脱硫装置搅拌器叶轮再制造及防腐耐磨涂层的应用研究
丁彰雄，刘霁，刘道忠，王建刚
热 喷 涂 技 术2011年9月
摘 要：再制造具有优质、高效、节能、节材及环保的特点，目前在机械制造领域已引起高度重视，脱硫装置吸收塔搅拌器叶轮的再制造具有十分显著的经济效益及节能、节材效果。本文在分析脱硫装置吸收塔搅拌器叶轮失效机理的基础上，介绍了搅拌器叶轮在再制造中的主要工艺过程，重点阐述了搅拌器叶轮表面强化时的热喷涂涂层的材料与制备工艺的选择。研究及使用表明：采用微弧仿形堆焊能有效恢复叶轮的尺寸及形状；NiCrMo自熔性合金喷熔层表现出良好的抗汽蚀性能，汽蚀率仅为微米 WC- 12Co和亚微米 WC- 12Co涂层的 35%左右。搅拌器叶轮再制造费用一般仅为新叶轮的 30%~40%，但其防腐耐磨性优于新叶轮，具有显著的经济效益和社会效益。
关键词：搅拌器叶轮；再制造；热喷涂；汽蚀；涂层材料
脱硫装置中吸收塔搅拌器叶轮工作在固、液、气三相流介质中，浆液中的固体成份为石灰石和石膏，重量浓度一般在 20%左右；燃煤烟气在循环吸收过程会形成硫酸、盐酸等酸性混合物，并随着循环时间的延长逐步富集，所以浆液的氯离子含量一般在 20000~60000ppm之间，PH 值一般在 3.5~7 之间。搅拌器叶轮在工作过程中，因汽蚀、腐蚀、磨损等原因使得脱硫效率降低,工作效率下降，需要及时维修或更换，由此产生巨大的经济损失。再制造以节约资源、节省能源、保护环境为特点，经济效益和社会效益显著，因此在脱硫装置搅拌器叶轮的再制造中将会得到越来越广泛的应用[1- 2]。
目前在零部件的再制造中，为了提高零件的表面性能，各种表面技术得到了普遍应用。热喷涂技术由于具有工艺灵活，喷涂材料和涂层厚度选择范围广、生产效率高的特点，既能提供耐磨、耐蚀、耐氧化、耐高温等不同功能的涂层，又能将零件的尺寸恢复和表面功能强化结合起来，因此在再制造中得到了最广泛的应用[3]。本文在分析搅拌器叶轮失效机理的基础上，介绍了搅拌器叶轮再制造的主要工艺过程，重点阐述了搅拌器叶轮表面强化时的涂层设计与工艺方法的选择，为脱硫装置搅拌器叶轮再制造中耐磨耐蚀涂层材料及制备工艺的选择提供理论依据。
1 搅拌器叶轮失效机理分析
脱硫装置中吸收塔搅拌器叶轮工作的介质主要是石灰石浆液，酸性介质流过叶轮时，对零件表面产生一定的腐蚀作用。此外，石灰石浆液的介质固体含量最高达到 20％。固体的最大粒径为 200μm，固体颗粒以一定的流速流经零件表面时，对零件表面产生冲刷和磨损。腐蚀和磨损的综合作用，破坏了零件的几何形状，降低了叶轮的使用寿命，造成叶轮工作效率下降，严重影响了吸收塔搅拌器的正常运行。
1.1 汽蚀
叶轮在运转时，其过流部分的局部区域(通常是叶轮叶片进口稍后处)由于搅拌液体的绝对压力降低到当时温度下的液体汽化压力时，液体便在该处开始汽化，产生大量蒸汽。同时，溶解在水中的气体也会分离出来，形成气泡。气化产生的气泡进入高压区时，气泡周围的高压液体致使气泡急剧缩小以至破裂。在气泡凝结破裂的同时，液体质点以很高的速度填充空穴，在此瞬间产生强烈的水击作用。液体以很高的冲击频率打击叶轮表面，当金属表面被冲击的强度超过叶轮材料的极限强度时，金属表面便出现裂纹。汽蚀冲击波的能量足以把金属锤成细粒，加之磨损腐蚀导致叶轮表面的凹坑，此点便成为新气泡形成的核心，从而加速叶轮材料的流失，最后导致整个叶轮的失效，图 1 为搅拌器叶轮失效后的状态，如图 1 可见，叶轮正面压力面前缘、背面压力面前缘及叶轮端部，产生的汽蚀较为严重。
1.2 腐蚀
叶轮的工作环境为固、液、气三相流介质，叶轮表面在摩擦的过程中，表面金属与周围介质产生化学腐蚀、电化学腐蚀、结晶腐蚀和磨损腐蚀。
