摘 要：介绍了堆焊、热喷涂、喷焊、自蔓延、表面热处理、表面清洗、粘接、涂饰等表面技术在火力电站设备上的应用。指出表面工程技术的应用使电站设备许多零部件的抗磨损、抗腐蚀寿命成倍提高。重点指出，对零件表面工况条件和失效形式的分析、表面技术设计以及严格的操作工艺是保证质量、取得预期效果的关键。
1 引 言
随着我国国民经济的高速发展，我国电力建设在“八五”、“九五”期间获得了飞速发展，火电建设已经朝着大容量、超临界、高效率的大机组和洁净燃烧方向发展，装机容量也获得了极大增加，2000 年底装机容量已达 319 320 MW，2001 年完成发电量 1.4 640×1012 kW h，截止今年 9 月份，我国仅国家电力公司系统就完成1.17 589×1012 kW h的发电量，其中火力发电厂的发电容量占整个发电容量的 80%左右。火力发电设备不仅自动化程度很高，而且工作条件苛刻，其中许多部件长期在高温、高压、腐蚀、磨损等各种恶劣工况下运行，腐蚀、疲劳和磨损这3 种机械零件的典型失效方式在电站设备中集中体现出来[1]。表面工程技术作为一种有效的抵抗零件失效的技术，已在电站设备上获得了广泛应用，不仅用于功能涂层，还用用于装饰性涂层；不仅用于一些设备和零件的修复，还应用于电站设备的制造和再制造。
2 堆焊技术在电站设备上的应用
2.1 表面堆焊技术在电站制粉和输粉系统的应用[1]
2.1.1 中速磨煤机磨辊的制造与修复
表面工程技术在中速磨煤机上主要用于抵抗煤及煤中参杂物对磨煤机碾磨件磨辊和磨盘的磨损。
中速磨煤机是通过磨煤机中的碾磨件对煤的碾压使煤磨制成煤粉，主要有 E 型中速磨、RP 磨、MPS 及其改进型 MBF 中速磨煤机，据不完全统计，全国在电厂中使用 MPS（MBF）型中速磨煤机有200 多台，这种类型的中速磨煤机具有占地面积小、耗能较低等特点。中速磨煤机的易磨损件主要有：磨辊、磨盘、磨球和磨环等。
早期使用的磨煤机磨辊和磨盘采用镍硬 IV 白口铸铁制造，镍硬 IV 白口铸铁主要是由国外引进中速磨煤机时一同引进的，后来逐步由高铬白口铸铁取代。高铬白口铸铁用于制造磨辊和磨盘要比镍硬 IV 具有较长的寿命。
堆焊在磨煤机磨辊和磨盘上的成功应用是在高铬铸铁焊接工艺获得突破后而获得应用的，采用堆焊制造和修复磨辊和磨盘，可以获得更高的寿命。在磨损厚度一致的情况下，其使用寿命相当于或者高于铸态的高铬铸铁磨辊。
在高铬铸铁成分基础上加入其它合金元素，制成改性高铬铸铁焊丝，可以获得耐磨性更好的堆焊层，采用这种堆焊材料制造成的复合高铬铸铁或者用于修复的中速磨磨辊其寿命可达铸态高铬铸铁寿命的 1.5 倍。改性高铬铸铁的金相组织，晶粒明显细化、碳化物和硬质相尺寸大小均匀、基体组织致密。
采用堆焊技术制造复合磨辊的主要制造过程是：首先浇铸一个铸钢的铸胎，铸胎的尺寸根据所需复合层的厚度来确定；然后在铸胎上采用明弧或者埋弧自动焊工艺在铸胎上堆焊改性高铬铸铁耐磨层；最后进行加工。对于不产生磨损和需要机械加工的部位用优质碳素钢堆焊，因此复合磨辊不仅便于加工，而且节约贵金属。
堆焊技术不仅可以制造磨辊还广泛用于修复磨辊，采用这种工艺不仅可以修复使用过的复合磨辊，还可以修复使用过的高铬铸铁、镍硬白口铸铁磨辊，是一个典型的再制造实例。
2.1.2 给粉机重要零件的表面强化修复
给粉机是由煤粉仓向一次风管供给煤粉的设备，它用于中间贮粉仓系统和半直吹式系统，常置于煤粉仓的下部，常用的有螺旋给粉机和叶轮式给粉机 2 种。
叶轮式给粉机的叶轮和螺旋式给粉机的螺旋杆由于长期处于和煤粉的摩擦过程中，而给粉机叶轮和螺旋杆在制造厂出厂时，采用单金属制成，煤粉对它们磨损较为严重，寿命较短。
