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引风机叶轮粘贴耐磨陶瓷防磨处理

【摘要】:
一、引言  火电厂大量使用的各类风机有引风机、排粉机、给风机和送风机等。其中引风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。由于锅炉采用水膜除尘器且燃用煤种灰份较高,而且水膜除尘器效率较低,烟气中含灰量偏大,且燃用煤种灰份波动较大时,水膜除尘器除尘效率不稳定,造成引风机叶片磨损加剧。尤其是机翼形叶片,磨漏后进灰引起动不平衡,风机振
  一、引言
  火电厂大量使用的各类风机有引风机、排粉机、给风机和送风机等。其中引风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。由于锅炉采用水膜除尘器且燃用煤种灰份较高,而且水膜除尘器效率较低,烟气中含灰量偏大,且燃用煤种灰份波动较大时,水膜除尘器除尘效率不稳定,造成引风机叶片磨损加剧。尤其是机翼形叶片,磨漏后进灰引起动不平衡,风机振动而被迫停机处理,机组降出力,对发电厂的经济效益以及社会效率造成很大影响。多年以来,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、表面淬火或化学热处理等,效果均不十分理想。2003年我厂在大量调研的基础上,大胆采用陶瓷-金属复合制作技术,将耐磨工程陶瓷用于风机叶轮的耐磨防磨,并取得了初步成功。其后,经过进一步的工艺改进,先后在我厂的四台Y4-73NO.22F风机叶轮上进行应用,最长使用时间己达到三年以上,使用寿命提高三倍以上,最长运行时间到达三年以上,为机组安全高效运行提供了可靠的保证,取得良好的经济效益。
 
  二、叶轮运行工况
  锅炉除尘器为文丘里水膜除尘器,设计煤种含灰量22.81%。91年机组投产以来,一直燃用灰份较低的煤(灰份为12%),除尘效果一直较好,引风机磨损问题没有显现。96年以后,由于煤炭市场的制约,开始燃用灰份较高的劣质煤,含灰份达48%。以后除尘器效率低,过负荷。引风机磨损加剧的问题逐渐突出。我厂引风机型号为Y4—73N022F,出力为28.33万立方/小时,叶片为后弯机翼型。98年引风机开始频繁振动,叶片鱼头部位磨损,磨漏进灰现象严重,严重制约安全经济运行。检修人员平均每周一次对叶片的焊补,找动平衡,造成比较被动的生产局面。为此,厂领导痛下决心一定要扭转这种局面,采取一切可能的措施,解决这个问题。
 
  解决这个问题,有两个思路,一是彻底解决除尘效率低的问题,二是增强引风机叶轮防磨性能,而前一种可能性不大。因为煤种无法改变,且将水膜除尘器改为电除尘需几千万的资金,不现实,所以只能在第二种方法上下工夫。
 
  三、引风机叶片的磨损分析及对策
  引风机叶轮主要将锅炉燃烧废气通过烟道、烟囱等系统排放到大气中。在目前大修机组中由于使用了静电除尘装置,除尘效率可以达到99.9%以上,烟气中所含的硬质颗粒非常低,因此对引风机叶轮的磨损也特别轻微,在一些电厂使用可以达到几个大修期以上。然而对于使用水膜除尘器的锅炉,由于除尘效率较低,如果再燃用高灰份电煤,将导致叶轮强烈磨损,特别是对于机翼型叶轮,如果在叶片入口端,如果磨损导致叶片进灰,将导致叶轮失去动静平衡而产生强烈震动,从而严重影响风机的安全运行。以风机叶轮为例,磨损主要发生在叶轮的入口端,同时在叶片的入口和出口端靠近后盘分别形成一个三角形的磨损区域。这些部位的钢板经常被磨穿或磨成较深的沟槽,尤其在焊缝处磨损更为严重。
 
  为了解决叶轮磨损严重的问题,多年来我们进行了大量的调研,对国内外为延长风机叶轮的使用寿命进行了大量深入细致的研究和探讨,归纳起来主要有以下几种:
  表面堆焊:采用耐磨电焊条、耐磨粉块在风机叶片磨损部位堆焊耐磨合金;
表面涂覆:在叶片表面磨损部位涂覆或粘接高分子耐磨材料;
热喷涂(焊):采用等离子喷涂方法或氧乙炔火焰,在叶片磨损表面喷涂陶瓷或碳化钨或者喷焊镍基+碳化钨合金;
  表面粘贴或焊接陶瓷:将耐磨工程陶瓷利用高强度耐高温胶粘剂或特殊焊接工艺复合在风机叶片表面上。
 
  2002年,生产技术人员到各电厂和有关科研单位进行实地考察,认为热喷涂耐磨技术由于受到喷涂材料和喷涂工艺的限制,耐磨效果并不明显,而且由于大量输入热量,有可能导致叶轮变形,而且目前采用较少;表面堆焊技术大量使用,也是主要维修手段,但因为耐磨焊条质量和工艺的差别,导致耐磨性能和效果均不是十分理想;而表面镶嵌 陶瓷,增加的厚度较高,增加了叶轮的重量,有可能造成引风机过负荷运行。
 
