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熱噴涂技術在電力行業中的應用
欄目：業界資訊 發布時間：2021-04-07
一、前言
電力工業是國民經濟的基礎產業，是實現現代化的物質基礎。改革開放以來，為適應我國快速發展的國民經濟的需求，電力工業也得到了飛速的發展。據統計，到1995年底，我國發電機設備裝機容量已超過2億千瓦，已經連續9年每年新增大、中、型機組超過1000萬千瓦。近幾年還達到1500萬千瓦左右。“九·五”計劃期間，我國將要新增加裝機8300萬千瓦，新增發電量4000億千瓦時。到2000年，全國電力裝機將達到2.9億千瓦，年發電量達14000億千瓦時，2010年全國電力裝機更將達到5.5億千瓦左右。
廣東省一直處于我國改革開放的前沿，電力工業的發展更是令人矚目，大亞灣核電站，從化抽水蓄能電站及為數不少的大、中型火電站如雨后春筍般相繼矗立于南粵大地，保證了我省經濟持續高速的動力需求，有力地推動了我省改革開放的進程。
然而，在電力工業中其中特別是火電廠，從鍋爐、氣輪機、電機的主機系統，到制粉、出灰等輔助部分，常常由于系統中的某一零件的局部磨損或高溫腐蝕而失效，不但影響電廠的安全運行，而且為恢復運行、修復和更換已損壞的部件，不僅需要投入大量人力、物力、財力而且在修理和更換期間，必定影響發電，造成巨大的經濟損失。
根據美國通行的電力系統可靠性評價分析方法，設備提高可靠性的經濟效益包括三個方面的節約：①替代能源消耗；②備用能源費用；③修理費用。估算結果，美國火電站如能將可用系統提高0.05，則第①項每年可節約84億美元，第②項相當于省裝備用機組34000MW。美國電力研究所最新調查還表明，美國每年平均發生葉片事故40余起，平均每起的修理費用為20萬美元，因每次事故停機引起的替代能源耗費為250萬美元。10年間因葉片事故造成的直接損失為14億美元。此外，除直接經濟損失外，特別在普遍供電緊張的情況下，備用容量小，停機事故往往引起大面積停電，造成極大的社會影響，以某電廠300MW機組因11級圍帶飛脫造成停機和地區停電為例，停電40天，少發電約2.6億度，電費直接損失約2600萬元，當時該地區每度電產值約5元，則社會間接損失達1.3億元，相比之下，幾十萬元搶修費只是一個零頭了。據此，增加設備使用壽命，延長設備大修期間間隔，縮短檢修時間，提高設備運行效能就成了電力部門經營管理的關鍵。
為解決電力系統腐蝕及磨損問題，長期以來，各國的科技工作者和產業界就針對性地進行了不懈的努力。如80年代初期，美國熱噴涂技術專業公司（TAFA）與主要熱噴涂鍋爐應用者以及權威的合金制造者（International Nickel）聯合組織力量，對以開發一種能對鍋爐管道提供長期持續保護的材料和工藝為目標的工作進行了長期的研究，經過大量的實踐證明熱噴涂技術不失為一種解決電力工業中腐蝕、磨損的有效而經濟的技術。多年來該技術已在美國、英國、日本等國獲得了廣泛的應用。隨著熱噴涂技術近年來在我國的推廣應用，特別是該技術本身的不斷完善和進步，因而逐漸地被人們所接受并開始受到應有的重視，在我國電力工業部門也逐漸得到了某些應用。
二、熱噴涂技術簡介
熱噴涂技術是一種材料表面保護和強化的新技術，它是以氣體、液體燃料以及電弧、等離子弧作熱源，將金屬、合金、陶瓷、金屬陶瓷、塑料等粉末或絲材、棒材加熱到熔化或半熔化狀態，借助于火焰推力或壓縮空氣噴射而粘附到預先經過表面處理的工件表面形成涂層，賦予工件以耐磨、耐腐蝕、抗高溫、耐氧化、隔熱、絕緣等特性，以達到提高工件性能、延長設備使用壽命的一種技術。由于該技術工藝及涂層材料選擇范圍十分廣泛，操作簡便靈活，特別適合于現場施工和工件局部修復，因此，熱噴涂技術不但是新設備預保護的有效方法，而且是現場維修有效而經濟的手段。
