表面工程与电站设备

表面工程与电站设备[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。

[关键字]全文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。