耐磨陶瓷在電站風機葉輪上的應用及存在的問題
【摘要】在對耐磨陶瓷于排粉風機葉輪上的成功應用進行分析的基礎上,重點介紹了耐磨陶瓷在動葉可調引風機葉輪上的應用及其存在的問題。通過對長達 6 年的成功運用情況的分析 ,認為復合陶瓷是風機葉輪進行耐磨防磨處理一項可靠、效果顯著的工藝 ,值得在風機行業大力推廣。
一、引言
火電廠使用的各類風機中有引風機、排粉風機和送風機等。其中作為電廠的主要輔機之一的引風機和排粉風機,因為磨損而嚴重影響其出力的情況并不得不頻繁地進行更新維修, 這已成為火力發電廠鍋爐運行的隱患之一。多年來 ,盡管使用過許多表面強化方法,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 ,還在金屬機體表面產生了嚴重的裂紋 ,從而又引發了葉片斷裂事故。1998 年我公司與XX公司合作 ,首先在排粉風機葉輪上使用了耐磨陶瓷來進行防磨處理 ,取得了良好的使用效果 ,并在 2000 年又在動葉可調引風機葉輪上進行了試驗 ,也取得了同樣的效果。1996 年起 ,我公司的 16 臺排粉風機葉輪和 10 臺動葉可調引風機葉輪已全部采用了耐磨陶瓷復合處理 ,使用時間已達 6 年以上 ,使用壽命提高 3 倍以上 ,取得了較好的經濟效益。
二、葉輪運行工況
我公司現有 4 臺 300MW 機組 ,每臺機組配備 4 臺球磨機 ,每臺球磨機配一臺排粉風機。同時每臺爐還配備了 2 臺動葉可調軸流引風機。排粉風機葉輪直徑Φ2020 ,前向 12 枚葉片 ,轉速 1440r/ min ,介質溫度 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。軸流通風機葉輪外緣直徑 3200mm ,轉速 760r/ min ,介質溫度 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、風機葉片的磨損分析、對策及存在的問題
火電廠排粉風機葉輪主要是將磨煤機磨出的細煤粉送入鍋爐進行燃燒。因煤粉的沖刷使風機葉片的磨損十分嚴重。風機的磨損部位主要集中于葉片進口前緣和中盤與葉片的交角處 ,這些部位的鋼板經常被磨穿或磨成較深的溝槽 ,尤其在焊縫處磨損更為嚴重。磨損破壞了風機葉輪的運轉平衡 ,造成風機劇烈振動 ,可能發生嚴重的飛車事故。16Mn 鋼制造的燒結風機和煤粉風機葉片的使用壽命大約為 6 個月 ,有時可能只有 4 個月。相對于排粉風機 ,引風機大都采用機翼型離心風機或軸流風機。對于機翼型風機 ,由于前端是磨損較為嚴重的部位 ,一旦磨穿將會導致機翼內部積灰 ,從而引起不平衡振動 ,必須停機進行檢修。而對于軸流風機葉片 ,磨損主要發生在葉片的迎風端及葉片的背部 ,當磨損到一定程度 ,葉片的強度將會降低 ,風機效率也會下降。
多年來 ,國內外為延長風機葉輪的使用壽命進行了大量深入細致的研究和探討 ,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 ;
表面化學熱處理 :對葉片表面進行滲碳或多元共滲 ;
表面堆焊 :采用耐磨電焊條、耐磨粉塊在風機葉片磨損部位堆焊耐磨合金 ;
表面陶瓷復合 :利用高強度耐高溫膠粘劑或特殊焊接工藝將耐磨工程陶瓷復合在風機葉片表面上。
在以上工藝中 ,排粉風機葉輪葉片使用堆焊噴焊工藝較多 ,而引風機葉輪 ,尤其是軸流風機 ,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機葉輪的變形 ,在金屬機體上會產生大量的微裂紋 ,為葉片的運行帶來嚴重的事故隱患 ,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 ,因而得到廣泛的應用。
四、風機葉輪復合陶瓷耐磨的可行性分析
風機葉輪粘貼復合陶瓷的防磨效果取決于兩個條件。首先 ,要求陶瓷耐磨性能好 ,其耐磨性應當比 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合強度要高 ,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。根據風機葉輪的使用工況 ,耐磨陶瓷應采用冷壓燒結氧化鋁陶瓷 ,其主要優點是價格便宜、密度小、耐磨性能較好。經實測 ,采用冷壓燒結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。根據我公司風機磨損壽命和陶瓷耐磨性能的實際情況 ,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) 質量只有 5. 5kg ,在風機葉片的入口處 ,因為磨損嚴重 , 同時也是為了防止陶瓷脫落 ,采用了 U 型陶瓷塊 ,并加大了在迎風端的尺寸。
2. 復合強度校核
復合在葉片表面上的陶瓷塊在葉輪運行過程中受到的主要是向心力、氣流的沖擊力、葉片的振動以及陶瓷與金屬之間的內應力。當它們的合力大于陶瓷與金屬之間的復合強度時 ,陶瓷便會脫落 ,從而失去了耐磨防磨意義。而且在使用過程中復合層還會因為溫度較高出現老化現象 ,從而導致結合強度下降 ,這樣在使用到一定時間后也會導致陶瓷片的脫落。根據以上分析 ,要求陶瓷與金屬的復合層必須具備一定的抗剪強度和抗老化性能。由于陶瓷的熱膨脹系數僅為金屬的一半 ,因此還得需要膠粘劑具有良好的韌性以適應復合層間的內應力。