三、熱噴涂技術在電力工業的應用
3.1 電廠鍋爐“四管”的防腐蝕、抗沖蝕
火力發電廠中，高溫、高壓、鍋爐的水冷壁管、過熱器管、再熱器管、省煤氣管（簡稱四管）常因高溫腐蝕和磨損而減薄，更換新的管子既費時有昂貴，如果造成“四管”泄露爆管事故，會增加電廠臨時性檢修和大修的工作量，給電廠帶來很大的經濟損失。據資料統計，1982~1985年間全國50MW以上火力發電廠共發生鍋爐事故949起，其中“四管”泄露爆管事故就占305起，占事故總數的32%，由此可見，鍋爐受熱面“四管”的高溫腐蝕是影響鍋爐安全的主要原因，它已成為火電廠安全運行中一個急待解決的技術難題。
從80年代初，國外就進行了一系列旨在設計一種材料/應用系統，能對鍋爐管道提供長期的保護（3~5年內不用修理）。方案的目標是發展一種涂層，該涂層不剝落、損耗速率小于未保護鋼管的10%，并且相對于更換鍋爐管道在經濟上更有效益。經過多年研究，并經實驗試驗和現場應用考核，已獲得了可喜的成績，涂層厚度年平均損失率最好可達0.025mm，工作壽命可達5~10年，大大提高了“四管”的工作壽命，目前在美國、英國、日本、加拿大、德國等國家已廣泛采用多種涂層對鍋爐的“四管”進行防護。
我國電廠鍋爐“四管”采用涂層防護起步較晚，開始全國也僅上海、張家港、山東等少數電廠采用了噴焊、高速火焰噴涂等工藝對鍋爐“四管”進行了防護，但畢竟邁出了可喜的一不。隨著電力工業的不斷發展和熱噴涂技術的不斷深入人心，特別是熱噴涂技術本身近年來的不斷進步與提高，采用熱噴涂技術對鍋爐“四管”進行防護的工作必將受到有關部門的重視，并獲得更多的應用。例如，為解決“四管”腐蝕問題，西北電管局科技處分別于1990年、1992年兩次下達技術開發項目，由西北電力機械廠、秦嶺電廠、韓城電廠在有關熱噴涂專業單位的協同下共同進行鍋爐受熱面“四管”的防腐研究工作，他們采用NiAl涂層作為粘結底層，以NiCrAl涂層為工作層，表面采用高溫涂料封孔，該涂層系統在工廠的工業試驗中獲得了較好的防護效果，年磨損率為0.04mm。工作壽命可達兩個大修期（6年）給電廠帶來顯著的經濟效益。
3.2 氣輪機葉片的熱噴涂強化和修復
葉片是氣輪機的心臟，也是事故最多的關鍵部件，美國電廠氣輪機強迫停運率的70%與葉片損壞有關，葉片事故引起的損失往往占全部損失的一半。因此，它的安全可靠直接關系到氣輪機和整個電站的安全、滿發。由于電力是國民經濟的命脈，全世界的電力約有75%來自火電站中的鍋爐—汽輪機—發電機以及核電站中的反映堆—汽輪機—發電機。因此，提高汽輪機葉片的安全可靠性對于滿足不斷增長的電力需求，適應國民經濟的發展有著不容忽視的作用。此外，在諸如石油、化工、輕工等重要經濟部門中，采用工業汽輪機作為全廠關鍵動力設備的現代化大型企業日益增多，而由于汽輪機葉片損壞造成工廠全面停產，其后果是十分嚴重的。
汽輪機葉片的損壞原因是多方面的，除了從改進設計制造、優化電站運行等方面來減輕葉片的損壞外，采用表面處理方法，在葉片表面加上保護涂層，以提高材質的特定性能，達到防水蝕、耐磨、抗微振，從而延長葉片壽命的目的，亦是減輕葉片損壞的有效方法之一，進口汽輪機中就有采用爆炸噴涂Cr3C2—NiCr、TiC—NiCr以及WC—NiCr噴涂層防護葉片的實例。我國從80年代開始相繼有采用等離子噴涂方法制備CoCrW合金涂層修復和強化石油化工行業用工業煙氣輪機葉片的實例，隨著熱噴涂技術的不斷進步，80年代后期發展了高效的高速火焰噴涂技術和設備，采用該技術進行汽輪機葉片表面涂層的制備，必將獲得更好的防護效果。
