胡 俊

（中石化集團(tuán)北京燕山石油化工有限公司，北京 102500）

0 引言

煙氣脫硫已是我國火力發(fā)電機(jī)組要求必須具有的環(huán)保裝置，而石灰石——石膏濕法煙氣脫硫FGD（Flue gas desulfurization，煙氣脫硫），是目前世界上技術(shù)最成熟應(yīng)用最多的高效脫硫工藝。漿液循環(huán)泵是FGD脫硫系統(tǒng)中的大型流體動(dòng)力設(shè)備，脫硫泵通常為離心式泵，脫硫泵從脫硫塔底部抽取漿液進(jìn)行循環(huán)，它是石灰石-石膏法脫硫工藝中流量最大，使用條件較為苛刻的循環(huán)泵。在實(shí)際應(yīng)用中，濕法脫硫煙氣中含有粉塵、SO2，HCl，NOx，H2SO3，H2SO4等復(fù)雜的組分而且酸堿交替、冷熱交替、干濕交替，這些煙氣被漿液吸收。作為漿液循環(huán)的主要?jiǎng)恿υO(shè)備，脫硫泵承受著多種多樣的物理、化學(xué)攻擊，尤其是漿液中的固體顆粒沖刷以及SO32-，SO42-，Cl-，F(xiàn)-對(duì)過流面的強(qiáng)烈腐蝕、氣蝕等因素協(xié)同作用，在流體漿液腐蝕和磨蝕共同破壞作用下，泵體過流面金屬很容易受到嚴(yán)重摸磨耗，使葉輪、護(hù)板、蝸殼內(nèi)表面等過流件幾何尺寸發(fā)生明顯變化，最終導(dǎo)致泵的效率低下、噪聲加劇甚者泵件報(bào)廢。如果不采取合理的防護(hù)對(duì)策，脫硫泵的運(yùn)行將達(dá)不到預(yù)期的循環(huán)效果，最終影響脫硫系統(tǒng)的脫硫效率指標(biāo)。

1 脫硫泵的腐蝕及磨蝕現(xiàn)狀

脫硫泵早先采用的金屬材料主要有雙相不銹鋼（如2505，2605），雖然具備較高的耐氯離子點(diǎn)蝕性能，但其固熔處理后硬度≤26 HRC，當(dāng)輸送固體顆粒的硬度＞26 HRC時(shí)就會(huì)產(chǎn)生磨蝕。電廠使用的石灰石漿液中稍有大而硬的固體顆粒時(shí)，泵件就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的磨蝕，最早的雙相不銹鋼葉輪使用不到6個(gè)月就出現(xiàn)嚴(yán)重磨蝕。尤其是在鋼廠的脫硫泵，由于漿液中含有密度較高的金屬礦渣顆粒，雙相不銹鋼葉輪（1～3）個(gè)月就出現(xiàn)嚴(yán)重磨損或報(bào)廢。后期人們?yōu)榱私鉀Q泵件的抗磨問題，犧牲了材料的韌性，發(fā)展出了耐磨蝕性好的高鉻鑄鐵泵件如Cr30A等，該材料雖然該材料硬度可提高至55 HRC，但其耐點(diǎn)蝕當(dāng)量 PREN（Pitting Resistance Equivalent Number，耐點(diǎn)蝕當(dāng)量）＜36。Cr30葉輪在電廠脫硫泵上運(yùn)行6個(gè)月以后，磨損程度比雙相不銹鋼有所減輕。但葉輪、泵殼、泵蓋等過流部位還是出現(xiàn)較大的磨損，泵的效率每況愈下，在后面的6個(gè)月，脫硫泵基本上處于帶病運(yùn)行狀態(tài)。由于Cr30A開裂傾向性大，只能用于制造葉輪，鑄造大型泵殼還是存在開裂風(fēng)險(xiǎn)。為了解決Cr30A的脆性并提高耐蝕性，國內(nèi)一些廠家通過添加Ni，Mo等合金元素優(yōu)化合金組織，得到了改性Cr30金屬材料。該材料的點(diǎn)蝕當(dāng)量PREN＞38，耐氯離子腐蝕性能比先前提高30%～50%，材料的硬度控制在（40～50）HRC，改善了韌性后的材料，開裂風(fēng)險(xiǎn)降低，可用于大型泵殼。但（40～50）HRC的硬度，仍然無法保證脫硫泵在12個(gè)月內(nèi)不發(fā)生明顯的磨損或保持泵效率不下降。國外對(duì)于脫硫泵金屬材料的篩選嘗試，最后將適合的金屬材料定位在鎳基合金上，但由于鎳基合金泵的價(jià)格昂貴，尤其是大型脫硫泵用鎳基合金制作成本太高，用戶無法承受這樣高昂的成本。為了保證在12個(gè)月內(nèi)不讓泵件發(fā)生太快的磨損，電廠只能選擇轉(zhuǎn)速較低的泵。這意味著電廠不得不花費(fèi)成倍的費(fèi)用，再購買大尺寸的脫硫泵或增加脫硫泵的數(shù)量，來保證漿液的總流量不下降，這將使泵房的用電能耗更高、脫硫成本增加。

