摘 要 本文重点介绍超音速活性电弧喷涂技术的原理、特点,并列举其在电力行业关键设备修复与预保护中的应用实例。
关键词 受热面管 磨蚀 喷涂 复合涂层
1 概述
随着电力工业的发展,高参数大机组的不断装机运行,电站热力设备、部件的工作条件日趋恶劣)高温、高压、高转速.因而对大量易损部件的耐磨损、耐腐蚀、耐高温、抗氧化等性能提出了更高的要求,热力设备由于磨损和腐蚀所造成的经济损失严重,并危害机组的安全运行。
我国电站设备绝大部分为燃煤汽轮发电机组,锅炉磨煤制粉系统设备的磨损、送粉装置的磨损、锅炉水冷壁、过热器、再热器、省煤器的高温腐蚀和磨损、汽轮机及所有转动机械轴的磨损、叶片的冲刷与腐蚀、水泵壳体的冲刷与磨损、各类管道系统、阀门、弯头等管件的冲刷与腐蚀等,均是电站设备事故的主要根源,也是热力设备与热力系统部件达不到设计服役寿命的关键所在。超音速活性电弧喷涂技术在电站设备维修中的应用,有效地解决了电站设备存在较多的腐蚀、磨损问题。
2 超音速活性电弧喷涂的原理
超音速活性电弧喷涂是新发展起来的一种电弧喷涂方法[1,2],其主要创新点是在电弧喷涂所用压缩空气的基础上,加入了丙烷或者丙烯等活性气体,过饱和的活性气体和压缩空气(压力均在0.7MPa以上)在燃烧室混合,经过电火花塞点燃,燃烧后产生压力,形成高速的热气流,通过喷嘴进入集气室,在集气室汇成高速射流,离开喷枪后,燃烧气体迅速膨胀,产生超音速火焰气流,以2马赫以上的速度带动电弧,同时燃烧于丝材端部的电弧将均匀送进的丝材熔化,经超音速活性火焰气流将熔化的丝材雾化为粒度细小、分布均匀的粒子,喷涂到基体表面形成涂层。超音速活性电弧喷涂喷枪结构原理见图1。
3 超音速活性电弧喷涂的特点
超音速活性电弧(HVAA)喷涂温度高,由于超音速气流加速雾化作用,可产生颗粒细小的喷涂粒子,其速度接近或超过音速,从而可获得高质量的喷涂涂层,而成为热喷涂技术领域最新的热点[3,4]。该系统较常规的电弧喷涂技术具有如下优点[5]:
(1)沉积率高,约为75%;
(2)涂层更致密,孔隙率约为1%;
(3)喷涂射流更集中,飞行距离长,喷涂距离可在很大范围内调节,提高了工艺的适应能力;
(4)涂层更光滑、更均匀,表面精度更高;
(5)喷涂粒子速度更高,超过音速;
(6)喷涂粒子细小、均匀;
(7)基体过热少。
从热喷涂的发展历程来看[6,7],随着热喷涂设备的更新换代,粒子的速度不断提高,涂层的质量不断得到改善。与普通电弧喷涂一样,超音速电弧喷涂是一个不断重复进行的熔化-雾化-沉积的过程。但在雾化方式上,超音速电弧喷涂与普通电弧喷涂有差别。普通电弧喷涂采用亚音速雾化,而超音速活性电弧喷涂采用超音速雾化,后者的雾化效果好,雾化后的粒子细小均匀、速度高,有利于获得高质量的涂层。
由于喷涂用的丙烷或丙烯被调节成过量,这样在与氧气燃烧以后,还有一部分剩余下来,这种还原气氛对丝材的喷涂粒子起到气体保护作用。具体方法是在调整燃气与空气的比例时,适当调大燃气的分量,因为丙烷或丙烯等液体燃气主要是C和H的化合物,这些元素极易氧化,在粒子飞行时,这些多余的燃气就充当还原剂,保护了粒子金属,避免它们直接与空气接触发生氧化反应,大大减少涂层的氧化程度,提高涂层的结合强度。
同时,多余的燃气对粒子具有保温作用,如果没有这些多余燃气来保温,粒子在飞行时,就直接与大气接触,当到达基材时,粒子的温度会由于大气的冷却而大大下降,这不利于粒子的变形雾化。相反,通过燃气的保温,粒子可以保持较高温度与基材接触,有利于粒子与基体、粒子与粒子之间的结合,从而提高涂层的结合强度和涂层的内聚强度。
4 超音速活性电弧喷涂技术在电力行业中的应用
4.1 电站锅炉/四管0防高温磨蚀
据统计,我国由煤生产的电力份额约占75%,而动力用煤质量偏劣,含灰量和含硫量均较高。锅炉的受热面管(水冷壁管、过热器管、再热器管、省煤器管,简称锅炉/四管0)工作在高温、超高压及受热烟气腐蚀、冲蚀的恶劣环境中,极易产生高温腐蚀及冲蚀磨损,致使管壁减薄。锅炉管壁因高温腐蚀和磨损,每年减薄量约1mm,更有甚者可达到5~6mm。