3.3 磨損件的熱噴涂強化和修復
金屬部件的磨損是電廠除腐蝕以外的另一個嚴重問題，每年主、輔機的大量金屬零部件，如排粉風機葉片、引風機葉片、各種軸（如磨煤機齒輪軸、引風機主軸、排粉風機主軸、球磨機電機軸……等）、軸套、各種泵類的軸及軸套、各種閥門等均會由于磨損而引起機械設備運行效率低，工件更新與維修頻繁，耗能增加，近年來國內許多單位都采用熱噴涂（焊）、電刷鍍等方法對米孫的金屬零件進行修復或對新部件噴涂涂層進行預保護，不但大大提高了設備的使用壽命，甚至可以使得原已報廢丟棄于倉庫的設備“起死回生”重新投入使用。特別是進口設備零部件的修復還為國家節省了大量外匯。由于電力行業的裝備大都是大型而昂貴的，因此，修復后帶來的巨大經濟效益是十分明顯的，是不容置疑的，目前熱噴涂技術在電廠提高備品品質，提高進口機組備件國產化水平、保證檢修、縮短檢修期、提高設備運行水平以及解決難題中的作用已為人們所認識，可以預見，熱噴涂技術在電力工業中的應用將會越來越廣泛和深入。
3.4 熱噴涂（焊）為小水電服務
水電站存在的嚴重問題是水輪機過流部件的汽蝕破壞和泥砂磨損破壞，由于水質的不同，破壞的速度和程度也不相同，有部分水電站一個供水期下來就得停機更換新備件，這不僅影響水輪機的安全運行發電，增加檢修周期增大檢修費用，而且還嚴重影響電力供應，因此，如何延長水輪機的使用壽命，確保水電站的安全、經濟地運行是多年來我國水電建設中的重要科研課題之一。
多年來我國科技工作者和電站職工為解決這一難題共同進行了大量工作，他們采用熱噴涂技術對水輪機的有關部件進行預保護，取得了成功的施工工藝經驗，而且使用效果十分顯著，該技術已于1985年由甘肅省科委、甘肅省水利廳主持通過了現場技術鑒定。
其具體效果舉例如下：
寧夏泄湖峽水電站，位于黃河支流大夏河下游，因水中泥砂含量大，造成水輪機底環、頂蓋、導葉、主軸等嚴重磨損影響機組運行發電，經熱噴涂工藝修復，一號機主軸（長2.5mm，直徑310mm，約2噸）軸頸部位磨損區長達540mm，修復后運行25900小時后，涂層仍完好無損。
天水地區紅崖電站，何家堡電站，由于水中泥砂含量大，設備損壞嚴重，一臺新轉輪運行10000小時就得報廢，其他過流部件全部都得修補，使得電站維修費用不斷增加，最高可達電站總收入的四分之一，84年對即將報廢的5臺1000千瓦機組的轉輪，導葉、前后端蓋進行噴焊修復，取得了滿意的效果，紅崖電站修復后裝機運行一年多，涂層完好無損，機組云心穩定，效率提高，在水頭、流量相同的情況下，84年法典65萬度增長85%，單機出力又修復前的700千瓦上升到860千瓦，提高22.8%，并且機組延長使用壽命3~5倍，并節約維修費用1.3萬元。
我國小水電站在祖國大地星羅棋布，我國小水電站的設備制造和電站建設的經驗引起了國際上的注意并獲得好評，相信熱噴涂技術在我國水電站建設事業中會有所作為的。
3.5 熱噴涂在新能源領域的應用
隨著經濟的發展和人們生活水平的提高，城市生活垃圾以很高的速度年年遞增，垃圾掩埋、垃圾堆放不僅占地，而且造成地下水資源的污染和空氣污染，長期堆放引起沼氣爆炸也時有發生，在一些經濟發達的大城市，生活垃圾已經成為繼能源、交通、住房之后的又一急待解決的大難題。
城市垃圾—能源工廠實行高科技焚燒發電，在國外已作為一種先進的技術成熟應用，生活垃圾能源化有利于與常規能源（煤、油、天然氣）互補，特別是在垃圾成災又電力短缺的情況下，垃圾發電的社會效益遠遠超過其經濟價值。
