（船舶与海洋工程专业论文）表面工程技术在脱硫装置浆液循环泵叶轮中的应用研究.pdf

- 0 _ 卜 ， ，、 一 0 独创性声明 !i|i iii rlr lf l l ll rlfl lfillu。llhiifr l l l l l y 18 8 0 8 5 1 本人声明，所呈交的论文是本人在导! i 币指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学和其它教育机构的学位和证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了感谢。 签名：幽日期：乏趟 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段 保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师龋避 日期：坦! ! 尘：么 k ， ，- t h _ 和 武汉理1 ：入学硕士学位论文 摘要 我国是燃煤大国，煤炭的使用量占一次能源的7 5 以上。燃煤会排放大量 的二氧化硫，对环境造成严重的污染。火电厂的烟气排放需进行脱硫，我国主 要采用石灰石石膏湿法脱硫工艺( w f g d ) 。在w f g d 装置中，吸收塔浆液循 环泵叶轮是关键设备，它的价格昂贵，输送的浆液中含有石膏固相物和高含量 的氯离子，对叶轮造成严重的磨损和腐蚀。由于叶轮的使用寿命短、价格昂贵， 如何快速修复已损坏叶轮、提高其使用寿命已受到广泛关注。 叶轮的损坏只在表面形成，将表面工程技术应用到浆液循环泵叶轮的制造 中，可以提高叶轮的防腐耐磨性能，延长新件使用寿命；对于已损坏叶轮，可 应用表面工程技术进行修复，使叶轮重新投入使用。表面工程技术降低了再制 造的成本，提升了再制造产品的性能。 本文针对浆液循环泵叶轮的工况、不同材质、结构及使用状况，设计并制 备了n i 5 5 a m o 喷熔层、w c 1 2 c o 超音速火焰喷涂层及高分子陶瓷复合材料胶结 层。分别进行了涂层的冲蚀、磨损、腐蚀和汽蚀试验，测试了涂层的防腐耐磨 性能，在此基础上，根据涂层制备成本和生产效率，优化了各类涂层的结构及 其制备工艺。 试验研究表明，超音速火焰喷涂制各的亚微米w c 1 2 c o 涂层硬度大、耐摩 擦磨损和耐冲蚀性能好，汽蚀性能优异，涂层的厚度可控性好，适用于新件叶 轮表面进行强化；氧乙炔火焰喷熔制备的n i 5 5 a m o 喷熔层硬度较高，耐磨损和 耐汽蚀性能优良，并且有优异的耐氯离子腐蚀能力，适用于双相不锈钢材质叶 轮的修复及强化；高分子陶瓷材料胶结涂层中，t c 0 2 的性能最为优异，适用于 修复高铬合金钢等脆性材质的叶轮。 实际使用表明，超音速火焰喷涂亚微米w c 1 2 c o 涂层的叶轮新件可提高寿 命2 倍以上；高分子陶瓷复合材料修复的叶轮寿命比原工艺修复的叶轮提高5 0 以上；火焰喷熔n i 5 5 a m o 合金涂层的叶轮已使用9 个月，设备运行良好。这些 涂层技术的应用对叶轮的修复及强化达到了经济、快捷、防腐耐磨的效果。 关键词：叶轮，表面工程，氧乙炔火焰喷熔，超音速火焰喷涂 一ilii， 0 、0 ， k 峰 h | ， 0 武汉理1 ：大学硕+ 学位论文 a b s t r a c t c h i n ai sac o a l f i r e dc o u n t r y , c o a lu s ea c c o u n t sf o rm o r et h a n7 5 o fp r i m a r y e n e r g y c o a lw i l le m i tl a r g eq u a n t i t i e so fs u l f u rd i o x i d e ，c a u s i n gs e r i o u sp o l l u t i o nt o t h ee n v i r o n m e n t t h e r m a lp o w e rp l a n tf l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o ne m i s s i o n s ，c h i n a m a i n l yu s e sl i m e s t o n e g y p s u nw e tf g dt e c h n o l o g y ( w f g d ) i nw f g ds y s t e m ， t h ea b s o r b e rs l u r r yc i r c u l a t i n gp u m pi m p e l l e ri st h ek e yd e v i c e ，i ti se x p e n s i v e ， d e l i v e r e ds o l i dp h a s eg y p s u ms l u r r ya n dh i g hl e v e l so fc h l o