綜上所述，漿液的腐蝕和磨蝕給脫硫泵帶來的磨耗是極其嚴(yán)峻的，腐蝕和磨蝕的泵振動(dòng)噪聲增大、出力下降、金屬裂紋擴(kuò)展、泵件提前報(bào)廢以及運(yùn)行不安全，影響整體FGD脫硫系統(tǒng)的脫硫效率指標(biāo)以及脫硫泵向高轉(zhuǎn)速、高出力的方向發(fā)展。

2 脫硫泵的腐蝕及磨蝕機(jī)理分析及影響因素

在脫硫過程中煙氣中的二氧化硫被吸收并生成亞硫酸鹽或硫酸鹽，亞硫酸根及硫酸根離子具有很強(qiáng)的化學(xué)活性，對(duì)泵體具有很強(qiáng)的腐蝕能力，從二氧化硫的吸收來講，理論上pH高時(shí)有利于二氧化硫的吸收，pH在6左右時(shí)，二氧化硫吸收效果較好，但這樣的酸堿度條件下，亞硫酸鈣繼續(xù)氧化以及石灰石的進(jìn)一步溶解均受到抑制，漿液中出現(xiàn)難以脫水的亞硫酸鈣和石灰石顆粒。當(dāng)pH值降低時(shí)有利于亞硫酸鈣的氧化，石灰石的溶解度也能增加，但二氧化硫的吸收受到抑制，脫硫效率大大降低，當(dāng)pH低至4時(shí)，二氧化硫幾乎無法被吸收，此時(shí)漿液的腐蝕能力更加提高。故運(yùn)行中一般控制在pH在4.5～5.8這樣一個(gè)酸性環(huán)境，酸性硫腐蝕是不可避免的。

在濕法脫硫系統(tǒng)中，SO2，H2SO4，H2SO3，HCl可以很快發(fā)生反應(yīng)生成CaCl2，CaSO4，由于漿液中CaSO4溶解度非常小，故SO42-濃度≤1000 mg/L，但CaCl2的溶解度很大，所以在循環(huán)的漿液中Cl-濃度很高。Cl-在脫硫系統(tǒng)中是引起金屬腐蝕的重要原因，當(dāng)Cl-濃度超過2×10-10時(shí)，普通的不銹鋼已不能正常使用，當(dāng)Cl-濃度超過6×10-10時(shí)，則需要鎳基合金才能勝任。對(duì)于Cl-的腐蝕作用機(jī)理有多種說法，有研究者認(rèn)為在酸性漿液中CaCl2的腐蝕產(chǎn)物分解為氫氧化鈣和游離HCl，游離酸在某些微坑內(nèi)可以產(chǎn)生pH為1的強(qiáng)酸微環(huán)境，金屬表面很快造成大面積點(diǎn)蝕坑。另有研究者則認(rèn)為，Cl-容易在不銹鋼氧化膜表面吸附并形成新的表面化合物，但這種新的表面化合物晶格缺陷多，具有較大的溶解度，容易導(dǎo)致原有氧化膜破裂。故漿液中氯離子是一個(gè)主要的腐蝕影響因素。

脫硫塔底部的漿液含有大量的固體顆粒，漿液固含量達(dá)到5%～28%，主要是飛灰、Al2O3，SiO2、亞硫酸鈣（CaSO3.H2O）、硫酸鈣（CaSO4.2H2O）,粒度范圍在（0～0.5）mm，尤其是漿液中的 Al2O3和SiO2硬度高，對(duì)泵體金屬具有很強(qiáng)的磨損破壞性。脫硫泵輸送的漿液屬于典型的氣固液三相流體，固相對(duì)泵的影響是連續(xù)的均勻的，而氣相對(duì)泵的影響遠(yuǎn)比固相復(fù)雜且難以預(yù)測，泵的吸入口和葉輪葉片的背面等部位氣體聚集會(huì)導(dǎo)致氣蝕量增加，漿液中固體顆粒磨損和氣蝕沖擊波共同作用對(duì)金屬組織形成的破壞，學(xué)術(shù)上統(tǒng)稱磨蝕。

綜上所述，漿液對(duì)脫硫泵的破壞是集合腐蝕、磨損、氣蝕共同作用的一個(gè)非常復(fù)雜的工況，單純的磨損并不可怕，但在腐蝕環(huán)境下的磨蝕，會(huì)讓腐蝕、磨損、氣蝕分別放大數(shù)倍，這對(duì)泵體金屬是一個(gè)極大的考驗(yàn)。

