高速电弧喷涂技术在电站重磨蚀件中的应用

作者：华能石家庄分公司 郭立峰 李素芳

欢迎访问e展厅 展厅 7 喷涂/清洗/表面工程展厅 PVD涂层设备, 电镀设备, 热镀锌设备, 超声波清洗机, 静电喷粉机, ... 摘　要：阐述了高速电弧喷涂技术的原理和工艺特点，指出应用高速电弧喷涂技术解决电站重磨蚀部件的延寿修复问题，具有重要的实际意义。 关键词：电弧喷涂；磨蚀部件；延寿修复 Abstract：This paper explains the principle and features of highspeed arcspray technology, and points out the important practical significance of its application to restore the heavily abraded parts in a power station. Keywords：arcspray;abraded parts;restore life prolongation 由于电力行业的生产特点及系统运行的方式，金属部件的腐蚀与防腐蚀、磨损与防磨损已成为十分突出的矛盾。从某种意义上讲，发电系统可靠性的高低取决于机组关键部件的抗腐蚀和抗磨损程度，防腐、抗磨问题解决得如何对电力系统的安全性、可靠性及经济效益都具有举足轻重的作用。长期以来，广大科技工作者就此进行了不懈地努力，将不同的表面强化技术应用于电站设备的重磨蚀部件。表面强化技术对金属部件表面进行改性﹑强化或修复其尺寸，不仅能使整机的寿命得以延长，降低整机的检修费用,有时还能提高机组的功能。大量的实践证明，电弧喷涂技术作为表面强化技术之一，是解决电站重磨蚀部件延寿修复的一种有效而经济的先进技术，已引起电力经营部门的大力关注。所以，在对表面涂层性能没有特殊要求的情况下，可以采用高速电弧喷涂技术，修复、强化电站重磨蚀金属部件，延长其使用寿命，降低发电成本，对解决电站重磨蚀金属部件的早期失效问题，具有重要的实际意义。 1 高速电弧喷涂技术原理及其特点 1.1技术原理 电弧喷涂是利用2根连续送进的金属丝作为自耗电极，在其端部产生电弧作为热源，用压缩空气将熔化了的金属丝雾化，高速喷射到工件表面形成涂层的一种热喷涂工艺［1］。高速电弧喷涂在普通电弧喷涂的基础上采用拉伐尔喷嘴和计算机辅助设计，优化了喷枪的设计，将喷涂粒子的速度提高到超音速，并改变了粒子的雾化效果，提高了涂层质量。 1.2技术特点 高速电弧喷涂改善了雾化效果，增强了气流对粒子的加速作用，产生了高温﹑高速﹑均匀细小的喷射粒子射流，由此所得的涂层结合强度高﹑孔隙率低﹑表面粗糙度低，比普通电弧喷涂的涂层质量和喷涂效率高，使电弧喷涂技术上升到一个新阶段。 与常规电弧喷涂、亚音速火焰喷涂相比，高速电弧喷涂涂层具有以下特点［2］： a. 结合强度高喷涂不锈钢丝时，其涂层与基体的结合强度高达60 MPa。普通电弧喷涂结合强度一般为20～40 MPa，一般火焰喷涂的结合强度小于20 MPa。 b. 孔隙率低普通电弧喷涂的孔隙率为8%～15%，亚音速火焰喷涂的孔隙率一般大于6%，而高速电弧喷涂的孔隙率仅为1%～2%。 c. 粒子细小高速电弧喷涂时，其雾化粒子直径一般为5μm（不锈钢），比常规电弧喷涂的粒子直径（一般为20～40μm）小3～7倍。 d. 涂层组织均匀致密由于采用高速气流雾化，产生了高温﹑高速﹑均匀细小的喷涂粒子，沉积到基体表面上形成致密、均匀的涂层。 