对于叶轮式给粉机叶轮的强化修复，一般在现场进行，给粉机的叶轮直径较小，对于给粉量在10t/h 左右的给粉机，其叶轮直径在 360 mm 左右。目前，基本采用普通电弧堆焊方法进行修复。早期，有个别制造厂采用 HT200 制造叶轮，在修复需要注意：对于造成材料磨损较重的煤种(如我国大多数地区生产的含灰量较低的无烟煤)，一般采用 D698合金铸铁焊条堆焊；对于造成材料磨损较轻的煤种（一般可磨系数≥1.4，占我国动力用煤 3/4 的烟煤），采用 D5 系列的堆焊焊条进行堆焊，在 D5 系列的焊条中，采用 D517 号焊条获得的效果较好，性能价格比最高。堆焊的厚度约 3～5 mm。
堆焊过程中产生的热应力会使堆焊表面产生裂纹并使叶轮产生变形，对堆焊层的抗磨性和叶轮的正常使用产生不利影响，因此一般采用预热与焊后缓冷方法消除和减小这种倾向。在现场一般是用氧乙炔加热后进行堆焊，焊后砂埋进行缓冷，实践表明，这种方法可以有效的消除堆焊表面产生的裂纹和避免叶轮的变形。
经过堆焊强化修复后，其使用寿命是原来未经处理的叶片使用寿命的 3 倍以上。
2.1.3 其它方面的应用
堆焊技术还用在通过一次风的风门上，用于风门的内壁、挡板和密封面的防磨处理，采用堆焊处理的风门要比整体采用稀土耐磨钢制造的风门提高寿命 1 倍以上，但成本却和其相当。堆焊技术还应用在排粉机叶轮的防磨处理上，但对操作工艺要求很严，如果工艺控制不好，可能会出现叶片比较严重的变形、出现局部先期磨损和影响动平衡的问题。
2.2 电站高温高压阀门密封面的表面堆焊
在火力发电机组上，高温高压阀门主要用在汽水管路上，随着火力发电机组向高参数、大容量发展，工作条件越来越恶劣。这些电站阀门在承受高温、高压的同时，还要在高压差下承受汽水混合物的冲刷和侵蚀、密封面之间的摩擦和磨损等，阀体、阀盖和填料等的材质和质量、密封面的质量直接影响阀门的使用寿命及功能的实现。由于单一材质工艺性能和使用性能难以统一的弱点，因此这些电站阀门优质的密封面目前基本上都是采用堆焊强化。
2.2.1 密封面堆焊材料
密封面的堆焊材料应在高温下具有高强度、低摩擦因数，耐金属间磨损、耐气蚀、耐冲击、抗高温氧化性、耐磨蚀和热硬性等要求。
目前我国密封面堆焊材料主要采用钴基合金和其代用材料[2]。钴合金的硬度高，耐磨性好和耐蚀性强，而且具有较高的热硬性和热稳定性等特点，长期以来国内外均用钴基合金作为高温高压阀门密封面的堆焊材料。但是钴的资源缺乏，我国钴的矿藏更少。因此发展了其代用材料：镍基合金、铁基合金和低钴型合金。目前，镍基合金和铁基合金材料在很多场合已经取代了钴基合金。钴基合金的堆焊材料可应用于 600 ℃以上的工况条件，在600 ℃以下工作的阀门密封面通常选用镍基或者铁基合金堆焊。
2.2.2 堆焊工艺
考虑到尽量降低母材的稀释率、减少母材的熔深，获得尽可能高的熔敷效率，目前在制造阀门时广泛使用粉末等离子堆焊。但是，在现场进行修复时，由于场地和其它条件的限制，也有采用氧乙炔焊、手工电弧焊、钨极氩弧焊等方法。
粉末等离子弧堆焊可获得低的母材稀释率（5%～15%），并有高的熔敷率。尤其是合金粉末制备简单，不像丝材那样受铸造、轧制、拔丝等工艺的限制，因此，在高温高压阀门上获得了广泛应用[3]。
氧乙炔焊可达到最低的母材稀释率（＜5 %此方法效率低，熔敷效率约为 1 kg / h），此外对低碳的钴基合金，采用氧乙炔焊时，其焊接性较差。氧乙炔焊与钨极氟弧焊相比，在许多场合，尤其在堆焊奥氏体不锈钢时，会出现渗碳现象。钨极氩弧焊具有很强的热源，母材稀释率较大（约为 20 %），过多的稀释率通常不得不采用堆焊两层或多层的熔敷方法；产生热裂纹是钨极氩弧焊堆焊的潜在问题，这是从母材中渗入有害元素（如硫）所致；钨极氩弧焊容易实现自动化，它通常所采用的填充材料只能制成长的铸棒（通常φ 3.2 mm 或更粗些）；也可用药芯焊丝作为钨极氩弧焊的填充材料，但其药芯必须坚实，用松动的药芯焊丝，输入电弧区时会发生微小“爆炸”而粘污钨极，造成电弧不稳定。
