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发电设备快速刷镀修复技术及其应用

发电设备(转子轴、风机轴、风电轮毂等)快速刷镀修复技术及其应用
费敬银,辛文利,王卫康
西北工业大学理学院应用化学系 

摘要
本文介绍了发电机转子轴、风机轴、风电叶轮轮毂、电力绝缘子、汇流排等的失效形式,及FJY系列刷镀技术在电厂设备维修中的应用。通过分析、对比不同维修方法的修复特点与不足,为电力设备维修工作者恰当选用维修技术提供了思路。文中还简要介绍了FJY无氰镀银技术、快速镀锡技术在光-伏转换、电力传输过程中降低线损的作用与意义。实际使用效果表明,FJY系列刷镀技术解决了传统刷镀技术存在的固有问题,为电厂设备的可靠维修提供了保证。
关键词:维修,发电机转子,风电设备,汇流排,光-伏电池,储能电池,刷镀,磨损
 
1. 前言
发电机组在运行过程中由于油系统污染(如磨屑、锈蚀物、杂质、密封橡胶磨料)、油温、油压不当(不能形成全液体润滑)、断油烧瓦、轴承系统(轴承、轴承座)磨损、以及机组振动等原因,均会造成转子轴颈磨损和拉伤。磨损不仅会造成各部件之间的配合关系发生变化,还会对发电机组的工作状态、安全生产带来隐患,如发电机冷媒(氢气)泄露可能会引爆电机(氢气的爆炸极限为4~74.2%)。
在热电厂,各类风机轴经常由于磨损而失效。在风机制造厂内(国内有“四大”著名的风机制造厂),经常在风机轴的加工过程中出现超差问题。而风机轴都是由大型合金钢锻件制造,材料费、加工费昂贵,若因加工超差而报废,经济损失巨大。
风电作为一种新型能源形式,在我国沿海及西部地区发展迅速。叶片轮毂、轴承、轴承座等在加工或使用过程中会因尺寸超差而影响风力发电机的输出特性。特别是投入使用的风电设备,机械磨损会破坏塔架的动平衡,严重时可能出现倒塔事故。
在电力传输系统,电连接体(导电排、软连接等)搭接面的氧化、烧蚀等会造成电能损失、以及负荷的平衡,影响供电系统的输出稳定性。
综上所述,发电设备磨损、超差,输电线路电连接不良,不仅影响电厂设备的正常运转,还可能带来灾难性后果,因此,及时修复、养护发电厂设备的易损件,是保障电厂正常生产,消除安全隐患的必要措施。
本文将就FJY系列刷镀技术在电厂设备维修中的特殊作用进行简要介绍,以便维修工作者能够了解、并合理使用现代刷镀技术。
 
2. 发电机转子轴修复
磨损、拉伤是发电机转子轴的主要破坏形式。由于发电机转子重量大(重达数十吨),转速高(3000转/分,甚至更高),运转时必然会产生机械振动。因此,在对转子轴进行修复的过程中,不能引入任何形式的应力、或缺陷(裂纹、气孔、材质组织不均一等),否则会出现扫膛或疲劳断轴现象。按照这一要求,所有的热修法(电焊、堆焊、喷焊等)均不能用于转子轴的修复。有人曾用喷涂法修复磨损的转子轴,但由于喷涂层与基体是机械结合,转子振动会导致涂层掉渣,再次产生磨料磨损。从原理上讲,激光熔覆法(功率不是特别大的激光器、发热不严重)具有冷焊的特点,但设备价格昂贵,现场维修不变,使用率不高。目前,贴片冷焊法、气体保护熔丝冷焊(也称微弧冷焊)法、电刷镀法、离子液体催化金属冷焊法均可修复发电机转子轴,已有发表的论文对这几类技术的使用情况进行了介绍。下文将主要介绍FJY系列刷镀技术在发电机转子维修中的应用情况。
发电机转子轴由高合金钢(如35 Cr Mo、26 Cr2Ni4MoV等)制造,可按照《FJY系列刷镀技术用户指南》中合金钢基材刷镀方法制订刷镀工艺。对于轴颈拉伤的修复,基本工艺流程为:机械整形(将沟槽拓宽,槽底见光、过渡平滑),电净,水洗,2号活化,水洗,3号活化,水洗,合金钢活化,合金钢底镍,水洗,硬铜合金(或超快镍合金)填平沟槽,修磨出光,罩面层。如果修复的是油压密封的瓦轴,在轴颈修复后,应根据轴颈尺寸配瓦或刮瓦,保证油隙适当,以便正常运转时,轴与瓦之间能形成液体润滑。如果修复的是转子轴的轴承位,应将整个配合面恢复到设计尺寸和精度,便于更换新轴承。
早期的刷镀工艺很少顾及到基材的性质,通常是将一套工艺用于多种材质部件的刷镀修复,针对性不强,使用效果不稳定(时好、时坏),存在的主要问题是:1. 镀层与基体结合力不可靠;2. 填补深度较大的沟槽时,施工效率低,需要多次重复刷镀-修磨—刷镀—修磨工序才能填平沟槽或凹坑。
随着现代刷镀技术的迅速发展,特别是FJY系列快速、超厚、环保刷镀技术的广泛使用,解决了镀层与基体之间结合不牢的问题,在使用过程中不会出现镀层脱落的现象,如新疆某热电厂07年采用FJY刷镀技术修复的350MW发电机转子轴,至今仍在正常使用。FJY刷镀技术具有快速(3-5丝/分钟)、超厚(3-5mm以上)的特点,为该技术的普遍使用提供了便利。此外,刷镀法可以在电厂内进行转子的不解体修复,简便易行。
下述案例是用FJY系列刷镀技术修复拉伤、磨损发电机转子的施工现场。与传统刷镀方法修复技术不同,FJY系列刷镀技术开发出了一套完整的专门针对高合金钢材质发电机轴的快速修复方法,镀层与基体之间呈金属键结合,正常工作时,不会出现镀层剥落问题,修复质量稳定、可靠。