經實驗室實測的陶瓷金屬復合層的主要性能如下 :不同溫度下抗拉強度 (金屬 - 金屬) 分別為 50MPa (室溫) 、36MPa (100 ℃) 、20MPa(150 ℃) ; 抗剪強度分別為 28MPa (室溫) 及 20MPa(100 ℃) 、10MPa(150 ℃) 。復合層的韌性介于陶瓷金屬之間 ,固化后不收縮。
經計算 ,排粉風機在工作溫度為 90 ℃的條件下 ,當一個直徑為Φ2020 的排粉風機葉輪以耐磨陶瓷在電站風機葉輪上的應用及存在的問題1440r/ min 轉動時 , 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 ,而此時復合層所能提供的抗剪力為 3600N (100 ℃) ,復合層結合力的大小是瓷片受到的向心力的近 450 倍。而引風機葉輪上的外緣陶瓷片受的向心力為 3. 56N ,而復合層可以提供的結合力為 2000N ,是陶瓷片受的向心力的 560 倍。由此可見 ,陶瓷金屬結合層具有較高的保險系數。
五、在風機上的應用與分析
1. 在排粉風機葉輪上的應用
我公司先后已在 16 臺排粉風機和 10 臺軸流動葉可調風機的葉片上全部復合了陶瓷層。排粉風機葉輪使用時間為 6 年 ,軸流風機葉片使用已達 3 年 ,而且目前仍在使用。排粉風機葉片表面使用尺寸為10mm ×10mm ×1. 5mm ,復合部位為沿底盤焊縫 2/ 3 寬度 ,入口處用 U 型陶瓷片 ,迎風面厚度為 6mm。軸流風機葉片工作表面使用的陶瓷片規格為 10mm ×10mm ×1. 5mm ,迎風面使用 V 型陶瓷片 ,在背面沿迎風邊處復合了 60mm 寬度。使用過程中采用了表面噴砂處理 , 金屬及陶瓷表面進行了活化偶聯劑處理及相應的加熱固化處理。粘貼完后無需做動平衡便可直接投入使用。
自 1996 年 11 月投運 1997 年 10 月檢測 , 除一臺舊葉輪因原葉片磨損過于嚴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 ,經目測 ,并未發現有明顯的磨損現象 ,實測磨損只有 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。同時又對 1997 年 2 月粘貼的 7 臺葉輪進行了檢查 ,所有葉輪上的陶瓷片全都完好無損。按實際運行時間計算 , 每年磨損約 0. 1mm ,磨損量為粘瓷片厚的 1/ 15。繼續運行到 2003 年后 ,由于復合層的老化問題 ,尤其是由于復合層被沖刷 ,才導致了局部陶瓷片的脫落而停止了使用 ,檢查后發現陶瓷磨損不到0.3mm。
通過分析不同部位陶瓷片的磨損情況發現 ,在沿氣流流動方向的平面上瓷片磨損平均還不到 0. 2mm ,越靠近葉輪外圓 ,磨損越嚴重 , 平均磨損 0. 3mm ,明顯比中盤輪轂兩側處磨損嚴重。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) 的瓷片磨損較為嚴重 ,可達約 0. 3～ 0. 5mm。實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 ,從而造成部分迎風接縫處瓷片脫落。排粉風機葉輪 ,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 ,而且復合層厚度更薄 ,基本消除了因陶瓷底層復合層磨損而導致陶瓷片脫落的現象。
2. 在軸流風機葉片上的應用
在已經運行的 8 臺葉輪中 ,較長的一臺連續運行時間已達 3 年。在運行的頭一年檢查發現 ,在葉片的頂端部位有 3 個陶瓷卡子碎裂 ,經分析可能是因為運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象。在隨后施工的葉片中雖然有個別陶瓷片碎裂 ,經分析也都是因為硬物撞擊所致 ,經簡單修補后就未再出現類似情況。
由于引風機葉輪葉片是在排粉風機使用多年以后才采用陶瓷復合技術 ,已充分克服了陶瓷復合過程中存在的問題 ,而且由于軸流風機葉片幾何尺寸簡單 ,轉速較低 ,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機葉輪高 ,但仍在復合層合力的工作溫度范圍內 ,因此使用效果比排粉風機更好 ,估計可以使用 8 年以上。
六、結論
經過幾十臺排粉風機和軸流動葉可調風機復合陶瓷防磨的實際運行 ,表明風機葉輪表面復合陶瓷防磨是一項可靠、正確的耐磨防磨措施 ,雖然早期因為施工和加工精度的局限 ,有部分陶瓷片脫落的情況出現 ,但只要施工仔細 ,嚴格按照工藝操作 ,就可以保證陶瓷片不發生脫落。8 年的實際經驗表明 ,復合陶瓷對火電廠的排粉風機和軸流引風機葉片進行耐磨防磨處理是一個可靠 ,而且效果十分明顯的耐磨防磨手段 ,很值得在風機行業大力推廣使用。