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热喷涂技术在电力系统的应用与展望

时间:2013-03-21 10:12:20  来源:热 喷 涂 技 术  作者:张凯,张恒祥

  热喷涂技术在电力系统的应用与展望
  张凯,张恒祥
  热 喷 涂 技 术
  摘 要:概述了热喷涂技术在电力系统推广应用的进程,30 多年来应用的主要成果,简述了重点设备热喷涂技术应用研究现状及喷涂工艺、材料的使用情况。并对今后电力企业加强热喷涂技术的应用,建立热喷涂中心提出建议。
  关键词:热喷涂技术;风机叶轮;锅炉“四管”;汽轮机叶片;防磨蚀喷涂保护;热喷涂中心
  电力系统的电源和电网设备种类繁多,涵盖许多通用机械设备和专用精密设备及大量的钢结构件。设备处于长期连续运行状态,经受高温及多种介质的侵蚀和磨损,许多设备和钢结构存在严重的腐蚀和磨损问题。随着热喷涂技术的推广应用,为电力设备这类技术难题提供了良好的解决方案。电力设备应用热喷涂技术,在国内各工业企业中还是比较早的,而且富有成效。
  1 热喷涂技术在电力系统中应用的背景
  热喷涂技术在电力系统的应用是从钢铁构件长效防腐开始的,安徽蚌埠市至淮南 45 公里的 264座输电铁塔上部进行热喷锌防护,1952 年施工至今完好。目前全国已有 30 多个发电的输变电结构采用热喷锌、铝防腐技术。自 70 年代以来长效防腐技术也以广泛用于水电站的钢铁构件,如葛洲坝、小浪底等大型闸门[1]。
  电力工业部于 1977 年 11 月与瑞士卡斯特林一厄特蒂公司进行了防腐和补修焊接技术的交流,又于1978 年 5 月组织了五人小组去瑞士考察学习,1979 年 2 月该公司技术人员再次来沪进行了防腐和补修焊接技术的交流[2]。同时为了在电力系统全面推广热喷涂技术,电力工业部向大型发电厂等单位发送了国产热喷涂喷枪和相关设备,一场学习热喷涂技术活动就此展开。在此后的三十多年里,各单位利用热喷涂技术,修复了许多磨损报废的设备零件,还解决了不少设备存在的重要技术难题,主要有以下几个方面:
  (1)火电设备方面:各种风机、叶轮、叶片的防磨涂层;锅炉“四管”的防腐防磨喷涂保护;汽缸结合面的变形喷涂修复;汽轮机末级大叶片的防水蚀磨损喷涂保护等。
  其中,锅炉“四管”表面的喷涂预保护技术的研究和应用,被列入国家“八五”规划重大科技推广项目热喷涂技术的重要内容之一,它解决了电站锅炉长期存在的技术难题。据资料[3]提供的数据:
  1982~1985 年 4 年期间,全国 50 MW 以上火电厂共发生事故 949 起,其中“四管”的泄漏爆管事故有305 起,占事故总数的 32﹪,造成的社会经济损失难以计算。1990 年西北电管局科技处立项,在秦岭电厂、韩城电厂进行锅炉再热器水冷壁管喷涂保护工业试验。1993 年通过技术评审。1995 年全国热喷涂协作组与西北电管局科技处在西安召开全国推广会,1997~2001 年 5 年间河北省 5 家电厂锅炉“四管”进行喷涂预保护累计面积 5000 多平方米,大大降低了“四管”事故的发生。目前国内以有数十家大中型发电厂采用锅炉“四管”喷涂保护技术,取得良好经济效益和社会效益。
  (2)水电设备方面:中小型水轮机转轮,叶片的气蚀磨损喷涂修复;水工钢结构件喷涂保护;水工闸门的防腐喷涂保护。
  (3)输变电设备方面:铁塔及其他钢结构表面长效防腐喷涂保护。
  2 重点设备热喷涂技术应用及研究现状
  2.1 各种风机叶轮叶片的防磨喷涂
  风机设备是燃煤锅炉辅机中重要设备之一,有送风机、吸风机、排粉风机等。其类型有离心式风机和轴流式风机,离心式风机主要磨损部位在叶轮,轴流式风机磨损主要在叶片。其磨蚀形式主要是煤粉、飞灰颗粒冲刷磨损以及烟气介质腐蚀。
  轴流式风机叶片防磨喷涂常用的工艺有两种:
