耐磨陶瓷在電站風(fēng)機(jī)葉輪上的應(yīng)用及存在的問題
【摘要】在對耐磨陶瓷于排粉風(fēng)機(jī)葉輪上的成功應(yīng)用進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)介紹了耐磨陶瓷在動(dòng)葉可調(diào)引風(fēng)機(jī)葉輪上的應(yīng)用及其存在的問題。通過對長達(dá) 6 年的成功運(yùn)用情況的分析 ,認(rèn)為復(fù)合陶瓷是風(fēng)機(jī)葉輪進(jìn)行耐磨防磨處理一項(xiàng)可靠、效果顯著的工藝 ,值得在風(fēng)機(jī)行業(yè)大力推廣。
一、引言
火電廠使用的各類風(fēng)機(jī)中有引風(fēng)機(jī)、排粉風(fēng)機(jī)和送風(fēng)機(jī)等。其中作為電廠的主要輔機(jī)之一的引風(fēng)機(jī)和排粉風(fēng)機(jī),因?yàn)槟p而嚴(yán)重影響其出力的情況并不得不頻繁地進(jìn)行更新維修, 這已成為火力發(fā)電廠鍋爐運(yùn)行的隱患之一。多年來 ,盡管使用過許多表面強(qiáng)化方法,包括表面堆焊耐磨材料、熱噴涂、噴焊、表面涂覆各種高分子涂料、表面淬火或化學(xué)熱處理等 ,但效果均不十分理想,尤其是各種熱加工方法 ,還在金屬機(jī)體表面產(chǎn)生了嚴(yán)重的裂紋 ,從而又引發(fā)了葉片斷裂事故。1998 年我公司與XX公司合作 ,首先在排粉風(fēng)機(jī)葉輪上使用了耐磨陶瓷來進(jìn)行防磨處理 ,取得了良好的使用效果 ,并在 2000 年又在動(dòng)葉可調(diào)引風(fēng)機(jī)葉輪上進(jìn)行了試驗(yàn) ,也取得了同樣的效果。1996 年起 ,我公司的 16 臺(tái)排粉風(fēng)機(jī)葉輪和 10 臺(tái)動(dòng)葉可調(diào)引風(fēng)機(jī)葉輪已全部采用了耐磨陶瓷復(fù)合處理 ,使用時(shí)間已達(dá) 6 年以上 ,使用壽命提高 3 倍以上 ,取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。
二、葉輪運(yùn)行工況
我公司現(xiàn)有 4 臺(tái) 300MW 機(jī)組 ,每臺(tái)機(jī)組配備 4 臺(tái)球磨機(jī) ,每臺(tái)球磨機(jī)配一臺(tái)排粉風(fēng)機(jī)。同時(shí)每臺(tái)爐還配備了 2 臺(tái)動(dòng)葉可調(diào)軸流引風(fēng)機(jī)。排粉風(fēng)機(jī)葉輪直徑Φ2020 ,前向 12 枚葉片 ,轉(zhuǎn)速 1440r/ min ,介質(zhì)溫度 90 ℃。因煤粉的沖刷磨損 ,葉輪的平均使用壽命只有 1 年 ,雖然使用過各種表面強(qiáng)化工藝 ,包括噴涂噴焊、堆焊及涂覆高分子材料 ,平均使用壽命也仍未超過 1 年。軸流通風(fēng)機(jī)葉輪外緣直徑 3200mm ,轉(zhuǎn)速 760r/ min ,介質(zhì)溫度 140 ℃,采用的是碳化鎢噴焊處理 ,平均使用壽命也不過 2 年 ,每兩年仍須重新噴焊處理。
三、風(fēng)機(jī)葉片的磨損分析、對策及存在的問題
火電廠排粉風(fēng)機(jī)葉輪主要是將磨煤機(jī)磨出的細(xì)煤粉送入鍋爐進(jìn)行燃燒。因煤粉的沖刷使風(fēng)機(jī)葉片的磨損十分嚴(yán)重。風(fēng)機(jī)的磨損部位主要集中于葉片進(jìn)口前緣和中盤與葉片的交角處 ,這些部位的鋼板經(jīng)常被磨穿或磨成較深的溝槽 ,尤其在焊縫處磨損更為嚴(yán)重。磨損破壞了風(fēng)機(jī)葉輪的運(yùn)轉(zhuǎn)平衡 ,造成風(fēng)機(jī)劇烈振動(dòng) ,可能發(fā)生嚴(yán)重的飛車事故。