耐磨陶瓷在发电厂风机转子上的应用实践
简介： 火电厂中使用的主要风机有引风机、排粉机和鼓风机等。其中引风机和排粉机作为电厂的主要辅机之一，因为磨损而严重影响其出力并带来频繁的更新维修，已成为火力发电厂锅炉安全运行的隐患之一。多年来，虽然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、表面淬火等，效果均不十分理想。针对耐磨胶粘剂主要是利用胶粘剂高粘接强度粘接耐磨颗粒材料，由耐磨材料提供抗磨力的特点，考虑利用胶粘剂粘接耐磨陶瓷用于风机叶轮的耐磨防磨。该项技术先后在几十台引、排粉风机叶轮上得到应用，最长使用时间已达到3年以上，取得了较好的经济效益。一、前言火电厂中使用的主要风机有引风机、排粉机和鼓风机等。其中引风机和排粉机作为电厂的主要辅机之一，因为磨损而严重影响其出力并带来频繁的更新维修，已成为火力发电厂锅炉安全运行的隐患之一。多年来，虽然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、表面淬火等，效果均不十分理想。针对耐磨胶粘剂主要是利用胶粘剂高粘接强度粘接耐磨颗粒材料，由耐磨材料提供抗磨力的特点，考虑利用胶粘剂粘接耐磨陶瓷用于风机叶轮的耐磨防磨。该项技术先后在几十台引、排粉风机叶轮上得到应用，最长使用时间已达到3年以上，取得了较好的经济效益。
二、陶瓷片用于风机叶轮上的可行性陶瓷片用于风机叶轮上，首先要确保陶瓷有优异的耐磨性能，其次要求陶瓷与金属基体有良好的结合性能，即胶粘剂有良好的粘贴强度及高温韧性。
针对风机叶轮的使用情况，采用冷压烧结氧化铝陶瓷，经实测，其硬度可达到HRA88以上，耐磨性能是高铬铸铁的至少5倍以上，是普通喷焊工艺的10倍以上，因此耐磨性能完全可以满足一般风机寿命的要求。因为陶瓷的优异耐磨性能，一般陶瓷片厚度仅取1.5mm即可。
采用自制的胶粘剂，主要性能指标如下：
抗拉强度（金属-金属）为50MPa（室温）及20MPa（150℃）；
抗剪强度为28MPa（室温）及8MPa（150℃）。
引风机在近180℃高温、带硬质颗粒的高速冲刷气流作用下工作，要求胶粘剂必须具备耐高温性能，同时具有一定的抗剪强度和抗老化性能。陶瓷的热膨胀系数只有金属的一半，因而还需要胶粘剂具有良好的韧性。相对而言，排粉机的转速高达1 500r/min，陶瓷片将受到更大的离心力的作用。
经计算，在150℃温度下，当引风机以960r/min转动时，一块100×100×3（mm）的瓷片受到的离心力为1.13MPa，而此时胶粘剂所能提供的抗剪力为150MPa（150℃），其大小为离心力的132倍。可见胶粘剂具有极高的胶粘保险系数。对于排粉机，胶粘剂提供的粘接力亦将是离心力的100倍以上。可见，胶粘剂的强度具有十分高的可靠性。
三、试验工况首次试验在大同一电厂5号机上进行。该型风机为双吸入结构，平板式叶片，具体参数如下：外径Φ2 200，介质温度170℃，转速960r/min.双排叶片共计24片，叶片厚8mm，另用厚为10mm的钢板作为衬板并用螺栓与叶片联接，衬板使用寿命为半年（磨穿）。叶轮中盘厚20mm，使用寿命一年（双面共磨损12mm）。整体寿命一年，每年更换一次。
由于是第一次进行试验，为保险起见，保留24块衬板并只在磨损最严重的出口半部粘贴陶瓷片，陶瓷块尺寸为10×10×3（mm），并在自制的烘箱中进行固化。中盘两侧面部粘贴3mm瓷片，室温自然固化。
风机自1994年5月投运至1995年10月检测，叶轮轮毂两侧面陶瓷完好无损，无任何脱落掉块现象，平均磨损不到0.1mm，按实际运行时间计算，每年最多磨损0.1mm.磨损量为粘瓷片前的1/30.24块衬板中，运行期间共有3块衬板上的瓷片脱落，其余完好无损。经初步分析，认为瓷片脱落是由于烘干加热时烘箱中局部超温（250～300℃）而造成胶层胶化所致。利用中间停炉机会进行修补后继续投入运行，再无脱落现象。