  (1)最早采用热喷熔工艺,使用氧乙炔火焰喷枪,喷涂材料为 Ni-WC 合金,涂层厚度 1 mm 左右,涂层硬度 55 HRC。耐磨性能良好且涂层与基体为冶金结合,不掉块、不脱皮、很耐用,这种工艺至今还有使用。缺点是叶片有变形,涂层过厚处有微裂纹。
  (2)超音速电弧喷涂工艺,随着国内超音速电弧喷涂技术和设备的发明和应用,以及高硬度金属陶瓷碳化物粉芯丝的研制成功,采用超音速设备喷涂制备叶片防磨层获得快速发展,涂层结合强度可达 50 Mpa 以上,涂层硬度达到 60 HRC,且喷涂效率高、成本低,涂层材料采用金属陶瓷NiCr-Cr3C2、 NiCr-WC 复合材料等。
  离心式风机叶轮防磨喷涂常用的工艺有两种:
  (1)热喷熔工艺:使用氧乙炔火焰喷枪,喷涂材料为 Ni-WC 合金粉,涂层厚度 0.5~1 mm,涂层硬度达HRC 55。涂层与基体为冶金结合,涂层耐腐耐磨不脱落。但因叶轮直径大,叶片的表面积大,喷熔过程的1000 ℃高温,引起叶片和前后盘变形,工艺过程较难掌握,只有熟练的技术人员才能操作。目前还有少量单位采用这种工艺。
  (2)超音速电弧喷涂工艺:采用超音速电弧喷涂设备,喷涂材料为高硬度金属陶瓷碳化物粉芯丝,性能与前述相同。
  综上所述,上述风机叶片、叶轮的防磨涂层,最佳方案是在制造厂家加工过程中完成,经过动、静平衡测定后使用最安全。
  2.2 火电厂锅炉“四管”表面喷涂技术。
  锅炉是火电厂的主设备之一,受热面的水冷壁管、再热器管、过热器管、省煤器管、简称锅炉“四管”,是锅炉的心脏部位。“四管”表面磨蚀形式主要是:由高温氧化和烟气中硫化氢等介质腐蚀形成的高温腐蚀;以及烟气流与灰粉颗粒形成的冲刷磨损。
  目前常用的喷涂工艺和材料有以下几种:
  对于高温腐蚀多发生在水冷壁管,采用超音速电弧喷涂工艺制备涂层,使用高铬合金丝(FeCrAl)涂层结合强度 50 Mpa,涂层厚度 0.4 mm 左右,涂层硬度 330 HV,具有较好的防腐性能,涂层寿命 4年左右,成本低。
  防止高温腐蚀和磨损的材料还有镍铬钛合金丝(NiCrTi),这种合金防腐性能优良,且具有良好的耐磨性能,采用超音速电弧喷涂工艺,涂层结合强度 50 Mpa,涂层厚度 0.5 mm,涂层硬度 411 HV,涂层工作寿命7~10 年,因材料价格较高,大面积应用尚不多见。
  锅炉“四管”防冲刷磨损,近几年国内已研究出多种粉芯喷涂丝,其成分有 NiCr-Cr3C2等类型,采用超音速电弧喷涂工艺,涂层结合强度 50 Mpa,涂层厚度 0.5 mm 左右,涂层硬度 580 HV,均有较好的耐磨性能,涂层工作寿命 4 年左右,因材料价格适中,目前多采用这类材料。
  近十几年从电厂节能环保考虑,从国外引进不少循环流化床锅炉(CFB),其炉膛水冷壁和再热器等受热面,因高速气流和固体颗粒在炉内上下循环燃烧,受到反复的冲刷磨损,比一般煤粉锅炉要严重的多。目前国内已研究出专利粉芯丝材,使用的粉末有非晶体Fe17CrSNiB复合粉、非晶体FeMoBCAL 复合粉。采用超音速电弧喷涂工艺,涂层结合强度 50 Mpa,涂层厚度 0.8~1 mm,涂层硬度大于 60 HRC 以上,具有良好的耐磨性能,涂层工作寿命 3 年左右。
  在锅炉“四管”喷涂项目策划和工程实施中,除选好喷涂工艺和材料外,还应做好相关的管理工作,才能获得最佳的防腐防磨效果,下面提两点看法。
  (1)树立喷涂预保护的新观念。锅炉“四管”的腐蚀和磨损是时刻在发生着,早保护比晚保护好,未磨损时保护比磨损后保护好,新设备投运前保护比投运后保护好。道理很简单:让服役中的管道以最大的厚度承载高温高压的运行工况,才是最安全的。喷涂层像一层保护衣,始终保护管道表面免受高温腐蚀和冲刷磨损之害。树立喷涂预保护的观念是非常科学的,它体现了电力生产历来的安全观,提倡预防为主,防范于未然。
