驗(yàn)證，MD-m高強(qiáng)韌 性膠粘劑確有很高的粘接安全系數(shù)。只要風(fēng)機(jī)工作溫度不突破該膠粘劑最高工作溫度的限制 (TmaxW175C

5、)，施工質(zhì)量和陶瓷元件質(zhì)量達(dá)到一定的技術(shù)條件，則粘接型陶瓷耐磨葉輪就 完全可以滿足電廠風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況的要求。兩種粘接型陶瓷耐磨葉輪安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表 2。表2 兩種風(fēng)機(jī)葉輪安全系數(shù)的計(jì)算結(jié)果風(fēng)機(jī)類型型號葉輪直徑(m)葉輪轉(zhuǎn)速 (r/min)正帛工戔溫度(筲)對應(yīng)溫度下膠粘SilbhiT 爪安琴數(shù)排粉成機(jī)M6-30-11NO20D2.01480702.96X107111引風(fēng)機(jī)Y6-2X43NO23.52.359801503.37x107246依照陶瓷耐磨葉輪須安全可靠運(yùn)行的最基本原則，如果說DM-m膠粘劑所具有的足夠高 的強(qiáng)度指標(biāo)是防止陶瓷元件脫落的首要條件的話，那么如何減少和彌補(bǔ)陶瓷元件與金屬

6、材料 的線膨脹系數(shù)差異較大，在溫度變化時(shí)兩者間產(chǎn)生的相對位移量給耐磨保護(hù)層帶來的不利影 響，則是陶瓷與金屬復(fù)合連接技術(shù)中必須解決的重要課題。由于物體受熱膨脹其長度的增加正比于物體的原始長度和溫度變化值 T ,已知在 20C-300C范圍，氧化鋁陶瓷（A12O3 95%）和Q345鋼的線膨脹系數(shù)分別為X10-6C-1和 10.99X10-6-1, 一般在正常工況下，排粉風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)葉輪的工作溫度不超過100C和 150C, a、 T視為常數(shù)，因此陶瓷元件的設(shè)計(jì)尺寸便直接決定了其受熱后所增加的位移 量 L。顯然盡可能縮小陶瓷元件的尺寸，將更有利于控制AL的大小。因氧化鋁陶瓷優(yōu)異 的耐磨性能，陶瓷元

7、件的厚度一般設(shè)計(jì)為1-2mm即可。考慮制作、施工諸多因素及實(shí)踐證明： 風(fēng)機(jī)葉輪通用型陶瓷元件的最佳量化單元是10mmX10mmX1.5mm。即使風(fēng)機(jī)有150C的溫度 變化，這個(gè)最小陶瓷單元與葉片金屬間的相對位移量也僅為6.6p m。因陶瓷元件、膠粘劑 和金屬之間為柔性連接，MD-m膠粘劑的a k值在20C-200C內(nèi)是隨溫度的升高而增加，對 于6.6|J m極其微小的位移量，通過高韌性的膠層便可以吸收。而陶瓷元件周邊存在微量縫 隙，對溫度變化時(shí)所產(chǎn)生的位移或應(yīng)力起到了削弱和阻隔作用，卻不會影響其防磨的效果（這 與水電站為防止磨蝕對過流部件表面質(zhì)量的要求截然不同）。4陶瓷耐磨葉輪的特點(diǎn)41運(yùn)行安

8、全可靠因MD-m高強(qiáng)韌性膠粘劑的固化一般在室溫條件下即可。有時(shí)為了縮短固化時(shí)間或?yàn)榱?改善粘接性能，其加熱固化溫度亦不會超過100C，這就避免了采用熱態(tài)防磨技術(shù)時(shí)，整體 葉輪因不均勻受熱產(chǎn)生應(yīng)力后，導(dǎo)致其誘發(fā)裂紋和引起的變形給風(fēng)機(jī)運(yùn)行帶來安全隱患的可 能。目前仍在沿用一種傳統(tǒng)的，在葉片上加焊防磨護(hù)板的方法。因葉片與護(hù)板僅是依托四周 的角焊縫進(jìn)行有限的“線連接”，一但角焊縫被嚴(yán)重磨損或被磨透后，所造成整塊護(hù)板瞬間 飛離、高速轉(zhuǎn)動葉輪的平衡被破壞、風(fēng)機(jī)振動急劇增大，乃至引起重大事故的實(shí)例屢見不鮮。 采用在葉輪上焊接鋼制附件，并鑲嵌上陶瓷元件的方法，因受其結(jié)構(gòu)形式和陶瓷元件幾何尺 寸的限制，當(dāng)葉輪在

