火电厂风机叶轮表面防磨强化技术及应用
1.2 热态防磨技术存在的主要问题
1·2·1 裂纹倾向大
在对刚性或规格大的整体叶轮进行较大范围的堆焊和喷焊防磨处理时，因热输入量大，工件受热不均所形成的热应力，会诱发叶轮上的承载焊缝产生裂纹；在高强度、低韧性的堆焊耐磨焊道和焊层上必有裂纹产生；在防磨工艺不当时，堆焊耐磨焊道上的裂纹极易向叶轮的母材中扩展；经多元共渗的护板，其周边近缝区因渗入元素的污染及硬度值偏高，很不容易清理干净。该区域打磨得过浅或过窄，护板组合焊接时难免出现裂纹。打磨得过深或过宽，又将影响到防磨效果。
1·2·2 变形无法控制
刚性或规格小的整体叶轮在进行热态防磨处理时，无论采用对称施焊，刚性固定等工艺措施，均不能有效地控制叶轮的变形。而叶轮的尺寸及叶片的型线得不到保证，将对风机的运行带来不利影响。
1·3 冷态防磨技术存在的主要问题
1·3·1 防磨效果有限
粘涂技术、火焰喷涂和电弧喷涂仅适应于引风机叶轮，但其效果不佳；高速电弧喷涂引风机叶轮的效果有限；喷涂工艺应用在排粉风机叶轮上几乎没有成功的实例。
1·3·2 耐磨保护层不牢固
粘涂耐磨层和镶嵌陶瓷,因其物理性能、结合强度及结构形式的限制,当叶轮在一定温度下高速旋转时,易脱落和发生崩裂。
2. 陶瓷耐磨叶轮的关键技术
2.1 MD-Ⅲ航空级高强韧性胶粘剂简介
氧化铝陶瓷是已发现的最硬的无机化合物之一，具有一般金属耐磨材料难以比拟的抗磨损性能。显然，只要通过一种可靠的冷方法，将超耐磨的氧化铝陶瓷复合连接在风机叶轮上，便可完全克服叶轮由常用防磨技术处理后所导致的裂纹、变形、耐磨效果不理想和耐磨层不牢固这几种弊端。
目前燃煤电厂在煤粉管道和弯头、煤粉分离器锥体等静止部件和设备上，采用粘接氧化铝陶瓷元件进行防磨处理已经比较普遍。而把耐磨性优异的氧化铝陶瓷应用在承受交变动载荷、有一定温度、线速度大和可靠性要求高的风机叶轮上，虽早就有所尝试，但成功的范例很少。要在高速旋转的叶轮上牢固地粘接氧化铝陶瓷元件，绝非是一项简单的技术。利用自蔓延高温合成技术、拱形原理、陶瓷橡胶复合工艺和焊接等方法，将氧化铝陶瓷与叶轮上的平、弧面进行大面积复合连接，即不现实、不可靠亦不经济。其实在二十多年前国外的一些公司，便采用粘接技术将工程陶瓷十分成功地运用到了电厂风机叶轮上。由经验和教训可知，氧化铝陶瓷的耐磨性决定叶轮的使用寿命，而胶粘剂的强韧性则决定了叶轮运行的可靠性。因此高强韧性胶粘剂是粘接型陶瓷耐磨叶轮关键技术中的核心内容。
根据电厂风机叶轮的工况条件，现场施工环境的要求，MD-Ⅲ高强韧性胶粘剂对钢和陶瓷都应有优良的粘接性，工艺性和触变性；可在室温下固化；具有相当高的强度和韧性；具有较高的耐热性和耐老化性；完全能在风机正常的工况和温度条件下长期可靠地工作。
在MD-Ⅲ高强韧性胶粘剂的研制中，以巩固其拉伸强度和拉伸剪切强度为基础，摒弃传统的增韧改性材料，通过组织变量系列试验，选用能参与固化反应、相容性好、含有新型活化韧性因子的增韧剂，使胶粘剂的分子结构中不但包含有增韧效果显著、耐老化性好的封端基因，而且还包含有许多柔性链段来缓解脆硬性。即改善了胶粘剂的冲击韧性和固化时的内应力水平，又使其耐热性（玻璃化温度Tg）和模量维持不变。
2·2 MD-Ⅲ胶粘剂的静态力学性能曲线
