电力设备热喷涂施工的质量管理与控制.pdf

有色金属 冶炼部分2 0 0 8 年增刊 1 2 9 电力设备热喷涂施工的质量管理与控制 吴树辉1 ，高德顺2 ，裁成来2 1 ．苏州热工研究院有限公司，苏州，2 1 4 0 0 5 ；2 ．华能大连电厂，大连，1 1 6 1 1 3 攘萎热唆浚是一矮应鼹麟广、枣壤稷移辩舞发潜力重大懿应耀技本。在毫秀设套缝蘩方嚣，也璺我爨 广麓的成耀前景。毽强裁盘予篮督寂技术稽磐的裙关规范标猴没有链全，影嫡了该技术的正常发撵葶f l 顺利推广，本文重点针对电站现场喷涂施工涉及的问题进行讨论分析． 关键词热喷涂；质量检验；质量控制 中圈分豢譬T G l 7 4 ．4文献标识码A 文章编号l 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 8 S 0 - - 0 1 2 9 - - 0 5 Q u a l i t yM a n a g e m e n ta n dC o n t r o l l i n go fT h e r m a lS p r a y i n go nP o w e rP l a n t W US h u - h u i l ，G A OD e - s h u n 2 ，L I UC h e n g - l a i 2 1 ．S u z h o uN u c l e a rP o w e rR e s e a r c hI n s t i t u t e } S u z h o u2 1 4 0 0 5 ，C h i n a ； 2 。D a l i a nP o w e rP l a n t ，H u a n e n gP o w e rI n t e r n a t i o n a lC o ．，D a l i a n1 1 6 1 1 3 。C h i n a A b s t r a c t T h e r m a ls p r a y i n gi sa na p p l i e dt e c h n i q u e ，w h i c hc a nb eu s e di nm a n yf i e l d so fe n g i n e e i n ga n dh a s ag r e a tp o t e n t i a lf o rm a r k e ta n dr e s e a r c h ．E s p e c i a l l y ，i th a saw i d ea p p l i e df o r e g r o u n di nt h ea r e ao fp o w e r p l a n tm a i n t e n a n c e 。B u tt h e n ，t h ei n c o m p l e t es t a n d a r d so fs u p e r v i s i n ga n dt e c h n i c a lg u i d a n c ea r et h em a i n o b s t a c l e sp r e s e n t l yi nt h en o r m a lu s i n ga n dt r o u b l e - f r e ep r o m o t i n go ft h i st e c h n i q u e ．T h ep r o b l e m s ，w h i c h w i l lb ee n c o u n t e r e dd u r i n gt h ef i l d w o r ko fs p r a y i n gi nt h ep o w e rs t a t i o n ，a r ed i s c u s s e da n da n a l y z e d ． K e y w o r d s S p r a y i n g ；Q u a l i t yt e s t i n g ；Q u a l i t yc o n t r o l 喷涂技零撂为表瑟工程鳇鬟要组成都分，近年 得到了快速发展，特别是在电力设备的维修或延寿 方面的应用，越来越多的被电力企北所接受，包括风 机叶轮、地网、轴类、锅炉管的防磨防腐等，其中以锅 妒管的防磨防癣镘缒应用最为广泛。