【摘要】在对耐磨陶瓷于排粉风机叶轮上的成功应用进行分析的基础上,重点介绍了耐磨陶瓷在动叶可调引风机叶轮上的应用及其存在的问题。通过对长达 6 年的成功运用情况的分析 ,认为复合陶瓷是风机叶轮进行耐磨防磨处理一项安全可靠、效果显著的先进工艺 ,值得在风机行业大力推广。
一、引言
火电厂使用的各类风机中有引风机、排粉风机和送风机等。其中作为电厂的主要辅机之一的引风机和排粉风机,因为磨损而严重影响其出力的情况并不得不频繁地进行更新维修, 这已成为火力发电厂锅炉安全运行的隐患之一。多年来 ,尽管使用过许多表面强化方法,包括表面堆焊耐磨材料、热喷涂、喷焊、表面涂覆各种高分子涂料、表面淬火或化学热处理等 ,但效果均不十分理想,尤其是各种热加工方法 ,还在金属机体表面产生了严重的裂纹 ,从而又引发了叶片断裂事故。1998 年我公司与XX公司合作 ,首先在排粉风机叶轮上使用了耐磨陶瓷来进行防磨处理 ,取得了良好的使用效果 ,并在 2000 年又在动叶可调引风机叶轮上进行了试验 ,也取得了同样的效果。1996 年起 ,我公司的 16 台排粉风机叶轮和 10 台动叶可调引风机叶轮已全部采用了耐磨陶瓷复合处理 ,最长使用时间已达 6 年以上 ,使用寿命提高 3 倍以上 ,取得了较好的经济效益。
二、叶轮运行工况
我公司现有 4 台 300MW 机组 ,每台机组配备 4 台球磨机 ,每台球磨机配一台排粉风机。同时每台炉还配备了 2 台动叶可调轴流引风机。排粉风机叶轮直径Φ2020 ,前向 12 枚叶片 ,转速 1440r/ min ,介质温度 90 ℃。因煤粉的冲刷磨损 ,叶轮的平均使用寿命只有 1 年 ,虽然使用过各种表面强化工艺 ,包括喷涂喷焊、堆焊及涂覆高分子材料 ,平均使用寿命也仍未超过 1 年。轴流通风机叶轮外缘直径 3200mm ,转速 760r/ min ,介质温度 140 ℃,采用的是碳化钨喷焊处理 ,平均使用寿命也不过 2 年 ,每两年仍须重新喷焊处理。
三、风机叶片的磨损分析、对策及存在的问题
火电厂排粉风机叶轮主要是将磨煤机磨出的细煤粉送入锅炉进行燃烧。因煤粉的冲刷使风机叶片的磨损十分严重。风机的磨损部位主要集中于叶片进口前缘和中盘与叶片的交角处 ,这些部位的钢板经常被磨穿或磨成较深的沟槽 ,尤其在焊缝处磨损更为严重。磨损破坏了风机叶轮的运转平衡 ,造成风机剧烈振动 ,甚至发生严重的飞车事故。16Mn 钢制造的烧结风机和煤粉风机叶片的使用寿命大约为 6 个月 ,有时甚至只有 4 个月。相对于排粉风机 ,引风机大都采用机翼型离心风机或轴流风机。对于机翼型风机 ,由于前端是磨损最为严重的部位 ,一旦磨穿将会导致机翼内部积灰 ,从而引起不平衡振动 ,必须停机进行检修。而对于轴流风机叶片 ,磨损主要发生在叶片的迎风端及叶片的背部 ,当磨损到一定程度 ,叶片的强度将会降低 ,风机效率也会下降。
多年来 ,国内外为延长风机叶轮的使用寿命进行了大量深入细致的研究和探讨 ,归纳起来主要有以下几种 :
表面涂覆 :在叶片表面磨损部位涂覆或粘接高分子耐磨材料 ;
热喷涂(焊) :采用等离子喷涂方法 ,氧乙炔火焰或激光重 ,在叶片磨损表面喷涂陶瓷、碳化钨或喷焊镍基 + 碳化钨合金 ;
表面化学热处理 :对叶片表面进行渗碳或多元共渗 ;
表面堆焊 :采用耐磨电焊条、耐磨粉块在风机叶片磨损部位堆焊耐磨合金 ;
表面陶瓷复合 :利用高强度耐高温胶粘剂或特殊焊接工艺将耐磨工程陶瓷复合在风机叶片表面上。