图1中的两条实线曲线，为根据《胶粘剂对接接头拉伸强度的测定》（GB/T6329－1996）测出的，在8种不同温度条件下， MD-Ⅲ高强韧性胶粘剂的拉伸强度，即σb－T曲线。及根据《胶粘剂拉伸剪切强度测定方法》（GB7124－86）测出的MD-Ⅲ高强韧性胶粘剂的拉伸剪切强度，既στ－T曲线。图1中的两条虚线曲线，为号称“胶王”的CGJ高强韧性胶粘剂的 σb－T和στ－T曲线。由图1可见，在温度为100℃时，MD-Ⅲ高强韧性胶粘剂的拉伸强度σb达到最高值（48.8MPa），而在室温至120℃范围内, σb值波动不大。MD-Ⅲ高强韧性胶粘剂的拉伸剪切强度στ，在室温至170℃的范围，是随着温度的升高亦呈缓慢上升的趋势，当温度为170℃左右时，其στ值高达35.4MPa。而CGJ胶粘剂虽然在室温条件下，它的στ值略低于MD-Ⅲ高强韧性胶粘剂，而它的σb值却比MD-Ⅲ高强韧性胶粘剂还高出3.3Mpa。但随着温度的升高，CGJ 胶粘剂的σb、στ值均发生急剧下降，在温度达到150℃时，与室温条件下比较，其στ值下降了67.7％，而σb值的下降幅度达到了84%。
2·3 MD-Ⅲ胶粘剂的动态力学性能曲线
参照《胶粘剂剪切冲击强度试验方法》（GB/T6328－1999），粘接10mm×10mm×55mm的对接接头试样（不带缺口），采用特制的摆锤，在9种不同温度条件下，使试样在冲击弯曲状态发生折断。图2为冲击韧性值－温度曲线（αk-T曲线）。图2显示，在温度为室温至125℃左右范围，CGJ胶粘剂的冲击韧性值αk均比MD-Ⅲ高强韧性胶粘剂的αk值高。但当温度升高到150℃时，CGJ胶粘剂的脆性骤然增大，其αk值降幅达到了72.7%。当温度为170℃时，其αk值接近于零。而MD-Ⅲ高强韧性胶粘剂在室温至200℃范围，始终处于“增韧”的势头，其增幅达到17.4％。即使温度升高到了250℃，其αk值仍然保持在57KJ/m2的水平。
3. 陶瓷耐磨叶轮的可靠性
3·1 陶瓷耐磨叶轮的可靠性分析
离心式风机叶轮的板式叶片，多为其径向尺寸大于轴向尺寸的圆弧窄叶片形式。在对叶片进行受力分析和强度计算时，可将整片叶片视为承受均布载荷的梁。当叶轮以角速度ω=πn/30高速转动时，在叶轮最大半径上的叶片工作面出口处，粘接的陶瓷元件受到了最大离心力P的作用，另还主要受到胶粘剂抵抗拉伸剪切破坏时的最大力P1，及气固两相流压应力等作用。显然只有保证P1>P时，叶片上的陶瓷元件才不会发生脱落。此时这个最大的离心力P=ω2 n2ρsδRmax/900(N)，式中：n—叶轮转速，r/min；ρ－陶瓷元件的体积密度，Kg/m3；δ－陶瓷元件的厚度，m；S－陶瓷元件被粘接面的面积，m2；Rmax－叶轮中心至叶片出口处的最大半径，m。考虑到现场大面积粘接施工条件和叶轮工作温度等因素的影响，为安全稳妥起见，只将在实验室条件下测定的胶粘剂拉伸剪切强度στ值的一半代入计算，即P1=Sστ/2，并引入安全系数K=P1/P，则有K=450στ/π2n2ρδRmax
在正常工况下排粉风机、引风机的工作温度为70℃和150℃左右。常用陶瓷元件的厚度δ=1.5mm，其体积密度ρ=3.7g/cm3。以粘接了氧化铝陶瓷元件至今已投入2年7个月和3年9个月运行的两种风机叶轮为例，通过安全系数的计算和实际业绩的验证，MD-Ⅲ高强韧性胶粘剂确有很高的粘接安全系数。只要风机工作温度不突破该胶粘剂最高工作温度的限制（Tmax≤175℃），施工质量和陶瓷元件质量达到一定的技术条件，则粘接型陶瓷耐磨叶轮就完全可以满足电厂风机运行工况的要求。两种粘接型陶瓷耐磨叶轮安全系数计算结果见表2。