分析不同部位的陶瓷片磨损情况发现，在沿气流流动方向的平面上瓷片磨损平均不到0.1mm，越靠近叶轮外圆，磨损越严重，平均磨损0.2mm，明显比中盘轮毂两侧处磨损严重。这是由于越靠近叶轮的外圆周，气流流速愈大，因而磨损就愈严重。
与沿气流方向相比，在沿气流垂直方向上的瓷片磨损最为严重，最多可达1～3mm.实际上这正符合了陶瓷冲刷机理，即气流入射角愈大，磨损愈严重。而且由于接缝处形成的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，使陶瓷完全悬空，造成部分迎风接缝处瓷片脱落。
对衬板连同瓷片进行抗拉强度测试，结果表明，经过一年运行后，胶粘剂的剩余抗剪强度仍有10MPa（150℃）。而此时的离心力仍是1.13MPa.按10%年老化率计算，5年后胶粘剂的剩余强度为8.6MPa，仍大大高于离心力。
为了进一步试验胶粘剂的性能，1995年5月又对两台同型号引风机进行了粘贴试验，并且撤掉了衬板而直接粘于叶片上，在迎风边上采用丁字型瓷片，进一步降低了气流冲刷底部金属的可能性。经连续600天的运行后检查，陶瓷片完好，基体没有脱落现象，平均磨损不到0.2mm.
四、在其它电厂的使用情况1.北京大唐高井电厂：由于该厂的电除尘设备一直不能投运，除尘效率不高，致使引风机叶轮严重磨损。表面热喷焊硬度达HRC60以上的耐磨合金涂层，使用寿命也只有4个月。该型叶轮直径Φ2 100，双吸结构共24个叶片。1996年10月，该厂采用陶瓷胶粘技术，直接在叶片热喷焊层上粘贴陶瓷片进行防磨处理，经过近两年的运行，磨损不到0.2mm，只是由于直接粘贴在喷焊层上，导致了部分陶瓷片脱落而进行更换。通过这次试验，该厂又在另外4台引风机叶轮上粘贴陶瓷片，目前运行已达3年以上，寿命提高近5倍以上。
2.郑州热电厂：排粉机为前向单吸叶轮，叶轮直径Φ1 700，共16个叶片。因磨损十分严重，长期以来一直使用间隔堆的方法作为耐磨措施，但使用寿命始终只有4个月。1996年在一台排粉机叶轮上粘贴陶瓷并投入运行，作为对比，同时投入使用的还有两台涂抹耐磨陶瓷涂料，一台堆焊一种新型耐磨焊条。经过4个月的运行，检查发现，陶瓷片磨损十分轻微，几乎看不出有任何磨损，特别是在入口处，未粘陶瓷的部位已经缩短了近50mm，但堆焊的一台已经磨穿，必须修补才能继续运行。而涂抹耐磨陶瓷涂料的一台亦接近磨穿，必须修补才能继续运行。由于粘贴陶瓷的耐磨性能良好，该厂已将全部排粉机叶轮进行了粘贴陶瓷处理，预计使用寿命中可提高6倍以上。
3.湛江电厂：排粉机叶轮是成都电力机械厂生产的离心式叶轮，以前采用热喷涂的方式进行防磨处理，使用寿命只有一年左右，换下的叶轮只能当废品处理。1996年底该厂在经过调研的前提下，在4台排粉机叶轮（两旧两新）粘贴陶瓷。1997年春天又在7台风机叶轮（4新3旧）上粘贴陶瓷。在近3年的运行过程中，除了在两台旧的风机叶轮上因原基体严重磨损（基体表面已不平整）导致有部分陶瓷脱落外，其它叶轮表面陶瓷磨损十分轻微。在1999年10月的大修中，其中4台因其它原因拆下叶轮，经检查只有一台上有极少量陶瓷片脱落，其他3台完好无损。经过简单的修补，预计可以至少再使用3年。几年来先后为湛江电厂近20台风机叶轮进行了陶瓷粘贴耐磨处理。
经过几十台风机叶轮的实际运行表明，粘贴陶瓷防磨是一项可靠、有效的措施，只要施工仔细，严格按照工艺操作，可以保证陶瓷片不发生脱落。由于风机叶轮的特殊性，在风机叶轮上的成功应用，也为在其它部位的应用提供了可靠的参考价值，为火力发电厂提供了另一行之有效的耐磨防磨措施。
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