并取褥了一系 梦{ | 成果和可观的经济效益帮柱会效益。但速着磺涂 技术应用范围的扩大，存在的问题也渐渐地暴露出 来。一方面，相对喷涂技术的实际需求的增长，棚荧 标准规范的编制明麈滞后。使大批的从业队伍在没 有约束、缺乏技零指导鳇情瑟下，鬣承平介入裂技零 推广行列，并在几乎没有监督的条件下施工。此外， 目前由于我国的现场喷涂施工自动化程度较低，簇 本是手工操作，即便是设计了工艺规范，也很难客观 执行。壹魏导致囔涂酶效果褥不剃发挥，对喷涂技 术的推广应用带来很多负面影响。 作者简介吴树辉 1 9 6 8 一 ．男，内蒙赤峰人。高级T 程师，礤士． 当然，热喷涂技术大燕在电力行监攘广应用，时 间还不是很长。加之热喷涂技术服务的对象中，大 多数部件的服役环境下，影响涂层性能发挥的动态 因素很多。因此，除相关的规范标准等软件需要不 断的完蒋外，舞发性能稳定，适应不同服役环境下的 喷涂技术积裙应优异性麓的毒季辩，也是该技术进一 步推广应用的必经之路。 l 热喷涂涂层结构特点 热磺涂技零是一定的热源秘辘助动力犀时作薅 于喷涂材料，使被加热至熔融或半熔融状态熔滴获 得一定的速度，喷射到经过预处理的工件表面，熔滴 扁平化并沉积累加成具有一定功能，并与基体牢固 结合酶覆蘧层。毒手整个赧工过程的特殊缝，氇形 成了涂鼷特有的结构特点，图l ～2 从断面图、立体 万方数据 1 3 0 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年增刊 剖面图、外观放大照片、三维形态扫描等几个方面展 示了涂层内部结构及外观特点，这也是涂层性能分 析的重要参考。 图2 涂层表面形貌 F i g ．2C o a t i n gs u r f a c ea p p e a r a n c e 由图1 ～2 可以看出，涂层结构与焊接、冶金等 手段得到的材料有明显的不同。相对冶金材料而 言，涂层是松散多孔的结构，与基体的结合，也是机 械结合为主，涂层内有明显的孔隙存在，表面微观照 片及三维概图显示，表面也是“颗粒堆积”型，即便是 机械手操作，外观仍是凸凹不平。这样的结构特点， 与涂层反应出的一些性能指标是紧密联系的，如涂 层的磨损规律的变化就是密切相关的指标之一。 大多数情况下，孔隙的存在都会导致涂层性能 不同程度的恶化。因此，彻底改变这种松散的结构， 使涂层构成达到或接近冶金状态，是热喷涂技术深 入研究的目标。其中，合理的控制喷涂工艺就是必 由之路。喷涂工艺的合理与否，直接关系到涂层的 包括致密度在内的各项性能指标。因此，工艺设计、 质量监督是涂层质量控制的必要环节。 2 热喷涂技术的质量控制 作为一项有广阔应用前景和现实需求的技术手 段，要使其更好的发挥作用，更好的得到完善和发 展，科学的质量控制程序和要素是不可或缺的。 2 ．1 材料的选择 原始喷涂材料的性能，是涂层性能的基本保证。 根据对涂层性能的需要，合理的选择喷涂材料，是喷 涂质量控制首要的一环。 选择喷涂材料，要对材料的分类有详细的了解。 首先就是材料的功能。喷涂材料按功能分为耐磨材 料、抗腐蚀材料、热障材料、润滑材料、绝缘材料等 等，同一类功能材料，又根据其性质不同，分为金属 与合金、陶瓷、有机高分子材料、复合材料[ 2 ] 。对分 类方法的全面了解，是合理选材的前提。 目前材料生产企业比较多，生产开发能力和管 理水平也参差不齐，对各自产品介绍的名词术语缺 乏统一的规范要求。特别是激烈的价格竞争，导致 一些劣质材料充斥市场。或者有些材料实际性能指 标及成份和生产单位标称的成份或性能指标间存在 很大的出入。因此，从材料生产的监督环节就缺乏 有效的标准监督，这就要求热喷涂技术从业人员，要 具备材料质量鉴别能力、水平，把材料选择，作为质 保体系的重要环节。 目前广泛采用的材料分粉末和丝材两大类。粉 末用于超音速火焰或等离子喷涂。丝材主要用于火 焰或电弧喷涂。按形态分实芯和粉芯两种。 就电力设备上的应用而言，以防磨防腐蚀的应 用为主。相应的喷涂材料选择，应重点注意以下几 个问题 2 ．1 ．