3 解決方法現(xiàn)狀

脫硫泵在長時(shí)間的運(yùn)行中，泵件過流面受到腐蝕、磨蝕等破壞，葉輪、護(hù)板、泵殼出現(xiàn)金屬減薄、凹坑、豁口、腐蝕性裂紋，最終導(dǎo)致泵件結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問題而報(bào)廢。

針對(duì)脫硫泵磨損修復(fù)、防磨開發(fā)，人們做了不少嘗試工作。早先的雙相不銹鋼脫硫泵件具有可焊性，人們對(duì)磨損的部位進(jìn)行同材質(zhì)補(bǔ)焊然后機(jī)械加工修復(fù)至使用狀態(tài)，但這種修復(fù)方法雖然可以很好的恢復(fù)泵的出力效率，但無法很好的解決泵件的快速磨損問題，后期發(fā)展的Cr30，A49高鉻鑄鐵泵件耐磨性有一定提高，但該類材料屬于不可焊金屬，補(bǔ)焊會(huì)導(dǎo)致零件碎裂，針對(duì)高鉻鑄鐵泵件磨損后的修復(fù)，業(yè)內(nèi)很多單位采用高分子陶瓷顆粒涂料（環(huán)氧-碳化硅或環(huán)氧-氧化鋁）進(jìn)行表面涂抹固化冷修復(fù)，該工藝操作簡單，但該工藝涂抹平均厚度在5 mm左右，這樣的厚度對(duì)葉片原廠設(shè)計(jì)的流線型改變較大，雖然耐磨性有一定的提高，但泵的效率無法恢復(fù)到出廠設(shè)計(jì)的出力水平。一些電廠認(rèn)為涂抹修復(fù)后的脫硫泵由于表面粗糙度接近砂輪的粗糙表面,與漿液摩擦阻力大，遠(yuǎn)比使用新泵耗電，這樣的論斷不無道理。

為了開發(fā)耐磨壽命更長的脫硫泵，德國有兩家公司在10年前開發(fā)了樹脂碳化硅熱澆注陶瓷泵。該技術(shù)是將樹脂碳化硅澆注料澆注至特定的精密模腔內(nèi)，然后進(jìn)行固化脫模。該工藝制造的脫硫泵耐磨壽命，是國內(nèi)高鉻鑄鐵泵的2～3倍而且泵的出力效率也比較穩(wěn)定，但碳化硅陶瓷泵生產(chǎn)成本是普通鑄造泵的3倍左右，投資成本太大不符合我國的國情，應(yīng)用受到限制。20世紀(jì)90年代，澳大利亞某公司最早采用橡膠襯套技術(shù)解決脫硫泵的磨損問題（橡膠襯套技術(shù)只能用于泵殼和護(hù)板，葉輪離心力大無法應(yīng)用橡膠涂層），該技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用了數(shù)十年，由于橡膠襯套的脫落堵塞問題以及橡膠缺陷的修補(bǔ)問題均存在無法克服的風(fēng)險(xiǎn)，故該工藝逐漸退出主流市場。雖然金屬泵的耐磨壽命以及出力效率的持久穩(wěn)定性不夠理想，但考慮到綜合成本，目前我國的脫硫泵主流應(yīng)用仍然是以高鉻鑄鐵金屬脫硫泵為主，一些泵廠為了延緩泵的磨損，只能從設(shè)計(jì)上把泵的尺寸做大、轉(zhuǎn)速改低，這種方法從節(jié)能增效上講不能算是非?？茖W(xué)合理的選擇。

設(shè)想如果能通過在高鉻鑄鐵泵上使用薄涂層防磨，即用厚度在（0.5～1）mm的涂層去解決腐蝕和磨蝕問題，同時(shí)這樣薄的厚度又不影響原泵廠設(shè)計(jì)流線型和表面光滑度，確保泵的流量壓力在科學(xué)合理的范圍，這將使修復(fù)、防磨和節(jié)能增效有機(jī)的結(jié)合在一起，讓泵修復(fù)真正成為一種科學(xué)完美的選擇。

公司第一套脫硫裝置于2004年10月投入運(yùn)行，在國內(nèi)FGD脫硫方面起步較早，脫硫泵LC300/530型，轉(zhuǎn)速（600～990）r/min，揚(yáng)程24.5 m。由于漿液泵介質(zhì)的特殊性，運(yùn)行周期在滿負(fù)荷情況下只能達(dá)到6000 h左右，脫硫泵葉輪、護(hù)板、泵殼磨損嚴(yán)重，運(yùn)行6個(gè)月以后電流下降可達(dá)10%。公司在脫硫泵的修復(fù)防磨上進(jìn)行了各種高分子陶瓷修補(bǔ)劑材料嘗試，效果均不理想。針對(duì)公司脫硫泵磨損特點(diǎn)，基于薄涂層防護(hù)思路，2014年公司選擇冷金屬過渡焊補(bǔ)焊+焊后機(jī)械加工+金屬-陶瓷高頻爆炸熔射超硬薄膜涂層+柔覆聚合物涂層技術(shù)，對(duì)泵體的所有過流面進(jìn)行出廠機(jī)械尺寸恢復(fù)并熔射覆膜。