16Mn 鋼制造的燒結(jié)風(fēng)機(jī)和煤粉風(fēng)機(jī)葉片的使用壽命大約為 6 個(gè)月 ,有時(shí)可能只有 4 個(gè)月。相對于排粉風(fēng)機(jī) ,引風(fēng)機(jī)大都采用機(jī)翼型離心風(fēng)機(jī)或軸流風(fēng)機(jī)。對于機(jī)翼型風(fēng)機(jī) ,由于前端是磨損較為嚴(yán)重的部位 ,一旦磨穿將會(huì)導(dǎo)致機(jī)翼內(nèi)部積灰 ,從而引起不平衡振動(dòng) ,必須停機(jī)進(jìn)行檢修。而對于軸流風(fēng)機(jī)葉片 ,磨損主要發(fā)生在葉片的迎風(fēng)端及葉片的背部 ,當(dāng)磨損到一定程度 ,葉片的強(qiáng)度將會(huì)降低 ,風(fēng)機(jī)效率也會(huì)下降。
多年來 ,國內(nèi)外為延長風(fēng)機(jī)葉輪的使用壽命進(jìn)行了大量深入細(xì)致的研究和探討 ,歸納起來主要有以下幾種 :
表面涂覆 :在葉片表面磨損部位涂覆或粘接高分子耐磨材料 ;
熱噴涂(焊) :采用等離子噴涂方法 ,氧乙炔火焰或激光重 ,在葉片磨損表面噴涂陶瓷、碳化鎢或噴焊鎳基 + 碳化鎢合金 ;
表面化學(xué)熱處理 :對葉片表面進(jìn)行滲碳或多元共滲 ;
表面堆焊 :采用耐磨電焊條、耐磨粉塊在風(fēng)機(jī)葉片磨損部位堆焊耐磨合金 ;
表面陶瓷復(fù)合 :利用高強(qiáng)度耐高溫膠粘劑或特殊焊接工藝將耐磨工程陶瓷復(fù)合在風(fēng)機(jī)葉片表面上。
在以上工藝中 ,排粉風(fēng)機(jī)葉輪葉片使用堆焊噴焊工藝較多 ,而引風(fēng)機(jī)葉輪 ,尤其是軸流風(fēng)機(jī) ,使用噴焊、激光重 工藝較多。但因表面堆焊或噴涂工藝易引起風(fēng)機(jī)葉輪的變形 ,在金屬機(jī)體上會(huì)產(chǎn)生大量的微裂紋 ,為葉片的運(yùn)行帶來嚴(yán)重的事故隱患 ,因而使用受到很大限制。相對來講 ,表面陶瓷復(fù)合工藝因無需輸入熱量 ,且陶瓷的耐磨性比其它材料都好 ,因而得到廣泛的應(yīng)用。
四、風(fēng)機(jī)葉輪復(fù)合陶瓷耐磨的可行性分析
風(fēng)機(jī)葉輪粘貼復(fù)合陶瓷的防磨效果取決于兩個(gè)條件。首先 ,要求陶瓷耐磨性能好 ,其耐磨性應(yīng)當(dāng)比 WC 噴涂噴焊材料或堆焊材料高 3 倍以上 ;其次 ,要求陶瓷與金屬之間的連接可靠 ,即陶瓷與金屬基體之間結(jié)合強(qiáng)度要高 ,韌性要好 ,而且要耐高溫耐腐蝕 ,耐老化壽命盡可能要在 10 年以上 ,以便能充分發(fā)揮陶瓷的耐磨性能。
1. 耐磨陶瓷的性能及厚度確定
作為耐磨材料使用的陶瓷主要有氧化鋁、碳化硅、氮化硅及氧化鋯等。根據(jù)風(fēng)機(jī)葉輪的使用工況 ,耐磨陶瓷應(yīng)采用冷壓燒結(jié)氧化鋁陶瓷 ,其主要優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜、密度小、耐磨性能較好。經(jīng)實(shí)測 ,采用冷壓燒結(jié)的氧化鋁陶瓷塊的硬度為 HRA88 ,密度 3. 7kg/ m3 ,耐磨性是高鉻鑄鐵的 5 倍左右 ,是普通碳鋼的 100 倍左右。根據(jù)我公司風(fēng)機(jī)磨損壽命和陶瓷耐磨性能的實(shí)際情況 ,后來確定采用 1. 5mm 厚度的陶瓷片 , 這種厚度的陶瓷片每平方米 (10000 片) 質(zhì)量只有 5. 5kg ,在風(fēng)機(jī)葉片的入口處 ,因?yàn)槟p嚴(yán)重 , 同時(shí)也是為了防止陶瓷脫落 ,采用了 U 型陶瓷塊 ,并加大了在迎風(fēng)端的尺寸。
2. 復(fù)合強(qiáng)度校核