r i d ei o n s ，c a u s i n gs e r i o u s w e a ra n dc o r r o s i o nt ot h ei m p e l l e r s h o r tl i f e ，e x p e n s i v ec o s to ft h ei m p e l l e r , a n dh o w t oq u i c k l yr e p a i rt h ed a m a g e di m p e l l e r , i m p r o v i n gi t ss e r v i c el i f eh a sa t t r a c t e d w i d e s p r e a da t t e n t i o n i m p e l l e rd a m a g eo n l yh a p p e n e do nt h es u r f a c e , u s i n gs u r f a c ee n g i n e e r i n g t e c h n o l o g yt ot h em a n u f a c t u r eo fs l u r r yc i r c u l a t i n gp u m pi m p e l l e r , c a ni n c r e a s ei t s c o r r o s i o na n dw e a l r e s i s t a n c e ，e x t e n di t ss e r v i c el i f eo fn e w p i e c e s f o rd a m a g e d i m p e l l e r , i tc a nb ea p p l i e dt or e p a i rt h ei m p e l l e rb a c ki n t ou s eb ys u r f a c ee n g i n e e r i n g t e c h n o l o g y , s u r f a c ee n g i n e e r i n gt e c h n o l o g yr e d u c e st h ec o s to fr e m a n u f a c t u r i n g , a n dg e t sb e t t e rp e r f o r m a n c eo ft h er e m a n u f a c t u r e dp r o d u c t s t h i sp a p e rt a k e nd i f f e r e n tm a t e r i a l s ，s t r u c t u r e sa n dc o n d i t i o n so ft h es l u r r y c i r c u l a t i n gp u m pi m p e l l e ri n t oa c c o u n t , d e s i g n e da n dp r e p a r e dn i 5 5 a m ot h e r m a l s p r a y i n ga n df u s i n gc o a t i n gw c - 12 c oh v o fc o m i n g ，a n dp o l y m e rc e r a m i c c o m p o s i t el a y e rc o a t i n g r e s p e c t i v e l yt e s t e de r o s i o n ，w e a r , c o r r o s i o na n dc a v i t a t i o n o ft h ec o a t i n g , t h er e s i s t a n c eo ft h ec o a t i n gw e r et e s t e d b a s e do nt h ec a p a b i l i t yo ft h e c o m i n g ，o p t i m i z e dt h es t r u c t u r ea n dp r o d u c t i o np r o c e s so f d i f f e r e n tc o a t i n gb yt a k i n g i t sc o s ta n dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c yi n t oa c c o u n t e x p e r i m e n t a ls t u d i e sh a v es h o w nt h a th v o fp r e p a r e ds u b - m i c r o nw c - 12 c o c o a t i n gh o l d sh i g hh a r d n e s s ，f r i c t i o nw e a r ，c a