高頻爆炸熔射技術(shù)是2000年以后國際上出現(xiàn)的最新涂層技術(shù)，該技術(shù)基于火箭脈沖爆震推力發(fā)動(dòng)機(jī)原理開發(fā)而成，燃料輸入噴槍的燃燒室發(fā)生連續(xù)爆炸產(chǎn)生（3200～4200）℃高溫，將金屬-陶瓷粉末送入爆炸區(qū)熔化并被高頻脈沖爆震波推送至零件表面形成一個(gè)光滑堅(jiān)硬的涂層，該涂層硬度超過70 HRC，與基體結(jié)合強(qiáng)度最高可達(dá)120 MPa。

公司泵件經(jīng)涂層處理后，運(yùn)行12個(gè)月內(nèi)，泵的電流波動(dòng)率基本在2%～4%，機(jī)組噪聲穩(wěn)定。1個(gè)運(yùn)行周期后停機(jī)檢修，所有過流泵件的母體金屬基本沒有損壞，只在泵殼出口流道根部出現(xiàn)局部磨蝕；局部修復(fù)后繼續(xù)運(yùn)行1個(gè)大修周期后，停機(jī)檢修涂層仍有70%左右的完好率，此時(shí)泵件幾何形狀仍未發(fā)生改變。從2個(gè)運(yùn)行周期的實(shí)際應(yīng)用跟蹤看，冷金屬過渡補(bǔ)焊+熔射非晶金屬-陶瓷超硬涂層的方法，在公司脫硫泵上應(yīng)用，既可以實(shí)現(xiàn)泵的修復(fù)防磨，又可以實(shí)現(xiàn)泵的節(jié)能增效。噴淋泵監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)比見表1。

表1 噴淋泵監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)比

表1數(shù)據(jù)表明，經(jīng)修復(fù)后的泵，在運(yùn)行中其出口壓力不低于新泵額定水平，說明泵的流量沒有衰減。由于葉輪表面覆膜后使得表面耐磨性和減阻性大幅度提高。涂層的光潔度是經(jīng)過普通拋光后是不銹鋼的10倍以上，這種極光滑的表面減少了泵內(nèi)流體的分層，從而減少泵內(nèi)部紊流，降低了泵內(nèi)的容積損失和磨損損耗，葉輪在漿液中的摩擦阻力大大降低，漿液對(duì)葉輪阻力變小，電機(jī)軸扭矩、電耗降低，這是電流下降的主要原因。在流量和泵壓力滿足標(biāo)準(zhǔn)的情況下，電流下降5 A，電流下降率7.35%，說明電機(jī)負(fù)荷減輕，意味著脫硫泵節(jié)電7.35%。

4 結(jié)束語

利用高頻熔射技術(shù)在脫硫泵過流面制備一層防護(hù)涂層，以減少介質(zhì)對(duì)金屬的腐蝕和磨蝕，延長泵件的使用壽命，是目前最為經(jīng)濟(jì)、有效的一種方法。在各種修復(fù)方法中，由于高頻熔射金屬-陶瓷涂層厚度只有（0.3～0.5）mm，不要后期機(jī)械加工，不影響泵件裝配，也不改變?nèi)~片的設(shè)計(jì)流線型，同時(shí)耐磨壽命超過環(huán)氧樹脂碳化硅材料2倍以上。配合冷金屬過渡補(bǔ)焊工藝，既可以對(duì)補(bǔ)焊翻新的零件進(jìn)行覆膜，也可以給新泵表面進(jìn)行預(yù)保護(hù)覆膜。覆膜后的泵件，在1個(gè)大修期內(nèi)長期保證新泵效率運(yùn)行，從減少購買新泵支出和泵房節(jié)電上均能創(chuàng)造可觀的效益。泵是動(dòng)力耗費(fèi)大戶，依據(jù)通用機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì)計(jì)算，泵耗電量占我國發(fā)電量的15%～25%，泵的節(jié)能和可持續(xù)使用在工業(yè)節(jié)能領(lǐng)域占據(jù)重要地位。因此，通過在泵行業(yè)應(yīng)用該耐磨減阻涂層實(shí)現(xiàn)節(jié)能，具有廣闊的應(yīng)用前景。