2高速电弧喷涂技术在电站重磨蚀部件中的应用 电站设备在高温、高压、高转速的恶劣条件下工作，其腐蚀和磨损损耗极为可观，其中大部分又是昂贵的合金金属材料。长期的统计数据表明，热力设备在运行期间，由于腐蚀和磨损而损失的金属约占设备原金属质量的8%。此外，由于电力行业的生产特点及系统运行方式，除了造成设备损坏的直接损失外，给社会带来的间接损失更是难以计算，因而电站设备的零部件的延寿修复工作显得极为重要。 电站重磨蚀金属部件的修复通常是在计划停机时完成，对生产无太大影响，一般喷涂修复成本仅为更换新件的20%～40%。修复后电站金属部件不仅可以重新使用，并且其使用寿命还可以提高到原来的几倍以上，取得了显著的经济效益和社会效益，已引起电力经营部门的大力关注，因此，电站主张修复重磨蚀部件而不更换新件。 2.1超音速电弧喷涂用于电厂钢结构长久防腐 在金属表面采用超音速电弧喷涂锌（或铝及其合金）进行防腐处理，可保证40～60年不生锈，称为长久防腐。这是目前世界上任何防腐技术所无法比拟的，美国、德国、法国等工业发达的先进国家均采用该项技术进行长久防腐。国内对锅炉承重钢结构、变电架构、输电铁塔等重要钢结构也进行了长效防腐处理，例如秦皇岛电厂、滦河电厂等单位的变电架构采用高速电弧喷涂锌铝合金涂层进行防护，取得了显著的社会效益和经济效益。 2.2高温涂层防止锅炉“四管”爆漏 2003年发电设备运行可靠性报告指出，在全国火电300 MW机组非计划停运事故中，锅炉设备事故约占43.8%。在锅炉事故中锅炉的水冷壁管、过热器管、再热器管、省煤器管（锅炉“四管”）的爆漏事故又占据一大半。锅炉“四管”爆漏除造成设备损坏和机组停运外，还增加了电厂临时检修的工作量，因机组停运而造成巨大的经济损失更是不容忽视。 电站锅炉 “四管”在冲蚀、磨蚀和高温同时作用下，材料表面早期失效是造成发电厂非计划停机的主要原因，所以，锅炉“四管”的高温腐蚀和烟气冲刷磨损已成为一个亟待解决的关键技术问题。在原有安装系统上更换失效、损坏的管道的维修费用相当高，解决这一问题的经济可行的途径是使用具有良好热导性的薄的防磨损、防氧化和防腐蚀的涂层。基于此，用高速电弧喷涂技术喷涂一种高铬镍基合金，对天津大港电厂#3、#4炉的水冷壁进行了大面积的防腐治理，取得了良好的经济效果和社会效果。 在电站锅炉设计中，为有效地清除锅炉受热面积灰，保证受热面清洁，传热效果良好，在锅炉的受热面布置了不同形式、不同种类的吹灰器。华能石家庄分公司投产初期，由于在吹灰器运行期间，吹灰次数频繁，导致受热面管壁减薄而爆管。目前，采用高速电弧喷涂技术，对该厂4台锅炉高温过热器的吹灰器附近的管段喷涂一种高耐冲蚀的芯材，近几年锅炉从未发生吹灰器吹薄管壁而引起的锅炉“四管”爆漏 ［3］。 2.3用于电站风机叶轮 金属部件的磨损是火力发电厂除腐蚀以外的另一个较严重的问题。火力发电厂排粉风机和引风机常因磨损而影响出力并带来频繁地设备更新、维修，严重影响了机组运行的可靠性。为此，采取了一系列的防磨措施，如合理选型及气动优化设计改善气流对叶轮的不均匀磨损；加强磨损部位的表面保护，即强化处理等措施，并且也使用过多种表面强化方法，例如表面堆焊耐磨材料、粘贴陶瓷片、氧乙炔喷焊等，但效果都不十分理想。由于高速电弧喷涂涂层的结合强度可达50 MPa以上［4］，远大于涂层克服风机离心力所需要的结合强度，因此可为排粉风机和引风机叶轮防磨做出贡献。国内采用高速电弧喷涂技术在风机叶轮上喷涂一层13Cr系列耐磨涂层，提高了叶轮的耐磨性，延长了使用寿命，节约了检修费用。