热喷涂技术在电力行业中的应用
热喷涂技术在电力行业中的应用
一、前言
电力工业是国民经济的基础产业，是实现现代化的物质基础。改革开放以来，为适应我国快速发展的国民经济的需求，电力工业也得到了飞速的发展。据统计，到1995年底，我国发电机设备装机容量已超过2亿千瓦，已经连续9年每年新增大、中、型机组超过1000万千瓦。近几年还达到1500万千瓦左右。"九·五"计划期间，我国将要新增加装机8300万千瓦，新增发电量4000亿千瓦时。到2000年，全国电力装机将达到2.9亿千瓦，年发电量达14000亿千瓦时，2010年全国电力装机更将达到5.5亿千瓦左右。
广东省一直处于我国改革开放的前沿，电力工业的发展更是令人瞩目，大亚湾核电站，从化抽水蓄能电站及为数不少的大、中型火电站如雨后春笋般相继矗立于南粤大地，保证了我省经济持续高速的动力需求，有力地推动了我省改革开放的进程。
然而，在电力工业中其中特别是火电厂，从锅炉、气轮机、电机的主机系统，到制粉、出灰等辅助部分，常常由于系统中的某一零件的局部磨损或高温腐蚀而失效，不但影响电厂的安全运行，而且为恢复运行、修复和更换已损坏的部件，不仅需要投入大量人力、物力、财力而且在修理和更换期间，必定影响发电，造成巨大的经济损失。
根据美国通行的电力系统可靠性评价分析方法，设备提高可靠性的经济效益包括三个方面的节约：①替代能源消耗；②备用能源费用；③修理费用。估算结果，美国火电站如能将可用系统提高0.05，则第①项每年可节约84亿美元，第②项相当于省装备用机组34000MW。美国电力研究所最新调查还表明，美国每年平均发生叶片事故40余起，平均每起的修理费用为20万美元，因每次事故停机引起的替代能源耗费为250万美元。10年间因叶片事故造成的直接损失为14亿美元。此外，除直接经济损失外，特别在普遍供电紧张的情况下，备用容量小，停机事故往往引起大面积停电，造成极大的社会影响，以某电厂300MW机组因11级围带飞脱造成停机和地区停电为例，停电40天，少发电约2.6亿度，电费直接损失约2600万元，当时该地区每度电产值约5元，则社会间接损失达1.3亿元，相比之下，几十万元抢修费只是一个零头了。据此，增加设备使用寿命，延长设备大修期间间隔，缩短检修时间，提高设备运行效能就成了电力部门经营管理的关键。
为解决电力系统腐蚀及磨损问题，长期以来，各国的科技工作者和产业界就针对性地进行了不懈的努力。如80年代初期，美国热喷涂技术专业公司（TAFA）与主要热喷涂锅炉应用者以及权威的合金制造者（In
ternational Nickel）联合组织力量，对以开发一种能对锅炉管道提供长期持续保护的材料和工艺为目标的工作进行了长期的研究，经过大量的实践证明热喷涂技术不失为一种解决电力工业中腐蚀、磨损的有效而经济的技术。多年来该技术已在美国、英国、日本等国获得了广泛的应用。随着热喷涂技术近年来在我国的推广应用，特别是该技术本身的不断完善和进步，因而逐渐地被人们所接受并开始受到应有的重视，在我国电力工业部门也逐渐得到了某些应用。
二、热喷涂技术简介
热喷涂技术是一种材料表面保护和强化的新技术，它是以气体、液体燃料以及电弧、等离子弧作热源，将金属、合金、陶瓷、金属陶瓷、塑料等粉末或丝材、棒材加热到熔化或半熔化状态，借助于火焰推力或压缩空气喷射而粘附到预先经过表面处理的工件表面形成涂层，赋予工件以耐磨、耐腐蚀、抗高温、耐氧化、隔热、绝缘等特性，以达到提高工件性能、延长设备使用寿命的一种技术。由于该技术工艺及涂层材料选择范围十分广泛，操作简便灵活，特别适合于现场施工和工件局部修复，因此，热喷涂技术不但是新设备预保护的有效方法，而且是现场维修有效而经济的手段。