1 热稳定性 热喷涂是一个材料的热加工过程。喷涂材料对 应某一种适宜的喷涂方法，在其热源最高温度范围 内，确保材料的有效成份能够不升华、不分解。从 而，保证涂层中有效物相的存量，确保涂层性能满足 设计要求。 2 ．1 ．2 与基材物理性能的匹配性 一方面，涂层的热膨胀系数要与基材的热膨胀 系数最大限度的接近。高温环境下服役的涂层，投 入使用后，必然要出现受热膨胀现象，因涂层与基材 间的结合是机械结合为主，如果涂层与基材间的膨 胀量相差较大，就会出现涂层过早脱落现象。另一 方面，用于电站锅炉受热面的喷涂材料，与受热面基 材具有相近的导热性能是非常必要的，这样可以保 证涂层不会对锅炉传热产生负面影响的同时，也能 够避免因传热阻增加导致过热至使涂层失效。此 外，作为高温环境下服役的涂层，必须有优于基体材 料的抗高温氧化性能，才能真正发挥其保护作用。 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年增刊 1 3 1 2 ．1 ．3 粉芯材料的质量 目前，电力设备的现场喷涂施工以电弧喷涂为 主，所用材料以粉芯丝材居多。粉芯丝材的出现，拓 宽了电弧喷涂的应用范围，也强化了电弧喷涂的应 用效果。尤其是把一些具有优异高温性能，本来用 于火焰喷涂或等离子喷涂的陶瓷粉末材料，通过加 工成粉芯丝材，实现了用电弧喷涂的手段来制备涂 层的质的飞跃。但目前粉芯丝材的制造工艺也同样 缺乏技术标准的指导约束，质量有较大的差异。一 定程度上存在着如粉末填充率低，外皮过厚、外皮质 量不合格或成型不良、粉末成份误差等质量问题。 一旦使用了类似劣质材料，涂层的性能指标就会远 远背离期望值，自然得不到理想的效果。此外，粉末 最终以何形态存在于涂层以及沉积的比例是多少， 在喷涂过程中是怎样的一个化学反应过程等一些基 础理论的研究还有明显的空缺，这也是一些丝材质 量不能保证的技术关键。 2 ．1 ．4 封孔剂性能 除涂层原材料外，对一些有防腐功能要求的涂 层，除喷涂陶瓷或金属涂层外，还要做封孔处理。其 中的封孔剂必须保证足够的浸润性及高温稳定性和 防腐抗磨功能，同时，与涂层材料要有非常好的相融 性。此外，封孔剂涂刷前表面清灰处理及涂刷均匀 程度等施工工艺，对其性能都会有显著的影响。 2 ．2 工艺控制 作为热加工手段，无论哪一种热喷涂方法，工艺 设计都是必不可少的质量保证环节。当然，不同的 喷涂方法，需控制的工艺参数可能会有所差别，但最 终是要保证喷涂的熔滴以最为匹配的温度和速度到 达基材表面是工艺设计的根本。 2 ．2 ．1 表面预处理 表面预处理是为确保涂层与基体的良好结合， 在喷涂之前，对预喷涂表面进行的净化、毛化处理的 一个工艺过程。是直接影响到涂层与基体结合性能 的关键所在。对于目前喷涂用量较大的锅炉管，前 期处理普遍还是采用喷砂的办法来实施。前期表面 处理结果，一般要求除保证基材干净无油外，粗糙度 控制在R z2 5 ～1 0 0 [ 1 ] 。粗糙度过小，无法保证涂层 良好的结合；过大则浪费材料，又对基材造成不必要 的损伤。所以在处理工艺上，要因材而异，根据所用 砂料的硬度、气体压力、被处理件的本身硬度等合理 设计处理工艺。比如喷砂距离、喷枪移动速度、角 度等等。 2 ．2 ．2 喷涂工艺参数 在选择了合格的材料之后，喷涂工艺是否合理， 是质量能否得到保证的关键。不同的喷涂方法，有 不同的工艺影响因素，除喷涂距离外，火焰喷涂可调 参数主要是气体流量、压力；等离子喷涂除辅助气体 压力和种类外，还与电流电压有关；电弧喷涂主要的 工艺参数就是压缩空气干净度、压力及电流、电压。 此外，所有的喷涂方法中，喷涂距离都是主要的喷涂 参数。在工艺设计不能单凭经验，要采用科学的测 试、分析手段。在喷涂工艺设计之初，根据焰流不同 位置处的温度、速度等指标，为包括喷涂距离在内的 喷涂参数的选定提供参考依据。不同的焰流位置， 其物理量指标有明显的差异。当然，最终喷涂参数 的确定，还要结合一系列试验来确定。通过对涂层 结合强度、孔隙率、抗磨或抗腐蚀性能的测试对比， 结合涂层服役环境因素、喷涂施工的环境因素等。 综合考虑设计工艺参数值及相互之间的匹配。