沿海地區(qū)軸流風(fēng)機(jī)葉片耐蝕性涂層的應(yīng)用性研究

撒興軍 劉明霞/西安陜鼓動(dòng)力股份有限公司

劉道新/西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院

沿海地區(qū)軸流風(fēng)機(jī)葉片耐蝕性涂層的應(yīng)用性研究

撒興軍 劉明霞/西安陜鼓動(dòng)力股份有限公司

劉道新/西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院

0　引言

軸流鼓風(fēng)機(jī)組是高爐煉鐵工藝動(dòng)力心臟設(shè)備，隨著高爐的大型化，對(duì)鼓風(fēng)機(jī)組的安全可靠性、長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行、高效節(jié)能、噪聲環(huán)保等提出了更高的要求。如果大型高爐鼓風(fēng)機(jī)組一旦因葉片腐蝕或斷裂等故障停機(jī)，則將嚴(yán)重影響鋼鐵廠家生產(chǎn)任務(wù)的完成，甚至導(dǎo)致高爐癱瘓報(bào)廢［1］。因此，大型軸流式高爐鼓風(fēng)機(jī)組長(zhǎng)效運(yùn)行的關(guān)鍵在于軸流風(fēng)機(jī)葉片的安全可靠性。

軸流風(fēng)機(jī)機(jī)組葉片斷裂失效型式多為振動(dòng)引起的疲勞斷裂，它包括裂紋萌生、穩(wěn)定擴(kuò)展和最后失穩(wěn)瞬斷三個(gè)階段，其中，葉片表面腐蝕坑是葉片疲勞裂紋源的主要表現(xiàn)形式之一［2］。而在沿海地區(qū)，由于海水的蒸發(fā)，形成了含有大量鹽分氣體的大氣環(huán)境，此種氣體中鹽霧含量較高，特別是氯離子含量較高，對(duì)金屬葉片有較強(qiáng)的腐蝕作用［3］。為了提高葉片的安全可靠性，往往需要對(duì)沿海地區(qū)軸流風(fēng)機(jī)葉片表面進(jìn)行耐蝕性涂層防護(hù)。本文對(duì)兩種可現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)用涂層進(jìn)行了詳細(xì)研究，并分別對(duì)其耐腐蝕、粘接強(qiáng)度和耐沖蝕性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，以期為工程實(shí)際應(yīng)用提供依據(jù)。

1　基材及涂層

1.1基體材料

涂層基體材質(zhì)為某種馬氏體不銹鋼，其熱處理工藝及力學(xué)性能要求按正常葉片產(chǎn)品要求執(zhí)行，性能合格后，進(jìn)行試樣加工，試樣尺寸為φ30×10mm的圓片，見圖1，其試樣編號(hào)為0#。

1.2涂層材料

本次試驗(yàn)涂層為兩種高分子涂層，分別編號(hào)為1#涂層和2#涂層，其特征如下：

1#涂層為單組份涂層：底漆和中間漆為HCP144高氯化聚乙烯云鐵底漆，顏色為鐵紅色；面漆為HCP145高氯化聚乙烯面漆，顏色602鉑灰。

2#涂層為高分子樹脂-橡膠聚合物涂層：由雙酚F高分子樹脂和丁晴橡膠聚合而成，內(nèi)加偶聯(lián)劑、滲透劑、防老劑、交聯(lián)劑、抗氧劑、固化劑等配制的一種熱固性特種防腐涂料。

該涂料粘接力強(qiáng)、交聯(lián)密度大、抗?jié)B能力強(qiáng)、導(dǎo)熱、抗一定氣流的沖刷磨損，耐高低溫性能良好，收縮率小。

1.3涂層制備

施工環(huán)境：溫度為10℃～30℃，相對(duì)濕度不大于85％或基體表面溫度應(yīng)比露點(diǎn)溫度高3℃，施工作業(yè)環(huán)境不宜含有大量油氣成分。

對(duì)不進(jìn)行防腐處理的部位進(jìn)行保護(hù)。

涂層制備分三步，分別為噴砂、化學(xué)清洗和噴涂。

噴砂：噴砂除銹，達(dá)到GB8923.1要求的Sa2.5級(jí)，粗糙度為60～100μm，粗化金屬表面，消除基材在加工過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力；

化學(xué)清洗：用由多種有機(jī)化合物復(fù)合而成的Lg-2化學(xué)清洗液清洗基材表面，集脫脂、脫油、脫水和化學(xué)清洗為一體。能和金屬基體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將涂層和基體間的物理結(jié)合變?yōu)榛瘜W(xué)結(jié)合，提高粘接強(qiáng)度，減少應(yīng)力對(duì)防腐層的破壞。

噴涂：在經(jīng)過處理后的基體試樣上噴涂高分子防腐材料。除此之外，還分別制作了粘接強(qiáng)度試驗(yàn)拉伸涂層試樣和成品葉片涂層樣件。

值得注意的是，預(yù)處理后的基體表面不應(yīng)受潮或其它介質(zhì)污染，不應(yīng)含有氯離子等附著物，嚴(yán)禁用手直接觸摸［4-5］；涂層葉片在搬運(yùn)過程中要格外小心，盡量避免人為的劇烈磕碰，特別是葉片的外沿和邊角處，搬運(yùn)前須對(duì)這些部位實(shí)施保護(hù)。