v i t a t i o na n de r o s i o nr e s i s t a n c ea b i l i t y , c o a t i n gt h i c k n e s sc o u l db ec o n t r o l l e d ， a n di se x p e c t e dt ob eu s e di ns t r e n g t h e n i n gt h e n e wi m p e l l e r ；o x y g e n - a c e t y l e n ef l a m es p r a y - f u s i n gp r e p a r e dn i 5 5 a m ot h e r m a l s p r a y i n ga n df u s i n gc o a t i n gh o l d sw e l lh a r d n e s s ，f r i c t i o nw e a l a n dc a v i t a t i o ne r o s i o n r e s i s t a n c ec a p a c i t y , a l s oh a se x c e l l e n te r o s i o nr e s i s t a n c ei nc h l o r i d ei o n s ，a n di s s u i t a b l ef o rr e p a i r i n ga n ds t r e n g t h e n i n gd u p l e xs t a i n l e s ss t e e li m p e l l e r ；t c 0 2i sm o s t 0 町 k j i i i 卜l l l 奄 一 2 1 1 浆液循环泵叶轮的工作原理及结构1 1 2 1 2 浆液循环泵叶轮的材质1 2 2 2 浆液循环泵叶轮的失效机理1 4 2 2 1 浆液循环泵叶轮的工况1 4 2 2 2 浆液循环泵的腐蚀1 4 2 2 3 浆液循环泵叶轮的冲蚀磨损1 6 2 2 4 浆液循环泵叶轮的汽蚀1 6 2 3目前浆液循环泵叶轮表面耐磨耐腐蚀涂层的研究状况1 7 2 3 1 堆焊修复1 7 2 3 2 刷涂高分子材料法1 8 2 4 本章小结1 9 第3 章叶轮表面涂层设计及其制备工艺2 0 3 1 叶轮表面涂层材料的选择2 0 3 1 1 叶轮新件的强化方案2 0 3 1 2已损坏叶轮的修复方案2 2 3 2 试样的制备工艺2 5 3 2 1 喷涂前的准备工作2 6 3 2 2 试样的制备工艺2 7 i v 1 1 3 4 6 8 9 9 o o 1 l 一 一 一 一 一 一 一犬 一 ； k 武汉理t 大学硕士学位论文 3 4 本章小结2 8 第4 章浆液循环泵叶轮涂层的性能研究。2 9 4 1 涂层的抗冲蚀性能研究2 9 4 1 1 冲蚀试验方案2 9 4 1 2 冲蚀试验结果及分析3 0 4 1 3 试样冲蚀机理分析3 1 4 2 涂层的耐摩擦磨损性能研究3 3 4 2 1 试验仪器3 4 4 2 2 试验样品3 5 4 2 3 试验方法3 5 4 2 4 试验结果及分析3 7 4 3 涂层的耐腐蚀性能研究4 0 4 3 1电化学腐蚀测试方案4 0 4 3 2电化学测试结果及分析4 1 4 4 涂层的抗汽蚀性能研究4 2 4 4 1 汽蚀产生原理4 2 4 4 2 汽蚀试验装置4 3 4 4 3 汽蚀试验方案4 3 4 4 4 汽蚀试验结果分析4 5 4 5 本章小结4 7 第5 章叶轮防腐耐磨涂层的工程应用4 9 5 1 叶轮新件表面强化4 9 5 2 双相不锈钢叶轮修复5 0 5 3 高铬合金叶轮修复5 2 5 4 本章小结5 3 第6 章结论5 4 6 1 本文结论5 4 6 2 对今后工作的建议5 4 参考文献5 6 致谢6 0 v k u 武汉理t 大学硕士学位论文 第1 章绪论 。 1 1选题的目的和意义 u k - - 二氧化硫污染是低浓度、长期性的污染，它的存在对自然生态环境、工农 业生产、人类健康、材料及建筑物等许多方面都造成了危害。二氧化硫对人体 健康的影响主要是由呼吸道系统进入人体，与呼吸器官作用，引起或加重呼吸 器官的疾病。 中国是燃煤大国，煤炭约占消耗一次能源总量的7 5 。根据环境状况评估 报告，我国燃煤排放的二氧化硫已经连续多年超过2 0 0 0 万吨，成为世界上第一 排放大国。由于火力发电燃煤产生了大量的二氧化硫，使得二氧化硫的危害显 得尤为严重。 由于二氧化硫的污染同趋严重，二氧化硫排放引起的酸雨及城市空气污染 引起了全社会的密切关注与高度重视，国家逐步出台一系列控制和减少工业二 氧化硫排放的法律法规，经过了十几年的努力，我国已初步建立起一整套防治 酸雨和二氧化硫污染的法律法规标准体系，“十一五期间，国家颁布了现有 燃煤电厂二氧化硫治理“十一五规划，对烟气脱硫提出严格要求，企业大规 模引进脱硫技术，烟气脱硫产业快速发展，到2 0 1 0 年，现有燃煤电厂二氧化硫 排放总量由2 0 0 5 年的1 3 0 0 万吨下降到5 0 2 万吨，下降了6 1 4 t 。