復(fù)合在葉片表面上的陶瓷塊在葉輪運(yùn)行過程中受到的主要是向心力、氣流的沖擊力、葉片的振動(dòng)以及陶瓷與金屬之間的內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)它們的合力大于陶瓷與金屬之間的復(fù)合強(qiáng)度時(shí) ,陶瓷便會(huì)脫落 ,從而失去了耐磨防磨意義。而且在使用過程中復(fù)合層還會(huì)因?yàn)闇囟容^高出現(xiàn)老化現(xiàn)象 ,從而導(dǎo)致結(jié)合強(qiáng)度下降 ,這樣在使用到一定時(shí)間后也會(huì)導(dǎo)致陶瓷片的脫落。根據(jù)以上分析 ,要求陶瓷與金屬的復(fù)合層必須具備一定的抗剪強(qiáng)度和抗老化性能。由于陶瓷的熱膨脹系數(shù)僅為金屬的一半 ,因此還得需要膠粘劑具有良好的韌性以適應(yīng)復(fù)合層間的內(nèi)應(yīng)力。
經(jīng)實(shí)驗(yàn)室實(shí)測的陶瓷金屬復(fù)合層的主要性能如下 :不同溫度下抗拉強(qiáng)度 (金屬 - 金屬) 分別為 50MPa (室溫) 、36MPa (100 ℃) 、20MPa(150 ℃) ; 抗剪強(qiáng)度分別為 28MPa (室溫) 及 20MPa(100 ℃) 、10MPa(150 ℃) 。復(fù)合層的韌性介于陶瓷金屬之間 ,固化后不收縮。
經(jīng)計(jì)算 ,排粉風(fēng)機(jī)在工作溫度為 90 ℃的條件下 ,當(dāng)一個(gè)直徑為Φ2020 的排粉風(fēng)機(jī)葉輪以耐磨陶瓷在電站風(fēng)機(jī)葉輪上的應(yīng)用及存在的問題1440r/ min 轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) , 在葉輪邊緣上的一塊 10mm ×10mm ×1. 5mm 的瓷片受到的向心力為 4. 46N ,而此時(shí)復(fù)合層所能提供的抗剪力為 3600N (100 ℃) ,復(fù)合層結(jié)合力的大小是瓷片受到的向心力的近 450 倍。而引風(fēng)機(jī)葉輪上的外緣陶瓷片受的向心力為 3. 56N ,而復(fù)合層可以提供的結(jié)合力為 2000N ,是陶瓷片受的向心力的 560 倍。由此可見 ,陶瓷金屬結(jié)合層具有較高的保險(xiǎn)系數(shù)。
五、在風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用與分析
1. 在排粉風(fēng)機(jī)葉輪上的應(yīng)用
我公司先后已在 16 臺(tái)排粉風(fēng)機(jī)和 10 臺(tái)軸流動(dòng)葉可調(diào)風(fēng)機(jī)的葉片上全部復(fù)合了陶瓷層。排粉風(fēng)機(jī)葉輪使用時(shí)間為 6 年 ,軸流風(fēng)機(jī)葉片使用已達(dá) 3 年 ,而且目前仍在使用。排粉風(fēng)機(jī)葉片表面使用尺寸為10mm ×10mm ×1. 5mm ,復(fù)合部位為沿底盤焊縫 2/ 3 寬度 ,入口處用 U 型陶瓷片 ,迎風(fēng)面厚度為 6mm。軸流風(fēng)機(jī)葉片工作表面使用的陶瓷片規(guī)格為 10mm ×10mm ×1. 5mm ,迎風(fēng)面使用 V 型陶瓷片 ,在背面沿迎風(fēng)邊處復(fù)合了 60mm 寬度。使用過程中采用了表面噴砂處理 , 金屬及陶瓷表面進(jìn)行了活化偶聯(lián)劑處理及相應(yīng)的加熱固化處理。粘貼完后無需做動(dòng)平衡便可直接投入使用。
