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摘 要：闡述了高速電弧噴涂技術(shù)的原理和工藝特點(diǎn)，指出應(yīng)用高速電弧噴涂技術(shù)解決電站重磨蝕部件的延壽修復(fù)問題，具有重要的實(shí)際意義。
關(guān)鍵詞：電弧噴涂；磨蝕部件；延壽修復(fù)
由于電力行業(yè)的生產(chǎn)特點(diǎn)及系統(tǒng)運(yùn)行的方式，金屬部件的腐蝕與防腐蝕、磨損與防磨損已成為十分突出的矛盾。從某種意義上講，發(fā)電系統(tǒng)可靠性的高低取決于機(jī)組關(guān)鍵部件的抗腐蝕和抗磨損程度，防腐、抗磨問題解決得如何對電力系統(tǒng)的安全性、可靠性及經(jīng)濟(jì)效益都具有舉足輕重的作用。長期以來，廣大科技工作者就此進(jìn)行了不懈地努力，將不同的表面強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用于電站設(shè)備的重磨蝕部件。表面強(qiáng)化技術(shù)對金屬部件表面進(jìn)行改性﹑強(qiáng)化或修復(fù)其尺寸，不僅能使整機(jī)的壽命得以延長，降低整機(jī)的檢修費(fèi)用,有時(shí)還能提高機(jī)組的功能。大量的實(shí)踐證明，電弧噴涂技術(shù)作為表面強(qiáng)化技術(shù)之一，是解決電站重磨蝕部件延壽修復(fù)的一種有效而經(jīng)濟(jì)的先進(jìn)技術(shù)，已引起電力經(jīng)營部門的大力關(guān)注。所以，在對表面涂層性能沒有特殊要求的情況下，可以采用高速電弧噴涂技術(shù)，修復(fù)、強(qiáng)化電站重磨蝕金屬部件，延長其使用壽命，降低發(fā)電成本，對解決電站重磨蝕金屬部件的早期失效問題，具有重要的實(shí)際意義。
1 高速電弧噴涂技術(shù)原理及其特點(diǎn)
1.1技術(shù)原理
電弧噴涂是利用2根連續(xù)送進(jìn)的金屬絲作為自耗電極，在其端部產(chǎn)生電弧作為熱源，用壓縮空氣將熔化了的金屬絲霧化，高速噴射到工件表面形成涂層的一種熱噴涂工藝［1］。高速電弧噴涂在普通電弧噴涂的基礎(chǔ)上采用拉伐爾噴嘴和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，優(yōu)化了噴槍的設(shè)計(jì)，將噴涂粒子的速度提高到超音速，并改變了粒子的霧化效果，提高了涂層質(zhì)量。
1.2技術(shù)特點(diǎn)
高速電弧噴涂改善了霧化效果，增強(qiáng)了氣流對粒子的加速作用，產(chǎn)生了高溫﹑高速﹑均勻細(xì)小的噴射粒子射流，由此所得的涂層結(jié)合強(qiáng)度高﹑孔隙率低﹑表面粗糙度低，比普通電弧噴涂的涂層質(zhì)量和噴涂效率高，使電弧噴涂技術(shù)上升到一個(gè)新階段。
與常規(guī)電弧噴涂、亞音速火焰噴涂相比，高速電弧噴涂涂層具有以下特點(diǎn)［2］：
a. 結(jié)合強(qiáng)度高噴涂不銹鋼絲時(shí)，其涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度高達(dá)60 MPa。普通電弧噴涂結(jié)合強(qiáng)度一般為20～40 MPa，一般火焰噴涂的結(jié)合強(qiáng)度小于20 MPa。
b. 孔隙率低普通電弧噴涂的孔隙率為8%～15%，亞音速火焰噴涂的孔隙率一般大于6%，而高速電弧噴涂的孔隙率僅為1%～2%。
c. 粒子細(xì)小高速電弧噴涂時(shí)，其霧化粒子直徑一般為5μm（不銹鋼），比常規(guī)電弧噴涂的粒子直徑（一般為20～40μm）小3～7倍。
d. 涂層組織均勻致密由于采用高速氣流霧化，產(chǎn)生了高溫﹑高速﹑均勻細(xì)小的噴涂粒子，沉積到基體表面上形成致密、均勻的涂層。
2高速電弧噴涂技術(shù)在電站重磨蝕部件中的應(yīng)用
電站設(shè)備在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速的惡劣條件下工作，其腐蝕和磨損損耗極為可觀，其中大部分又是昂貴的合金金屬材料。長期的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，熱力設(shè)備在運(yùn)行期間，由于腐蝕和磨損而損失的金屬約占設(shè)備原金屬質(zhì)量的8%。此外，由于電力行業(yè)的生產(chǎn)特點(diǎn)及系統(tǒng)運(yùn)行方式，除了造成設(shè)備損壞的直接損失外，給社會(huì)帶來的間接損失更是難以計(jì)算，因而電站設(shè)備的零部件的延壽修復(fù)工作顯得極為重要。