电站高温高压阀门密封面，有的是在耐热钢材料上堆焊，有的是在铸件上堆焊，堆焊材料往往是合金元素含量高、硬度高的材料，焊接性差。另外，堆焊材料与母材间的线膨胀系数相差也较大，因此密封面堆焊时容易出现裂纹，甚至发生堆焊层与母材分离的情况。
在实际生产过程中为防止发生这类问题采用预热、缓冷和焊后热处理的办法进行处理。由于线膨胀系数相差大，在合金钢上堆焊钻基合金时，事先在合金上先堆一层过渡层，过渡层可以采用Cr24Ni12、Crl6Ni25Mo6 或镍基合金材料。
3 喷涂、喷焊技术在电站设备上的应用
电站锅炉内水冷壁管道通常采用低合金钢制造，钢中的含铬量不足以抵抗锅炉内含酸烟气的腐蚀，当煤中含硫量较高时这种情况更为严重。喷涂技术用于这种水冷壁的防腐获得了较好的效果。 对水冷壁的表面喷涂曾采用过多种表面喷涂技术，现在得到广泛应用的是高速电弧喷涂技术，由国家产学研设备工程开发推广中心研制的高速电弧喷涂枪，气流速度达 600 mm/s 以上，喷涂粒子的速度达 300 m/s 以上，孔隙率在 2 %以下，结合强度可达 40 MPa[4]。高速电弧喷涂用于水冷壁喷涂克服了普通电弧喷涂的缺点，可以获得与等离子喷涂和 HVOF 技术相近的涂层质量，同时又继承了普通电弧喷涂的优点，具有沉积效率高、涂层组织致密、电弧稳定性高、通用性强、性能价格比高等特点。采用高速电弧喷涂处理以后使用寿命是未处理时的 2～3 倍。
煤粉中的硫，可使水冷壁生成几毫米厚度蓬松的硫化铁锈皮。为抵抗这种破坏，必须提供一种能生成致密氧化膜的材料，在已知元素中只有铬元素能满足这个要求。因此，高速电弧喷涂水冷壁管道的丝材为高铬合金，如 SCL60 和 FM72 就是比较常用的合金。
在具体施工时，如果操作不当，可能造成涂层的开裂和剥落，这种情况在很多电厂都发生过。造成这种情况的原因有2 个：一是结合强度不够，另一个是涂层不够致密。因此，高速电弧喷涂对水冷壁的防腐通常采用 3～4 步完成，每步完成一个主要工作和功能，如第一步用于增强结合强度，第 2步用于获得致密耐腐蚀层，第 3 步封口，防止腐蚀气体进一步渗入。
锅炉的过热器和再热器上的管道还会发生煤灰腐蚀，煤灰腐蚀是一种高温液态腐蚀现象，目前很多电厂采用高速电弧喷涂技术治理，并选用含镍和钼的高铬合金丝材（如 unique coat 公司的 625丝材）。
大型引风机叶片、旋风除尘器内壁也可采用等离子喷焊或者氧乙炔喷焊耐磨合金来提高这些设备的耐磨性。
采用等离子喷焊技术在碳钢板上制备铁基合金可以获得复合耐磨板，这种耐磨板用在落煤斗和烟风道上具有较好的耐磨性，尤其是用于落煤斗上，可以部分取代用于防磨的衬板，同采用衬板的相比，重量轻，更换容易，耐磨性好。
排粉机叶轮采用电弧喷涂技术进行表面抗磨处理可以获得比采用堆焊、喷焊、抗磨胶和粘接陶瓷更好的效果。
4 自蔓延（SHS）技术在电站设备上的应用
自蔓延高温合成技术合成的材料已达几百种，采用自蔓延技术制造钢陶瓷复合管道，是自蔓延合成技术具有作为一种表面工程技术在工业上得到较大规模的应用的一个成功范例。这一产品在 90年代中期率先在电力行业获得了较为广泛的应用。一次风弯头和弯管是其一个主要应用的场合。