自 1996 年 11 月投運(yùn) 1997 年 10 月檢測 , 除一臺(tái)舊葉輪因原葉片磨損過于嚴(yán)重而使陶瓷片懸空并局部脫落外 ,其它葉輪上的陶瓷片均完好無損 ,經(jīng)目測 ,并未發(fā)現(xiàn)有明顯的磨損現(xiàn)象 ,實(shí)測磨損只有 0. 1～0. 2mm。入口處的 U 型瓷片 , 也僅是棱角磨損 , 平均減少還不到 0. 5mm。同時(shí)又對 1997 年 2 月粘貼的 7 臺(tái)葉輪進(jìn)行了檢查 ,所有葉輪上的陶瓷片全都完好無損。按實(shí)際運(yùn)行時(shí)間計(jì)算 , 每年磨損約 0. 1mm ,磨損量為粘瓷片厚的 1/ 15。繼續(xù)運(yùn)行到 2003 年后 ,由于復(fù)合層的老化問題 ,尤其是由于復(fù)合層被沖刷 ,才導(dǎo)致了局部陶瓷片的脫落而停止了使用 ,檢查后發(fā)現(xiàn)陶瓷磨損不到0.3mm。
通過分析不同部位陶瓷片的磨損情況發(fā)現(xiàn) ,在沿氣流流動(dòng)方向的平面上瓷片磨損平均還不到 0. 2mm ,越靠近葉輪外圓 ,磨損越嚴(yán)重 , 平均磨損 0. 3mm ,明顯比中盤輪轂兩側(cè)處磨損嚴(yán)重。這是由于愈靠近葉輪的外圓周 ,氣流流速就愈大 ,因而磨損也就愈嚴(yán)重。與沿氣流方向相比 ,在沿氣流垂直方向上 (入口處) 的瓷片磨損較為嚴(yán)重 ,可達(dá)約 0. 3～ 0. 5mm。實(shí)際上這正符合了陶瓷沖刷磨損特性 ,即氣流入射角愈大 ,磨損愈嚴(yán)重。而且由于接縫處形成了渦流 ,使得沿接縫處金屬基體磨損較為嚴(yán)重 ,有可能可以把金屬襯板磨穿 ,而使陶瓷完全懸空 ,從而造成部分迎風(fēng)接縫處瓷片脫落。排粉風(fēng)機(jī)葉輪 ,由于采用了尺寸精度更高的陶瓷片 ,陶瓷片之間的間隙更小 ,而且復(fù)合層厚度更薄 ,基本消除了因陶瓷底層復(fù)合層磨損而導(dǎo)致陶瓷片脫落的現(xiàn)象。
2. 在軸流風(fēng)機(jī)葉片上的應(yīng)用
在已經(jīng)運(yùn)行的 8 臺(tái)葉輪中 ,較長的一臺(tái)連續(xù)運(yùn)行時(shí)間已達(dá) 3 年。在運(yùn)行的頭一年檢查發(fā)現(xiàn) ,在葉片的頂端部位有 3 個(gè)陶瓷卡子碎裂 ,經(jīng)分析可能是因?yàn)檫\(yùn)行過程或安裝過程中的撞擊所致。除此之外陶瓷表面完好無損 ,幾乎看不到有任何磨損現(xiàn)象。在隨后施工的葉片中雖然有個(gè)別陶瓷片碎裂 ,經(jīng)分析也都是因?yàn)橛参镒矒羲?,經(jīng)簡單修補(bǔ)后就未再出現(xiàn)類似情況。
由于引風(fēng)機(jī)葉輪葉片是在排粉風(fēng)機(jī)使用多年以后才采用陶瓷復(fù)合技術(shù) ,已充分克服了陶瓷復(fù)合過程中存在的問題 ,而且由于軸流風(fēng)機(jī)葉片幾何尺寸簡單 ,轉(zhuǎn)速較低 ,電除塵效率較高 ,煙氣中粉塵濃度較低 ,雖然工作溫度比排粉風(fēng)機(jī)葉輪高 ,但仍在復(fù)合層合力的工作溫度范圍內(nèi) ,因此使用效果比排粉風(fēng)機(jī)更好 ,估計(jì)可以使用 8 年以上。
六、結(jié)論
經(jīng)過幾十臺(tái)排粉風(fēng)機(jī)和軸流動(dòng)葉可調(diào)風(fēng)機(jī)復(fù)合陶瓷防磨的實(shí)際運(yùn)行 ,表明風(fēng)機(jī)葉輪表面復(fù)合陶瓷防磨是一項(xiàng)可靠、正確的耐磨防磨措施 ,雖然早期因?yàn)槭┕ず图庸ぞ鹊木窒?,有部分陶瓷片脫落的情況出現(xiàn) ,但只要施工仔細(xì) ,嚴(yán)格按照工藝操作 ,就可以保證陶瓷片不發(fā)生脫落。8 年的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明 ,復(fù)合陶瓷對火電廠的排粉風(fēng)機(jī)和軸流引風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行耐磨防磨處理是一個(gè)可靠 ,而且效果十分明顯的耐磨防磨手段 ,很值得在風(fēng)機(jī)行業(yè)大力推廣使用。