摘 要

送风机是火力发电厂的主要辅机设备，由于火力发电厂环境恶劣，空气中会含有石英、长石等固体颗粒，这些颗粒物在进入送风机后会对叶片产生冲击从而使叶片损坏，让送风机无法正常工作，严重的会对电厂造成巨大经济损失。对失效送风机叶片进行再制造可以大幅提高叶片的表面性能并延长其使用寿命。本文通过对失效锅炉送风机叶片进行调查研究，确定了锅炉送风机的失效形式主要为冲蚀磨损。在对叶片进行冲蚀磨损失效机理分析的基础上，选用氩弧焊堆焊工艺及ER5183镁铝合金焊丝来对失效送风机叶片进行修复，恢复其尺寸和形状。根据送风机叶片的失效机理、材质及工作环境，选用高速电弧喷涂（HARC）制备了K90、K99A和K99B三种颗粒增强金属基复合涂层（MMC），采用GP-1型干砂冲蚀试验机，分别以30°和90°两个不同的角度对三种涂层试样进行了冲蚀磨损试验。试验结果表明：K99A涂层具有最优良的抗冲蚀磨损性能，且K99A涂层与K99B涂层和K90涂层对比，在30°的冲蚀角度下冲蚀率分别降低了7.5%和31.3%，在90°的冲蚀角度下冲蚀率分别降低了22.5%和38.4%。采用高速电弧喷涂制备的K99A耐磨涂层可以延长送风机叶片的使用寿命，且具有较高的经济效益。

关键词：送风机叶片；冲蚀磨损；再制造；HARC；耐磨涂层

Abstract

The blower is the main auxiliary equipment of thermal power plant. The environment of thermal power plant is bad. There will be solid particles such as quartz and feldspar in the air. These particles will impact on the blades after entering the blower, which will damage the blades and make the blower unable to work normally, which will cause Serious economic losses to the power plant. Remanufacturing of the failed fan blades can greatly improve the surface performance of the blades and prolong their service life. By investigating and researching the blades of the failed boiler blower, it is determined that the main failure form of the boiler blower is erosion wear. Based on the analysis of erosion wear failure mechanism of blades, argon arc welding surfacing process and ER5183 magnesium-aluminum alloy welding wire are used to repair the blades of failed blower and restore their size and shape. According to the failure mechanism, material and working environment of fan blades, K90, K99A and K99B particle reinforced metal matrix composite coatings (MMC) were prepared by high-speed arc spraying (HARC). The erosion wear tests of three coatings were carried out with GP-1 dry sand erosion tester at different angles of 30 and 90 respectively. The experimental results show that K99A coating has the best erosion resistance. Compared with the coating of K99B and K90, the erosion rate of K99A coating was decreased by 7.5% and 31.3% at the erosion Angle of 30 degrees, and decreased 22.5% and 38.4% at the erosion Angle of 90 degrees, respectively. K99A wear-resistant coating prepared by high-speed arc spraying can prolong the service life of fan blades, and has high economic benefits.