2　試驗(yàn)方法

2.1酸性鹽霧腐蝕試驗(yàn)方法［6］

將模擬工業(yè)風(fēng)機(jī)服役介質(zhì)的鹽溶液進(jìn)行霧化，以考核不銹鋼葉片材料及表面防護(hù)層的耐腐蝕性能。噴霧是由清潔壓縮氣源和鹽溶液來共同完成的。壓縮空氣從氣泵出來后，經(jīng)過油水分離、初次減壓、增濕加熱、二次減壓、積水器，進(jìn)入工作室噴嘴，噴嘴壓力為0.5～1.0kg/cm2。壓縮空氣在噴嘴尖端高速流出，導(dǎo)致噴嘴尖端周圍產(chǎn)生負(fù)壓，此時(shí)在大氣壓力下，鹽溶液被壓入噴氣口下面的導(dǎo)液管，從而在高速氣流的作用下將導(dǎo)液管內(nèi)的鹽水霧化噴出。

鹽霧實(shí)驗(yàn)利用SY/Q—750型鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱進(jìn)行，為了模擬工業(yè)大氣環(huán)境，鹽霧腐蝕實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：

a）腐蝕介質(zhì)選為5％NaCl+H2SO3溶液，用H2SO3調(diào)節(jié)溶液的pH值3.0±0.1；

b）工作室內(nèi)連續(xù)通入CO2氣體，其流量為25m l/min；

c）工作室溫度為40±3℃；采用連續(xù)噴霧方式，腐蝕箱內(nèi)相對(duì)濕度保持94±5％，試驗(yàn)周期720h（30天）。

2.2粘接強(qiáng)度試驗(yàn)

粘接強(qiáng)度試驗(yàn)的拉伸試樣采用直徑為15mm的圓棒，在其端面制作涂層，用粘接膠粘接后分別在室溫和高溫（100℃）下進(jìn)行拉伸測(cè)試。高溫拉伸試樣加熱到預(yù)定溫度后保溫20min后開始拉伸，試驗(yàn)在萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，每個(gè)試驗(yàn)溫度下分別測(cè)試三個(gè)試樣。

2.3沖蝕磨損試驗(yàn)

沖蝕磨損利用空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的高壓空氣通入混料箱，沖蝕試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行，沖蝕磨損試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1　沖蝕磨損試驗(yàn)參數(shù)表

2.4頻率測(cè)試

采用敲擊激勵(lì)法對(duì)涂層前后葉片的靜頻進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試設(shè)備為DP730動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀。

3　試驗(yàn)結(jié)果及分析

將基材和涂層試樣放入鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱中，隨時(shí)間增加觀察試樣腐蝕狀況。試驗(yàn)表明，基材在試驗(yàn)進(jìn)行4天后試樣表面腐蝕面積約30％，試驗(yàn)進(jìn)行16天后試樣表面腐蝕面積約90％，試驗(yàn)進(jìn)行30天后試樣表面基本全部被腐蝕產(chǎn)物所覆蓋，即腐蝕已十分嚴(yán)重，如圖2所示。由此表明，不銹鋼基材耐腐蝕性能不是很好，其原因歸于其含鉻量較低，而含碳量卻較高［7-8］。涂層試樣在腐蝕16天時(shí)，1#和2#涂層試樣均為出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，而腐蝕試驗(yàn)進(jìn)行23天后，1#涂層試樣表面?zhèn)€別點(diǎn)及邊緣有腐蝕跡象，而2#涂層試樣的表面未出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。腐蝕試驗(yàn)進(jìn)行30天后，1#涂層試樣表面?zhèn)€別點(diǎn)及邊緣腐蝕稍有加重，并且局部有鼓泡現(xiàn)象，但是2#涂層試樣的表面仍未出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，如下圖3所示。因此2#涂層的耐腐蝕比1#涂層好。涂層粘接強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果，見表2。對(duì)比可知，1#涂層整體附著力差，在高溫下的附著力衰減很快，在100℃下，1#涂層達(dá)到了軟化點(diǎn)，強(qiáng)度為0MPa，衰減100％。2#涂層在室溫粘接強(qiáng)度試驗(yàn)過程中，涂層完好，僅試樣端面之間的粘接膠斷開，其室溫粘接強(qiáng)度要高于1#涂層。在高溫拉伸試驗(yàn)過程中，2#涂層的粘接強(qiáng)度為10.5MPa，附著力衰減31.8％以上，試樣涂層出現(xiàn)了部分脫落，其高溫附著力大于1#涂層。

表2　涂層室溫和高溫下粘接強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果表

依據(jù)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，拉開法測(cè)試的涂層粘接強(qiáng)度應(yīng)不低于8MPa，因此1#涂層不能滿足要求，而2#涂層可以滿足使用要求。