（1）化学腐蚀：烟气脱硫系统中的腐蚀性介质SO2、SO3及 HCl 在一定的温度、湿度条件下与叶轮基体材料发生化学反应。主要反应方程式为：Fe+SO2+H2O=FeSO3+H2↑Fe+SO2+O2=FeSO4Fe+SO3+H2O=FeSO4+H2↑2HCl+Fe= FeCl2+ H2↑（2）电化学腐蚀：脱硫浆液中含有电解质，腐蚀过程中有局部电流产生，导致电化学腐蚀。在金属表面（尤其是焊缝处连接点处）发生的电化学腐蚀反应为：Fe→Fe2++2e-Fe2++8FeO·OH+2e→3Fe3O4+4H2O吸收塔浆液中的氯化物也是引起电化学腐蚀腐蚀的重要原因。脱硫浆液中的氯离子含量一般在20000~60000ppm 之间。空气通入浆池内，产生富氧区，氯腐蚀属氧去极化腐蚀，含氧量越高腐蚀越快。氯离子具有很强的可被金属吸附的能力，比氧更容易吸附在金属表面，并从金属表面把氧排挤掉，从而使金属的钝态遭到局部破坏而发生孔蚀[4- 5]。（3）结晶腐蚀：石灰石脱硫法反应生成的CaCO3、CaCO4渗入到叶轮表面防腐层的毛细孔内，当系统停止运行后，在自然干燥条件下，生成结晶盐引起体积膨胀，产生内应力破坏，导致表皮脱落、粉化、疏松或产生裂缝造成金属腐蚀。
1.3 磨损
在脱硫浆液中, 固体成份为石灰石和石膏，浆液中的固体颗粒含量较大（质量分数为 20%），尤其含沙量较大，沙石破坏力大，硬度远远大于基体材料，且沙石多为棱角形，由此对搅拌器叶轮造成严重的冲蚀磨损。由于脱硫浆液为腐蚀性介质，因此搅拌器叶轮会产生腐蚀磨损，这更加剧叶轮的磨损及腐蚀。
在腐蚀、磨损、汽蚀的交互作用下，吸收塔搅拌器叶轮的损坏非常严重,如图 1（a）所示。另外，石灰石的粒径过大或硬度过高，石膏浆液 pH 值过低，氯离子浓度过高，都会加速的零部件磨损和腐蚀，降低零部件的使用寿命[6- 8]。
1.4 叶片断裂
搅拌器叶轮为焊接件，基体材料为双相不锈钢，在叶片焊接后，由于焊缝与基体材料热影响区存在着电化学性能的差异，这会使焊缝处产生电化学腐蚀，形成腐蚀坑。在搅拌器工作过程中，叶片的根部焊接处受到残余应力及工作应力的作用，在腐蚀介质中腐蚀坑及焊接缺陷处由于应力集中形成裂纹源，当裂纹扩展到一定程度后，在应力的作用下叶片根部就会产生断裂，如图 1（b）所示。
2 搅拌器叶轮再制造工艺过程
搅拌器叶轮再制造时，主要工艺过程包括：叶轮的原始状况检测、表面着色检测、表面预处理、叶片的仿形堆焊、叶片表面修磨、叶轮的无损检测、叶片表面喷熔 NiCrMo 防腐耐磨合金、叶片表面精修、叶轮动平衡试验、叶片表面预处理、叶片表面喷涂 NiCrMo 防腐耐磨合金及涂层表面封孔处理等，其中比较重要的工序有无损探伤、仿形堆焊和叶片表面喷熔及喷涂 NiCrMo 防腐耐磨合金等。
搅拌器叶片在再制造过程中，在叶片仿形堆焊前后都需对叶片进行无损探伤，检查叶片在仿形堆焊前后是否有裂纹存在，为叶片再制造工艺方案的制定提供依据。对工件表面裂纹缺陷的检查可采用磁粉探伤、荧光探伤及颜色探伤，对工件内部裂纹等缺陷的检查可采用超声波探伤及射线探伤。对于搅拌器叶轮，在实际应用中一般采用荧光探伤或颜色探伤检查其表面裂纹，根据彩色斑点和条纹发现和判断缺陷，使用超声波探伤检查内部裂纹等缺陷，判断缺陷位置和大小。
为保证搅拌器的正常运行，再制造过程中必须恢复叶轮的几何尺寸及形状。叶片仿形堆焊时主要性能指标为堆焊层的强度、韧性及与基体的结合强度，不允许堆焊层出现裂纹、夹渣、气孔等缺陷。在叶片仿形堆焊中应主要考虑合理地选择堆焊层的合金系统及堆焊方法。选择的堆焊金属与母材金属应具有相接近的热膨胀系数，避免堆焊层出现裂纹、夹渣、气孔等缺陷。采用双向不锈钢焊条对双相不锈钢材质的叶轮表面进行堆焊可以使得堆焊合金与基体金属之间的匹配达到最大，堆焊合金和基体金属的热膨胀系数和相变温度等热物理性能最接近，极大的提高堆焊的质量[9]。