Key words: fan blade；erosion wear；remanufacture；HARC；wear-resistant coating

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究目的及意义 1

1.3 国内外研究现状 2

1.4 研究内容 2

1.5 本章小结 3

第2章 送风机叶片的失效分析 4

2.1 送风机的类型选择 4

2.2 送风机叶片的失效分析 5

2.2.1 裂纹与断裂 5

2.2.2 腐蚀磨损 5

2.2.3 冲蚀磨损 5

2.3 冲蚀磨损的影响因素 6

2.4 冲蚀理论的研究分析 9

2.4.1 塑性材料的冲蚀理论 9

2.4.2 脆性材料的冲蚀理论 9

2.5 本章小结 9

第3章 锅炉送风机叶片的再制造 10

3.1 叶片再制造技术 10

3.1.1 堆焊技术 10

3.1.2 激光熔覆 10

3.1.3 激光表面改性技术 10

3.1.4 热喷涂技术 11

3.2 送风机叶片再制造工艺过程制定 11

3.3 送风机叶片修复工艺的选择制定 12

3.3.1 堆焊工艺的选择 12

3.3.2 无损检测 13

3.3.3 喷砂处理 13

3.4 本章小结 14

第4章 抗冲蚀涂层的设计与制备工艺 15

4.1 抗冲蚀涂层总体要求 15

4.2 涂层材料的选择 15

4.2.1 Fe基合金 15

4.2.2 Ni基合金 15

4.2.3 WC基金属陶瓷材料 16

4.3 热喷涂工艺的选择 16

4.4 涂层试样制备 17

4.5 本章小结 18

第5章 涂层抗冲蚀性能实验分析 19

5.1 涂层抗冲蚀实验 19

5.1.1 实验方案 19

5.1.2 冲蚀实验步骤 20

5.1.3 冲蚀磨损试验参数 20

5.1.4 冲蚀磨损实验结果 21

5.2 本章小结 21

第6章 失效送风机叶片再制造工程实例 22

6.1 叶片再制造过程 22

6.2 本章小结 24

第7章 结论 25

参考文献 26

致 谢 28

绪论

研究背景

火力发电是世界上最主要的发电形式，自从火力发电诞生以来，由于其较低的成本和较方便的建造工艺，火力发电技术越来越受到人们的认可，火力发电厂也越来越多，在世界范围内的发电厂中占据着很大的比重。作为一个发展中国家，我国对电力的需求相当大，因而低成本、高发电量的火力发电在我国发展十分迅速。近代以来，我国火力发电装机总容量呈快速上升趋势，发电总量也是呈阶梯式上升，在中国发电总量中占比百分之七十左右^[1]。锅炉是火力发电厂的动力来源，在整个发电过程中至关重要，因为锅炉的工作环境十分恶劣，所以为了保证锅炉的正常运行，经常要为锅炉配备一系列的辅助系统来确保锅炉正常工作，风机系统就是其中之一。送风机是锅炉风机系统的重要部分，空气经送风机吸入压缩后通过管道输送到锅炉，让煤粉充分燃烧。在小型电站中，锅炉风机系统只有送风机而没有一次风机^[2]。通常情况下，外界的空气在送风机内被压缩，然后通过管道输送到空气预热器，在空气预热器中被加热成热空气，这些热空气分成两部分进入不同管道，一部分到达磨煤机用来干燥和输送煤粉，另一部分经燃烧器到达炉膛，在炉膛内与干燥后的煤粉发生燃烧反应。而在大型电站中，风机系统的分工更加明确，同时具有送风机和一次风机，在正常工作情况下，空气在经过空气预热器后一部分到达炉膛参与燃烧，而另一部分在环境温度较低的情况下经过热风再循环管道，将空气预热器出口的二次风引导一部分到送风机的入口，以提高进入空气预热器的温度，防止空气预热器的低温腐蚀。

研究目的及意义

由于电站的工作环境十分恶劣，磨煤机在磨碎煤块时产生的大量飞灰以及空气中的灰尘都会对送风机叶片表面造成冲击磨损，长此以往会使送风机的叶片产生严重破坏，最后导致送风机叶片失效。而送风机叶片的失效会对送风机造成很大影响，严重时会引起叶片失速、振动加剧，进而导致送风机损坏，使火力发电机组的安全受到影响，造成发电机组的非计划停运，致使电厂产生重大经济损失。并且送风机叶片的造价十分昂贵，一片新叶片的价格往往高达上万元，跟换送风机叶片的费用相当昂贵，相比之下，送风机叶片的再制造费用低，而且对送风机叶片再制造提高了其耐磨耐蚀性，叶片的使用寿命得到增长，具有显著的经济和社会效益。