以喷 涂距离为例，过大或过小对涂层质量都会产生不利 的影响，如图3 所示[ 2 ] ，若喷距太小则沉积率低，会 出现图3 a 的情况，沉积的颗粒中心部位会反离基材 形成空洞，图3 b 为喷涂距离适中的情况，熔滴与基 体撞击后产生许多辐射状的喷溅图形，融滴扁平化 充分，结合强度高。喷涂距离过大则由于颗粒温度 下降，沉积时在与基体撞击后不会产生喷溅状，只有 一个小小的圆饼状沉积形态 图3 c ，由于喷涂粒子 的扁平化程度不够，一方面影响涂层与基体的结合， 另一方面，也会导致涂层的孔隙率上升。 图3 喷涂距离对涂层成型的影晌 F i g ．3T h ei n f l u e n c eo fs p r a y i n gd i s t a n c eo nt h ec o a t i n gf o ．r m a t i o n 万方数据 1 3 2 有色金属 冶炼部分2 0 0 8 年增刊 2 ．3 人员培训与技术指导 1 9 9 3 年，我国第一个有关热喷涂操作人员考核 的标准，J B ／T 6 9 7 3 9 3 热喷涂操作人员考核要求 出台，对热喷涂操作人员和质量检验人员的技术培 训和考核，提出了基本要求。但目前还没有明确的 监管部门来监督执行。 国内目前的现场喷涂施工大都局限于手工操 作，操作人员对工艺的理解认识和熟练程度，直接关 系到工艺的有效执行。因此，操作人员在上岗前，必 须要进行一定的理论与实践的培训。否则，尽管合 理地设计了工艺，却无法保证其很好的落实，涂层质 量的保障就无从谈起了。但目前培训体系、培训机 构与相关教材的空缺，致使喷涂技术人员的培训还 只局限于个别企业内部，这也是导致大部分喷涂作 业队伍盲目施工，致使涂层性能不能满足要求的重 要原因。 2 ．4 质量检查监督 涂层的质量检查监督，是涂层质量控制的重要 手段。除了一些共性指标，如涂层的外观成型均匀 程度、涂层与基体的结合强度、孔隙率、微观构成相、 厚度、硬度等以外，根据对涂层的功能要求，还有一 些特定的检验项目。 2 ．4 ．1 试验室检测分析 2 ．4 ．1 ．1 结合强度 涂层的结合强度包括涂层与基体间结合强度和 涂层构成粒子间的结合强度。它是涂层的重要性能 指标，如果只做定性对比分析，常用的试验方法有 弯曲试验法、划痕试验法、杯突试验法等。定量测量 常用拉伸试验和剪切试验法。可以根据喷涂试件服 役时，涂层的受力形式，选则涂层结合强度的试验方 法。参照标准有G B ／T 8 6 4 2 1 9 8 8 { 热喷涂结合强 度的测定，G B ／T 8 6 4 1 1 9 8 8 { 热喷涂层抗拉强度 的测定。 2 ．4 ．1 ．2 硬度测试 硬度是衡量抗磨涂层的一个关键性能指标，是 涂层抗磨性能的间接反映。但大部分抗磨涂层都是 多相构成，加之涂层多孔的特点，直接测量，结果会 有很大的差别。因此，理解涂层的硬度，应与一般材 料的有所区分。相应的测试手段要根据具体情况而 有所区别。总体来说分微观检测和宏观检测。 2 ．4 ．1 ．2 ．1 宏观检测 目前已有的标准是G B ／T 8 6 4 0 1 9 8 8 金属热 喷涂层表面洛氏硬度试验方法。对于一般较薄的 涂层可以采用表面硬度仪检测，再换算为一般的硬 度值。如果要测普通的布氏或洛氏硬度，要做专门 的硬度测试试件。用于检测的涂层厚度要在1m m 以上。笔者曾做过一个试验，在T P 3 4 7 硬度小于 H B l 9 2 基材上，喷制N i - C r 合金，涂层厚度从0 ．3 - - - 2 ．0m m 阶梯型布置，采用里氏硬度计在不同的 厚度区域进行了取点检测，总体趋势是随着涂层厚 度的增加，测得的硬度值也呈现增加趋势，直到涂层 厚度在1 ．0m m 以上的部位，测得的硬度值趋于稳 定。在涂层最薄处所测得的硬度值仅为H R C l 7 ．5 I 涂层最厚的地方，硬度最高值H R C 5 3 ，平均值达 H R C 4 7 。分析其原因，涂层较薄时，所测得的硬度 值受基材硬度影响大，所反应的硬度值很大程度上， 反应的是基体的硬度。随着涂层的增厚，基材对测 量结果的影响越来越小，所测值更接近涂层的真实 硬度。 2 ．4 ．1 ．2 ．2 微观检测 微观检测主要是显微硬度的测定。