  四,风机叶轮粘贴陶瓷片的可行性分析
  风机叶轮粘贴陶瓷防磨效果取决于两个条件,第一,首先要求陶瓷耐磨性能优异,其耐磨性应当比WC喷涂喷焊材料或堆焊材料高至少三倍以上。其次,要求陶瓷与金属之间可靠连接,即使用的粘接剂的粘接强度要高,韧性要好,而且耐温耐腐蚀, 耐老化寿命至少在十年以上,强度下降不超过10%。而且陶瓷防磨对于机组为水膜除尘引风系统有不挂灰的特点。
 
  4.1 耐磨陶瓷的性能
  作为耐磨材料使用的陶瓷主要有氧化铝、碳化硅、氮化硅及氧化锆等。针对风机叶轮的使用工况,耐磨陶瓷采用冷压烧结氧化铝陶瓷,其主要特点是价格便宜,密度小,耐磨性能优异。经实测,采用冷压烧结的氧化铝陶瓷块硬度为HRA88,比重3.7,耐磨性是高铬铸铁的5倍左右,普通碳钢的100倍左右。在风机上使用,陶瓷片的厚度只有1.5mm,每平方米(10000片)的重量只有5.5公斤。在风机叶片的入口处,可以采用U型陶瓷块,在迎风面尺寸可以达到6mm。相对于一般的热喷涂及堆焊材料,因最大厚度只有1-3mm,因此,陶瓷的耐磨性能完全可以达到预期的目标。
 
  4.2 胶粘剂性能校核
  相对于排粉机90℃的运行温度,引风机的运行温度要高些,在140-160℃之间,但排粉机叶轮的转速比引风机高二倍以上,而且是在带硬质颗粒的高速冲刷气流作用下工作。因此要求胶粘剂必须具备一定的耐高温性能,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。据此配制的胶粘剂主要性能如下:不同温度下抗拉强度(金属-金属)分别为50MPa(室温)、36 MPa(100℃)、20MPa(150℃);抗剪强度分别为28MPa(室温)及20 MPa(100℃)、10MPa(150℃)。胶粘剂的韧性介于陶瓷与金属之间,固化后不收缩。
经计算,在90℃温度下,当一个直径为Ф2020的排粉风机叶轮以1440rpm转动时,在叶轮最边缘上一块10×10×1.5 (mm)的瓷片受到的向心力为0.446(kgf),而此时胶粘剂所能提供的抗剪力为360(kgf)(100℃),粘接力的大小是瓷片受到向心力的近450倍。可见胶粘剂具有极高的粘接保险系数。
 
  五,试验结果分析
  根据以上可行性分析以及参照其他厂的应用经验,2003年5月大修期间对其中的一台引风机叶轮进行了粘贴瓷片的防磨处理,,在叶片的鱼头部位、叶片迎风面及后盘的连接部位,分别复合了耐磨陶瓷片和特殊形状的陶瓷耐磨件。其中叶片表面使用尺寸为10×10×1.5mm的陶瓷片,入口处用U型陶瓷片,迎风面厚度为6mm。施工过程中严格按照现场施工工艺进行,表面喷砂处理,金属及陶瓷表面活化偶联剂处理及相应的加热固化处理。粘贴完后不作动平衡直接投入使用。期间,锅炉燃用煤灰份在45%以上。经一年运行,陶瓷磨损非常轻微,状况良好。2005年大修检查,发现除有少量的瓷片脱落外,其他基本完好。
 
  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,即叶片的出口端,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(入口处鱼头部位)的瓷片磨损最为严重,最多可达0.3-0.5mm。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,使得局部陶瓷完全悬空,造成部分迎风接缝处瓷片脱落。
2004年机组大修,另一台引风机也采用了此技术,直接与叶轮生产厂家合作,直接在厂家进行了粘贴瓷片的施工。可以说非常完善,从整体施工工艺及外观质量都要好于现场施工。因为这样叶轮生产厂可根据钛盾公司贴瓷片的工艺要求在生产工艺上配合。此台风机运行至今例行检查没有发现有瓷片脱落现象,取得较好的效果。
 
  六,经济效益分析:
  以往未采取此工艺前引风机叶轮运行一般6个月开始出现叶片鱼头部位磨漏、进灰,频繁补焊,因为补焊破坏了母材整体强度和塑性,在运行中又频繁出现裂纹,没有办法又得补焊,这样造成了恶性循环。一般一台新轮运行一年左右就无法再进行补焊处理,就得更换。换一台叶轮4万元计,4台风机为16万元,而采用贴瓷片工艺后,预计可完全运行4年左右,可节约资金48万元,其中减少了大量的维护工作量,保证了机组满出力,其经济效益和社会效益是非常可观的。 
 
  七、结论
  经过实际长达3年的运行结果表明,只要在施工过程中严格按照工艺操作,在使用过程中定期检查,严格按照维修工艺进行维修,风机叶轮表面粘贴陶瓷防磨是一项可靠、有效的耐磨防磨措施, 不但可以提高使用寿命,具有重要的经济意义,而且可以提高设备运行的可靠性,还具有重要的社会意义。
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