火(huǒ)電(diàn)廠風機葉輪表面防磨強化技術及應用
1.2 熱态防磨技術存在的主要問題
1·2·1 裂紋傾向大(dà)
在對剛性或規格大(dà)的整體(tǐ)葉輪進行較大(dà)範圍的堆焊和噴焊防磨處理時，因熱輸入量大(dà)，工(gōng)件受熱不均所形成的熱應力，會誘發葉輪上的承載焊縫産生(shēng)裂紋；在高強度、低韌性的堆焊耐磨焊道和焊層上必有裂紋産生(shēng)；在防磨工(gōng)藝不當時，堆焊耐磨焊道上的裂紋極易向葉輪的母材中(zhōng)擴展；經多元共滲的護闆，其周邊近縫區因滲入元素的污染及硬度值偏高，很不容易清理幹淨。該區域打磨得過淺或過窄，護闆組合焊接時難免出現裂紋。打磨得過深或過寬，又(yòu)将影響到防磨效果。
1·2·2 變形無法控制
剛性或規格小(xiǎo)的整體(tǐ)葉輪在進行熱态防磨處理時，無論采用對稱施焊，剛性固定等工(gōng)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，将對風機的運行帶來不利影響。
1·3 冷态防磨技術存在的主要問題
1·3·1 防磨效果有限
粘塗技術、火(huǒ)焰噴塗和電(diàn)弧噴塗僅适應于引風機葉輪，但其效果不佳；高速電(diàn)弧噴塗引風機葉輪的效果有限；噴塗工(gōng)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
粘塗耐磨層和鑲嵌陶瓷,因其物(wù)理性能、結合強度及結構形式的限制,當葉輪在一(yī)定溫度下(xià)高速旋轉時,易脫落和發生(shēng)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
氧化鋁陶瓷是已發現的最硬的無機化合物(wù)之一(yī)，具有一(yī)般金屬耐磨材料難以比拟的抗磨損性能。顯然，隻要通過一(yī)種可靠的冷方法，将超耐磨的氧化鋁陶瓷複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後所導緻的裂紋、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(diàn)廠在煤粉管道和彎頭、煤粉分(fēn)離(lí)器錐體(tǐ)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比較普遍。而把耐磨性優異的氧化鋁陶瓷應用在承受交變動載荷、有一(yī)定溫度、線速度大(dà)和可靠性要求高的風機葉輪上，雖早就有所嘗試，但成功的範例很少。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(yī)項簡單的技術。利用自蔓延高溫合成技術、拱形原理、陶瓷橡膠複合工(gōng)藝和焊接等方法，将氧化鋁陶瓷與葉輪上的平、弧面進行大(dà)面積複合連接，即不現實、不可靠亦不經濟。其實在二十多年前國外(wài)的一(yī)些公司，便采用粘接技術将工(gōng)程陶瓷十分(fēn)成功地運用到了電(diàn)廠風機葉輪上。由經驗和教訓可知(zhī)，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(zhōng)的核心内容。
根據電(diàn)廠風機葉輪的工(gōng)況條件，現場施工(gōng)環境的要求，MD-Ⅲ高強韌性膠粘劑對鋼和陶瓷都應有優良的粘接性，工(gōng)藝性和觸變性；可在室溫下(xià)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(gōng)況和溫度條件下(xià)長期可靠地工(gōng)作。
在MD-Ⅲ高強韌性膠粘劑的研制中(zhōng)，以鞏固其拉伸強度和拉伸剪切強度爲基礎，摒棄傳統的增韌改性材料，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(fēn)子結構中(zhōng)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内應力水平，又(yòu)使其耐熱性（玻璃化溫度Tg）和模量維持不變。
2·2 MD-Ⅲ膠粘劑的靜态力學性能曲線
圖1中(zhōng)的兩條實線曲線，爲根據《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(xià)， MD-Ⅲ高強韌性膠粘劑的拉伸強度，即σb－T曲線。及根據《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(zhōng)的兩條虛線曲線，爲号稱“膠王”的CGJ高強韌性膠粘劑的 σb－T和στ－T曲線。由圖1可見，在溫度爲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℃範圍内, σb值波動不大(dà)。MD-Ⅲ高強韌性膠粘劑的拉伸剪切強度στ，在室溫至170℃的範圍，是随着溫度的升高亦呈緩慢(màn)上升的趨勢，當溫度爲170℃左右時，其στ值高達35.4MPa。而CGJ膠粘劑雖然在室溫條件下(xià)，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。但随着溫度的升高，CGJ 膠粘劑的σb、στ值均發生(shēng)急劇下(xià)降，在溫度達到150℃時，與室溫條件下(xià)比較，其στ值下(xià)降了67.7％，而σb值的下(xià)降幅度達到了84%。
