火電廠風機葉輪表面防磨強化技術及應用

1.2 熱態(tài)防磨技術存在的主要問題

1·2·1 裂紋傾向大

在對剛性或規(guī)格大的整體葉輪進行較大范圍的堆焊和噴焊防磨處理時，因熱輸入量大，工件受熱不均所形成的熱應力，會誘發(fā)葉輪上的承載焊縫產(chǎn)生裂紋；在高強度、低韌性的堆焊耐磨焊道和焊層上必有裂紋產(chǎn)生；在防磨工藝不當時，堆焊耐磨焊道上的裂紋極易向葉輪的母材中擴展；經(jīng)多元共滲的護板，其周邊近縫區(qū)因滲入元素的污染及硬度值偏高，很不容易清理干凈。該區(qū)域打磨得過淺或過窄，護板組合焊接時難免出現(xiàn)裂紋。打磨得過深或過寬，又將影響到防磨效果。

1·2·2 變形無法控制 

剛性或規(guī)格小的整體葉輪在進行熱態(tài)防磨處理時，無論采用對稱施焊，剛性固定等工藝措施，均不能有效地控制葉輪的變形。而葉輪的尺寸及葉片的型線得不到保證，將對風機的運行帶來不利影響。

1·3 冷態(tài)防磨技術存在的主要問題

1·3·1 防磨效果有限

粘涂技術、火焰噴涂和電弧噴涂僅適應于引風機葉輪，但其效果不佳；高速電弧噴涂引風機葉輪的效果有限；噴涂工藝應用在排粉風機葉輪上幾乎沒有成功的實例。 

1·3·2 耐磨保護層不牢固

粘涂耐磨層和鑲嵌陶瓷,因其物理性能、結合強度及結構形式的限制,當葉輪在一定溫度下高速旋轉時,易脫落和發(fā)生崩裂。 

2. 陶瓷耐磨葉輪的關鍵技術

2.1 MD-Ⅲ航空級高強韌性膠粘劑簡介 

氧化鋁陶瓷是已發(fā)現(xiàn)的最硬的無機化合物之一，具有一般金屬耐磨材料難以比擬的抗磨損性能。顯然，只要通過一種可靠的冷方法，將超耐磨的氧化鋁陶瓷復合連接在風機葉輪上，便可完全克服葉輪由常用防磨技術處理后所導致的裂紋、變形、耐磨效果不理想和耐磨層不牢固這幾種弊端。

目前燃煤電廠在煤粉管道和彎頭、煤粉分離器錐體等靜止部件和設備上，采用粘接氧化鋁陶瓷元件進行防磨處理已經(jīng)比較普遍。而把耐磨性優(yōu)異的氧化鋁陶瓷應用在承受交變動載荷、有一定溫度、線速度大和可靠性要求高的風機葉輪上，雖早就有所嘗試，但成功的范例很少。要在高速旋轉的葉輪上牢固地粘接氧化鋁陶瓷元件，絕非是一項簡單的技術。利用自蔓延高溫合成技術、拱形原理、陶瓷橡膠復合工藝和焊接等方法，將氧化鋁陶瓷與葉輪上的平、弧面進行大面積復合連接，即不現(xiàn)實、不可靠亦不經(jīng)濟。其實在二十多年前國外的一些公司，便采用粘接技術將工程陶瓷十分成功地運用到了電廠風機葉輪上。由經(jīng)驗和教訓可知，氧化鋁陶瓷的耐磨性決定葉輪的使用壽命，而膠粘劑的強韌性則決定了葉輪運行的可靠性。因此高強韌性膠粘劑是粘接型陶瓷耐磨葉輪關鍵技術中的核心內容。

根據(jù)電廠風機葉輪的工況條件，現(xiàn)場施工環(huán)境的要求，MD-Ⅲ高強韌性膠粘劑對鋼和陶瓷都應有優(yōu)良的粘接性，工藝性和觸變性；可在室溫下固化；具有相當高的強度和韌性；具有較高的耐熱性和耐老化性；完全能在風機正常的工況和溫度條件下長期可靠地工作。