電站重磨蝕金屬部件的修復(fù)通常是在計(jì)劃停機(jī)時(shí)完成，對生產(chǎn)無太大影響，一般噴涂修復(fù)成本僅為更換新件的20%～40%。修復(fù)后電站金屬部件不僅可以重新使用，并且其使用壽命還可以提高到原來的幾倍以上，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，已引起電力經(jīng)營部門的大力關(guān)注，因此，電站主張修復(fù)重磨蝕部件而不更換新件。
2.1超音速電弧噴涂用于電廠鋼結(jié)構(gòu)長久防腐
在金屬表面采用超音速電弧噴涂鋅（或鋁及其合金）進(jìn)行防腐處理，可保證40～60年不生銹，稱為長久防腐。這是目前世界上任何防腐技術(shù)所無法比擬的，美國、德國、法國等工業(yè)發(fā)達(dá)的先進(jìn)國家均采用該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行長久防腐。國內(nèi)對鍋爐承重鋼結(jié)構(gòu)、變電架構(gòu)、輸電鐵塔等重要鋼結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了長效防腐處理，例如秦皇島電廠、灤河電廠等單位的變電架構(gòu)采用高速電弧噴涂鋅鋁合金涂層進(jìn)行防護(hù)，取得了顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
2.2高溫涂層防止鍋爐“四管”爆漏
2003年發(fā)電設(shè)備運(yùn)行可靠性報(bào)告指出，在全國火電300 MW機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)事故中，鍋爐設(shè)備事故約占43.8%。在鍋爐事故中鍋爐的水冷壁管、過熱器管、再熱器管、省煤器管（鍋爐“四管”）的爆漏事故又占據(jù)一大半。鍋爐“四管”爆漏除造成設(shè)備損壞和機(jī)組停運(yùn)外，還增加了電廠臨時(shí)檢修的工作量，因機(jī)組停運(yùn)而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失更是不容忽視。
電站鍋爐 “四管”在沖蝕、磨蝕和高溫同時(shí)作用下，材料表面早期失效是造成發(fā)電廠非計(jì)劃停機(jī)的主要原因，所以，鍋爐“四管”的高溫腐蝕和煙氣沖刷磨損已成為一個(gè)亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。在原有安裝系統(tǒng)上更換失效、損壞的管道的維修費(fèi)用相當(dāng)高，解決這一問題的經(jīng)濟(jì)可行的途徑是使用具有良好熱導(dǎo)性的薄的防磨損、防氧化和防腐蝕的涂層。基于此，用高速電弧噴涂技術(shù)噴涂一種高鉻鎳基合金，對天津大港電廠#3、#4爐的水冷壁進(jìn)行了大面積的防腐治理，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效果和社會(huì)效果。
在電站鍋爐設(shè)計(jì)中，為有效地清除鍋爐受熱面積灰，保證受熱面清潔，傳熱效果良好，在鍋爐的受熱面布置了不同形式、不同種類的吹灰器。華能石家莊分公司投產(chǎn)初期，由于在吹灰器運(yùn)行期間，吹灰次數(shù)頻繁，導(dǎo)致受熱面管壁減薄而爆管。目前，采用高速電弧噴涂技術(shù)，對該廠4臺(tái)鍋爐高溫過熱器的吹灰器附近的管段噴涂一種高耐沖蝕的芯材，近幾年鍋爐從未發(fā)生吹灰器吹薄管壁而引起的鍋爐“四管”爆漏 ［3］。
2.3用于電站風(fēng)機(jī)葉輪