在以上工艺中 ,排粉风机叶轮叶片使用堆焊喷焊工艺较多 ,而引风机叶轮 ,尤其是轴流风机 ,使用喷焊、激光重 工艺较多。但因表面堆焊或喷涂工艺易引起风机叶轮的变形 ,在金属机体上会产生大量的微裂纹 ,为叶片的安全运行带来严重的事故隐患 ,因而使用受到很大限制。相对来讲 ,表面陶瓷复合工艺因无需输入热量 ,且陶瓷的耐磨性比其它材料都好 ,因而得到广泛的应用。
四、风机叶轮复合陶瓷耐磨的可行性分析
风机叶轮粘贴复合陶瓷的防磨效果取决于两个条件。首先 ,要求陶瓷耐磨性能好 ,其耐磨性至少应当比 WC 喷涂喷焊材料或堆焊材料高 3 倍以上 ;其次 ,要求陶瓷与金属之间的连接可靠 ,即陶瓷与金属基体之间结合强度要高 ,韧性要好 ,而且要耐高温耐腐蚀 ,耐老化寿命至少要在 10 年以上 ,以便能充分发挥陶瓷的耐磨性能。
1. 耐磨陶瓷的性能及厚度确定
作为耐磨材料使用的陶瓷主要有氧化铝、碳化硅、氮化硅及氧化锆等。根据风机叶轮的使用工况 ,耐磨陶瓷应采用冷压烧结氧化铝陶瓷 ,其主要优点是价格便宜、密度小、耐磨性能优异。经实测 ,采用冷压烧结的氧化铝陶瓷块的硬度为 HRA88 ,密度 3. 7kg/ m3 ,耐磨性是高铬铸铁的 5 倍左右 ,是普通碳钢的 100 倍左右。根据我公司风机磨损寿命和陶瓷耐磨性能的实际情况 ,最后确定采用 1. 5mm 厚度的陶瓷片 , 这种厚度的陶瓷片每平方米 (10000 片) 质量只有 5. 5kg ,在风机叶片的入口处 ,因为磨损严重 , 同时也是为了防止陶瓷脱落 ,采用了 U 型陶瓷块 ,并加大了在迎风端的尺寸。
2. 复合强度校核
复合在叶片表面上的陶瓷块在叶轮运行过程中受到的主要是向心力、气流的冲击力、叶片的振动以及陶瓷与金属之间的内应力。当它们的合力大于陶瓷与金属之间的复合强度时 ,陶瓷便会脱落 ,从而失去了耐磨防磨意义。而且在使用过程中复合层还会因为温度较高出现老化现象 ,从而导致结合强度下降 ,这样在使用到一定时间后也会导致陶瓷片的脱落。根据以上分析 ,要求陶瓷与金属的复合层必须具备一定的抗剪强度和抗老化性能。由于陶瓷的热膨胀系数仅为金属的一半 ,因此还得需要胶粘剂具有良好的韧性以适应复合层间的内应力。
经实验室实测的陶瓷金属复合层的主要性能如下 :不同温度下抗拉强度 (金属 - 金属) 分别为 50MPa (室温) 、36MPa (100 ℃) 、20MPa(150 ℃) ; 抗剪强度分别为 28MPa (室温) 及 20MPa(100 ℃) 、10MPa(150 ℃) 。复合层的韧性介于陶瓷金属之间 ,固化后不收缩。
经计算 ,排粉风机在工作温度为 90 ℃的条件下 ,当一个直径为Φ2020 的排粉风机叶轮以耐磨陶瓷在电站风机叶轮上的应用及存在的问题1440r/ min 转动时 , 在叶轮最边缘上的一块 10mm ×10mm ×1. 5mm 的瓷片受到的向心力为 4. 46N ,而此时复合层所能提供的抗剪力为 3600N (100 ℃) ,复合层结合力的大小是瓷片受到的向心力的近 450 倍。而引风机叶轮上的最外缘陶瓷片受的向心力为 3. 56N ,而复合层可以提供的结合力为 2000N ,是陶瓷片受的向心力的 560 倍。由此可见 ,陶瓷金属结合层具有极高的保险系数。
五、在风机上的应用与分析
1. 在排粉风机叶轮上的应用