全国近五 成火电机组装备了脱硫设施，其中在大型机组中石灰石( 石灰) 石膏湿法烟气 脱硫技术得到了广泛的应用。 石灰石石膏湿法烟气脱硫系统中，吸收塔的浆液循环泵是关键设备，它的 运行状况直接关系着整个系统正常与否。该泵是一种大型设备，造价昂贵，对 浆液循环泵的运行状态、设备可靠性、检修维护的方便性及设备的使用寿命等 要求很高【5 6 j 。浆液循环泵所处的工况极其恶劣，输送的介质中含有石膏固相物 及高含量氯离子，对叶轮造成严重的磨损和腐蚀，叶轮长期经受着石灰浆液的 冲蚀磨损和腐蚀，一般运行4 个月叶轮就需要更换。 在浆液循环泵长时间的运行过程中，叶轮表面会受到磨损、气蚀、腐蚀等 破坏，叶片会逐渐磨薄、产生腐蚀坑，甚至出现缺口。这些坑和缺口会慢慢扩 大造成结构性破坏，同时严重降低泵的运行效率，最终导致叶轮报废。叶轮表 武汉理工大学硕十学位论文 面的腐蚀坑增大了浆液过流时的阻力，叶片缺口会产生大量的涡流，使流量下 降，消耗能量，如图l - 1 所示： 图1 1 浆液循环泵叶轮的腐蚀情况 由于浆液循环泵所处的工况极其恶劣，制作材料特殊，造价昂贵且使用寿 命短，如果是进口叶轮要3 0 万以上，国内生产的也要1 0 - - - 2 0 万左右。最初浆液 循环泵叶轮的修复工艺，都是采用的堆焊的方式。利用特种耐磨耐腐蚀焊材， 手工堆焊修复浆液循环泵过流部件汽蚀、磨损、腐蚀坑等缺陷，使之恢复原有 尺寸。但是传统的堆焊方法有个致命的弊端，那就是容易引起爆裂( 如下图) ， 并且焊接处的耐腐蚀能力差，使用寿命很短，这样就大大降低了修复的可行性 和实用性。 图1 2 叶轮堆焊修复后产生爆裂 制作浆液循环泵叶轮的材料一般都是双相不锈钢，其造价昂贵，常规更换 方式费用高，周期长，会影响整个系统的正常运行。 表面工程技术应用范围广，可以对浆液循环泵叶轮新件作表面防腐耐磨处 理，增强新件的防腐耐磨性能，延长第一次的使用期限；对于投入使用后损坏 的叶轮，可以用表面工程技术恢复尺寸，然后再对表面做防腐耐磨处理，强化 2 武汉理- j ：人学硕+ 学位论文 叶轮的性能，使之能够重新投入使用。 将现代表面工程技术应用于损坏的叶轮、护板、泵壳体的防腐耐磨处理， 可以延长设备的使用寿命，缩短维修周期，节约其维修和运行成本，在工程应 用中有广泛的发展前景。 1 2 表面工程技术 表面工程技术是表面处理、表面改性及表面涂( 镀) 层的总称，它是再制 造的关键技术之一，是经表面预处理后，通过表面改性、表面涂覆或多种表面 工程技术的复合处理，改变固体金属或非金属表面形态、组织结构、化学成分 和应力状态等，以获得所需表面性能的系统工程。表面工程是多个学科交叉、 综合发展起来的新兴学科，它以的研究核心是“表面 ，在相关学科理论的基础 上，根据零件的表面失效机制，通过应用各种表面工程及复合技术，逐步形成 了与其他学科密切相关的表面工程基础理论【7 ，8 】。 表面工程技术最大的优势是能够以多种方法制备出比本体材料性能更优的 表面功能薄层，赋予零件防腐蚀、耐高温、抗疲劳、耐磨损、防辐射等性能， 这层表面功能薄层与制作部件的基体材料相比，其面积小，厚度薄，却承担了 工作部件的主要功能。另外，表面工程技术也可以改变零件表面的导热性、传 热性、绝缘性、导电性、导磁性、反光性及摩擦系数等性能。表面工程应用在 国家的节能、节材“十一五 规划中作为重大措施之一，被列为节能、节材示 范项目，材料的表面改性技术被列于国家自然科学基金“十一五 的优先资助 领域。表面工程以其显著的作用和重要地位，使许多先进的表面工程技术和它 的基础理论研究被列入了国家“9 7 3 项目，国家重点科技攻关项目，国家重点 技术创新项目等。美国商务部经分析认为：表面工程技术将同计算机技术、生 物技术、新材料技术、自动化及传感技术、医学技术、电子技术等七项技术将 成为主导2 1 世纪发展的关键技术。 表面工程具有学科的综合性、手段的多样性、很强的实用性、潜在的创新 性、广泛的功能性、环境的保护性及巨大的增效性等特点，在各行各业受到重 视，其产生的经济效益更令人瞩目。目前，我国表面工程技术门类齐全，部分 表面技术的材料、设备及工艺已经达到国际先进水平。据不完全统计，我国自 第六个五年计划以来，运用表面工程技术在设备维修领域和制造领域推广应用， 已经取得了几千亿元的经济效益。 3 武汉理j ：人学硕十学位论文 当前表面工程技术的发展非常迅速，也非常活跃，其原因是：第一，现代 工业的发展要求机电产品可以在高压、高温、重载、高速以及腐蚀介质与恶劣 工况下可靠而持续地工作，表面工程为实现这些要求提供了技术支持第二， 相关科学技术地发展为表面工程提供了理论和技术支撑如高分子材料与纳米 材料的发展，电子束、离子束、激光束三种高能量密度热源的实用化等，都大 大拓宽了表面工程的应用领域，使表面工程技术的功能更为丰富，表面处理的 质量进一步提高第三，运用表面工程技术可以大量节约资源、能源，体现出 科技尽快转化为生产力的要求，符合我国的可持续发展战略。 