  (2)把锅炉“四管”喷涂保护作为一项技改项目来管理。喷涂施工的过程是一个规范的工艺实施过程,需要一个良好的工作条件、工作环境、严格的工艺参数控制,没有这些就做不出合格的涂层。要有充分的施工时间来保证喷涂工艺的实施,一套喷涂设备一个工作日能喷涂十多个平米的面积,就算高效率,如果只是见缝插针的安排些施工时间要求完成大面积的涂层,是很难保证喷涂质量,达到最佳保护效果。
  2.3 汽轮机叶片防磨蚀喷涂保护
  火电厂燃煤机组的汽轮机叶片水蚀磨损,主要发生在末级大叶片上,它处于低压段的湿区,磨蚀形式主要是水冲蚀,主要部位发生在叶片端部进汽边和叶片根部,形成锯齿状冲蚀区。
  末级叶片的防水蚀喷涂保护,采用超音速火焰喷涂工艺。喷涂材料采用 Co17-W2C 或 Cstellitc 的Co-W2C[4]等钴基碳化钨复合粉末,涂层结合强度70 Mpa,涂层硬度 1251 HV。
  火电厂燃气轮机叶片防磨蚀保护,这种机组本世纪初为解决沿海地区电力紧张局势引进国内,燃气轮机的静叶片与动叶片直接经受高温燃气的腐蚀和冲刷,磨蚀很严重,为预防磨蚀,一般叶片出厂时就喷有涂层,但需两年维护 1 次。目前采用的喷涂保护工艺有大气等离子喷涂工艺和真空等离子喷涂工艺。喷涂材料使用ZrO2-8Y2O3氧化钇部分稳定氧化锆粉末[5]等。涂层结合强度 50 Mpa,涂层厚度 0.5 mm,涂层硬度 600 HV,涂层工作寿命在40000 小时左右。
  2.4 水轮机转轮防冲蚀磨损喷涂保护
  转轮是水轮机的核心部件,它要经受泥沙和水流冲刷磨损和气蚀的破坏,是水轮机磨损最严重的部位,转轮的磨损使机组效率下降。转轮的直径较大,小的有 2~3 米、还有 7~8 米,三峡电站 70 MW的水轮机转轮直径达 10.7 米、高 54 米、重 440 吨。
  这么大的工件给维修保护带来困难。中小水轮机转轮的喷涂修复,最早采用氧乙炔喷熔工艺,使用研制的防气蚀和磨蚀的Ni44和Ni67合金粉末,涂层硬度 55 HRC,涂层工作寿命比不做涂层提高 3 倍以上。
  大型水轮机转轮的喷涂保护,本世纪以来不少科研单位开展转轮叶片防磨蚀的研究,采用的工艺有超音速火焰喷涂(HVOF)工艺,使用纳米级喷涂材料 WC-12Co 粉末[6]等,涂层结合强度 70 MPa,涂层厚度 0.4 mm,涂层硬度 1100HV,这种涂层的工作寿命尚在实践中。
  3 加强推广应用热喷涂技术的建议
  (1)电力集团公司加强对推广热喷涂技术的指导。电力系统体制改革后厂、网分离,实行公司化的管理,原有的政府技术管理体制不存在了,希望集团公司领导像原电力部那样关注热喷涂技术的推广应用,使这项先进的维修技术得以在电力企业深入发展。
  本文所述热喷涂技术在电力系统的应用,足以证明它在电力设备的维修和防磨防腐方面起到的重要作用。近几年火力发电企业处在困难期间,煤价上涨、大多火电厂处在亏损运营,设备维修费用大幅度减少,正常的大小修难以维济。热喷涂技术是一种先进的维修技术,电厂设备的绝大部分磨损件都可以用它来修复、翻新,而且是改性修复,大大提高磨损件的工作寿命,降低维修成本。推广热喷涂技术是解决电厂设备维修资金困难的有效途径之一。也是培养企业树立修旧利废、自力更生精神的好方法。
  (2)集团公司应建立自己的热喷涂研发中心,解决锅炉“四管”防磨;汽轮机大叶片防水蚀、燃气轮机叶片磨蚀;水轮机转轮防冲蚀气蚀磨损,风力发电设备的防腐等重点技术难题。
  (3)大型电站企业建立热喷涂中心。企业是新技术推广的终端,是受益者。目前已有少数电站建立了热喷涂中心,进行零部件修复;风机叶轮防磨喷涂;锅炉“四管”防磨喷涂等工作,取得了很好的效益,这个经验应当推广。实际上建立一个热喷涂中心并不难,只须少量的技术人员和投资即可完成,目前国产热喷涂设备和材料在性能和质量上都接近或达到国际水平,而且价格低很适用,每个企业都办的起来。
  参考文献略

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