该项技术已在江西新余电厂、辽宁铁岭电厂等单位推广使用，取得了较好的经济效益［5］［6］。 2.4用于汽轮机叶片抗水蚀耐磨 叶片是汽轮机的心脏，也是事故最多的关键部件。它的安全可靠直接关系到汽轮机和整个电站的安全和满发。工作在湿蒸汽环境下的汽轮机末几级叶片常受水质点的水击、水蚀；水、汽合在一起又是造成腐蚀的根源。对于冲蚀、水蚀较严重的末几级叶片，以往常采用钎焊硬质合金的方法进行修复。这种方法因技术难度大，工作量大而受到一定的限制。业已证明，采取表面处理方法，在叶片表面加上保护涂层，提高材质的特定的性能，达到防水蚀、耐磨、抗微振的目的，是减轻叶片损伤的有效的防护方法之一。 近年来, 随着超音速电弧喷涂技术的迅速发展，涂层的硬度和结合强度更高，特别是涂层的孔隙率更低(<2%) 、氧化物含量更低。参考文献［7］报道，防护层的抗腐蚀性与孔隙率、氧化物含量有关。孔隙率愈低，氧化物含量愈少，其抗腐蚀性愈好。采用高速电弧喷涂或与堆焊联合使用，在叶片表面生成一层与基体结合牢固的抗磨耐蚀防护涂层，获得了较好的防护效果。 2.5新能源领域的应用 垃圾焚烧发电的整套装置通常由垃圾焚烧炉、余热锅炉、发电或热电联产系统、灰渣处理和烟气净化系统联合组成。由于垃圾成分的多样性，要求垃圾发电设备具有一定的耐腐蚀性。对于垃圾发电设备的防护涂层，国外最先采用等离子堆焊Ni基自熔合金层、爆炸喷涂NiCr底层Cr表层等复合涂层对锅炉管道进行表面防护。随着高速电弧喷涂技术的成熟与完善，国内已开始采用此项技术对垃圾发电设备进行表面防护。 垃圾焚烧发电的社会效益远超过其经济价值。山东、安徽、黑龙江等省已有焚烧垃圾的热电厂投运。在经济发展的同时，垃圾处理问题日益严重，垃圾处理设备的防护问题就显得突出起来，这无疑为高速电弧喷涂技术的应用提供了广阔的用武之地。 此外，用热喷涂的方法修复冲蚀、磨损的阀座、阀芯和各类轴径已是成熟的技术。贵阳发电厂采用高速电弧喷涂技术修复发电机转子轴径，取得了较好的修复效果，使用寿命可提高2～8倍［8］。 3结束语 高速电弧喷涂技术作为一种解决电站重磨蚀部件延寿修复的高效而经济的防护技术，必将为我国电力工业的防腐、抗磨做出更大的贡献。开发高速电弧喷涂技术在我国电力行业具有重要意义和广阔的发展前景。 参考文献 ［1］徐滨士，马世宁.优质高效经济的热喷涂技术——高速电弧喷涂技术.第九届全国焊接会议论文集(第一册)［M］.哈尔滨：黑龙江人民出版社，1999. ［2］王汉功.超音速电弧喷涂技术［M］.北京：国防工业出版社，1999. ［3］郭立峰，刘保康，齐靖.超音速电弧喷涂涂层在锅炉吹灰器吹损管壁问题上应用［J］.锅炉压力容器安全技术，2004，（4）. ［4］汪刘应,杨晖,王汉功.超音速电弧喷涂不锈钢涂层结合强度研究［J］.中国表面工程，1999，（1）. ［5］郭立峰，胡华勇.超音速电弧喷涂技术在电厂风机叶轮防磨上的应用研究［J］.山东电力技术，2001，（4）. ［6］李长胜，胡万有.用电弧喷涂技术解决引风机叶轮防磨问题［J］.热喷涂技术，2000，（4）. ［7］罗虹，陈炎光.水轮机转轮汽蚀及电弧喷涂技术在其修复中的应用［J］.水利发电，1999，（3）. ［8］魏学军，肖志刚，张琦.电弧喷涂技术在电力行业中的应用［J］.贵州电力技术，2002，（5）.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (7/19/2005)