仿形堆焊方法的选择取决于叶片基体的材质、几何形状及尺寸、损坏部位及严重程度等因素。目前叶片仿形堆焊的方法主要有微弧仿形堆焊及激光仿形堆焊等。激光仿形堆焊由于具有结合强度（a）汽蚀、腐蚀及磨损失效后的叶轮 （b）叶片断裂失效后的叶轮高、热影响区小、基体温度低、叶片热变形小、堆焊层组织细小，适合于碳钢、合金钢、铸铁及多种有色金属等一系列的优点，因此能保证叶片尺寸修复的质量，适合多种基体材质叶片的尺寸修复，但其缺点是设备昂贵、生产效率低。微弧堆焊工艺具有热输入小、焊层与母材冶金结合、焊层的残余应力小、基体变形小、堆焊效率高及生产成本低等独特优点。由于叶轮基体材质为双相不锈钢，其具有良好的焊接性能，所以可以采用微弧仿形堆焊的方法对搅拌器叶轮进行尺寸修复。图 2 为采用双相不锈钢焊条微弧仿形堆焊后的搅拌器叶轮。
3 叶轮表面的表面改性处理
3.1 叶轮表面改性方法
仿形堆焊是为了恢复叶轮的几何尺寸及形状，满足叶轮正常工作的要求。为了提高搅拌器叶轮的使用寿命，需对叶轮进行表面改性处理。这些表面处理方法主要有：物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）、离子注入、激光热处理、电子束技术、电镀、刷镀、化学镀、热喷涂技术、堆焊、粘涂技术等，其中热喷涂及热喷熔技术由于具有工艺方法灵活、施工方便、材料选择范围广、防腐耐磨性能优良等特点更适合搅拌器叶轮的表面改性处理。
在搅拌器叶轮表面改性处理中，可采用的热喷涂工艺主要包括：火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、超音速火焰喷涂、亚音速火焰喷涂及火焰喷熔等工艺，其中超音速火焰喷涂、亚音速火焰喷涂及火焰喷熔工艺最具有应用前景。超音速火焰喷涂所制备的涂层结合强度高、孔隙率低、涂层防腐耐磨性能优良，由于在超音速火焰喷涂过程中火焰喷射速度快，粒子在空中飞行时间短，可显著降低其它工艺方法所伴随的粒子在空中飞行中的氧化脱碳现象，因此尤其适合于 WC-Co 等碳化物金属陶瓷复合涂层的制备，但超音速火焰喷涂设备复杂、昂贵、噪音大、涂层制备成本高。火焰喷熔工艺具有设备简单、施工方便及涂层厚度范围大的特点，并且火焰喷熔层与基体为冶金结合、无气孔，其涂层具有很好的耐磨防腐性能，适合于自溶性合金喷熔层的制备，但在搅拌器叶轮喷熔时应防止叶片产生变形。亚音速火焰喷涂不仅具有喷涂设备简单、施工方便、成本低的优点，并且涂层性能明显地优于一般的火焰粉末喷涂与线材喷涂，可望在搅拌器叶轮表面改性处理中得到广泛的应用。
3.2 涂层材料的选择
在表面改性处理中，涂层材料的选择主要取决于叶轮的工况及失效机理，虽然叶轮的失效型式主要有汽蚀、腐蚀、磨损及叶片断裂，但叶片的汽蚀是其最主要的失效型式，因此，在搅拌器叶轮的表面改性处理中，应首先考虑提高叶片涂层的抗汽蚀性能。在抗汽蚀热喷涂涂层材料中，自熔性合金及WC-Co 金属陶瓷复合涂层材料得到了广泛的应用，最常用自熔性合金有镍基和钴基合金[10]。钴基合金涂层以其优良的抗汽蚀性而著称，但钴在我国属稀缺资源，价格相对较昂贵，因此钴基合金的使用受到一定的限制；镍基合金涂层具有较好的抗汽蚀性和良好的工艺性，是热喷涂材料中最早实现系列化和商品化的粉末之一。本文根据搅拌器叶轮的工况及汽蚀失效机理，设计及制备了 NiCrMo 自熔性合金氧乙炔火焰喷熔层。