2 两种风机叶轮安全系数的计算结果
依照陶瓷耐磨叶轮须安全可靠运行的最基本原则，如果说DM-Ⅲ胶粘剂所具有的足够高的强度指标是防止陶瓷元件脱落的首要条件的话，那么如何减少和弥补陶瓷元件与金属材料的线膨胀系数差异较大，在温度变化时两者间产生的相对位移量给耐磨保护层带来的不利影响，则是陶瓷与金属复合连接技术中必须解决的重要课题。
由于物体受热膨胀其长度的增加正比于物体的原始长度和温度变化值Δ T ，已知在20℃-300℃范围，氧化铝陶瓷（Al2O3 95%）和Q345钢的线膨胀系数分别为×10-6℃-1和10.99×10-6℃-1，一般在正常工况下，排粉风机和引风机叶轮的工作温度不超过100℃和150℃，α、ΔT视为常数，因此陶瓷元件的设计尺寸便直接决定了其受热后所增加的位移量ΔL。显然尽可能缩小陶瓷元件的尺寸，将更有利于控制ΔL的大小。因氧化铝陶瓷优异的耐磨性能，陶瓷元件的厚度一般设计为1-2mm即可。考虑制作、施工诸多因素及实践证明：风机叶轮通用型陶瓷元件的最佳量化单元是10mm×10mm×1.5mm。即使风机有150℃的温度变化，这个最小陶瓷单元与叶片金属间的相对位移量也仅为6.6μm。因陶瓷元件、胶粘剂和金属之间为柔性连接，MD-Ⅲ胶粘剂的αk值在20℃-200℃内是随温度的升高而增加，对于6.6μm极其微小的位移量，通过高韧性的胶层便可以吸收。而陶瓷元件周边存在微量缝隙，对温度变化时所产生的位移或应力起到了削弱和阻隔作用，却不会影响其防磨的效果（这与水电站为防止磨蚀对过流部件表面质量的要求截然不同）。
4 陶瓷耐磨叶轮的特点
4·1 运行安全可靠
因MD-Ⅲ高强韧性胶粘剂的固化一般在室温条件下即可。有时为了缩短固化时间或为了改善粘接性能，其加热固化温度亦不会超过100℃，这就避免了采用热态防磨技术时，整体叶轮因不均匀受热产生应力后，导致其诱发裂纹和引起的变形给风机运行带来安全隐患的可能。
目前仍在沿用一种传统的，在叶片上加焊防磨护板的方法。因叶片与护板仅是依托四周的角焊缝进行有限的“线连接”，一但角焊缝被严重磨损或被磨透后，所造成整块护板瞬间飞离、高速转动叶轮的平衡被破坏、风机振动急剧增大，乃至引起重大事故的实例屡见不鲜。采用在叶轮上焊接钢制附件，并镶嵌上陶瓷元件的方法，因受其结构形式和陶瓷元件几何尺寸的限制，当叶轮在一定温度的工况下运转时，陶瓷元件开裂和脱落的情况时有发生。这对叶轮平衡和风机振动产生的不利影响虽不及护板的脱落，但所引起振动值超标，因此停炉和叶轮现场无法修复只能弃用，亦是一个不容忽视的问题。
采用MD-Ⅲ高强韧性胶粘剂和氧化铝陶瓷对叶轮进行防磨处理，只要在施工过程中严格执行粘接工艺规程，按照技术要求认真操作，且耐磨叶轮能保证在正常的工况条件下工作，就不会发生陶瓷元件脱落的可能。电厂风机叶轮选用陶瓷元件规格为10mm×10mm×1.5mm的最佳量化单元。这种最小单元的质量仅为0.55g左右。反馈的信息显示，在已投入运行的近百台粘接型陶瓷耐磨叶轮中，也曾发生过5台叶轮因种种原因陶瓷元件脱落的现象。其中一台叶轮因别的原因在停机检修时被发现，一片叶片上最多有16件陶瓷元件脱落，但这并未给风机的安全平稳运行产生什么影响（该叶轮至此已运行3年1个月）。因为16件陶瓷元件总的质量仅有8.9 g，且又未集中分布在叶片的一个位置上。电厂在停机检修时，仅顺便稍作修复性粘接处理后，即马上将其又投入运行。