目前的火力发电厂中，煤粉炉占绝大多数，煤经过磨煤机磨成煤粉以后，借助热风通过管道和喷燃器吹入锅炉中进行燃烧。由于一次风管道长期处于煤粉的冲蚀状态，采用普通的管道寿命较短，10mm 左右厚的碳钢管不到一年便会磨穿。在钢陶瓷复合管出现之前，曾获得广泛应用并且现在也还有一些电厂使用的抗磨管道主要有：钢铸石复合管、高铬白口铸铁管、低合金耐磨钢管，但是由于它们本身所具有的一些特殊的缺点，应用得越来越少。如铸石管脆性较大、不易运输、且重量较重、弯管和弯头在制造时很难达到使用要求；高铬白口铸铁管和低合金耐磨钢管很难解决工艺性能（可焊性）和使用性能（抗压能力和抗磨性）之间的矛盾等。而采用自蔓延技术制造的钢陶瓷复合管可以克服这些缺点，因此，当其被研制出来以后便很快在全国推广开来。
钢陶瓷复合管可以满足输送煤粉的管道抵抗煤粉冲蚀的要求。但是这种管道也有一些缺点：
(1) 由于弯头是采用分段焊接而成，因此在接缝处处理不当会造成接缝处泄漏；同时也增加煤粉的运行阻力。
(2) 由于陶瓷-钢复合耐磨管道中刚玉和钢管之间的热膨胀系数有一定差别，因此，大直径的复合管道结合性能较差，如果制造过程中工艺控制不好，可能会在使用过程中会造成脱落。
5 表面热处理技术在电站设备上的应用
在电站设备中有很多高速旋转的零部件，如电机、汽轮机、各种水泵、渣浆泵、风机的轴类零件在制造过程中采用了各种传统的表面热处理技术，如渗碳、离子氮化等。
筒式磨煤机是应用最为广泛的低速磨煤机，带动筒式磨煤机磨筒转动的大模数齿轮通常进行现场表面淬火。大模数齿轮材质为 45 号铸钢，出厂时的热处理状态为正火状态，表面硬度较低（20HRC 左右），寿命较短，一般情况下，其使用寿命在 1～3 年便告报废，而采用现场表面火焰热处理后，可以使寿命得到大大增加，其寿命可以延长至8～25 年。
在对大齿轮进行表面处理时，采用特制的喷火枪，该枪可以很好地控制火焰的温度和加热范围，喷火枪在齿面的移动过程采用自动控制，可以精确的控制淬火、回火温度和冷却速度。齿面经表面处理后，表面硬度可达50～55 HRC，淬硬层在3～6mm。
对筒式磨煤机大模数齿轮的热处理，成本很低，只是购买新齿轮的 1/5，而且整个表面处理时间短，只需要利用现场大修或者小修的期间的3～4天便可全部完成。
采用这种表面处理以后，对与之啮合的小齿轮不会产生任何不良影响。
6 表面清洗技术在电站设备上的应用
火力发电厂的水力除灰系统，由于金属阳离子的存在，使灰渣粘着在钢管、阀门等灰渣输送系统的内壁上，尤其是对于采用电除尘器的用户，这种现象尤为明显，灰渣结垢严重者，在 2～3 个月可达 20 mm。
在工程中曾试验过机械式除垢，这种技术对于管道除垢较为有效，但是对于弯曲部位较多的场合不太适用。超声波除垢是一种很有发展前途的表面清垢方法，具有无污染、操作简单、适用面广等优点，但是目前正处于试验阶段，大量应用还有一些技术问题需要解决。目前在火力发电厂应用较多的仍然是化学除垢法。
化学除垢法的基本原理是在流体里加入盐酸，并加入一定的阻蚀剂，通过泵将含有盐酸的流体反复流经所要清垢的设备和管道，直至垢脱落。
7 表面粘接、粘涂技术在电站设备上的应用
表面粘接技术在电站装备上的应用包括：采用高分子粘接剂将耐磨或防腐材料粘接在设备表面，或在高分子聚合物（粘接剂）中掺入特定的填料组成的复合胶粘剂涂粘在设备零部件表面以达到特定的要求（如抗磨、防腐、电绝缘和保温等）。
采用高分子粘接剂将氧化铝陶瓷粘接在承受磨料磨损的某些电站装备上，可以获得非常好抵冲蚀抗磨料磨损的效果。氧化铝陶瓷是已知的自然界中最硬的化合物之一，由于氧化铝陶瓷属于脆性材料，在较大的冲蚀角的情况下，其耐磨性并不理想，因此，抵抗非大颗粒（冲击力很大）和较小的冲蚀角（≤45o的情况下）的磨料冲蚀可以获得非常好的效果。