表面工程技术的范围十分广泛，包括表面改性技术、表面涂层技术和表面 薄膜制备技术。其中比较活跃的表面工程技术大概有1 3 类，分别是：电镀、化 学镀、热渗镀、涂装、化学转化膜、堆焊、热喷涂、气相沉积、表面彩色、激 光束改性及表面热处理、离子束改性及表面热处理、电子束改性及表面热处理、 形变强化和衬里。 1 2 1 热喷涂技术 热喷涂技术是利用特定热源( 如火焰、电弧等离子体等) 将某种粉末状或 线状喷涂材料加热至熔融或半融化状态，并借助自身动力或外加气流将熔滴加 速，以一定速度喷射到工件表面形成涂层的工艺方法。涂层具有防腐耐磨、耐 高温和隔热等显著性能，并能对腐蚀、磨损或加工误差所引起的零件尺寸减小 进行修复。热喷涂技术的主要应用包括：机械修复、零件长效防腐及先进制造 技术、模具制作及修复、制造特殊功能的涂层等四个方面。目前，热喷涂技术 已经广泛应用于几乎所有的工业领域及家庭用品( 如红外线保健电热器、不粘 锅等) 。 在2 0 世纪末，热喷涂技术得到推广使用，其发展十分迅速。到2 0 世纪末， 应用最广泛的是等离子喷涂；进入2 1 世纪之后，由于高速火焰喷涂( h v o f ) 的迅速发展，逐渐占据了热喷涂技术的主导地位；电弧喷涂技术由于其经济性 好、涂层性能比火焰喷涂层优越，也占据了一定的市场比例。 热喷涂技术可在普通基材表面上，获得具有耐蚀、耐磨、耐高温、抗氧化、 隔热、绝缘、导电、润滑、减摩、防辐射及其它特殊的化学、物理性能的涂层。 热喷涂技术凭借该优势在重大材料科学课题中逐渐确立了自己的地位。在近2 0 多年里，热喷涂技术作为一种新的表面防护与强化工艺得到了迅猛的发展。其 4 武汉理j ：人学硕十学位论文 实用技术也由早期制备一般的装饰性与防护性涂层发展到包括表面预处理、产 品失效分析、喷涂材料及设备的选择、涂层系统设计和涂层后加工等在内的热 喷涂系统工程，目前热喷涂技术己形成了材料表面科学领域中的一个十分活跃 的独立学科。热喷涂技术根据其热源的不同可分为：火焰喷涂( 粉末火焰喷涂、 丝材火焰喷涂、爆炸喷涂及超音速火焰喷涂) 、等离子喷涂、电弧喷涂和激光喷 涂等9 , 1 0 】。 热喷涂技术与其它表面技术相比，有自身的特点： ( 1 ) 热喷涂材料选择的范围广泛，几乎包括了所有的固体材料。 ( 2 ) 一般不受施工场所的限制，既能室内喷涂，又可以现场施工。 ( 3 ) 通过选择合适的工艺方法几乎能在任何固体材料表面上进行喷涂，这 是其它表面技术无法实现的。 ( 4 ) 可以自主选择对工件进行大面积喷涂或局部喷涂。 ( 5 ) 热喷涂的生产率高，涂层厚度可以控制在几十微米和几毫米范围内， 涂层表面平整、光滑、加工余量少。 ( 6 ) 对废旧件采用热喷涂工艺修复，可以实现零件的在制造，并获得比新 件更高的性能和使用寿命。 ( 7 ) 除喷熔外，热喷涂工艺对基体材料的热影响小，不会改变基体金属的 金相组织和机械性能。 随着热喷涂的不断发展和完善，已经得到了广泛的应用，它近年来的发展 趋势和特点是： ( 1 ) 超音速火焰喷涂技术得到广泛应用； ( 2 ) 采用热喷涂技术修复与强化大型关键设备； ( 3 ) 气体爆燃式喷涂进一步得到应用； ( 4 ) 高速、自动氧乙炔火焰喷涂技术迅速发展： ( 5 ) 热喷技术应用于化工防腐工程； ( 6 ) 应用激光重熔技术； ( 7 ) 大面积长效防护技术得到广泛应用，将长期暴露在户外大气中的钢铁 结构件采用热喷涂技术实行阴极保护，进行长效大气防腐。 目前，热喷涂技术在军事、电力、水利、建筑、化工、生物、环保等众多 工程领域得到了日益广泛的应用。热喷涂技术应用于电力系统中，对引风机、 排粉机、锅炉管道、轴类零件等进行长效保护，取得了良好的效果。 总之，热喷涂技术以其巨大的技术经济效益，已经引起了人们广泛的关注， 5 武汉理1 j 大学硕士学位论文 在包括各个尖端技术部门在内的许多工业领域都得到了应用，其应用深度和广 度还在继续发展。在修复及强化浆液循环泵叶轮的工艺中比较常用的是超音速 火焰喷涂和氧乙炔火焰喷熔等。 1 2 2 几种常用的热喷涂方法 热喷涂技术目前还没有标准的分类方法，目前一般是按照热源来分类，可 以分为气体燃烧火焰法、激光热源法、电热法和气体放电法。其中，激光热源 法可以分为激光喷熔和激光喷涂法，电热法可以分为高频喷涂和线材电爆喷涂； 气体放电法又可以分为电弧喷涂法、等离子喷熔和等离子喷涂法；气体燃烧火 焰法是比较常用的一种热喷涂方法，按照材料的不同可以分为粉末火焰喷涂法、 棒材火焰喷涂法以及线材火焰喷涂法，另外，这里将要重点介绍的超音速火焰 喷涂法和粉末火焰喷熔法也属于气体燃烧火焰法。 1 2 2 1 火焰粉末喷熔 火焰粉末喷熔是利用氧乙炔焰作热源，用专用喷枪把合金粉末加热到熔化 状态后喷到经预处理的零件表面上，再用火焰使涂层重新熔化后熔焊在零件表 面上的工艺。适用于各种机械零件的表面强化，能有效提高零件的耐腐蚀、耐 磨和耐热性能，既可以用于旧件的修复，又可用于新品的制造。 