2·3 MD-Ⅲ膠粘劑的動态力學性能曲線
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(xià)，使試樣在沖擊彎曲狀态發生(shēng)折斷。圖2爲沖擊韌性值－溫度曲線（αk-T曲線）。圖2顯示，在溫度爲室溫至125℃左右範圍，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(dà)，其αk值降幅達到了72.7%。當溫度爲170℃時，其αk值接近于零。而MD-Ⅲ高強韌性膠粘劑在室溫至200℃範圍，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(fēn)析
離(lí)心式風機葉輪的闆式葉片，多爲其徑向尺寸大(dà)于軸向尺寸的圓弧窄葉片形式。在對葉片進行受力分(fēn)析和強度計算時，可将整片葉片視爲承受均布載荷的梁。當葉輪以角速度ω=πn/30高速轉動時，在葉輪最大(dà)半徑上的葉片工(gōng)作面出口處，粘接的陶瓷元件受到了最大(dà)離(lí)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(dà)力P1，及氣固兩相流壓應力等作用。顯然隻有保證P1>P時，葉片上的陶瓷元件才不會發生(shēng)脫落。此時這個最大(dà)的離(lí)心力P=ω2 n2ρsδRmax/900(N)，式中(zhōng)：n—葉輪轉速，r/min；ρ－陶瓷元件的體(tǐ)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(zhōng)心至葉片出口處的最大(dà)半徑，m。考慮到現場大(dà)面積粘接施工(gōng)條件和葉輪工(gōng)作溫度等因素的影響，爲安全穩妥起見，隻将在實驗室條件下(xià)測定的膠粘劑拉伸剪切強度στ值的一(yī)半代入計算，即P1=Sστ/2，并引入安全系數K=P1/P，則有K=450στ/π2n2ρδRmax
在正常工(gōng)況下(xià)排粉風機、引風機的工(gōng)作溫度爲70℃和150℃左右。常用陶瓷元件的厚度δ=1.5mm，其體(tǐ)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爲例，通過安全系數的計算和實際業績的驗證，MD-Ⅲ高強韌性膠粘劑确有很高的粘接安全系數。隻要風機工(gōng)作溫度不突破該膠粘劑最高工(gōng)作溫度的限制（Tmax≤175℃），施工(gōng)質量和陶瓷元件質量達到一(yī)定的技術條件，則粘接型陶瓷耐磨葉輪就完全可以滿足電(diàn)廠風機運行工(gōng)況的要求。兩種粘接型陶瓷耐磨葉輪安全系數計算結果見表2。
2 兩種風機葉輪安全系數的計算結果
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标是防止陶瓷元件脫落的首要條件的話(huà)，那麽如何減少和彌補陶瓷元件與金屬材料的線膨脹系數差異較大(dà)，在溫度變化時兩者間産生(shēng)的相對位移量給耐磨保護層帶來的不利影響，則是陶瓷與金屬複合連接技術中(zhōng)必須解決的重要課題。
由于物(wù)體(tǐ)受熱膨脹其長度的增加正比于物(wù)體(tǐ)的原始長度和溫度變化值Δ T ，已知(zhī)在20℃-300℃範圍，氧化鋁陶瓷（Al2O3 95%）和Q345鋼的線膨脹系數分(fēn)别爲×10-6℃-1和10.99×10-6℃-1，一(yī)般在正常工(gōng)況下(xià)，排粉風機和引風機葉輪的工(gōng)作溫度不超過100℃和150℃，α、ΔT視爲常數，因此陶瓷元件的設計尺寸便直接決定了其受熱後所增加的位移量ΔL。顯然盡可能縮小(xiǎo)陶瓷元件的尺寸，将更有利于控制ΔL的大(dà)小(xiǎo)。因氧化鋁陶瓷優異的耐磨性能，陶瓷元件的厚度一(yī)般設計爲1-2mm即可。考慮制作、施工(gōng)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(xiǎo)陶瓷單元與葉片金屬間的相對位移量也僅爲6.6μm。因陶瓷元件、膠粘劑和金屬之間爲柔性連接，MD-Ⅲ膠粘劑的αk值在20℃-200℃内是随溫度的升高而增加，對于6.6μm極其微小(xiǎo)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，對溫度變化時所産生(shēng)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(diàn)站爲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(yī)般在室溫條件下(xià)即可。有時爲了縮短固化時間或爲了改善粘接性能，其加熱固化溫度亦不會超過100℃，這就避免了采用熱态防磨技術時，整體(tǐ)葉輪因不均勻受熱産生(shēng)應力後，導緻其誘發裂紋和引起的變形給風機運行帶來安全隐患的可能。