WC-Co 是由 WC 陶瓷硬质相及 Co 金属粘结相组成的金属陶瓷复合涂层材料，其中 WC 具有极高的硬度、强度、弹性模量和导热系数，耐磨性能极高，Co 具有一定的韧性，其抗疲劳性能较好，是金属中抗汽蚀性能较优良的金属之一，因此 WC-Co 金属陶瓷涂层具有优良的抗汽蚀性能，成为近年来应用研究的一个重点[11-12]。目前研究表明 WC 颗粒的尺寸从微米级（1~10μm）降低到亚微米级（<0.4μm）时，硬质合金的硬度和强度分别增大到 93HRA 和4000MPa 以上。亚微米的 WC-Co 硬质合金则有比传统硬质合金更高的硬度和断裂韧度，耐磨性更加优越，因而亚微米的 WC-Co 涂层可望比普通的WC-Co 涂层具有更优良的抗汽蚀性能[13-15]。
为了评价 NiCrMo 合金喷熔层及 WC-Co 涂层的抗汽蚀性能，本文采用超音速火焰喷涂（HVOF）工艺制备了普通微米结构 WC-12Co 和亚微米结构图 3 为氧乙炔火焰喷熔制备的 NiCrMo 合金喷熔层，超音速火焰喷涂 （HVOF） 制备的微米WC-12Co 和亚微米 WC-12Co 涂层的汽蚀试验曲线，分别以 NiCrMo、微米 WC-12Co 和亚微米WC-12Co 表示。从图 3 中可以看出，微米WC-12Co涂层的汽蚀曲线斜率最大，即其汽蚀率高，抗汽蚀性能差；亚微米 WC-12Co 涂层的抗汽蚀性能明显地优于微米 WC-12Co 涂层。在三种涂层中，NiCr-Mo 合金喷熔层的汽蚀曲线斜率最小，这说明它具有最优良的抗汽蚀性能优异。三种涂层的汽蚀率曲线如图 4 所示，从图 4 中可以看出，微米结构WC-12Co 涂层前期的汽蚀率在 0.4mm3/h 左右，后期的汽蚀率上升至 0.5mm3/h；亚微米结构 WC-12Co涂层的稳定期汽蚀率在 0.4mm3/h 左右，并且亚微米结构 WC-12Co 涂层后期显示了更稳定的汽蚀率 。 NiCrMo 合 金 喷 熔 层 的 汽 蚀 率 稳 定 在0.15mm3/h 左右，只有亚微米结构 WC-12Co 涂层的 35%左右。由此可见，NiCrMo 合金喷熔层具有更优异的抗汽蚀性能。
WC-12Co 涂层，并进行了 NiCrMo 合金喷熔层、微米结构 WC-12Co 和亚微米结构 WC-12Co 涂层的抗汽蚀对比性能试验。
3.3 叶轮表面改性
NiCrMo 喷熔层与基体为冶金结合、无气孔，其涂层不仅具有优良的耐磨性，而且研究表明又具有良好的抗汽蚀性能，因此对于搅拌器叶轮汽蚀较为严重的区域，如叶片正面压力面前缘、背面压力面前缘及叶轮端部，采用了火焰喷熔 NiCrMo 合金工艺，如图 5（a）所示。叶片的其它部位主要受到浆液的腐蚀作用，因此为了提高这些部位的耐腐性能，同时降低涂层的制备成本，采用亚音速火焰喷涂方法制备了 NiCrMo 合金涂层，增强其防腐耐磨性能。
采用亚音速火焰喷涂时，其涂层中会存在一定的孔隙率，为防止腐蚀介质浸入到基材表面及进一步提高涂层的耐腐性能，对叶轮表面刷涂耐腐蚀的高分子陶瓷材料进行封孔处理。
图 5（b）为再制造及表面改性处理后的，使用结果表明：虽然搅拌器叶轮的再制造费用一般仅为新叶片的 30%~40%，但其防腐耐磨性优于新叶轮，因此具有显著的经济效益和社会效益。
4 结论
（1）搅拌器叶轮的失效型式主要有汽蚀、腐蚀、磨损及叶片断裂，但叶片的汽蚀是其最主要的失效形式。
（2）对于失效的搅拌器叶轮，采用微弧仿形堆焊能有效恢复叶轮的尺寸及形状，满足叶轮强度及韧性要求。
（3）与超音速火焰喷涂（HVOF） 制备的微米WC-12Co 和亚微米 WC-12Co 涂层相比，氧乙炔火焰喷熔制备的 NiCrMo 合金喷熔层具有更优良的抗汽蚀性能，其汽蚀率只有亚微米结构 WC-12Co涂层的 35%左右。
（4）搅拌器再制造费用一般仅为新叶片的30%~40%，但其防腐耐磨性优于新叶轮，因此具有显著的经济效益和社会效益。
参考文献略
本站文章未经允许不得转载；如欲转载请注明出处，北京桑尧科技开发有限公司网址：http://www.sunspraying.com/
|