3.风机轴修复
电厂风机主要有两种破坏形式:叶片的冲刷磨损(磨料磨损、气蚀剥离等)和叶轮轴的磨损。影响叶片的冲刷磨损的因素复杂(如叶片材质、叶形、转速、流场特性、以及气体的洁净程度等),虽然有许多关于不同形式修复方法修复叶片冲蚀的研究报道(如堆焊、冷焊等),但是,到目前为止,还没有公认有效、可以做到修旧如新的可靠修复方案。
而叶轮轴磨损的修复则比较简单。一般认为,不论采用哪一种磨损修复方法,只要在修复过程中不会引入较多的热量,轴在运转过程中就不会存在弯曲或断轴的风险。前面提到的各种冷态修复法均可用于风机轴的修复。
对于有磨损但无严重拉伤的风机轴,使用FJY系列刷镀技术修复最为简便可靠。对于有磨损、拉伤的风机轴,可以采用前面提到的“发电机转子修复”方法进行修复。如果风机轴的拉伤特别严重(深度较深)、但磨损量并不大,可先用气体保护熔丝冷焊技术填平沟槽,经机加修平后,再用刷镀法恢复轴颈尺寸。虽然贴片法也可修复磨损的风机轴,当修复面积较大时,稍有不慎,就会残留修复缺陷,修复可靠性不高。
考虑到使用过的风机轴不便拆卸,也可将轴同心修磨见光,然后用刷镀法加厚轴承内圈,经精磨后热装。同理,如果轴承座孔的磨损不便修复,也采用刷镀轴承外圈的方法进行修复。下面给出的是刷镀法修复风机轴的典型案例。
 






4. 可再生能源(风力、水力、光-伏电池)发电设备修复
伴随着能源消耗量的日益增加,传统的能源资源日趋耗尽,世界各国都在致力于新型能源(特别是可再生能源)的开发利用。太阳能发电(包括风力发电、潮汐发电、水电、光-电转换等)技术是最有发展前景新能源技术。虽然风力发电的核心技术源于欧、美等发达国家,但我国却是风力发电设备制造、出口及使用的大国。
与热力发电机转子的结构不同,在风力发电机转子的一端安装有长度达几十米的风叶。叶片越长,电机转子的振动幅度越大。因此,在风电设备的制造过程中,对零部件加工精度的要求极高,极小的加工超差,就会产生废品。刷镀法是修复较小加工超差的最有效方法。对已投入使用、并有机械磨损的风电设备,刷镀法也是现场修复的最佳方法。下图是风电设备的工作原理、以及刷镀法修复风电设备关键部件实际案例。
我国河流众多,水电资源丰富,是世界水电站最多的国家。水由上而下自然流动的势能可通过水轮机转换为电能。
水力发电机中转子的工作原理与热力发电机转子相似,差别仅在于驱动发电机转子旋转的动力源不同。因此,可用于热力发电机转子修复的各种方法,均可用于水力发电机转子的修复。
此外,在下面的6幅图中,还给出了贵州乌江渡水力电厂(早期由华国锋主持、法国援建的水电厂)利用FJY无氰刷镀银技术修复电力绝缘子的应用实例。








5. 其它应用
光-伏电池是太阳能利用的另一种形式。与电磁感应式发电(交流电)原理不同,光-伏发电提供的是直流电。众所周知,直流电在输送过程中的最大缺点是线损严重。在电压、线长一定的情况下,线损的大小与传输线路电阻的大小成正比。线路的总电阻包括导电排的体电阻和搭接头的接触电阻。为了降低搭接部位的接触电阻,要求在汇流排搭接面上施镀导电性好、抗氧化能力强的金属镀层(如镀银、镀锡、镀镍层等)。
传统的电镀方法适用于汇流排的整体电镀。镀层覆盖了导体的整个外表面(包括非搭接面和搭接面),实际应用结果表明,非搭接面上的镀层对降低直流导体线损的作并用不大,而搭接面上的导电镀层对降低线损有重要作用。采用刷镀银、刷镀锡技术可以方便地在搭接面上局部镀覆抗氧化性好的导电镀层。与整体电镀法相比,刷镀的生产可成本成倍(或数十倍)下降。
此外,利用储能电池(如蓄电池等)可以储存光-伏电池转换的直流电能。大功率储能电池的接线端子也可用刷镀法进行局部导电性改性或修复。
直流电动车蓄电池端子在加工或修复中也可使用局部刷镀技术,国内外已有近百家蓄电池生产企业采用FJY系列无氰刷镀银、高稳定快速刷镀锡技术进行蓄电池端子的加工与修复。关于FJY系列刷镀技术在电池生产制造中应用的详细介绍,请参阅《中国刷镀网》关于“蓄电池端子刷镀修复技术及其应用”的论文。下图是FJY刷镀技术在直流发电及电力传输(汇流排、软连接)领域的应用实例。图中还给出了高档汽车电机碳刷高可靠性电连接刷镀铜的应用实例。








6. 结论
本文介绍了电厂设备易损件(如转子轴、轴承、座孔等)的刷镀修复应用特点及典型案例,同时还简要地介绍了FJY无氰镀银技术、快速镀锡技术在光-伏转换、电力传输过程中降低线损的作用与意义。该修复技术简便、易行、成本低廉的突出特点,必将使其在发电、及电力传输领域发挥更大的作用。

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