我公司先后已在 16 台排粉风机和 10 台轴流动叶可调风机的叶片上全部复合了陶瓷层。排粉风机叶轮最长使用时间为 6 年 ,轴流风机叶片使用已达 3 年 ,而且目前仍在使用。排粉风机叶片表面使用尺寸为10mm ×10mm ×1. 5mm ,复合部位为沿底盘焊缝 2/ 3 宽度 ,入口处用 U 型陶瓷片 ,迎风面厚度为 6mm。轴流风机叶片工作表面使用的陶瓷片规格为 10mm ×10mm ×1. 5mm ,迎风面使用 V 型陶瓷片 ,在背面沿迎风边处复合了 60mm 宽度。使用过程中采用了表面喷砂处理 , 金属及陶瓷表面进行了活化偶联剂处理及相应的加热固化处理。粘贴完后无需做动平衡便可直接投入使用。
自 1996 年 11 月投运至 1997 年 10 月检测 , 除一台旧叶轮因原叶片磨损过于严重而使陶瓷片悬空并局部脱落外 ,其它叶轮上的陶瓷片均完好无损 ,经目测 ,并未发现有明显的磨损现象 ,实测磨损只有 0. 1～0. 2mm。入口处的 U 型瓷片 , 也仅是棱角磨损 , 平均减少还不到 0. 5mm。同时又对 1997 年 2 月粘贴的 7 台叶轮进行了检查 ,所有叶轮上的陶瓷片全都完好无损。按实际运行时间计算 , 每年最多磨损 0. 1mm ,磨损量为粘瓷片厚的 1/ 15。继续运行到 2003 年后 ,由于复合层的老化问题 ,尤其是由于复合层被冲刷 ,才导致了局部陶瓷片的脱落而停止了使用 ,检查后发现陶瓷磨损不到0.3mm。
通过分析不同部位陶瓷片的磨损情况发现 ,在沿气流流动方向的平面上瓷片磨损平均还不到 0. 2mm ,越靠近叶轮外圆 ,磨损越严重 , 平均磨损 0. 3mm ,明显比中盘轮毂两侧处磨损严重。这是由于愈靠近叶轮的外圆周 ,气流流速就愈大 ,因而磨损也就愈严重。与沿气流方向相比 ,在沿气流垂直方向上 (入口处) 的瓷片磨损最为严重 ,最多可达 0. 3～ 0. 5mm。实际上这正符合了陶瓷冲刷磨损特性 ,即气流入射角愈大 ,磨损愈严重。而且由于接缝处形成了涡流 ,使得沿接缝处金属基体磨损最为严重 ,甚至可以把金属衬板磨穿 ,而使陶瓷完全悬空 ,从而造成部分迎风接缝处瓷片脱落。排粉风机叶轮 ,由于采用了尺寸精度更高的陶瓷片 ,陶瓷片之间的间隙更小 ,而且复合层厚度更薄 ,基本消除了因陶瓷底层复合层磨损而导致陶瓷片脱落的现象。
2. 在轴流风机叶片上的应用
在已经运行的 8 台叶轮中 ,最长的一台连续运行时间已达 3 年。在运行的头一年检查发现 ,在叶片的尖端部位有 3 个陶瓷卡子碎裂 ,经分析可能是因为运行过程或安装过程中的撞击所致。除此之外陶瓷表面完好无损 ,几乎看不到有任何磨损现象。在随后施工的叶片中虽然有个别陶瓷片碎裂 ,经分析也都是因为硬物撞击所致 ,经简单修补后就未再出现类似情况。
由于引风机叶轮叶片是在排粉风机使用多年以后才采用陶瓷复合技术 ,已充分克服了陶瓷复合过程中存在的问题 ,而且由于轴流风机叶片几何尺寸简单 ,转速较低 ,电除尘效率较高 ,烟气中粉尘浓度较低 ,虽然工作温度比排粉风机叶轮高 ,但仍在复合层合力的工作温度范围内 ,因此使用效果比排粉风机更好 ,估计至少可以使用 8 年以上。
六、结论
经过几十台排粉风机和轴流动叶可调风机复合陶瓷防磨的实际运行 ,表明风机叶轮表面复合陶瓷防磨是一项可靠、有效的耐磨防磨措施 ,虽然早期因为施工和加工精度的局限 ,有部分陶瓷片脱落的情况出现 ,但只要施工仔细 ,严格按照工艺操作 ,就可以保证陶瓷片不发生脱落。8 年的实际经验表明 ,复合陶瓷对火电厂的排粉风机和轴流引风机叶片进行耐磨防磨处理是一个安全、可靠 ,而且效果十分明显的耐磨防磨手段 ,很值得在风机行业大力推广使用。