9、一定溫度的工況下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，陶瓷元件開裂和脫落的情況時(shí)有發(fā)生。這對 葉輪平衡和風(fēng)機(jī)振動產(chǎn)生的不利影響雖不及護(hù)板的脫落，但所引起振動值超標(biāo)，因此停爐和 葉輪現(xiàn)場無法修復(fù)只能棄用，亦是一個(gè)不容忽視的問題。采用MD-m高強(qiáng)韌性膠粘劑和氧化鋁陶瓷對葉輪進(jìn)行防磨處理，只要在施工過程中嚴(yán)格 執(zhí)行粘接工藝規(guī)程，按照技術(shù)要求認(rèn)真操作，且耐磨葉輪能保證在正常的工況條件下工作， 就不會發(fā)生陶瓷元件脫落的可能。電廠風(fēng)機(jī)葉輪選用陶瓷元件規(guī)格為10mmX10mmX1.5mm 的最佳量化單元。這種最小單元的質(zhì)量僅為0.55g左右。反饋的信息顯示，在已投入運(yùn)行的 近百臺粘接型陶瓷耐磨葉輪中，也曾發(fā)生過5臺葉輪因種種原因陶瓷元件

10、脫落的現(xiàn)象。其中 一臺葉輪因別的原因在停機(jī)檢修時(shí)被發(fā)現(xiàn)，一片葉片上最多有16件陶瓷元件脫落，但這并 未給風(fēng)機(jī)的安全平穩(wěn)運(yùn)行產(chǎn)生什么影響（該葉輪至此已運(yùn)行3年1個(gè)月）。因?yàn)?6件陶瓷 元件總的質(zhì)量僅有8.9 g，且又未集中分布在葉片的一個(gè)位置上。電廠在停機(jī)檢修時(shí)，僅順 便稍作修復(fù)性粘接處理后，即馬上將其又投入運(yùn)行。42耐磨性優(yōu)異作為工程陶瓷中用途最廣泛的氧化鋁陶瓷，其硬度相當(dāng)高，在10級莫氏硬度中為9級， 僅低于金剛石。氧化鋁陶瓷與幾種耐磨材料的硬度之比較見表3。表3氧化鋁陶瓷、耐磨材料的硬度比較氧化鋁陶瓷（A1*日躬）87HRA 92HRANi60WC25噴陣層58HRC-62HRCFeO5i

11、ft焊合金層58HRC-60HRCDeloro50il磨合金層50HRC-52HRCQ345 鋼14OH0-155H0注：86.6HRA=70HRC實(shí)踐證明，材料的硬度是一個(gè)與耐磨性有關(guān)的重要指標(biāo)，而材料的耐磨性才是衡量其耐 磨性能優(yōu)劣的最終指標(biāo)。表4給出了氧化鋁陶瓷與幾種常用耐磨材料的比較磨損試驗(yàn)結(jié)果。表4氧化鋁陶瓷與耐磨材料的相對耐磨性磨損試驗(yàn)類型氧化鋁陶瓷（AI2O3 95%）的相對耐磨性往受摩擦磨損是FeO5i焊合金層的1D.3倍噴射型沖蝕磨損（0=20）是Q345鋼的36.6倍是Deloro50耐磨合金層的14.日倍掾膠輪磨粒磨損是偵34S鋼的74.6倍是NI60WC25噴焊層的1

