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我國確立了風電設備潤滑產(chǎn)品國家標準耐磨陶瓷復合技術在風機轉子

近年來我國風力發(fā)電進入高速發(fā)展時期，然而作為風力發(fā)電設備重要支撐的潤滑系列產(chǎn)品卻一直沒有國家標準，且長期依賴進口。由鞍山海華油脂化學有限公司發(fā)起并起草的新能源風力發(fā)電設備專用潤滑油脂系列產(chǎn)品國家標準被國家標準化委員會正式批準。我國擁有了風力發(fā)電設備潤滑技術自主知識產(chǎn)權，并將為國內同類產(chǎn)品生產(chǎn)提供標準依據(jù)。
新能源風力發(fā)電設備專用潤滑油脂系列產(chǎn)品國家標準，是根據(jù)我國風電廠運行環(huán)境特點量身定制的，其生產(chǎn)的風電設備專用潤滑油脂更為符合我國氣候特點，綜合性能完全可以保障我國各區(qū)域風電設備正常運行，且可以延長風電機組的使用壽命，大大降低風力發(fā)電成本，保障我國新能源風力發(fā)電可持續(xù)發(fā)展。



摘要：為解決排粉風機葉輪的磨損問題，探討了采用陶瓷－金屬復合制造技術的可行性，介紹了復合層膠粘劑的性能校核及選用，對實際運行效果進行了分析，得出了其使用壽命比原來的噴焊或堆焊工藝提高了5倍以上的結論。
1引言
火力發(fā)電廠大量使用各種風機設備，常用的有引風機、排粉風機及送風機等。其中作為電廠的主要輔機之一的引風機和排粉風機，因為磨損而嚴重影響了出力并使得維修、更新頻繁，已成為火力發(fā)電廠鍋爐安全及高效運行的主要隱患之一。以華電四川廣安電廠為例，4臺300MW機組共16臺排粉風機中，自投入使用以來，雖然對葉片采用過許多表面強化方法，包括表面堆焊耐磨材料、噴涂、噴焊高分子涂料、葉片進口前加裝導葉、葉片表面直接加焊防磨板等處理方式，但效果均不理想，一臺排粉風機葉輪最短的使用壽命平均只有18天，這嚴重威脅鍋爐機組的安全生產(chǎn)和平穩(wěn)運行。為解決這一問題，在分析各種耐磨防磨技術的基礎上，同時參考在各種靜止磨損部件，如各種耐磨彎頭，管道等設備大量采用耐磨陶瓷技術的成功實例，將陶瓷復合技術使用到排粉機葉輪上，并取得了成功。一年的實際運行經(jīng)驗表明，在相同的使用條件下，使用陶瓷復合技術后，排粉風機葉輪的使用壽命比原來的堆焊工藝提高了5倍以上。
2葉輪運行工況
廣安電廠現(xiàn)有4臺300MW機組，每臺機組配備4臺球磨機，每臺球磨機配1臺排粉風機，其型號為M5-29-11№21D。排粉風機葉輪直徑為Ф2100mm，后彎式12個葉片，葉片厚度為10mm，根據(jù)需要，葉片表面堆焊或噴焊耐磨材料。葉輪轉速1440r/min，介質溫度90℃。自投產(chǎn)以來，因煤粉的沖刷磨損，排粉風機葉輪的使用壽命非常短，最短使用18天，必須進行更換或對每個葉片進行大面積堆焊。幾年來，雖然使用過各種表面強化工藝，包括噴涂、噴焊、堆焊及葉片進口前加裝誘導葉、葉片表面直接加焊防磨板等處理方式，但使用效果一直不佳。
3風機葉片的磨損分析及對策