在MD-Ⅲ高強韌性膠粘劑的研制中，以鞏固其拉伸強度和拉伸剪切強度為基礎，摒棄傳統(tǒng)的增韌改性材料，通過組織變量系列試驗，選用能參與固化反應、相容性好、含有新型活化韌性因子的增韌劑，使膠粘劑的分子結構中不但包含有增韌效果顯著、耐老化性好的封端基因，而且還包含有許多柔性鏈段來緩解脆硬性。即改善了膠粘劑的沖擊韌性和固化時的內應力水平，又使其耐熱性（玻璃化溫度Tg）和模量維持不變。

2·2 MD-Ⅲ膠粘劑的靜態(tài)力學性能曲線

圖1中的兩條實線曲線，為根據(jù)《膠粘劑對接接頭拉伸強度的測定》（GB/T6329－1996）測出的，在8種不同溫度條件下， MD-Ⅲ高強韌性膠粘劑的拉伸強度，即σb－T曲線。及根據(jù)《膠粘劑拉伸剪切強度測定方法》（GB7124－86）測出的MD-Ⅲ高強韌性膠粘劑的拉伸剪切強度，既στ－T曲線。圖1中的兩條虛線曲線，為號稱“膠王”的CGJ高強韌性膠粘劑的 σb－T和στ－T曲線。由圖1可見，在溫度為100℃時，MD-Ⅲ高強韌性膠粘劑的拉伸強度σb達到最高值（48.8MPa），而在室溫至120℃范圍內, σb值波動不大。MD-Ⅲ高強韌性膠粘劑的拉伸剪切強度στ，在室溫至170℃的范圍，是隨著溫度的升高亦呈緩慢上升的趨勢，當溫度為170℃左右時，其στ值高達35.4MPa。而CGJ膠粘劑雖然在室溫條件下，它的στ值略低于MD-Ⅲ高強韌性膠粘劑，而它的σb值卻比MD-Ⅲ高強韌性膠粘劑還高出3.3Mpa。但隨著溫度的升高，CGJ 膠粘劑的σb、στ值均發(fā)生急劇下降，在溫度達到150℃時，與室溫條件下比較，其στ值下降了67.7％，而σb值的下降幅度達到了84%。

2·3 MD-Ⅲ膠粘劑的動態(tài)力學性能曲線

參照《膠粘劑剪切沖擊強度試驗方法》（GB/T6328－1999），粘接10mm×10mm×55mm的對接接頭試樣（不帶缺口），采用特制的擺錘，在9種不同溫度條件下，使試樣在沖擊彎曲狀態(tài)發(fā)生折斷。圖2為沖擊韌性值－溫度曲線（αk-T曲線）。圖2顯示，在溫度為室溫至125℃左右范圍，CGJ膠粘劑的沖擊韌性值αk均比MD-Ⅲ高強韌性膠粘劑的αk值高。但當溫度升高到150℃時，CGJ膠粘劑的脆性驟然增大，其αk值降幅達到了72.7%。當溫度為170℃時，其αk值接近于零。而MD-Ⅲ高強韌性膠粘劑在室溫至200℃范圍，始終處于“增韌”的勢頭，其增幅達到17.4％。即使溫度升高到了250℃，其αk值仍然保持在57KJ/m2的水平。