12、5.1倍氧化鋁陶瓷作為脆性材料，在沖蝕角0按近90。的情況下，其抗沖蝕磨損性能相對較 低是不爭的事實(shí)。對于絕大多數(shù)采用焊接結(jié)構(gòu)鋼制作的離心式和軸流式葉輪的葉片，雖然氣 固兩相流在0 =90左右的沖蝕磨損處，僅限于在葉片入口端部和動葉片前緣部一個(gè)較窄的 范圍，但這個(gè)較窄范圍，往往卻是葉片磨損最嚴(yán)重的區(qū)域之一。為此專門特制的增厚流線形 陶瓷異型元件，即可巧妙地利用葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)離心力的作用防止葉片入口處陶瓷元件的脫落， 避免固粒沖刷對片狀陶瓷元件底部膠層的沖蝕掏空，還能將沖蝕角的角度大大減少，以分散 高速固粒的沖擊能量，從而顯著地提高了葉片入口端部的抗沖蝕磨損能力。圖3為125MW 機(jī)組，=2000m

13、m的排粉風(fēng)機(jī)葉輪，在葉片入口端部，未粘接和粘接有增厚流線形氧化鋁陶 瓷元件的上、下部位，經(jīng)4個(gè)半月運(yùn)行后，其被磨損與抗磨損的鮮明對比形狀。43能耗低效率高某電廠300MW機(jī)組的排粉風(fēng)機(jī)葉輪直徑為2170mm，有15片葉片。為延長使用壽命，若 采用傳統(tǒng)的加焊防磨護(hù)板的方案，并在6 =8mm的護(hù)板上堆焊厚度約為2.5mm的合金耐磨層。 每塊護(hù)板的面積為1345cm2, 一臺葉輪所增加的重量為126.7Kg以上（未計(jì)合金耐磨層的重 量）。這使得葉輪的轉(zhuǎn)動慣量增大，也增加了風(fēng)機(jī)的軸動率和耗電量。若選用粘魘=1.5mm 的陶瓷元件進(jìn)行防磨處理，則一臺葉輪僅會增加約11.2Kg的重量，這還不及前者的十分之

14、 一，且葉輪的使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過前者。在葉片及其他區(qū)域加焊防磨護(hù)板（一般厚度N8mm），或在葉片上焊接鋼制附件并鑲嵌較 厚的陶瓷元件（一般總厚度為8-14mm），或在葉片、護(hù)板上堆焊2 3mm的耐磨焊道和凹凸 不平的耐磨層，除了會增加葉輪的自重外，還會使葉輪，尤其是排粉風(fēng)機(jī)葉輪原本狹窄的流 道更加變窄，使得流道中氣固兩相流的流動受阻，并干擾流體的正常流動，使得流動效率降 低。而最小單元為10mmX10mmX1.5mm的陶瓷元件，完全可順應(yīng)葉片的幾何型線，緊緊地貼 合在葉片不同的曲面上，加之未受到高溫的作用，葉片的原始型線足以得到保持。而 6 =1.5mm的陶瓷元件幾乎不會改變?nèi)~輪內(nèi)部的流道尺寸，

15、故不會給風(fēng)機(jī)的流動效率帶來負(fù) 面的影響。4.4葉輪防磨無盲區(qū)在電廠現(xiàn)場對離心式葉輪整體采用焊接或熱噴涂技術(shù)防磨，其防磨的區(qū)域和質(zhì)量與電焊 鉗、噴槍槍體在葉輪中的空間位置、距離和角度密切相關(guān)。一般而言，這對大、中型引風(fēng)機(jī) 葉輪及排粉風(fēng)機(jī)葉輪葉片的出口段，問題不顯突出。但對于流道狹長的排粉風(fēng)機(jī)葉輪葉片工 作面入口段一定的區(qū)域及小型引風(fēng)機(jī)葉輪的葉片入口處，由于受到近距離相鄰葉片及前、后 盤的阻礙，在以上兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行電弧堆焊、碳弧堆焊、火焰噴焊和電弧噴涂時(shí)，存在焊接、 噴涂（焊）角度受限，距離不足，熔池、“鏡面”觀察受阻，焊條、碳棒、粉末等到不了位， 甚至無法實(shí)施的狀況，從而使用戶對該區(qū)域的防磨質(zhì)量提