各試樣沖蝕后的表面形貌如圖4和圖5所示。對(duì)比可知，與1#涂層相比，2#涂層沖蝕破壞面積略小，耐沖蝕性略好，但是在表2所示的試驗(yàn)條件下兩種涂層均出現(xiàn)沖蝕到基體破壞的現(xiàn)象。這主要是源于高分子涂層硬度低，無論在30°小攻角下，還是在90°大攻角下，抗固體粒子沖蝕性能均較差，不能有效保護(hù)不銹鋼基材。由于軸流風(fēng)機(jī)的運(yùn)輸介質(zhì)為沿海空氣，不含有固體粒子，因此該指標(biāo)不作為兩種涂層的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。

表3　涂層噴涂前后葉片頻率測(cè)試結(jié)果表Hz

為考察涂層對(duì)葉片頻率的影響，對(duì)成品葉片在噴涂涂層前后進(jìn)行了固有頻率測(cè)試，測(cè)試對(duì)比結(jié)果見表3。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，葉片噴涂涂層后頻率普遍比噴涂前降低，降低百分比（平均值）最大為3.2％，且1#涂層比2#涂層降低較大。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)考慮設(shè)計(jì)頻率富裕量，使葉片盡可能的不修磨或者少修磨，以保證葉片安全可靠性。

4　結(jié)論

1）鹽霧腐蝕試驗(yàn)后，1#涂層試樣表面?zhèn)€別點(diǎn)及邊緣腐蝕較嚴(yán)重，并且局部有鼓泡現(xiàn)象，但是2#涂層未出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，因此2#涂層的耐腐蝕比1#涂層好。

2）1#涂層在100℃下的附著力為0MPa，衰減率為100％；2#涂層在室溫和高溫下的粘接強(qiáng)度均高于1#涂層，滿足使用要求。

3）由于高分子涂層的硬度低，兩種涂層的耐沖蝕磨損性能均較差，2#涂層稍好。

4）涂層對(duì)葉片的頻率影響較小，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)考慮設(shè)計(jì)頻率富裕量，使葉片盡可能的不修磨或者少修磨，能夠保證葉片安全可靠性。

［1］艾中華，王昭霞.高爐風(fēng)機(jī)葉片斷裂事故處理［J］.設(shè)備管理與維修，2011（10）：33-34.

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［3］汪軒義，王光雍，屈組玉，等.環(huán)境因素對(duì)碳鋼和低合金鋼大氣腐蝕的影響［J］.中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)，1995，15（2）：124-128.

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［5］張金濤，胡吉明，張鑒清.金屬涂裝預(yù)處理新技術(shù)與涂層性能研究方法進(jìn)展［J］.表面技術(shù)，2005，34（1）：1-4.

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［8］吳承建，陳國(guó)良，強(qiáng)文江.金屬材料學(xué)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2006.

■為保證沿海地區(qū)軸流風(fēng)機(jī)葉片的長(zhǎng)期安全可靠性運(yùn)行，本文將兩種高分子涂層作為軸流壓縮機(jī)葉片試驗(yàn)涂層，分別采用鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱、萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)和沖蝕試驗(yàn)機(jī)對(duì)其耐腐蝕性、粘接強(qiáng)度、耐沖蝕性能進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)定。同時(shí)，為保證葉片頻率富裕量，還制備了成品葉片涂層樣件，并采用動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀對(duì)涂層噴涂前后葉片的頻率進(jìn)行了測(cè)試，考察了涂層對(duì)葉片固有頻率的影響，為葉片設(shè)計(jì)提供了分析依據(jù)，進(jìn)一步提高了軸流葉片的安全可靠性。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，確定高分子樹脂—橡膠聚合物涂層具有優(yōu)良的綜合性能，可作為沿海地區(qū)軸流葉片防腐蝕涂層。

■軸流葉片；高分子涂層；粘接強(qiáng)度；耐腐蝕；耐沖蝕；頻率

Research and Application ofCorrosionresistant Coating for Axial Fan Blade in CoastalAreas

Sa Xing-jun，Liu Ming-xia Liu Dao-xin/ Process and development department Xi'anShaangu PowerCo.，Ltd
Liu Dao-xin/Aeronautical institute Northwestern PolytechnicalUniversity

To ensure long-term security and operational reliability of the axial fan blade in the coastal areas，the corrosion-resistance，the adhesivestrength and theerosion-resistanceof two kinds of polymer coatings were tested by salt spray corrosion test，universal tensile test and erosion test respectively.Meanwhile，in order to investigate the influence of the coating on the natural frequency，blade samples were also prepared andmeasured by dynamic signal analyzer before and after spraying.The measured frequency results provide the analytical basis for the blade design.It is demonstrated that the resin-rubber polymer coating has better excellent overall performance and it could be applied as the effective anti-corrosion coating in the coastal areas.

axial fan blade；polymer coating；adhesive-strength；corrosion-resistant；erosion resistant；frequency

TH443；TK05

A

1006-8155（2016）04-0073-05

10.16492/j.fjjs.2016.04.0131

2015-12-22陜西西安710075