国内外研究现状

再制造技术作为新兴战略产业，一直以来都是各国专家学者研究的重点。再制造就是对磨损或故障的机器设备采用对应的工艺和技术，在设备原有的基础上重新进行一次新的加工制造，不仅可以恢复设备废旧零部件的尺寸，而且重新加工制造出来的产品，在性能和质量上都较原先的新品设备有所提高，而且还能提升设备零件的使用寿命。其制造加工成本却只是新品的50%，并且能够节能60%，节材70%，对环境的不良影响也能够降低80%左右^[3]，由此可见，对电站锅炉送风机叶片进行再制造具有十分显著的经济效益。目前国内外失效送风机叶片的再制造技术主要包括电刷镀、堆焊、热喷涂、激光熔覆和激光表面改性技术等，这些技术都可对失效叶片进行修复。在涂层制备方面，近些年来研发出了许多用于送风机叶片再制造的高新技术材料，主要分为三种，分别是Fe基合金材料、Ni基合金材料和WC基金属陶瓷材料,这些材料都能很好地提高送风机叶片的耐磨耐蚀性，延长其使用寿命。其中以超音速火焰喷涂（HVOF）喷涂的WC-CoCr涂层的性能最好，但其成本也相对较高。随着科学技术的进一步研究发展，颗粒增强金属基复合材料（MMC）和高速电弧喷涂的出现使得这种适用性更强的工艺材料在送风机再制造领域得到广泛使用。此外，也有研究人员发现，对HVOF喷涂的WC-CoCr涂层材料进行低温回火处理也可以提高其性能，使其使用寿命增长^[4]。

研究内容

（1）调查不同磨损叶片的工作环境，分析送风机叶片的失效机理，找出叶片磨损的影响因素，并作送风机叶片磨损部位示意图，为叶片再制造工艺的制定及抗磨损涂层的选择提供理论依据。

（2）制定失效叶片的再制造流程。对叶片磨损严重的部分采用合理的堆焊工艺以恢复叶片的基本尺寸，为了防止叶片变形要优化工艺流程，保证叶片的基本形状符合标准。

（3）根据叶片的磨损机理选择合适的耐磨涂层，送风机叶片的磨损主要是冲蚀磨损，由于高速电弧喷涂的颗粒增强金属基复合材料（MMC）涂层具有较好的抗冲蚀性能和较高的经济性能，所以选其来制备送风机叶片的防腐耐磨涂层。

（4）对比不同喷涂工艺的优缺点与使用场合，最终选择（MMC）配合效果更好的高速电弧喷涂工艺来制备抗冲蚀涂层。

（5）制备不同材料的涂层试样，对试样进行干砂冲蚀实验，对比不同材料的抗冲蚀性能，选出其中最好的抗冲蚀材料。

（6）根据冲蚀实验选择性能最好的抗冲蚀磨损材料，用高速电弧喷涂工艺来制备送风机叶片抗冲蚀涂层，完善整个再制造过程。

本章小结

本章主要研究送风机的发展现状，搜集国内外再制造技术资料，分析送风机叶片再制造的经济性，查找国内外送风机叶片的再制造技术，确定本文主要的研究内容和方向。

送风机叶片的失效分析

送风机的类型选择

电站送风机的风机选型主要有两种：轴流式风机（图2.1）和离心式风机（图2.2）。两者的主要区别是轴流式风机进出气的方向没有发生改变，而离心式风机是由轴向进风，径向出风。相较而言，离心式风机的发展历史更久，并且其结构简单，噪音相对较小，运行可靠，效率比较高，制造成本较低。但随着用电需求的逐步增大，锅炉也要相应增大，同样需要大风机来输送足量的空气，可是离心式风机受材料的限制，体积不能太大，而轴流式风机可以做的比较大，并且质量轻，耗电低，结构紧凑，低负荷时也能够有较高的效率。

图2.1轴流式风机 图2.2离心式风机

相比之下，轴流式送风机比离心式送风机有以下特点。

（1）相同工况下，两种风机性能大致相同，一般轴流式风机的叶片数量要多于离心式风机，叶片的转速也相对较高，所以空气的输送效率要忧于离心式风机。

（2）对于叶片可以调节的轴流式送风机，其调节效率要比离心式风机更高，并且可以长时间保持高效稳定地工作，相同工作条件下运行费用更低。

（3）轴流式风机因为结果简单，对不同工况的具有更强的适应能力；离心式风机进出气的方向发生改变，与风道产生的摩擦更多，能量损失较大，当遇到锅炉需要调节风力时，会使发电机组的效率降低；而轴流式风机由于可以通过调节叶片的角度来改变气流量，能量损失小。