16、出了質(zhì)疑。在應(yīng)用粘接的方法對葉輪的各區(qū)域進(jìn)行防磨處理時(shí)，只要在操作者手臂可以觸摸到的范 圍均可將陶瓷元件牢固地粘接到位，并能確保其施工質(zhì)量，防磨區(qū)域幾乎不受任何的限制。 顯而易見，在對流道狹窄的排粉風(fēng)機(jī)葉輪進(jìn)行防磨處理時(shí)，這具有非常重要的實(shí)際意義。 5陶瓷耐磨葉輪的運(yùn)行業(yè)績?nèi)济弘姀S風(fēng)機(jī)葉輪的磨損失效是沖蝕磨損和磨粒磨損聯(lián)合作用的結(jié)果（未計(jì)腐蝕所產(chǎn)生 的影響）。而上述幾種耐磨材料和氧化鋁陶瓷的磨損試驗(yàn)結(jié)果和相對耐磨性的關(guān)系，僅僅是 在實(shí)驗(yàn)室單一的磨損類型條件下測出的幾組數(shù)據(jù)，不能表明氧化鋁陶瓷應(yīng)用到電廠風(fēng)機(jī)上 后，葉輪最終的使用期限，只能說明氧化鋁陶瓷的確要比幾種常用的耐磨材料在特定的磨損 條件

17、下，具有更高的抗磨損性能。因此，只有氧化鋁陶瓷葉輪的實(shí)際運(yùn)行業(yè)績，才具有真正 的實(shí)用意義。通過近百臺粘接型陶瓷耐磨葉輪在電廠長期運(yùn)行的實(shí)踐檢驗(yàn)，并同葉輪常用防磨技術(shù)的 效果進(jìn)行比較，無論是在安全可靠程度，抗磨損性能，使用壽命，還是在性能價(jià)格比，可多 次重復(fù)防磨，現(xiàn)場維護(hù)的方便性和時(shí)間性等方面，粘接型陶瓷耐磨葉輪均突現(xiàn)出相當(dāng)明顯的 優(yōu)勢。目前這項(xiàng)技術(shù)已受到越來越多的電廠用戶的認(rèn)可和歡迎。如圖4一圖6所示，即為最 好的業(yè)績佐證。圖4為300MW機(jī)組2號爐乙側(cè)的2850/1800型軸流式引風(fēng)機(jī)葉輪的陶瓷耐磨動葉片。該 葉片原采用氧乙炔焰噴焊防磨處理，壽命提高到了約14個(gè)月。但經(jīng)噴焊后葉片型線有一定

18、改變，且防磨的效果仍不太理想。后采用氧化鋁陶瓷防磨技術(shù)，徹底解決了葉片的變形問題， 而耐磨的效果更顯突出，圖中顯示經(jīng)過3年2個(gè)月的運(yùn)行，停爐檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)，動葉片的壓力 面和進(jìn)氣端前緣磨損甚微，預(yù)計(jì)還可運(yùn)行一個(gè)大修期以上（葉輪最高工作溫度 TmaxW175C）。圖5為200MW機(jī)組6號爐A側(cè) =2000mm的排粉機(jī)葉輪。由于原葉輪磨損嚴(yán)重，停爐檢 修時(shí)采用焊條補(bǔ)焊修復(fù)后，累計(jì)運(yùn)行約6個(gè)月即需更換新葉輪。后采用在葉片上加焊防磨護(hù) 板，并在護(hù)板上堆焊耐磨焊道的防磨措施，其使用壽命亦勉強(qiáng)維持在1年半左右。由于曾發(fā) 生過葉片與護(hù)板的連接焊縫被磨透，導(dǎo)致共有4片護(hù)板運(yùn)行時(shí)突然飛離葉輪擊穿機(jī)殼，幾乎 傷人的惡性事故，現(xiàn)已將3