3. 陶瓷耐磨葉輪的可靠性

3·1 陶瓷耐磨葉輪的可靠性分析 

離心式風機葉輪的板式葉片，多為其徑向尺寸大于軸向尺寸的圓弧窄葉片形式。在對葉片進行受力分析和強度計算時，可將整片葉片視為承受均布載荷的梁。當葉輪以角速度ω=πn/30高速轉動時，在葉輪最大半徑上的葉片工作面出口處，粘接的陶瓷元件受到了最大離心力P的作用，另還主要受到膠粘劑抵抗拉伸剪切破壞時的最大力P1，及氣固兩相流壓應力等作用。顯然只有保證P1>P時，葉片上的陶瓷元件才不會發(fā)生脫落。此時這個最大的離心力P=ω2 n2ρsδRmax/900(N)，式中：n—葉輪轉速，r/min；ρ－陶瓷元件的體積密度，Kg/m3；δ－陶瓷元件的厚度，m；S－陶瓷元件被粘接面的面積，m2；Rmax－葉輪中心至葉片出口處的最大半徑，m。考慮到現(xiàn)場大面積粘接施工條件和葉輪工作溫度等因素的影響，為安全穩(wěn)妥起見，只將在實驗室條件下測定的膠粘劑拉伸剪切強度στ值的一半代入計算，即P1=Sστ/2，并引入安全系數(shù)K=P1/P，則有K=450στ/π2n2ρδRmax 

在正常工況下排粉風機、引風機的工作溫度為70℃和150℃左右。常用陶瓷元件的厚度δ=1.5mm，其體積密度ρ=3.7g/cm3。以粘接了氧化鋁陶瓷元件至今已投入2年7個月和3年9個月運行的兩種風機葉輪為例，通過安全系數(shù)的計算和實際業(yè)績的驗證，MD-Ⅲ高強韌性膠粘劑確有很高的粘接安全系數(shù)。只要風機工作溫度不突破該膠粘劑最高工作溫度的限制（Tmax≤175℃），施工質量和陶瓷元件質量達到一定的技術條件，則粘接型陶瓷耐磨葉輪就完全可以滿足電廠風機運行工況的要求。兩種粘接型陶瓷耐磨葉輪安全系數(shù)計算結果見表2。

2 兩種風機葉輪安全系數(shù)的計算結果

依照陶瓷耐磨葉輪須安全可靠運行的最基本原則，如果說DM-Ⅲ膠粘劑所具有的足夠高的強度指標是防止陶瓷元件脫落的首要條件的話，那么如何減少和彌補陶瓷元件與金屬材料的線膨脹系數(shù)差異較大，在溫度變化時兩者間產(chǎn)生的相對位移量給耐磨保護層帶來的不利影響，則是陶瓷與金屬復合連接技術中必須解決的重要課題。

由于物體受熱膨脹其長度的增加正比于物體的原始長度和溫度變化值Δ T ，已知在20℃-300℃范圍，氧化鋁陶瓷（Al2O3 95%）和Q345鋼的線膨脹系數(shù)分別為×10-6℃-1和10.99×10-6℃-1，一般在正常工況下，排粉風機和引風機葉輪的工作溫度不超過100℃和150℃，α、ΔT視為常數(shù)，因此陶瓷元件的設計尺寸便直接決定了其受熱后所增加的位移量ΔL。顯然盡可能縮小陶瓷元件的尺寸，將更有利于控制ΔL的大小。因氧化鋁陶瓷優(yōu)異的耐磨性能，陶瓷元件的厚度一般設計為1-2mm即可?？紤]制作、施工諸多因素及實踐證明：風機葉輪通用型陶瓷元件的最佳量化單元是10mm×10mm×1.5mm。即使風機有150℃的溫度變化，這個最小陶瓷單元與葉片金屬間的相對位移量也僅為6.6μm。因陶瓷元件、膠粘劑和金屬之間為柔性連接，MD-Ⅲ膠粘劑的αk值在20℃-200℃內是隨溫度的升高而增加，對于6.6μm極其微小的位移量，通過高韌性的膠層便可以吸收。而陶瓷元件周邊存在微量縫隙，對溫度變化時所產(chǎn)生的位移或應力起到了削弱和阻隔作用，卻不會影響其防磨的效果（這與水電站為防止磨蝕對過流部件表面質量的要求截然不同）。 