垃圾焚燒發電的整套裝置通常由垃圾焚燒爐、余熱爐、發電或熱電聯產系統、灰渣處理和煙氣凈化系統四大部分組成，由于垃圾成分的多樣性，因此要求焚燒垃圾發電設備具有一定的耐腐蝕性，對于垃圾發電設備的防護涂層，國外資料已有報導，如采用等離子噴焊Ni基自熔合金，爆炸噴涂NiCr底層Cr表層多層系統等對鍋爐管進行防護等。
我國的最大城市之一的上海，對城市垃圾問題決心采取高起點，快節奏，大手筆進行大運作，大整治、大利用，上海市在本世紀最后幾年，已將城市垃圾高科技發電列入市府現代化環衛工業化開發系列，為實現垃圾焚燒發電計劃，上海石化（集團）設備工程公司已研制成功符合我國國情的“自焚式生活垃圾連續焚燒爐，為解決垃圾處理提供了裝備，據最近報載山東省已有一個焚燒垃圾的熱電廠投入運行，96年已處理污泥6萬余噸，年供電約4000萬度，隨著我國經濟的發展，垃圾處理問題也會日益嚴重，垃圾處理設備的防護問題將會成為熱噴涂技術的廣闊的用武之地。
四、廣州有色金屬研究院簡介
廣州有色金屬研究院是中國有色金屬工業總公司直屬重點科研單位，全院職工近千人。其中科技人員占70%，從事有色及稀有金屬選礦、冶金、材料、加工等工藝及應用研究。經過多年的科研實踐和應用開發，目前在材料表面技術領域已形成了一定的特色和優勢，院屬表面工程中心是中國有色金屬工業總公司的重點實驗室，也是廣東省表面工程技術研究開發中心。今后還要力爭成為國家級表面工程中心，該中心現已建有包括熱噴涂在內的9個表面技術實驗室。
廣州有色金屬研究院在80年代開始從事熱噴涂、電刷鍍研究和推廣應用工作，多年來，積累了大量經驗取得了一系列成果：熱噴涂實驗室建設獲得國家“六·五”攻關獎，海軍用螺旋漿涂層研究、精鍛機芯棒涂層研究分別獲得有色金屬工業總公司科技成果二、三等獎。在科研工作的基礎上，為推廣熱噴涂技術的應用，更好地為社會服務，于1993年10月組建了以熱噴涂技術為主的中試車間，專門從事機械零部件的表面強化和修復工作，該中試車間擁有超音速火焰噴涂（美國進口）、等離子噴涂、氣熱軟線噴涂（俄羅斯進口）、電弧噴涂、火焰噴涂等9種設備以及電刷鍍設備兩套、化學鍍生產線一條，涂層加工方面已擁有車床、磨床、及其他輔助設備一大批，標準廠房及辦公生活設施面積達2000m2。幾年來該車間在建材工業、塑料工業、交通工業、能源工業、石油化工工業以及紡織工業和冶金工業進行了大量的開發應用，為省內數百家企業挽回了數千萬的經濟損失。
自90年代開始，我院逐漸將熱噴涂技術在省電力局系統及大型工廠熱電廠開展應用。先后在沙角電廠、梅縣電廠、韶關電廠、廣州電廠、珠江電廠、云浮電廠等，以及廣州鋼鐵廠、廣州石化廠、廣州氮肥廠開展過應用。分別開展過以下工作：
1、排粉機及引風機葉片強化：噴焊Ni基WC，超音速噴涂Co—WC。
2、磨煤機軸頸修復：Φ1700×500磨煤機軸頸噴涂修復及小齒輪軸噴涂修復。
3、鍋爐四管：采用噴焊強化過小面積鍋爐四管。
4、汽輪機葉片：曾噴涂過一末級葉片，涂層使用壽命2年以上。
5、汽機缸體：采用噴涂修復缸體平面磨損（20萬及5萬機組）。
6、電機轉子：采用噴涂及電刷鍍修復過20萬KW電機轉子軸頸磨損部位。
7、水泵軸軸套：噴涂WC—Co強化軸套。
8、閥門：采用噴焊修復中壓閥門。
根據國內外的應用情況和我們初步實踐，我們體會到熱噴涂技術在電力工業中的應用前景是十分廣闊的，需要我們做出更大的努力，進行更加
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