三、热喷涂技术在电力工业的应用
3.1 电厂锅炉"四管"的防腐蚀、抗冲蚀
火力发电厂中，高温、高压、锅炉的水冷壁管、过热器管、再热器管、省煤气管（简称四管）常因高温腐蚀和磨损而减薄，更换新的管子既费时有昂贵，如果造成"四管"泄露爆管事故，会增加电厂临时性检修和大修的工作量，给电厂带来很大的经济损失。据资料统计，1982~1985年间全国50MW以上火力发电厂共发生锅炉事故949起，其中"四管"泄露爆管事故就占305起，占事故总数的32%，由此可见，锅炉受热面"四管"的高温腐蚀是影响锅炉安全的主要原因，它已成为火电厂安全运行中一个急待解决的技术难题。
从80年代初，国外就进行了一系列旨在设计一种材料/应用系统，能对锅炉管道提供长期的保护（3~5年内不用修理）。方案的目标是发展一种涂层，该涂层不剥落、损耗速率小于未保护钢管的10%，并且相对于更换锅炉管道在经济上更有效益。经过多年研究，并经实验试验和现场应用考核，已获得了可喜的成绩，涂层厚度年平均损失率最好可达0.025mm，工作寿命可达5~10年，大大提高了"四管"的工作寿命，目前在美国、英国、日本、加拿大、德国等国家已广泛采用多种涂层对锅炉的"四管"进行防护。
我国电厂锅炉"四管"采用涂层防护起步较晚，开始全国也仅上海、张家港、山东等少数电厂采用了喷焊、高速火焰
喷涂等工艺对锅炉"四管"进行了防护，但毕竟迈出了可喜的一不。随着电力工业的不断发展和热喷涂技术的不断深入人心，特别是热喷涂技术本身近年来的不断进步与提高，采用热喷涂技术对锅炉"四管"进行防护的工作必将受到有关部门的重视，并获得更多的应用。例如，为解决"四管"腐蚀问题，西北电管局科技处分别于1990年、1992年两次下达技术开发项目，由西北电力机械厂、秦岭电厂、韩城电厂在有关热喷涂专业单位的协同下共同进行锅炉受热面"四管"的防腐研究工作，他们采用NiAl涂层作为粘结底层，以NiCrAl涂层为工作层，表面采用高温涂料封孔，该涂层系统在工厂的工业试验中获得了较好的防护效果，年磨损率为0.04mm。工作寿命可达两个大修期（6年）给电厂带来显著的经济效益。
3.2 气轮机叶片的热喷涂强化和修复
叶片是气轮机的心脏，也是事故最多的关键部件，美国电厂气轮机强迫停运率的70%与叶片损坏有关，叶片事故引起的损失往往占全部损失的一半。因此，它的安全可靠直接关系到气轮机和整个电站的安全、满发。由于电力是国民经济的命脉，全世界的电力约有75%来自火电站中的锅炉-汽轮机-发电机以及核电站中的反映堆-汽轮机-发电机。因此，提高汽轮机叶片的安全可靠性对于满足不断增长的电力需求，适应国民经济的发展有着不容忽视的作用。此外，在诸如石油、化工、轻工等重要经济部门中，采用工业汽轮机作为全厂关键动力设备的现代化大型企业日益增多，而由于汽轮机叶片损坏造成工厂全面停产，其后果是十分严重的。
汽轮机叶片的损坏原因是多方面的，除了从改进设计制造、优化电站运行等方面来减轻叶片的损坏外，采用表面处理方法，在叶片表面加上保护涂层，以提高材质的特定性能，达到防水蚀、耐磨、抗微振，从而延长叶片寿命的目的，亦是减轻叶片损坏的有效方法之一，进口汽轮机中就有采用爆炸喷涂Cr3C2-NiCr、TiC-NiCr以及WC-NiCr喷涂层防护叶片的实例。我国从80年代开始相继有采用等离子喷涂方法制备CoCrW合金涂层修复和强化石油化工行业用工业烟气轮机叶片的实例，随着热喷涂技术的不断进步，80年代后期发展了高效的高速火焰喷涂技术和设备，采用该技术进行汽轮机叶片表面涂层的制备，必将获得更好的防护效果。