4 陶瓷耐磨葉輪的特點

4·1 運行安全可靠 

因MD-Ⅲ高強韌性膠粘劑的固化一般在室溫條件下即可。有時為了縮短固化時間或為了改善粘接性能，其加熱固化溫度亦不會超過100℃，這就避免了采用熱態(tài)防磨技術時，整體葉輪因不均勻受熱產(chǎn)生應力后，導致其誘發(fā)裂紋和引起的變形給風機運行帶來安全隱患的可能。

目前仍在沿用一種傳統(tǒng)的，在葉片上加焊防磨護板的方法。因葉片與護板僅是依托四周的角焊縫進行有限的“線連接”，一但角焊縫被嚴重磨損或被磨透后，所造成整塊護板瞬間飛離、高速轉動葉輪的平衡被破壞、風機振動急劇增大，乃至引起重大事故的實例屢見不鮮。采用在葉輪上焊接鋼制附件，并鑲嵌上陶瓷元件的方法，因受其結構形式和陶瓷元件幾何尺寸的限制，當葉輪在一定溫度的工況下運轉時，陶瓷元件開裂和脫落的情況時有發(fā)生。這對葉輪平衡和風機振動產(chǎn)生的不利影響雖不及護板的脫落，但所引起振動值超標，因此停爐和葉輪現(xiàn)場無法修復只能棄用，亦是一個不容忽視的問題。

采用MD-Ⅲ高強韌性膠粘劑和氧化鋁陶瓷對葉輪進行防磨處理，只要在施工過程中嚴格執(zhí)行粘接工藝規(guī)程，按照技術要求認真操作，且耐磨葉輪能保證在正常的工況條件下工作，就不會發(fā)生陶瓷元件脫落的可能。電廠風機葉輪選用陶瓷元件規(guī)格為10mm×10mm×1.5mm的最佳量化單元。這種最小單元的質量僅為0.55g左右。反饋的信息顯示，在已投入運行的近百臺粘接型陶瓷耐磨葉輪中，也曾發(fā)生過5臺葉輪因種種原因陶瓷元件脫落的現(xiàn)象。其中一臺葉輪因別的原因在停機檢修時被發(fā)現(xiàn)，一片葉片上最多有16件陶瓷元件脫落，但這并未給風機的安全平穩(wěn)運行產(chǎn)生什么影響（該葉輪至此已運行3年1個月）。因為16件陶瓷元件總的質量僅有8.9 g，且又未集中分布在葉片的一個位置上。電廠在停機檢修時，僅順便稍作修復性粘接處理后，即馬上將其又投入運行。

4·2 耐磨性優(yōu)異 

作為工程陶瓷中用途最廣泛的氧化鋁陶瓷，其硬度相當高，在10級莫氏硬度中為9級，僅低于金剛石。氧化鋁陶瓷與幾種耐磨材料的硬度之比較見表3。

表氧化鋁陶瓷、耐磨材料的硬度比較

注：86.6HRA=70HRC

實踐證明，材料的硬度是一個與耐磨性有關的重要指標，而材料的耐磨性才是衡量其耐磨性能優(yōu)劣的最終指標。表4給出了氧化鋁陶瓷與幾種常用耐磨材料的比較磨損試驗結果。

表4 氧化鋁陶瓷與耐磨材料的相對耐磨性

氧化鋁陶瓷作為脆性材料，在沖蝕角θ按近90o的情況下，其抗沖蝕磨損性能相對較低是不爭的事實。對于絕大多數(shù)采用焊接結構鋼制作的離心式和軸流式葉輪的葉片，雖然氣固兩相流在θ=90o左右的沖蝕磨損處，僅限于在葉片入口端部和動葉片前緣部一個較窄的范圍，但這個較窄范圍，往往卻是葉片磨損最嚴重的區(qū)域之一。為此專門特制的增厚流線形陶瓷異型元件，即可巧妙地利用葉輪旋轉時離心力的作用防止葉片入口處陶瓷元件的脫落，避免固粒沖刷對片狀陶瓷元件底部膠層的沖蝕掏空，還能將沖蝕角的角度大大減少，以分散高速固粒的沖擊能量，從而顯著地提高了葉片入口端部的抗沖蝕磨損能力。圖3為125MW機組，Φ=2000mm的排粉風機葉輪，在葉片入口端部，未粘接和粘接有增厚流線形氧化鋁陶瓷元件的上、下部位，經(jīng)4個半月運行后，其被磨損與抗磨損的鮮明對比形狀。