重熔是火焰粉末喷熔中关键的一步，无论是在喷涂过程中或是在涂层形成 后，重熔过程都是采用火焰对涂层直接加热，使涂层再次熔融，在金属表面重 新结晶的过程。产生重熔过程的基本条件，一是火焰温度和加热的作用，二是 涂层材料在熔融状态下的自熔性和对金属基材表面良好的湿润性。重熔可以消 除喷熔层的气孔和氧化物夹渣，经过重新结晶过程，涂层形成均质的合金组织 结构，喷熔层与基材形成冶金结合，大幅度提高了结合强度。 氧乙炔火焰喷熔的涂层有如下特点： ( 1 ) 组织结构为焊态的均质合金组织，有树枝状的结晶； ( 2 ) 喷熔层与基体的结合为冶金结合，其结合强度大于3 0 0 m p a ； ( 3 ) 一般情况下，喷熔层无孔隙、无氧化物夹渣。 火焰粉末喷熔技术主要适用与各种机械零件的表面强化，提高零件的耐磨、 耐腐蚀和耐热性能，既可以用于旧件的修复，又可用于新品的制造。 6 武汉理t 大学硕十学位论文 1 2 2 2 超音速火焰喷涂 超音速火焰喷涂( h v o f ) 是自等离子喷涂之后热喷涂技术的又一重大进步。 h v o f 技术制备的涂层孔隙率非常低，其组织均匀，具有优良的防腐性能。h v o f 技术中，喷涂枪可以产生稳定和高速的火焰热源，它的设计依据了空气动力学 及燃烧学的理论，主要由三部分组成：在燃烧室里燃料与氧气充分混合并燃烧； 喷嘴的功能是将焰流加速到超音速；等截面的长喷管的设计使喷涂材料粒子在 喷管内充分加热加速 1 l a 2 j 。例如，型号为j p 5 0 0 0 的h v o f 的工作原理为：作为 燃料的液体煤油进入燃烧室内，经雾化处理与氧气充分混合并点燃，在燃烧室 内发生剧烈膨胀，此膨胀气体迅速流经喷嘴，在喷嘴的约束下形成超音速的高 温焰流，喷涂材料的粒子在高温焰流环境下加热，并同时被超音速焰流加速后 喷出，图1 3 为超音速火焰喷涂喷枪结构原理图。粒子在超音速焰流中飞行后撞 击到基体表面形成的涂层致密，结合强度高。h v o f 热喷涂工艺方法的两个最重 要特征是：高速和相对较低的温度。高速可使颗粒获得很高的动能，并且氧化 暴露时间较短；较低的温度使得粒子温度不会过高而氧化，有效抑制了颗粒的 烧结长大及第二相的形成。 氧气 火花塞 爆油 拎却水入口 图1 3h v o f 喷枪结构原理图 h v o f 的主要特点： ( 1 ) 火焰与喷涂粒子速度极高，冲击能量大； ( 2 ) 粉粒在火焰中加热时间长，长枪管设计及喷涂粉末的特殊供给方式使 粉末在火焰中停留时间长，能均匀的受热熔融，产生集中的喷射束流； ( 3 ) 粉末离开喷嘴之后高速飞行，熔粒与大气接触时间短，因而几乎不与 大气发生反应。对于喷涂碳化物( 如w c c o 粉末) 材料时，可避免材料的分解 7 武汉理j ：人学硕十学位论文 与脱碳； ( 4 ) 喷涂粉末的粒径一般为5 4 5 9 m ，可以获得表面光滑的涂层； ( 5 ) 涂层致密，结合强度高，孔隙率可以小于o 1 ，涂层结合力可大于 1 0 0 m p a ； ( 6 ) 气体消耗量很大，目前喷枪所消耗的气体远大于一般火焰喷涂； ( 7 ) 喷涂时噪音大。 超音速火焰喷涂技术被广泛应用于制备碳化物( w c 1 2 c o 、c r 3 c 2 ) 涂层和 耐磨耐腐蚀涂层。 1 2 3高分子陶瓷材料胶结技术 胶结技术指的是高分子聚合物与特殊基料( 如石墨、金属粉末、二氧化钼、 纤维和陶瓷粉末) 组成复合材料粘接剂涂覆于零件表面，实现特定用途( 如绝 缘、抗蚀、保温、导电、耐磨、防辐射等) 的一种表面工程技术。 高分子陶瓷材料胶结技术是以陶瓷材料为基料，配合特殊配方的高分子固 化剂，将两种材料按照一定的比例混合调匀，然后刷涂在待修复的工件表面， 室温下一般2 3 小时之后混合材料就会固化形成胶结涂层。胶结层的形成是依 靠固化剂与基料中的特殊成分产生化学反应，如环氧涂层中的环氧基与固化剂 分子结构中的环氧基氨基产生化学反应，生成网状立体结构的产物，把基料中 的陶瓷颗粒等固定下来，涂层与基体形成物理化学结合。陶瓷基料可以赋予涂 层良好的耐磨耐腐蚀性能，高分子陶瓷材料吸取了陶瓷颗粒与高分子聚合物的 优点，其涂层固化后表面致密性好、平滑光亮、粘接强度较高，具有良好的物 理机械性能、抗腐蚀，且耐磨性能是碳钢和耐磨铸铁的2 8 倍。 高分子陶瓷材料胶结技术有如下特点： ( 1 ) 由于固化剂的作用，使得涂层结合强度较高，耐化学介质性能优异， 陶瓷基料使得涂层具有耐磨性能，防流体冲蚀、防汽蚀的性能优异。 ( 2 ) 胶结施工简单，对使用环境要求不高，投资少，效果明显。 高分子陶瓷材料胶结技术可用于修复和处理由于腐蚀、汽蚀、锈蚀、冲刷、 机械磨损等引起的各种缺陷和故障。 8 武汉理 ：人学硕十学位论文 1 3 本论文的主要工作及研究内容 本论文主要的研究内容有如下几个方面： ( 1 ) 分析浆液循环泵叶轮的不同材质和使用工况，讨论叶轮在复杂的浆液 环境中的失效机理。 ( 2 ) 根据叶轮的失效机理、工作条件以及损坏的程度，选择合理的涂层材 料和制备工艺，制备出相应的涂层。 ( 4 ) 对所设计涂层进行耐磨损性能、耐腐蚀性能、抗冲蚀性能、抗汽蚀性 能等研究，并比较相关不同涂层的性能，为确定最合适的叶轮修复方案和涂层 设计提供依据。 ( 5 ) 通过总结和讨论试验结果，确定最佳涂层设计和制备工艺方案。 1 4 本章小节 本章阐明了课题提出的背景，简述了研究的目的和意义，概述了目前国内 外在浆液循环泵叶轮的修复和防护领域的进展以及存在的问题，并提出了该课 题工作的方向及研究内容。 9 2 1湿法烟气脱硫系统 状 石灰石石膏湿法脱硫系统如图2 1 所示，烟气除尘之后，经过气一气换热器 进入吸收塔；新鲜浆液与空气混合进入吸收塔的浆液循环槽，在浆液循环泵的 作用下，进入喷淋层；烟气在喷淋层中与石灰浆液充分混合，进过一系列的反 应生成石膏；烟气中的二氧化硫被吸收之后，进入除雾器除去水雾，再经过气一 气换热器使温度升高到露点，排入大气【1 3 , 1 4 j 。 石灰浆液在喷淋层与烟气发生反应之后，重新回到浆液循环槽中与新鲜浆 液混合，再由浆液循环泵送入喷淋层，使浆液得到循环使用；循环槽中逐步富 集的石膏达到饱和度后会送往石膏处理站，经加工生成优质的石膏。 浆液循环槽 图2 1 石灰石石膏湿法脱硫系统 在石灰石石膏湿法脱硫装置中，吸收塔浆液循环泵是关键设备，它是整个 吸收塔浆液循环运行的核心。该泵是一种大型设备，价格昂贵，输送的介质既 有石膏固相物，又有高含量的氯离子，这种工况使泵产生严重的磨蚀和腐蚀， 由此泵的使用寿命、运行效率、安全可靠性及检修维护的方便性等方面要求很 高。而浆液循环泵的泵壳内装有一个工作叶轮，它是循环泵中最重要的部件， 容易损坏，需要经常进行修复。 l o i!llj 图2 - 2 a 浆液循环泵叶轮a图2 2 b 浆液循环泵叶轮b 在开泵之前，先使泵壳和吸入管充满液体。叶轮旋转时，充满于叶片之间 通道中的液体在叶轮的带动之下，由于离心力的作用，从叶轮周边甩出叶轮， 然后沿着泵壳的水道向压出管流去。当一部分液体甩出时，在叶轮的吸液口处 产生一定程度的真空，在大气压力的作用下，液体经吸入管流进泵内，这样， 液体即可源源不断地吸入和送出【1 5 1 7 1 。 泵壳作螺旋蜗状，因而泵壳与叶轮之间的液流通道截面逐渐扩大，以使从 通道流过的一部分动能转变为压力能，液体在这种压力能的作用下，便能沿着 输送管道流向目的地。 目前国产的全金属浆液循环泵已经在国内得到了充分应用，它主要采用了 以下几项结构设计： ( 1 ) 浆液循环泵体积庞大，浆液的流量大。采用“后开门结构，在联轴 器部分设置中间节，检修时可以拆卸中间节，留出空间，就可以将整个轴承组 件及叶轮从后部抽出，不需要拆卸进、出口管线。 ( 2 ) 采用前后护板的结构代替传统浆液泵前、后口环，既保证运行效率， 也便于更换。 位置，使泵始终在高效点运 少了轴的振动对密封寿命的 在脱硫系统浆液循环泵叶轮的防腐中，选用合适的材料是一个重要的问题。 工程造价和材料的防腐耐磨性是一对矛盾。发达国家在烟气脱硫系统中常采用 价格高昂的镍基合金，目前我国已采用的耐腐蚀材料有不锈钢、镍基合金、橡 胶衬里等。浆液循环泵叶轮主要采用双相不锈钢或高铬合金钢等材料制造。 烟气中含有大量氯离子，由于温度和p n 的影响，极大的限制了不锈钢的使 用。镍基合金耐腐蚀性能好，且具有良好的加工和焊接性能，无焊缝开裂问题， 但其造价昂贵，成本高。 目前，浆液循环泵按材质可分为金属泵、衬胶泵和陶瓷泵三类。几种泵的 主要差别体现在泵体使用的耐磨耐蚀材料不同，其余部件使用的材料完全相同， 全金属泵的泵体使用的是全金属，衬胶泵的泵体使用的是碳钢加上橡胶衬里。 全金属浆液循环泵的一次性投资约比衬胶泵高2 0 左右，但是全金属浆液循环 泵凭借其材料优势，较好地浆液适应特性，使用寿命长，检修方便，维护费用 低，在湿法烟气脱硫中得到了广泛使用【1 8 , 1 9 。 目前国内的全金属浆液循环泵叶轮的典型材料有以下几种： ( 1 ) c r 3 0 及c r 3 0 a 合金： c r 3 0 是材质比较特殊的高铬合金钢，它的主要成分如表2 1 所示： 表2 1c r 3 0 合金的主要成分及含量( ) c r 3 0 的金相组织为铁素体与碳化物。是高铬系列的铸造合金，硬度高且有 较大的开裂倾向，铸造难度大，需要先进的冶炼、铸造工艺和热处理技术。此 材料尽管硬度较高，脆性较大，但机械加工性能好，采用了优良的化学成份设 计、特殊的铸造和热处理工艺，c r 3 0 材料既有良好的耐磨性，又有良好的耐腐 1 2 武汉理工人学硕+ 学位论文 蚀性能，它是湿法磷酸工业中抗磨蚀、抗腐蚀的优选材料【2 0 。2 2 1 。 c r 3 0 a 是在c r 3 0 的基础上加入n i 和c u 元素，促使合金形成奥氏体相，提 高其抗氯离子腐蚀的性能。c r 3 0 a 金相组织为奥氏体、铁素体、粒状共晶碳化物 和二次碳化物，抗拉强度5 5 4 2 m p a ，硬度可达h r c 3 4 。该材料由于其硬度较高， 耐腐蚀耐磨蚀性能较好，常用于制造浆液循环泵中旋转件叶轮及与其配合的前 耐磨板、后泵盖等零件。 ( 2 ) a 4 9 合金： a 4 9 合金一般用于制造脱硫泵的叶轮和衬板，是高铬合金钢系列，它的主要 成分如表2 2 所示： 表2 2a 4 9 合金的主要成分及含量( ) a 4 9 的主要成分与c r 3 0 a 类似，主要元素铬促使形成铁素体和碳化物相， 增强合金的耐还原性介质的腐蚀能力，洛氏硬度可达h r c 4 3 ，是耐磨蚀耐磨损 耐热合金钢。 ( 3 ) 2 6 0 5 n 双相不锈钢： 2 6 0 5 n 双相不锈钢由于既有较好的耐磨耐腐蚀性能，又有较高的强度与韧 性，故用来制造浆液循环泵叶轮，使用性能优异。它是在2 6 0 5 双相不锈钢的基 础上，将碳的含量降低至0 0 3 以下，同时提高了m o 的含量。m o 元素可以改 进材料的耐腐蚀性能，特别是改进耐点蚀和耐缝隙腐蚀能力，显著提高双相不 锈钢耐孔蚀性能，对钢在低p h 值的高浓度氯化物中有良好的保护性；同时加入 n 元素，可以显著提高奥氏体钢的强度，同时也进一步增强了不锈钢耐点蚀和耐 缝隙腐蚀能力，促进相平衡，消除因m o 含量提高造成材料脆性倾向增大的不利 影响。改进后的材料代号为2 6 0 5 n ，抗孔蚀能力强。2 6 0 5 n 双相不锈钢的主要成 分如表2 3 所示： 表2 32 6 0 5 n 双相不锈钢的主要成分及含量( ) 高铬铸铁也可用于铸造叶轮，此类叶轮硬度大，耐磨性能优良，但是材料 的脆性大，焊接性能很差。 武汉理t 大学硕士学位论文 综上所述，目前国内使用的叶轮一般主要是高铬合金钢或者双相不锈钢材 料制作的，不同的叶轮制作材料使得叶轮在修复和表面处理的时候，需要使用 不同类型的修复材料和工艺方法。 2 2 浆液循环泵叶轮的失效机理 浆液循环泵叶轮一般主要采用双相不锈钢或高铬合金钢等材料制造，浆液 循环泵叶轮的使用寿命取决于材质、结构及使用工况，一般在4 个月至1 年之 间。浆液循环泵是一种大型设备，是石灰石( 石灰) 石膏湿法脱硫的核心设备 之一，价格昂贵，它的安全可靠性以及检修维护便利性要求高。由于叶轮使用 寿命短、价格昂贵，因此如何快速修复已腐蚀及磨损的叶轮、提高其使用寿命 目前已受到广泛的关注。 2 2 1 浆液循环泵叶轮的工况 脱硫装置中浆液循环泵叶轮工作在固、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2 0 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2 0 0 0 0 - 6 0 0 0 0 p p m 之间，p h 值一般在3 5 7 之间【2 3 】。 循环泵输送的介质主要是石灰石或石膏浆液，其中的酸性介质会对零件表 面产生腐蚀。此外，高含量的固体介质中的颗粒以一定的流速流经零件表面时， 会对零件表面产生冲蚀和磨损。腐蚀与磨损等综合作用，损坏了叶轮的几何形 状，导致在运行的时候产生很大的径向跳动，严重影响了循环泵的正常运行， 降低了浆液循环泵叶轮的使用效率及寿命。 2 2 2 浆液循环泵的腐蚀 造成循环泵腐蚀的主要因素是锅炉烟气中的s o ：，s o 。，s o i 一和s o ；一，c i 一 和f 一等酸性物质的化学腐蚀及金属叶轮的电化学腐蚀。石灰浆中的c a c 0 3 ， s i 0 2 ，砧2 0 3 等固体颗粒的磨损也会加剧腐蚀的破坏。经测定，在正常状况下， 湿法烟气脱硫系统中，钢腐蚀率每年可达1 2 5 m m ，而浆液循环泵每年的腐蚀率 达到8m m 2 4 1 。从金属的腐蚀机理上来看，分为化学腐蚀、电化学腐蚀、结晶腐 1 4 它是强电解质，腐蚀过程中有局部腐蚀电流产生，会使金属产生电化学腐蚀。 在金属表面( 尤其是焊缝连接点处) 最容易发生的电化学腐蚀。 叶轮在氯离子浆液中的腐蚀过程主要是由阳极的溶解和阴极的还原构成。 叶轮的金属材料作为阳极，其反应过程为：金属失去电子，以离子形式进入腐 蚀浆液，金属失去的电子留在叶轮基体中： f e + 2 h 2 0 + c l - _ f c 2 + 2h 2 0 + c i 一+ 2 e c u + 2 h 2 0 + c l - 一c u 2 + 2h 2 0 + c i 一+ 2 e 一 阴极的反应过程：氧经过对流或扩散作用到达阴极表面，吸附金属中的剩 余电子，在浆液中生成氢氧根离子： 0 2 + 2 h 2 0 + 4 e 一_ 4o h 一 同时，n i 和c r 元素在溶液中发生水解和溶解反应： n i n i 2 + + 2 e n i p + 2 h 2 0 n i ( o h ) 2 + 2 h + c r - c r 3 + + 3 e c r j + + 3 h 2 0 c r ( o h ) 3 + 3 h + 浆液中的氯离子与金属离子生成氯化物，随着浆液的循环运行，硫酸根离 子生成石膏被运输出浆液循环槽，氯离子则在浆液中逐步富集，对叶轮产生严 重的电化学腐蚀。 ( 3 ) 结晶腐蚀 石灰石脱硫法反应生成的c a s 0 3 或c a