火力發(fā)電廠的排粉風機，是通過其高速旋轉的葉輪產(chǎn)生的抽吸力，將磨煤機磨制的氣、粉混合物抽吸到粗、細粉分離器進行分離，并根據(jù)需要，將細粉分離器分離后的乏氣送入鍋爐爐膛燃燒或送入布袋除塵器進行最終除塵處理。因細粉分離器分離后的乏氣始終帶有一定量的煤粉，從而導致排粉風機的葉輪葉片磨損嚴重。排粉風機葉輪磨損部位主要集中于葉片進口前緣、葉片工作面與中盤交角處，這些部位的鋼板、焊縫經(jīng)常被磨成較深的溝槽甚至被磨穿，尤其在焊縫處磨損更為嚴重。磨損破壞了風機葉輪的平衡，造成風機劇烈振動；同時，葉片根部的嚴重磨損減弱了葉片強度，如果發(fā)現(xiàn)不及時，會造成嚴重的飛車事故。
此前雖采取了各種防磨措施，以表面堆焊和噴涂工藝使用較多，但因其表面堆焊工藝易引起風機葉輪的變形，這使得其使用受到很大限制，而且實際使用效果也比較差。
4貼陶瓷－金屬復合技術的可行性分析
為解決排粉風機葉輪磨損嚴重的問題，首先調研了一些使用陶瓷風機葉輪的用戶。根據(jù)調查結果認為，風機葉輪表面復合陶瓷防磨的效果主要取決于兩個條件：一是要求陶瓷耐磨性能優(yōu)異，其耐磨性能應比常用的WC噴涂、噴焊材料或堆焊材料高3倍以上，在相同的厚度條件下，陶瓷層的實際耐磨壽命應提高5倍以上，只有這樣才能滿足對排粉風機葉輪使用壽命的要求；二是要求陶瓷與金屬基體復合牢固，即復合層強度要高，韌性要好，而且要耐高溫耐腐蝕，耐老化壽命在5年以上，即在葉輪預期使用壽命為5年的時間內，其復合強度下降不應超過10%。
4.1耐磨陶瓷的耐磨性能及其選用
工程耐磨材料使用的陶瓷主要有氧化鋁、碳化硅、氮化硅及氧化鋯等。針對風機葉輪的使用工況，以及對經(jīng)濟性的考慮，耐磨陶瓷采用了冷壓燒結氧化鋁陶瓷，其主要特點是價格便宜、密度小、耐磨性能優(yōu)異。經(jīng)對采用的陶瓷材料進行測試，采用冷壓燒結的氧化鋁陶瓷塊硬度為HRA88，密度為3.7kg/m3，耐磨性是高鉻鑄鐵的５倍左右，是普通碳鋼的200倍左右。
由于風機葉輪的轉動特性，在采用陶瓷防磨時，要求增加的質量不能太大，因此采用陶瓷片的厚度以1.5mm為宜，每平方米的質量只有5.5kg，整個葉輪增加的質量不超過15kg。在排粉風機葉片的進口處，由于磨損特別嚴重，且因陶瓷受到垂直的磨損顆粒的沖刷作用，使磨損加劇，因此宜采用U型陶瓷塊，在迎風面厚度可以達到6mm。相對于一般的熱噴涂及堆焊材料，其最大厚度只有1～3mm。因此，陶瓷的耐磨性能完全可以達到預期的效果。
4.2復合層膠粘劑的性能校核及選用
對復合過渡層的要求包括兩個方面：第一，要求過渡層具有一定的結合強度和韌性，在葉輪高速旋轉的情況下，避免因離心力和振動所造成的陶瓷片脫落的可能性。經(jīng)過理論計算，需要的膠粘劑的抗剪強度應該在2MPa（室溫情況），但考慮到風機葉輪的轉動特點，特別是振動特點，以及葉輪運轉要求的高可靠性，膠粘復合層的實際結合強度要達到25MPa以上，而且至少要有10倍的保險系數(shù)；同時由于葉輪是在高溫工況下運行，雖然排粉風機運行溫度只有90℃，但在這種溫度下，復合膠粘層依然會存在壽命老化現(xiàn)象，因此還要求膠粘劑必須具備一定的耐高溫性能，同時還得具有一定的抗剪強度和抗老化性能。另外陶瓷的熱膨脹系數(shù)只有金屬的一半,因而膠粘劑還需要具有良好的韌性。