3.3 磨损件的热喷涂强化和修复
金属部件的磨损是电厂除腐蚀以外的另一个严重问题，每年主、辅机的大量金属零部件，如排粉风机叶片、引风机叶片、各种轴（如磨煤机齿轮轴、引风机主轴、排粉风机主轴、球磨机电机轴......等）、轴套、各种泵类的轴及轴套、各
种阀门等均会由于磨损而引起机械设备运行效率低，工件更新与维修频繁，耗能增加，近年来国内许多单位都采用热喷涂（焊）、电刷镀等方法对米孙的金属零件进行修复或对新部件喷涂涂层进行预保护，不但大大提高了设备的使用寿命，甚至可以使得原已报废丢弃于仓库的设备"起死回生"重新投入使用。特别是进口设备零部件的修复还为国家节省了大量外汇。由于电力行业的装备大都是大型而昂贵的，因此，修复后带来的巨大经济效益是十分明显的，是不容置疑的，目前热喷涂技术在电厂提高备品品质，提高进口机组备件国产化水平、保证检修、缩短检修期、提高设备运行水平以及解决难题中的作用已为人们所认识，可以预见，热喷涂技术在电力工业中的应用将会越来越广泛和深入。
3.4 热喷涂（焊）为小水电服务
水电站存在的严重问题是水轮机过流部件的汽蚀破坏和泥砂磨损破坏，由于水质的不同，破坏的速度和程度也不相同，有部分水电站一个供水期下来就得停机更换新备件，这不仅影响水轮机的安全运行发电，增加检修周期增大检修费用，而且还严重影响电力供应，因此，如何延长水轮机的使用寿命，确保水电站的安全、经济地运行是多年来我国水电建设中的重要科研课题之一。
多年来我国科技工作者和电站职工为解决这一难题共同进行了大量工作，他们采用热喷涂技术对水轮机的有关部件进行预保护，取得了成功的施工工艺经验，而且使用效果十分显著，该技术已于1985年由甘肃省科委、甘肃省水利厅主持通过了现场技术鉴定。
其具体效果举例如下：
宁夏泄湖峡水电站，位于黄河支流大夏河下游，因水中泥砂含量大，造成水轮机底环、顶盖、导叶、主轴等严重磨损影响机组运行发电，经热喷涂工艺修复，一号机主轴（长2.5mm，直径310mm，约2吨）轴颈部位磨损区长达540mm，修复后运行25900小时后，涂层仍完好无损。
天水地区红崖电站，何家堡电站，由于水中泥砂含量大，设备损坏严重，一台新转轮运行10000小时就得报废，其他过流部件全部都得修补，使得电站维修费用不断增加，最高可达电站总收入的四分之一，84年对即将报废的5台1000千瓦机组的转轮，导叶、前后端盖进行喷焊修复，取得了满意的效果，红崖电站修复后装机运行一年多，涂层完好无损，机组云心稳定，效率提高，在水头、流量相同的情况下，84年法典65万度增长85%，单机出力又修复前的700千瓦上升到860千瓦，提高22.8%，并且机组延长使用寿命3~5倍，并节约维修费用1.3万元。
我国小水电站在祖国大地星罗棋布，我国小水电站
的设备制造和电站建设的经验引起了国际上的注意并获得好评，相信热喷涂技术在我国水电站建设事业中会有所作为的。
3.5 热喷涂在新能源领域的应用
随着经济的发展和人们生活水平的提高，城市生活垃圾以很高的速度年年递增，垃圾掩埋、垃圾堆放不仅占地，而且造成地下水资源的污染和空气污染，长期堆放引起沼气爆炸也时有发生，在一些经济发达的大城市，生活垃圾已经成为继能源、交通、住房之后的又一急待解决的大难题。
城市垃圾-能源工厂实行高科技焚烧发电，在国外已作为一种先进的技术成熟应用，生活垃圾能源化有利于与常规能源（煤、油、天然气）互补，特别是在垃圾成灾又电力短缺的情况下，垃圾发电的社会效益远远超过其经济价值。