目前仍在沿用一(yī)種傳統的，在葉片上加焊防磨護闆的方法。因葉片與護闆僅是依托四周的角焊縫進行有限的“線連接”，一(yī)但角焊縫被嚴重磨損或被磨透後，所造成整塊護闆瞬間飛離(lí)、高速轉動葉輪的平衡被破壞、風機振動急劇增大(dà)，乃至引起重大(dà)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(yī)定溫度的工(gōng)況下(xià)運轉時，陶瓷元件開(kāi)裂和脫落的情況時有發生(shēng)。這對葉輪平衡和風機振動産生(shēng)的不利影響雖不及護闆的脫落，但所引起振動值超标，因此停爐和葉輪現場無法修複隻能棄用，亦是一(yī)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，隻要在施工(gōng)過程中(zhōng)嚴格執行粘接工(gōng)藝規程，按照技術要求認真操作，且耐磨葉輪能保證在正常的工(gōng)況條件下(xià)工(gōng)作，就不會發生(shēng)陶瓷元件脫落的可能。電(diàn)廠風機葉輪選用陶瓷元件規格爲10mm×10mm×1.5mm的最佳量化單元。這種最小(xiǎo)單元的質量僅爲0.55g左右。反饋的信息顯示，在已投入運行的近百台粘接型陶瓷耐磨葉輪中(zhōng)，也曾發生(shēng)過5台葉輪因種種原因陶瓷元件脫落的現象。其中(zhōng)一(yī)台葉輪因别的原因在停機檢修時被發現，一(yī)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運行産生(shēng)什麽影響（該葉輪至此已運行3年1個月）。因爲16件陶瓷元件總的質量僅有8.9 g，且又(yòu)未集中(zhōng)分(fēn)布在葉片的一(yī)個位置上。電(diàn)廠在停機檢修時，僅順便稍作修複性粘接處理後，即馬上将其又(yòu)投入運行。
4·2 耐磨性優異
作爲工(gōng)程陶瓷中(zhōng)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(zhōng)爲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(yī)個與耐磨性有關的重要指标，而材料的耐磨性才是衡量其耐磨性能優劣的最終指标。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
氧化鋁陶瓷作爲脆性材料，在沖蝕角θ按近90º的情況下(xià)，其抗沖蝕磨損性能相對較低是不争的事實。對于絕大(dà)多數采用焊接結構鋼制作的離(lí)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(yī)個較窄的範圍，但這個較窄範圍，往往卻是葉片磨損最嚴重的區域之一(yī)。爲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(lí)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，還能将沖蝕角的角度大(dà)大(dà)減少，以分(fēn)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爲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(xià)部位，經4個半月運行後，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(diàn)廠300MW機組的排粉風機葉輪直徑爲2170mm，有15片葉片。爲延長使用壽命，若采用傳統的加焊防磨護闆的方案，并在δ=8mm的護闆上堆焊厚度約爲2.5mm的合金耐磨層。每塊護闆的面積爲1345cm2，一(yī)台葉輪所增加的重量爲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(dà)，也增加了風機的軸動率和耗電(diàn)量。若選用粘接δ=1.5mm的陶瓷元件進行防磨處理，則一(yī)台葉輪僅會增加約11.2Kg的重量，這還不及前者的十分(fēn)之一(yī)，且葉輪的使用壽命遠遠超過前者。
在葉片及其他區域加焊防磨護闆（一(yī)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(yī)般總厚度爲8-14mm），或在葉片、護闆上堆焊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(wài)，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(zhōng)氣固兩相流的流動受阻，并幹擾流體(tǐ)的正常流動，使得流動效率降低。
而最小(xiǎo)單元爲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内部的流道尺寸，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