4·3 能耗低效率高 

某電廠300MW機組的排粉風機葉輪直徑為2170mm，有15片葉片。為延長使用壽命，若采用傳統(tǒng)的加焊防磨護板的方案，并在δ=8mm的護板上堆焊厚度約為2.5mm的合金耐磨層。每塊護板的面積為1345cm2，一臺葉輪所增加的重量為126.7Kg以上（未計合金耐磨層的重量）。這使得葉輪的轉動慣量增大，也增加了風機的軸動率和耗電量。若選用粘接δ=1.5mm的陶瓷元件進行防磨處理，則一臺葉輪僅會增加約11.2Kg的重量，這還不及前者的十分之一，且葉輪的使用壽命遠遠超過前者。

在葉片及其他區(qū)域加焊防磨護板（一般厚度≥8mm），或在葉片上焊接鋼制附件并鑲嵌較厚的陶瓷元件（一般總厚度為8-14mm），或在葉片、護板上堆焊2－3mm的耐磨焊道和凹凸不平的耐磨層，除了會增加葉輪的自重外，還會使葉輪，尤其是排粉風機葉輪原本狹窄的流道更加變窄，使得流道中氣固兩相流的流動受阻，并干擾流體的正常流動，使得流動效率降低。

而最小單元為10mm×10mm×1.5mm的陶瓷元件，完全可順應葉片的幾何型線，緊緊地貼合在葉片不同的曲面上，加之未受到高溫的作用，葉片的原始型線足以得到保持。而δ=1.5mm的陶瓷元件幾乎不會改變葉輪內部的流道尺寸，故不會給風機的流動效率帶來負面的影響。

4·4 葉輪防磨無盲區(qū) 

在電廠現(xiàn)場對離心式葉輪整體采用焊接或熱噴涂技術防磨，其防磨的區(qū)域和質量與電焊鉗、噴槍槍體在葉輪中的空間位置、距離和角度密切相關。一般而言，這對大、中型引風機葉輪及排粉風機葉輪葉片的出口段，問題不顯突出。但對于流道狹長的排粉風機葉輪葉片工作面入口段一定的區(qū)域及小型引風機葉輪的葉片入口處，由于受到近距離相鄰葉片及前、后盤的阻礙，在以上兩個區(qū)域進行電弧堆焊、碳弧堆焊、火焰噴焊和電弧噴涂時，存在焊接、噴涂（焊）角度受限，距離不足，熔池、“鏡面”觀察受阻，焊條、碳棒、粉末等到不了位，甚至無法實施的狀況，從而使用戶對該區(qū)域的防磨質量提出了質疑。

在應用粘接的方法對葉輪的各區(qū)域進行防磨處理時，只要在操作者手臂可以觸摸到的范圍均可將陶瓷元件牢固地粘接到位，并能確保其施工質量，防磨區(qū)域幾乎不受任何的限制。顯而易見，在對流道狹窄的排粉風機葉輪進行防磨處理時，這具有非常重要的實際意義。

5 陶瓷耐磨葉輪的運行業(yè)績

燃煤電廠風機葉輪的磨損失效是沖蝕磨損和磨粒磨損聯(lián)合作用的結果（未計腐蝕所產(chǎn)生的影響）。而上述幾種耐磨材料和氧化鋁陶瓷的磨損試驗結果和相對耐磨性的關系，僅僅是在實驗室單一的磨損類型條件下測出的幾組數(shù)據(jù)，不能表明氧化鋁陶瓷應用到電廠風機上后，葉輪最終的使用期限，只能說明氧化鋁陶瓷的確要比幾種常用的耐磨材料在特定的磨損條件下，具有更高的抗磨損性能。因此，只有氧化鋁陶瓷葉輪的實際運行業(yè)績，才具有真正的實用意義。