垃圾焚烧发电的整套装置通常由垃圾焚烧炉、余热炉、发电或热电联产系统、灰渣处理和烟气净化系统四大部分组成，由于垃圾成分的多样性，因此要求焚烧垃圾发电设备具有一定的耐腐蚀性，对于垃圾发电设备的防护涂层，国外资料已有报导，如采用等离子喷焊Ni基自熔合金，爆炸喷涂NiCr底层Cr表层多层系统等对锅炉管进行防护等。
我国的最大城市之一的上海，对城市垃圾问题决心采取高起点，快节奏，大手笔进行大运作，大整治、大利用，上海市在本世纪最后几年，已将城市垃圾高科技发电列入市府现代化环卫工业化开发系列，为实现垃圾焚烧发电计划，上海石化（集团）设备工程公司已研制成功符合我国国情的"自焚式生活垃圾连续焚烧炉，为解决垃圾处理提供了装备，据最近报载山东省已有一个焚烧垃圾的热电厂投入运行，96年已处理污泥6万余吨，年供电约4000万度，随着我国经济的发展，垃圾处理问题也会日益严重，垃圾处理设备的防护问题将会成为热喷涂技术的广阔的用武之地。
四、广州有色金属研究院简介
广州有色金属研究院是中国有色金属工业总公司直属重点科研单位，全院职工近千人。其中科技人员占70%，从事有色及稀有金属选矿、冶金、材料、加工等工艺及应用研究。经过多年的科研实践和应用开发，目前在材料表面技术领域已形成了一定的特色和优势，院属表面工程中心是中国有色金属工业总公司的重点实验室，也是广东省表面工程技术研究开发中心。今后还要力争成为国家级表面工程中心，该中心现已建有包括热喷涂在内的9个表面技术实验室。
广州有色金属研究院在80年代开始从事热喷涂、电刷镀研究和推广应用工作，多年来，积累了大量经验取得了一系列成果：热喷涂实验室建设获得国家"六·五"攻关奖，海军用
螺旋浆涂层研究、精锻机芯棒涂层研究分别获得有色金属工业总公司科技成果二、三等奖。在科研工作的基础上，为推广热喷涂技术的应用，更好地为社会服务，于1993年10月组建了以热喷涂技术为主的中试车间，专门从事机械零部件的表面强化和修复工作，该中试车间拥有超音速火焰喷涂（美国进口）、等离子喷涂、气热软线喷涂（俄罗斯进口）、电弧喷涂、火焰喷涂等9种设备以及电刷镀设备两套、化学镀生产线一条，涂层加工方面已拥有车床、磨床、及其他辅助设备一大批，标准厂房及办公生活设施面积达2000m2。几年来该车间在建材工业、塑料工业、交通工业、能源工业、石油化工工业以及纺织工业和冶金工业进行了大量的开发应用，为省内数百家企业挽回了数千万的经济损失。
自90年代开始，我院逐渐将热喷涂技术在省电力局系统及大型工厂热电厂开展应用。先后在沙角电厂、梅县电厂、韶关电厂、广州电厂、珠江电厂、云浮电厂等，以及广州钢铁厂、广州石化厂、广州氮肥厂开展过应用。分别开展过以下工作：
1、排粉机及引风机叶片强化：喷焊Ni基WC，超音速喷涂Co-WC。
2、磨煤机轴颈修复：Φ1700×500磨煤机轴颈喷涂修复及小齿轮轴喷涂修复。
3、锅炉四管：采用喷焊强化过小面积锅炉四管。
4、汽轮机叶片：曾喷涂过一末级叶片，涂层使用寿命2年以上。
5、汽机缸体：采用喷涂修复缸体平面磨损（20万及5万机组）。
6、电机转子：采用喷涂及电刷镀修复过20万KW电机转子轴颈磨损部位。
7、水泵轴轴套：喷涂WC-Co强化轴套。
8、阀门：采用喷焊修复中压阀门。
根据国内外的应用情况和我们初步实践，我们体会到热喷涂技术在电力工业中的应用前景是十分广阔的，需要我们做出更大的努力，进行更加深入的工作。
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