撒興軍 劉明霞/西安陜鼓動力股份有限公司

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)機組是高爐煉鐵工藝動力心臟設(shè)備，隨著高爐的大型化，對鼓風(fēng)機組的安全可靠性、長周期穩(wěn)定運行、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)機組一旦因葉片腐蝕或斷裂等故障停機，則將嚴(yán)重影響鋼鐵廠家生產(chǎn)任務(wù)的完成，甚至導(dǎo)致高爐癱瘓報廢［1］。因此，大型軸流式高爐鼓風(fēng)機組長效運行的關(guān)鍵在于軸流風(fēng)機葉片的安全可靠性。

軸流風(fēng)機機組葉片斷裂失效型式多為振動引起的疲勞斷裂，它包括裂紋萌生、穩(wěn)定擴展和最后失穩(wěn)瞬斷三個階段，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，對金屬葉片有較強的腐蝕作用［3］。為了提高葉片的安全可靠性，往往需要對沿海地區(qū)軸流風(fēng)機葉片表面進行耐蝕性涂層防護。本文對兩種可現(xiàn)場修復(fù)用涂層進行了詳細(xì)研究，并分別對其耐腐蝕、粘接強度和耐沖蝕性進行了評價，以期為工程實際應(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，進行試樣加工，試樣尺寸為φ30×10mm的圓片，見圖1，其試樣編號為0#。

1.2涂層材料

本次試驗涂層為兩種高分子涂層，分別編號為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、交聯(lián)密度大、抗?jié)B能力強、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℃，相對濕度不大于85％或基體表面溫度應(yīng)比露點溫度高3℃，施工作業(yè)環(huán)境不宜含有大量油氣成分。

對不進行防腐處理的部位進行保護。

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，達到GB8923.1要求的Sa2.5級，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，提高粘接強度，減少應(yīng)力對防腐層的破壞。

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度試驗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，搬運前須對這些部位實施保護。

2　試驗方法

2.1酸性鹽霧腐蝕試驗方法［6］

將模擬工業(yè)風(fēng)機服役介質(zhì)的鹽溶液進行霧化，以考核不銹鋼葉片材料及表面防護層的耐腐蝕性能。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。

鹽霧實驗利用SY/Q—750型鹽霧腐蝕試驗箱進行，為了模擬工業(yè)大氣環(huán)境，鹽霧腐蝕實驗參數(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)相對濕度保持94±5％，試驗周期720h（30天）。

2.2粘接強度試驗

粘接強度試驗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℃）下進行拉伸測試。高溫拉伸試樣加熱到預(yù)定溫度后保溫20min后開始拉伸，試驗在萬能拉伸試驗機上進行，每個試驗溫度下分別測試三個試樣。

2.3沖蝕磨損試驗

沖蝕磨損利用空氣壓縮機產(chǎn)生的高壓空氣通入混料箱，沖蝕試驗在實驗機中進行，沖蝕磨損試驗參數(shù)如表1所示。

表1　沖蝕磨損試驗參數(shù)表

2.4頻率測試

采用敲擊激勵法對涂層前后葉片的靜頻進行測試，測試設(shè)備為DP730動態(tài)信號分析儀。

3　試驗結(jié)果及分析

將基材和涂層試樣放入鹽霧腐蝕試驗箱中，隨時間增加觀察試樣腐蝕狀況。試驗表明，基材在試驗進行4天后試樣表面腐蝕面積約30％，試驗進行16天后試樣表面腐蝕面積約90％，試驗進行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，1#和2#涂層試樣均為出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，而腐蝕試驗進行23天后，1#涂層試樣表面?zhèn)€別點及邊緣有腐蝕跡象，而2#涂層試樣的表面未出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。腐蝕試驗進行30天后，1#涂層試樣表面?zhèn)€別點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。涂層粘接強度的測試結(jié)果，見表2。對比可知，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#涂層達到了軟化點，強度為0MPa，衰減100％。2#涂層在室溫粘接強度試驗過程中，涂層完好，僅試樣端面之間的粘接膠斷開，其室溫粘接強度要高于1#涂層。在高溫拉伸試驗過程中，2#涂層的粘接強度為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度的測試結(jié)果表

依據(jù)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，拉開法測試的涂層粘接強度應(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，不能有效保護不銹鋼基材。由于軸流風(fēng)機的運輸介質(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價指標(biāo)。

表3　涂層噴涂前后葉片頻率測試結(jié)果表Hz

為考察涂層對葉片頻率的影響，對成品葉片在噴涂涂層前后進行了固有頻率測試，測試對比結(jié)果見表3。對比發(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)計時考慮設(shè)計頻率富裕量，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）鹽霧腐蝕試驗后，1#涂層試樣表面?zhèn)€別點及邊緣腐蝕較嚴(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）涂層對葉片的頻率影響較小，在產(chǎn)品設(shè)計時考慮設(shè)計頻率富裕量，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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［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展［J］.表面技術(shù)，2005，34（1）：1-4.

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［8］吳承建，陳國良，強文江.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)機葉片的長期安全可靠性運行，本文將兩種高分子涂層作為軸流壓縮機葉片試驗涂層，分別采用鹽霧腐蝕試驗箱、萬能拉伸試驗機和沖蝕試驗機對其耐腐蝕性、粘接強度、耐沖蝕性能進行了試驗測定。同時，為保證葉片頻率富裕量，還制備了成品葉片涂層樣件，并采用動態(tài)信號分析儀對涂層噴涂前后葉片的頻率進行了測試，考察了涂層對葉片固有頻率的影響，為葉片設(shè)計提供了分析依據(jù)，進一步提高了軸流葉片的安全可靠性。通過對比發(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