在電(diàn)廠現場對離(lí)心式葉輪整體(tǐ)采用焊接或熱噴塗技術防磨，其防磨的區域和質量與電(diàn)焊鉗、噴槍槍體(tǐ)在葉輪中(zhōng)的空間位置、距離(lí)和角度密切相關。一(yī)般而言，這對大(dà)、中(zhōng)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(gōng)作面入口段一(yī)定的區域及小(xiǎo)型引風機葉輪的葉片入口處，由于受到近距離(lí)相鄰葉片及前、後盤的阻礙，在以上兩個區域進行電(diàn)弧堆焊、碳弧堆焊、火(huǒ)焰噴焊和電(diàn)弧噴塗時，存在焊接、噴塗（焊）角度受限，距離(lí)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域進行防磨處理時，隻要在操作者手臂可以觸摸到的範圍均可将陶瓷元件牢固地粘接到位，并能确保其施工(gōng)質量，防磨區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績
燃煤電(diàn)廠風機葉輪的磨損失效是沖蝕磨損和磨粒磨損聯合作用的結果（未計腐蝕所産生(shēng)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(yī)的磨損類型條件下(xià)測出的幾組數據，不能表明氧化鋁陶瓷應用到電(diàn)廠風機上後，葉輪最終的使用期限，隻能說明氧化鋁陶瓷的确要比幾種常用的耐磨材料在特定的磨損條件下(xià)，具有更高的抗磨損性能。因此，隻有氧化鋁陶瓷葉輪的實際運行業績，才具有真正的實用意義。
通過近百台粘接型陶瓷耐磨葉輪在電(diàn)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，可多次重複防磨，現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出相當明顯的優勢。目前這項技術已受到越來越多的電(diàn)廠用戶的認可和歡迎。如圖4－圖6所示，即爲最好的業績佐證。
圖4爲300MW機組2号爐乙側的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。但經噴焊後葉片型線有一(yī)定改變，且防磨的效果仍不太理想。後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(zhōng)顯示經過3年2個月的運行，停爐檢修時發現，動葉片的壓力面和進氣端前緣磨損甚微，預計還可運行一(yī)個大(dà)修期以上（葉輪最高工(gōng)作溫度Tmax≤175℃）。
圖5爲200MW機組6号爐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複後，累計運行約6個月即需更換新葉輪。後采用在葉片上加焊防磨護闆，并在護闆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。由于曾發生(shēng)過葉片與護闆的連接焊縫被磨透，導緻共有4片護闆運行時突然飛離(lí)葉輪擊穿機殼，幾乎傷人的惡性事故，現已将3台爐共6個排粉機葉輪全部改爲氧化鋁陶瓷防磨。圖中(zhōng)葉輪系運行2 年7個月後的現場實際情況，從中(zhōng)清晰可見，葉片工(gōng)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(dà)磨損量僅約0.3-0.5mm， 該葉輪仍可繼續運行1年以上。
圖6爲200MW機組3号爐甲側φ=2350mm雙吸引風機葉輪。因電(diàn)除塵器的原因葉輪磨損較大(dà)。電(diàn)廠曾請人到現場對整體(tǐ)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(zhōng)曾發現葉片與中(zhōng)盤處的角焊縫出現過7條180—315mm的縱向焊趾裂紋，後經清除、補悍和無損探傷得以修複。但經整體(tǐ)噴焊後葉輪和葉片型線變化較大(dà)，風機振動值有所增加而運行效率也有一(yī)定的下(xià)降。且在葉片與中(zhōng)盤角焊縫的近縫區磨損亦較突出，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個月後，圖中(zhōng)的葉片工(gōng)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(yī)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(gōng)藝、氧化鋁陶瓷質量和風機最高工(gōng)作溫度四個因素，缺一(yī)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(yī)項實用、安全和有效的防磨技術，是燃煤發電(diàn)廠提高機組設備健康水平、降低發電(diàn)成本、增強企業市場競争力的良好途徑。