經(jīng)過測試，對選用的膠粘劑進行了性能測試，得出主要性能指標：不同溫度下抗拉強度（金屬-金屬）分別為30MPa(室溫)、25MPa(100℃)、5MPa(150℃)；抗剪強度分別為16MPa(室溫)及12MPa(100℃)、3MPa(150℃)。膠粘劑的韌性介于陶瓷與金屬之間，固化后不收縮。
經(jīng)計算，在90℃溫度下，當一個直徑為Ф2100mm的排粉風機葉輪以1440r/min轉動時，在葉輪最邊緣上一塊10mm×10mm×1.5mm的瓷片受到的向心力為4.46N，而此時膠粘劑所能提供的抗剪力為1200N(100℃)，粘接力的大小是瓷片所受向心力的近300倍。可見，膠粘劑具有極高的粘接保險系數(shù)。
5實際運行結果分析
利用上述選用的陶瓷和膠粘劑，于2005年1月對一臺排粉風機葉輪進行了實際施工，并于同月投入運行。主要的復合部位包括葉片的工作表面，部分后盤、葉片的進口以及鉚釘?shù)取４善穸葹?.5mm，葉片進口使用U型卡子，工作面厚度為6mm。鉚釘使用環(huán)形陶瓷套接保護。
投入使用一個月后檢查，發(fā)現(xiàn)除了個別部位有陶瓷碎裂脫落外，其余部位的陶瓷磨損非常輕微，平均磨損厚度還不到0.1mm。檢查陶瓷脫落部位時發(fā)現(xiàn)，脫落部位的周邊陶瓷都有不同程度的碎裂現(xiàn)象，而且已脫落部位的金屬基體被磨損減薄已達3mm之多。經(jīng)分析，初步認定陶瓷脫落的原因是受到外力的沖擊所致。而且根據(jù)脫落部位的金屬葉片磨損情況來看，該部位的陶瓷脫落可能發(fā)生于葉輪投運初期，可能是由于檢修過程中留下的雜物如焊條頭等造成的。由于陶瓷的脫落并沒有引起風機葉輪的振動，因此經(jīng)過簡單修補后，又繼續(xù)投入運行。
2005年10月大修期間又進行了檢查，除了極個別部位有陶瓷碎裂和脫落現(xiàn)象外，其它葉輪上的陶瓷片完好無損。經(jīng)目測，未發(fā)現(xiàn)有明顯磨損現(xiàn)象，實測磨損只有0.1～0.2mm。在進口處的U型瓷片，也只有棱角磨損，平均減少還不到0.5mm。而在陶瓷脫落或磨損部位，以及陶瓷間縫隙處，金屬葉片竟有局部磨穿現(xiàn)象，說明風機葉輪的工作環(huán)境非常惡劣。
　　分析不同部位陶瓷片的磨損情況，發(fā)現(xiàn)在沿氣流流動方向的平面上瓷片磨損平均不到0.1mm，越靠近葉輪外圓，磨損越嚴重，平均磨損0.2mm,明顯比中盤輪轂兩側處磨損嚴重。這是由于越靠近葉輪的外圓周，氣流流速越大，因而磨損就越嚴重。
　　與沿氣流方向相比，在沿氣流垂直方向上（進口處）的瓷片磨損最為嚴重，最多陷深達0.3～0.5mm。實際上這也正好符合了陶瓷沖刷機理，即氣流入射角愈大，磨損愈嚴重。而且由于接縫處形成的渦流使得沿接縫處金屬基體磨損最為嚴重，甚至可以把金屬襯板磨穿，使陶瓷完全懸空,造成部分迎風接縫處瓷片脫落。
6結論
由于第一臺葉輪取得了良好效果，隨后又對其余6臺葉輪進行了同樣的陶瓷復合耐磨處理，目前運行良好。根據(jù)這種情況，將對所有的排粉風機葉輪全部實行陶瓷復合耐磨處理。
經(jīng)一年的實際使用表明：風機葉輪表面粘貼陶瓷是一項可靠、有效的耐磨防磨措施，只要施工仔細，嚴格按照工藝操作，就可以保證陶瓷片不發(fā)生脫落，從而為火力發(fā)電廠的排粉風機葉輪提供了行之有效的耐磨防磨措施。

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