4·2 耐磨性优异
作为工程陶瓷中用途最广泛的氧化铝陶瓷，其硬度相当高，在10级莫氏硬度中为9级，仅低于金刚石。氧化铝陶瓷与几种耐磨材料的硬度之比较见表3。
表氧化铝陶瓷、耐磨材料的硬度比较
注：86.6HRA=70HRC
实践证明，材料的硬度是一个与耐磨性有关的重要指标，而材料的耐磨性才是衡量其耐磨性能优劣的最终指标。表4给出了氧化铝陶瓷与几种常用耐磨材料的比较磨损试验结果。
表4 氧化铝陶瓷与耐磨材料的相对耐磨性
氧化铝陶瓷作为脆性材料，在冲蚀角θ按近90º的情况下，其抗冲蚀磨损性能相对较低是不争的事实。对于绝大多数采用焊接结构钢制作的离心式和轴流式叶轮的叶片，虽然气固两相流在θ=90º左右的冲蚀磨损处，仅限于在叶片入口端部和动叶片前缘部一个较窄的范围，但这个较窄范围，往往却是叶片磨损最严重的区域之一。为此专门特制的增厚流线形陶瓷异型元件，即可巧妙地利用叶轮旋转时离心力的作用防止叶片入口处陶瓷元件的脱落，避免固粒冲刷对片状陶瓷元件底部胶层的冲蚀掏空，还能将冲蚀角的角度大大减少，以分散高速固粒的冲击能量，从而显著地提高了叶片入口端部的抗冲蚀磨损能力。图3为125MW机组，Φ=2000mm的排粉风机叶轮，在叶片入口端部，未粘接和粘接有增厚流线形氧化铝陶瓷元件的上、下部位，经4个半月运行后，其被磨损与抗磨损的鲜明对比形状。
4·3 能耗低效率高
某电厂300MW机组的排粉风机叶轮直径为2170mm，有15片叶片。为延长使用寿命，若采用传统的加焊防磨护板的方案，并在δ=8mm的护板上堆焊厚度约为2.5mm的合金耐磨层。每块护板的面积为1345cm2，一台叶轮所增加的重量为126.7Kg以上（未计合金耐磨层的重量）。这使得叶轮的转动惯量增大，也增加了风机的轴动率和耗电量。若选用粘接δ=1.5mm的陶瓷元件进行防磨处理，则一台叶轮仅会增加约11.2Kg的重量，这还不及前者的十分之一，且叶轮的使用寿命远远超过前者。
在叶片及其他区域加焊防磨护板（一般厚度≥8mm），或在叶片上焊接钢制附件并镶嵌较厚的陶瓷元件（一般总厚度为8-14mm），或在叶片、护板上堆焊2－3mm的耐磨焊道和凹凸不平的耐磨层，除了会增加叶轮的自重外，还会使叶轮，尤其是排粉风机叶轮原本狭窄的流道更加变窄，使得流道中气固两相流的流动受阻，并干扰流体的正常流动，使得流动效率降低。
而最小单元为10mm×10mm×1.5mm的陶瓷元件，完全可顺应叶片的几何型线，紧紧地贴合在叶片不同的曲面上，加之未受到高温的作用，叶片的原始型线足以得到保持。而δ=1.5mm的陶瓷元件几乎不会改变叶轮内部的流道尺寸，故不会给风机的流动效率带来负面的影响。
4·4 叶轮防磨无盲区
在电厂现场对离心式叶轮整体采用焊接或热喷涂技术防磨，其防磨的区域和质量与电焊钳、喷枪枪体在叶轮中的空间位置、距离和角度密切相关。一般而言，这对大、中型引风机叶轮及排粉风机叶轮叶片的出口段，问题不显突出。但对于流道狭长的排粉风机叶轮叶片工作面入口段一定的区域及小型引风机叶轮的叶片入口处，由于受到近距离相邻叶片及前、后盘的阻碍，在以上两个区域进行电弧堆焊、碳弧堆焊、火焰喷焊和电弧喷涂时，存在焊接、喷涂（焊）角度受限，距离不足，熔池、“镜面”观察受阻，焊条、碳棒、粉末等到不了位，甚至无法实施的状况，从而使用户对该区域的防磨质量提出了质疑。