锅炉/四管0减薄后的直接危害是导致锅炉/四管0泄漏爆管事故。在1982 ~ 1985年间,全国50MW以上火力发电厂总共发生锅炉事故949起,其中/四管0的泄漏和爆管事故就达305起,占事故总数的32%。根据1992年我国火电设备事故的统计表明,当年锅炉事故占全部发电事故的56%,而锅炉/四管0爆漏事故却占到全部锅炉事故的64.2%。据调查,我国火力发电厂100MW以上机组由于腐蚀和冲蚀使锅炉管壁减薄,导致当年锅炉/四管0爆漏事故而造成的停机抢修时间约占整个机组非计划停用时间的40%,占锅炉设备本身非计划停机时间的70%以上,给电厂带来巨大的经济损失。美国的TAFA公司近年开发的电弧喷涂45CT涂层防护技术,具有良好的抗热冲击、耐冲蚀性能[9]。已在美国、欧洲等国广泛应用。由于45CT涂层含55%Ni、43%Cr、2%Ti合金,价格昂贵、加工困难,不适合我国国情,在我国电厂的推广应用受到限制。我们开发以超音速电弧喷涂NiAl丝材作为结合底层、金属-陶瓷材料或高Cr材料作为功能层、并辅以高温封孔的复合涂层制备技术。系统对比研究了该复合涂层与45CT丝材电弧喷涂涂层的热膨胀系数、抗氧化、抗腐蚀、耐磨损等性能,结果表明,研制开发的复合涂层性能与45CT丝材所制备涂层性能相接近,且具有设备简便、操作灵活,喷涂效率高等特点,适用于水冷壁、过热器、再热器、省煤器管等高温腐蚀或磨损问题突出的器件表面喷涂防护上,可有效地延长管子的使用寿命,提高锅炉运行的可靠性和经济性。目前,该技术已应用于几个电站的锅炉水冷壁、省煤器管的防护,初步使用效果良好。
4.2 关键部件的修复
4.2.1 锅炉引风机、排粉机防磨损
锅炉引风机、排粉机叶轮受炉烟的腐蚀和粉尘的冲刷磨损,工作寿命短,易造成风机损坏事故,影响锅炉的安全运行。目前,修复叶轮的主要工艺方法有:手工堆焊、粘贴陶瓷片和氧乙炔火焰喷焊等。这些方法在不同程度上提高了排粉机叶轮的使用寿命,但也存在一些缺点,效果并不十分理想。运用超音速电弧喷涂技术对风机叶片进行防磨保护处理,可使其寿命增加1~2倍,节约维修费用和停机检修的周期。
我们曾对某发电厂2个排粉风机叶轮进行了耐冲蚀喷涂,排粉风机叶轮由于受到煤粉的高速冲刷,磨损十分严重,造成工件的表面磨损属于/冲蚀磨损0。因此,风机叶轮涂层属于耐冲蚀涂层,要求涂层具有优良的耐磨性和较高的表面硬度。我们采用超音速电弧喷涂技术在整个叶片表面喷涂一层高Cr合金丝材,形成耐磨涂层。叶轮工作表面喷涂后,涂层厚度不低于0. 3mm,表面硬度不小于HRC45,结合强度不低于30MPa。目前,2个排粉风机叶轮已交付使用,使用状况良好。
4.2.2 轴类工件磨损的修复
电厂轴类工件一般因轴颈处磨损超差而报废。汽轮机主轴的轴承油档位置、发电机主轴的轴瓦部位因震动和供油问题容易产生主轴的拉槽磨损。用超音速电弧喷涂技术对超差的轴类进行修复,不仅可以恢复其使用性能,而且因喷涂层的高耐磨性而使喷涂件的使用寿命超过新件3~5倍,从而使电厂获得可观的经济效益。
4.2.3 水闸、输电铁塔及钢结构件的喷涂防腐
美国焊接学会热喷涂专业委员会于1953年在6个不同大气类型区和两个海滨区对喷锌、喷铝防腐的低碳钢试样进行长达19年的现场挂片试验,证明锌、铝涂层防腐效果明显高于钢铁。与国内外常见几种防腐涂层寿命比较,超音速电弧喷涂复合涂层的防腐寿命最长。
水电站钢闸长期处于干湿交替和浸没水下的恶劣环境,受到各种水、气体、日晒、水生物的浸蚀以及泥沙等物的冲磨而发生腐蚀。采用涂料保护,一般的保护周期为3年,如果采用超音速电弧喷涂锌(铝)保护,其使用寿命可延长到几十年。
5 结束语
统计数据表明,金属设备在整个运行期间,由于磨损而损失的金属约占设备原重量的8%。1995年,国内因金属腐蚀磨损造成的损失为1800亿元。电力设备的磨损和腐蚀损耗也极为可观,其中大部分又是昂贵的合金材料;而设备由于磨损和腐蚀更严重影响了电力行业的安全运行,同时造成巨大的经济损失。针对这一突出问题,迫切需要发展一种可靠的、经济的表面预涂覆保护方法,最大限度地减少事故的发生,提高整个电力设备的可靠性和安全性,延长现有设备的使用寿命。超音速活性电弧喷涂技术正是解决该问题的有效方法之一。目前超音速活性电弧喷涂技术在电力行业及其设备维修中已得到广泛应用,如电站锅炉/四管0防高温磨蚀、电厂关键设备的磨蚀修复等。超音速活性电弧喷涂技术作为先进制造技术中的重要手段之一,起着越来越重要的作用,在21世纪电力行业、表面工程技术、机械装备与涂装领域中将会得到更大的发展,并产生巨大的经济和社会效益。
参 考 文 献略
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