金屬部件的磨損是火力發(fā)電廠除腐蝕以外的另一個(gè)較嚴(yán)重的問題。火力發(fā)電廠排粉風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)常因磨損而影響出力并帶來頻繁地設(shè)備更新、維修，嚴(yán)重影響了機(jī)組運(yùn)行的可靠性。為此，采取了一系列的防磨措施，如合理選型及氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)改善氣流對葉輪的不均勻磨損；加強(qiáng)磨損部位的表面保護(hù)，即強(qiáng)化處理等措施，并且也使用過多種表面強(qiáng)化方法，例如表面堆焊耐磨材料、粘貼陶瓷片、氧乙炔噴焊等，但效果都不十分理想。由于高速電弧噴涂涂層的結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)50 MPa以上［4］，遠(yuǎn)大于涂層克服風(fēng)機(jī)離心力所需要的結(jié)合強(qiáng)度，因此可為排粉風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)葉輪防磨做出貢獻(xiàn)。國內(nèi)采用高速電弧噴涂技術(shù)在風(fēng)機(jī)葉輪上噴涂一層13Cr系列耐磨涂層，提高了葉輪的耐磨性，延長了使用壽命，節(jié)約了檢修費(fèi)用。該項(xiàng)技術(shù)已在江西新余電廠、遼寧鐵嶺電廠等單位推廣使用，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益［5］［6］。
2.4用于汽輪機(jī)葉片抗水蝕耐磨
葉片是汽輪機(jī)的心臟，也是事故最多的關(guān)鍵部件。它的安全可靠直接關(guān)系到汽輪機(jī)和整個(gè)電站的安全和滿發(fā)。工作在濕蒸汽環(huán)境下的汽輪機(jī)末幾級(jí)葉片常受水質(zhì)點(diǎn)的水擊、水蝕；水、汽合在一起又是造成腐蝕的根源。對于沖蝕、水蝕較嚴(yán)重的末幾級(jí)葉片，以往常采用釬焊硬質(zhì)合金的方法進(jìn)行修復(fù)。這種方法因技術(shù)難度大，工作量大而受到一定的限制。業(yè)已證明，采取表面處理方法，在葉片表面加上保護(hù)涂層，提高材質(zhì)的特定的性能，達(dá)到防水蝕、耐磨、抗微振的目的，是減輕葉片損傷的有效的防護(hù)方法之一。
近年來, 隨著超音速電弧噴涂技術(shù)的迅速發(fā)展，涂層的硬度和結(jié)合強(qiáng)度更高，特別是涂層的孔隙率更低(<2%) 、氧化物含量更低。參考文獻(xiàn)［7］報(bào)道，防護(hù)層的抗腐蝕性與孔隙率、氧化物含量有關(guān)。孔隙率愈低，氧化物含量愈少，其抗腐蝕性愈好。采用高速電弧噴涂或與堆焊聯(lián)合使用，在葉片表面生成一層與基體結(jié)合牢固的抗磨耐蝕防護(hù)涂層，獲得了較好的防護(hù)效果。
2.5新能源領(lǐng)域的應(yīng)用
垃圾焚燒發(fā)電的整套裝置通常由垃圾焚燒爐、余熱鍋爐、發(fā)電或熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、灰渣處理和煙氣凈化系統(tǒng)聯(lián)合組成。由于垃圾成分的多樣性，要求垃圾發(fā)電設(shè)備具有一定的耐腐蝕性。對于垃圾發(fā)電設(shè)備的防護(hù)涂層，國外最先采用等離子堆焊Ni基自熔合金層、爆炸噴涂NiCr底層Cr表層等復(fù)合涂層對鍋爐管道進(jìn)行表面防護(hù)。隨著高速電弧噴涂技術(shù)的成熟與完善，國內(nèi)已開始采用此項(xiàng)技術(shù)對垃圾發(fā)電設(shè)備進(jìn)行表面防護(hù)。
垃圾焚燒發(fā)電的社會(huì)效益遠(yuǎn)超過其經(jīng)濟(jì)價(jià)值。山東、安徽、黑龍江等省已有焚燒垃圾的熱電廠投運(yùn)。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，垃圾處理問題日益嚴(yán)重，垃圾處理設(shè)備的防護(hù)問題就顯得突出起來，這無疑為高速電弧噴涂技術(shù)的應(yīng)用提供了廣闊的用武之地。
此外，用熱噴涂的方法修復(fù)沖蝕、磨損的閥座、閥芯和各類軸徑已是成熟的技術(shù)。貴陽發(fā)電廠采用高速電弧噴涂技術(shù)修復(fù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸徑，取得了較好的修復(fù)效果，使用壽命可提高2～8倍［8］。
3結(jié)束語
高速電弧噴涂技術(shù)作為一種解決電站重磨蝕部件延壽修復(fù)的高效而經(jīng)濟(jì)的防護(hù)技術(shù)，必將為我國電力工業(yè)的防腐、抗磨做出更大的貢獻(xiàn)。開發(fā)高速電弧噴涂技術(shù)在我國電力行業(yè)具有重要意義和廣闊的發(fā)展前景。