在应用粘接的方法对叶轮的各区域进行防磨处理时，只要在操作者手臂可以触摸到的范围均可将陶瓷元件牢固地粘接到位，并能确保其施工质量，防磨区域几乎不受任何的限制。显而易见，在对流道狭窄的排粉风机叶轮进行防磨处理时，这具有非常重要的实际意义。
5 陶瓷耐磨叶轮的运行业绩
燃煤电厂风机叶轮的磨损失效是冲蚀磨损和磨粒磨损联合作用的结果（未计腐蚀所产生的影响）。而上述几种耐磨材料和氧化铝陶瓷的磨损试验结果和相对耐磨性的关系，仅仅是在实验室单一的磨损类型条件下测出的几组数据，不能表明氧化铝陶瓷应用到电厂风机上后，叶轮最终的使用期限，只能说明氧化铝陶瓷的确要比几种常用的耐磨材料在特定的磨损条件下，具有更高的抗磨损性能。因此，只有氧化铝陶瓷叶轮的实际运行业绩，才具有真正的实用意义。
通过近百台粘接型陶瓷耐磨叶轮在电厂长期运行的实践检验，并同叶轮常用防磨技术的效果进行比较，无论是在安全可靠程度，抗磨损性能，使用寿命，还是在性能价格比，可多次重复防磨，现场维护的方便性和时间性等方面，粘接型陶瓷耐磨叶轮均突现出相当明显的优势。目前这项技术已受到越来越多的电厂用户的认可和欢迎。如图4－图6所示，即为最好的业绩佐证。
图4为300MW机组2号炉乙侧的2850/1800型轴流式引风机叶轮的陶瓷耐磨动叶片。该叶片原采用氧乙炔焰喷焊防磨处理，寿命提高到了约14个月。但经喷焊后叶片型线有一定改变，且防磨的效果仍不太理想。后采用氧化铝陶瓷防磨技术，彻底解决了叶片的变形问题，而耐磨的效果更显突出，图中显示经过3年2个月的运行，停炉检修时发现，动叶片的压力面和进气端前缘磨损甚微，预计还可运行一个大修期以上（叶轮最高工作温度Tmax≤175℃）。
图5为200MW机组6号炉A侧φ=2000mm的排粉机叶轮。由于原叶轮磨损严重，停炉检修时采用焊条补焊修复后，累计运行约6个月即需更换新叶轮。后采用在叶片上加焊防磨护板，并在护板上堆焊耐磨焊道的防磨措施，其使用寿命亦勉强维持在1年半左右。由于曾发生过叶片与护板的连接焊缝被磨透，导致共有4片护板运行时突然飞离叶轮击穿机壳，几乎伤人的恶性事故，现已将3台炉共6个排粉机叶轮全部改为氧化铝陶瓷防磨。图中叶轮系运行2 年7个月后的现场实际情况，从中清晰可见，叶片工作面上的氧化铝陶瓷元件基本保持完好，而叶片出口处的元件最大磨损量仅约0.3-0.5mm， 该叶轮仍可继续运行1年以上。
图6为200MW机组3号炉甲侧φ=2350mm双吸引风机叶轮。因电除尘器的原因叶轮磨损较大。电厂曾请人到现场对整体叶轮的叶片喷焊镍基碳化钨合金粉末，使得其寿命提高了近2倍。但在喷焊中曾发现叶片与中盘处的角焊缝出现过7条180—315mm的纵向焊趾裂纹，后经清除、补悍和无损探伤得以修复。但经整体喷焊后叶轮和叶片型线变化较大，风机振动值有所增加而运行效率也有一定的下降。且在叶片与中盘角焊缝的近缝区磨损亦较突出，停炉时须常采用耐磨焊条进行补焊处理。在应用氧化铝陶瓷防磨技术叶轮运行3年9个月后，图中的叶片工作面仅显轻微磨损的形貌（ Tmax≤175℃）。
6 结论
试验和实践证明，氧化铝陶瓷具有一般金属耐磨材料难以超越的抗磨损性能。粘接型陶瓷耐磨叶轮运行的可靠性和耐磨性，关键取决于胶粘剂性能、粘接工艺、氧化铝陶瓷质量和风机最高工作温度四个因素，缺一不可。在风机叶轮上选用MD-Ⅲ航空级高强韧性胶粘剂粘接氧化铝陶瓷元件，可以成倍地延长叶轮的使用寿命，是一项实用、安全和有效的防磨技术，是燃煤发电厂提高机组设备健康水平、降低发电成本、增强企业市场竞争力的良好途径。