（4）轴流式风机转速高，送风能力更强，在工况变化时，叶片所需承受的变频力矩小于离心式风机，叶片收到的交变应力更小，所以对叶片的损伤要小于离心式风机。

综上所述，轴流式送风机相比于离心式送风机效率更高，适应性能力强，经济效益更高，所以使用更加广泛。

送风机叶片的失效分析

裂纹与断裂

赵世伟^[5]、刘义忠^[6]等人研究发现，一些断裂的送风机叶片内部有明显的铸造缺陷，这大大降低了送风机叶片的疲劳强度和抗剪切韧性，送风机在运行一定时间后，当叶片达到疲劳极限，叶片就会产生断裂和裂纹。研究人员认为气体中的杂质和颗粒随着气流进入送风机，以一定的速度撞击在送风机叶片的表面，使叶片发生磨损腐蚀；另一方面，由于发电需求的变化使得机组负荷产生波动，造成送风机在运行过程中叶片受到交变应力作用，在叶片磨损较严重的部位，会因为应力集中而产生裂纹，随着交变应力持续作用，裂纹一直增大，在叶片的边缘部位，由于离心力较大，就会造成部分叶片沿着裂纹脱落飞出。

腐蚀磨损

姜士凯^[7]等人研究发现，在一些大型发电机组中，送风机系统中都会布置有热风再循环这一过程，即空气在送风机经过加热后，一部分热风被送回送风机入口，这一过程会使热风中混入烟气中的杂质，这些杂质中含有硫、氯等腐蚀性元素，杂质被吸入送风机后，一部分杂质会附着在送风机叶片表面，杂质中的硫、氯等腐蚀性元素再与空气中的水蒸气发生化学反应，生产硫酸等酸性物质，使得叶片表面产生小腐蚀坑，造成腐蚀磨损。

冲蚀磨损

冲蚀磨损可以说是风机叶片中发生最普遍的一种磨损形式。送风机叶片的磨损主要也是冲蚀磨损造成的，其主要原因是空气中粉尘和烟气杂质在气压的作用下，以一定的速度对叶片的表面进行冲击和显微切削，造成叶片表层材料脱落。锅炉送风机的作用主要是从外部吸进空气，经过空气预热器的加热，让热空气进入炉腔中参与燃烧，送风机从入口处吸进大气中的气体，气体相对较为洁净，空气质量也要远高于粉尘与煤粒混合后的烟气，但实际工作环境中，电站锅炉送风机常与磨粉机、电除尘机等大型设备配合使用，在同一大环境下，送风机经常会吸入磨粉机和电除尘机逸散出来的粉尘，尤其是磨粉机在运行过程中会频繁发生漏粉现象，此外锅炉从启动到过渡到高负荷阶段，断油运行需较长一段时间，这期间除尘机不能正常运行，会使得一部分烟气无法被过滤干净；而且除尘器对烟气中的颗粒物的比电阻有一定的选择性，无法将所有的粉尘都被除尘器吸附截获，还有煤粉以及灰尘的转运、装载、运输等都会使得送风机周围的空气中混有一部分颗粒物，这些都会使得送风机入口的环境恶化，被吸入送风机的杂质颗粒，在风压的作用下对送风机叶片进行冲击，造成送风机叶片的磨损。另一方面，为了避免低温腐蚀问题，送风系统会有热风再循环这一部分，它将被空气预热器加热后的一部分热风送回送风机。在这一过程中，热风中容易混入烟气中的一些杂质颗粒物，使得进入送风机的空气中杂质颗粒的含量升高，这样就加剧了送风机叶片的磨损^[8]。图2.3是一组送风机叶片受到冲蚀磨损后的状态。

图2.3 磨损的送风机叶片

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