由于涂层构 成相多元化，而且往往是不同相之间的硬度差别较 大，涂层的硬度往往使用一个范围值或平均值来表 示。此外，涂层的多孔特点，也是测量显微硬度必须 注意的一个方面。如图4 ～5 所示，对于同一个涂层 的同一个构成相进行检测，硬度值竟然相差近 H V 4 5 0 以上，原因就是测量值偏低的测点紧靠 涂层的孔隙，施加测量载荷后，压痕很容易向拘束力 很小的孔隙方向扩展，导致测量误差。或者由于孔 隙的存在，使涂层粒子问的有效结合面积缩小，承受 测量载荷后，粒子出现位移，致使反映的硬度值偏 低。 图5 显微硬度测试H v o ．，7 8 0 F i g ．5M i c r o h a r d r e s st e s t 万方数据 有色金属 冶炼部分2 0 0 8 年增刊 1 3 3 霹此，测量鼹微硬度时，要客观全夏地反应涂屡 的硬度，需要分涛不同稳成福的阐对，溅点的选择也 翳给予足够的重视。同时，对压痕周围的变形情况 遴行认真的观察，确保检测结果的有效性。 2 ．4 。1 ．3 厚度的测量 霉度是涂瑟的重要牲麓指轹。溪炭不是，涂屡 的功能不能得到有效的发挥，摩魔过大，又会因为涂 层张力过大或传热等影响而使涂层容易脱落。因 此，涂层厚度的测爨，就成为质量控制的一个重要手 羧。 厚度的检测方法也有稷多种，常用的有测厚仪 测试法、显微镜测试法 图6 ～7 、千分尺法等。 圈7 涂层结构扫撤 F i g ．7C o a t i n gs t r u c t u r es c a n n i n g 其中，显微镜检测法，是最精确的测量方法，但 只局限于试件的菜一点。对于现场应用而言，代液 性较差。千分尺或测厚仪法，现场作业比较适用，可 以通过喷涂前后新测厚度的差值来反映涂层的厚 度。是瑷场藏王常蒡l 的裣溅手莰。对予磁性材糕基 体上制备的非磁饿材料涂层或相反构成的情况，可 以直接采用涂层测厚仪测试。 尽管厚度的测量手段有多种，但是大部分从事 电姑设备喷涂施工的跌伍，涂嫠潭度获凭操传人员 的经验来估计。没有相应的检测簪段。这也是涂按 质最得不到保证的一个主要原因之一。 2 ．4 ．1 ．4 孔隙率的检测 涂层趣对冶金材料褥言，是松散多孔的结构。 孔蒙率是评价其致密程度翡量诧指标。它有凡穗不 同的表示方法。如用单位面积气孔的数量来表示， 或者用单位体积涂层中，气孔所占体积比例来表示， 也有用涂层密度比 涂屡的密度和喷涂材_ j | s } 的密度 毙 来表示。 孔隙率的检测方法有浮力法、称鬣法等直接测 量方法。还有涂膏法、凝渍法、贴滤纸法等。就工程 施工而蠢，孔隙率的测量是无法实施的，只能通过合 理的工芝设计寒保证。 当然，除泼上一些通用的性能评价指标的检测 外，根据对涂层的性能黉求，还有如抗磨性、抗腐蚀 性能、抗热冲击等很多针对性的指标检测，本文不再 细述。 2 ．5 蔑范标准约完善鸯窒传 具籽指导和监督意义的喷涂施工与验收规范的 空缺，一定程度制约了热喷涂技术的宥效推广和技 术提升。一方面，热喷涂技术相对如焊接等电站常 翔黧王技寒穗毙，毕竟楚凝生事耪，对耀户来说，7 解的内容都不是很多，藏着虽有了解但不够深入。 最关键一点是没有可以参考依赖的检验验收标准。 大部分验收只是宏观目测为主，甚至是更被动的方 法，用实际使用结果来骏涯。隧着唼涂技术的应用 范酲的不断扩大，该闻憨也得到了舀家发改委等主 管部门的关注，目前，已授权苏州热工研究院负责编 写电站锅炉受热面热喷涂施工及验收规范，预计 骧年就可以发布执行。这在喷涂技术推广应用的进 程孛，将具有量程碑懿意义。 3结论 随蔚材料科学的进步和喷涂设备的更新及工艺 的改进，热喷涂技术必将为包括电力金她在内酶更 多的王数领域提供更优质的服务。耱其他任{ 莓一项 技术一样，知识的系统宪善、技术人员的培养、标准 规范的建立，都是不可缺少的。总之，随着各项技术 的进步和喷涂应用领域的不断扩大，热噗涂技术会 更好懿蔽务予电力事照。 参考文献 [ 1 ] 徐滨士．表面工程与维修E M ] ．北京机械忑业出版社， 1 9 9 6 。 [ 2 ] 戴达熄，周克橙，衰镇海。现代砉| 瓣表甏技零瓣学E M ] ． 北京冶金工业出版社，2 0 0 4 ． 万方数据