目前，这种技术主要应用于除灰系统的风机叶轮和蜗壳、粗细粉分离器和烟风道上的调解或者关闭阀门上；煤粉输送系统的原煤斗、溜槽、给粉机和给料机的叶轮及壳体、磨煤机出口管道和输粉管的一次风弯头上。
高性能的粘合剂、正确的操作工艺、工作人员对抗磨结构设计经验及实际操作经验是将这种技术成功应用于电站装备的关键。采用这种技术可以在生产厂制成复合成品板然后到现场安装，或在现场对设备进行防磨处理。无论是在现场或是在工厂进行工厂化处理，对表面的要求是粘贴表面应平整，表面应彻底除油、喷砂或机械打磨处理，同时，环境温度不能小于零下 5 ℃。
采用这种表面工程技术进行处理的电站装备，对于零部件本身处于静态状态下工作的，工作温度应≤300 ℃，如磨煤机出口管和分离器等；对于零部件本身处于动态状态下工作的，工作温度应≤150 ℃，如风机叶轮、给粉机叶轮等。
采用这种技术对电站装备的处理，要比堆焊的使用寿命长 1～2 倍，但是在使用过程中出现事故的几率较大，如果具体操作工艺控制不严，可能会造成陶瓷片脱落。在静态使用的情况下，对设备的使用不会造成大的影响；但是对于动态使用的情况下，如果陶瓷片脱落可能会酿成事故。因此，对在动态工作的零部件，尤其是风机叶轮在使用这种技术进行处理时，对工艺要求非常严格。
在高分子聚合物（粘接剂）中掺入特定的填料组成的复合胶粘剂主要用于电站设备零部件的抗磨、防腐及修复。
抗磨修补剂是改性环氧树脂与耐磨陶瓷颗粒组成的复合材料，具有良好的抗磨性，同时还具有良好的防腐性能。电站设备用的抗磨修补剂主要有：抗磨防腐修补剂、抗磨耐汽蚀灰渣泵修补剂、高性能叶轮抗磨修补剂和高温抗磨修补剂等。在选择这些修补剂时需要考虑运行温度、磨损失效形式、承受裁荷和振动大小、介质的腐蚀性、施工处理的难易程度等。
抗磨防蚀修补剂是一种陶瓷颗粒增强高分子胶的抗磨耐蚀复合材料。其适用性很广。这种抗磨防蚀修补剂为 A、B 双组份，混合后涂抹于设备表面，固化后具有良好的耐磨耐蚀性能。可适用于平面、垂直面和顶面防磨处理。在电站装备上主要用于制粉和输粉系统的原煤斗、煤粉管道的弯头和粗细粉分离器，除灰系统的烟道、风机的蜗壳。
抗磨耐汽蚀灰渣泵修补剂是专门为除灰渣系统渣浆泵而开发的，由于采用陶瓷颗粒增润，可以形成高含量陶瓷颗粒的复合材料，可以适用于磨损比较严重的和有汽蚀现象的渣浆泵的叶轮、隔板和蜗壳。高性能叶轮抗磨修补剂适用于高速旋转部件的修复和防磨，因为在这种情况下，对修补剂的要求是有更高的韧性和粘接性。
高温抗磨涂料最高使用温度可以达到 1 100℃，主要用于解决电站锅炉炉内管道，如省煤器、过热器、再热器和水冷壁的高温烟气过流区迎风面的磨损问题。8 表面涂饰技术在电站设备上的应用 电站主厂房、锅炉、汽机等均采用钢结构，这些钢结构件至少要保证 50 年寿命，因此，其表面处理非常重要。对这类钢结构的表面首先进行喷砂处理，喷砂处理要求达到2.0 级精度， 然后进行喷漆，喷漆处理要求采用高压无气喷涂防锈漆、表面漆等。
对于在室外工作的钢结构零部件，如除尘器的外壁和钢支架、大型风机的外壳、输变电站的各种箱体和支架等通常采用电弧喷涂锌、铝涂层，外加有机涂层形成常效复合组合层，以满足使用要求。
9 结 论
(1) 多种表面技术的应用，使火力电站设备上的许多零件抗磨损、抗腐蚀性能成倍提高，展现了表面工程在电设备上应用的广阔前景，随着表面工程技术的发展，为电站设备延寿、节能，节材会做出更大贡献。
（2）将表面工程技术应用于电站设备，一定要注意分析表面的失效形式，进行合理的表面技术设计，并按工艺规程严格进行操作。
参考文献：（略）
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