通過近百臺粘接型陶瓷耐磨葉輪在電廠長期運行的實踐檢驗，并同葉輪常用防磨技術的效果進行比較，無論是在安全可靠程度，抗磨損性能，使用壽命，還是在性能價格比，可多次重復防磨，現(xiàn)場維護的方便性和時間性等方面，粘接型陶瓷耐磨葉輪均突現(xiàn)出相當明顯的優(yōu)勢。目前這項技術已受到越來越多的電廠用戶的認可和歡迎。如圖4－圖6所示，即為最好的業(yè)績佐證。

圖4為300MW機組2號爐乙側的2850/1800型軸流式引風機葉輪的陶瓷耐磨動葉片。該葉片原采用氧乙炔焰噴焊防磨處理，壽命提高到了約14個月。但經(jīng)噴焊后葉片型線有一定改變，且防磨的效果仍不太理想。后采用氧化鋁陶瓷防磨技術，徹底解決了葉片的變形問題，而耐磨的效果更顯突出，圖中顯示經(jīng)過3年2個月的運行，停爐檢修時發(fā)現(xiàn)，動葉片的壓力面和進氣端前緣磨損甚微，預計還可運行一個大修期以上（葉輪最高工作溫度Tmax≤175℃）。

圖5為200MW機組6號爐A側φ=2000mm的排粉機葉輪。由于原葉輪磨損嚴重，停爐檢修時采用焊條補焊修復后，累計運行約6個月即需更換新葉輪。后采用在葉片上加焊防磨護板，并在護板上堆焊耐磨焊道的防磨措施，其使用壽命亦勉強維持在1年半左右。由于曾發(fā)生過葉片與護板的連接焊縫被磨透，導致共有4片護板運行時突然飛離葉輪擊穿機殼，幾乎傷人的惡性事故，現(xiàn)已將3臺爐共6個排粉機葉輪全部改為氧化鋁陶瓷防磨。圖中葉輪系運行2 年7個月后的現(xiàn)場實際情況，從中清晰可見，葉片工作面上的氧化鋁陶瓷元件基本保持完好，而葉片出口處的元件最大磨損量僅約0.3-0.5mm， 該葉輪仍可繼續(xù)運行1年以上。

圖6為200MW機組3號爐甲側φ=2350mm雙吸引風機葉輪。因電除塵器的原因葉輪磨損較大。電廠曾請人到現(xiàn)場對整體葉輪的葉片噴焊鎳基碳化鎢合金粉末，使得其壽命提高了近2倍。但在噴焊中曾發(fā)現(xiàn)葉片與中盤處的角焊縫出現(xiàn)過7條180—315mm的縱向焊趾裂紋，后經(jīng)清除、補悍和無損探傷得以修復。但經(jīng)整體噴焊后葉輪和葉片型線變化較大，風機振動值有所增加而運行效率也有一定的下降。且在葉片與中盤角焊縫的近縫區(qū)磨損亦較突出，停爐時須常采用耐磨焊條進行補焊處理。在應用氧化鋁陶瓷防磨技術葉輪運行3年9個月后，圖中的葉片工作面僅顯輕微磨損的形貌（ Tmax≤175℃）。

6 結論 

試驗和實踐證明，氧化鋁陶瓷具有一般金屬耐磨材料難以超越的抗磨損性能。粘接型陶瓷耐磨葉輪運行的可靠性和耐磨性，關鍵取決于膠粘劑性能、粘接工藝、氧化鋁陶瓷質量和風機最高工作溫度四個因素，缺一不可。在風機葉輪上選用MD-Ⅲ航空級高強韌性膠粘劑粘接氧化鋁陶瓷元件，可以成倍地延長葉輪的使用壽命，是一項實用、安全和有效的防磨技術，是燃煤發(fā)電廠提高機組設備健康水平、降低發(fā)電成本、增強企業(yè)市場競爭力的良好途徑。