CC BY
5РАЗДЕЛ 3. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ В ОБЛАСТИ
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ
УДК 67.017
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО СОЗДАНИЮ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ТРУБАХ КОТЛОВ С «КИПЯЩИМ СЛОЕМ» ГАЗОПОРОШКОВОЙ НАПЛАВКОЙ
М.В. Радченко, Ю.О. Шевцов, В.Г. Радченко, С.Г. Уварова
В работе представлены результаты исследований свойств защитных покрытий элементов котлов с «кипящим слоем», полученных дозвуковой газопорошковой наплавкой и разработаны технологические рекомендации по их получению.
Ключевые слова: дозвуковая газопорошковая наплавка, эксплуатационные свойства защитных покрытий, котлы с «кипящим слоем».
Котельные установки с «кипящим слоем» обладают несомненными преимуществами по сравнению с котлоагрегатами иного типа: высокий уровень сгорания любых видов углей, высокий коэффициент теплопередачи, отсутствие шлакования вследствие низкой температуры горения топлива, уменьшение выброса оксида азота на 20-30%, низкая чувствительность к зольности топлива. Однако влияние абразивных потоков при высоких температурах и окислительное воздействие с продуктами горения на рабочие поверхности труб приводят к их активному изнашиванию, потере работоспособности и выходу из строя.
Существуют различные способы решения данной проблемы. Зачастую применяются съемные щитки из чугуна, которыми защищают поврежденную поверхность, что экономически выгодно, но малоэффективно. Поэтому прибегают к созданию защитных покрытий газотермическими методами. В основном это газопорошковая наплавка, обладающая следующими положительными свойствами: незначительное проплавление основного металла, возможность наплавки мелких деталей сложной формы и в труднодоступных местах, уменьшение опасности возникновения трещин, так как процесс наплавки включает предварительный подогрев и последующее замедленное охлаждение изделия, независимость от пространственного положения детали и низкая стоимость оборудования.
Вместе с тем у газопорошковой наплавки присутствуют и недостатки: низкая производительность при наплавке массивных деталей, требующих продолжительного предварительного подогрева, требования высокой квалификация оператора [1].
Целью данной работы являлись сравнительные исследования свойств защитных покрытий элементов котлов с «кипящим сло-200
ем», полученных газопорошковой наплавкой, для создания которых применялась ручная, дозвуковая горелка типа ГМ-5 (производства ОАО «Барнаульский аппаратурно-механи-ческий завод»). В качестве наплавочного материала использовался порошковый высоколегированный самофлюсующиеся сплав системы Ni-Cr-B-Si марки ПГ-СР3 с фракцией 80...120 мкм. Химический состав сплава: Cr =13,5-16,5%, В =2,0-2,8%, Si =2,5-3,5%, Fe ~5%, остальное -Ni (твердость HRC 44-48).
Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие задачи: провести комплекс металлографических исследований структуры (световую микроскопию, фазовый рентгеноструктурный анализ структурных составляющих), определить эксплуатационные и механические свойства (микротвердость, износостойкость).
Для проведения исследований подготавливались образцы, из которых по стандартным методикам в соответствии с рекомендациями [2, 3] изготавливались шлифы.
Структурные исследования проводили на оптическом световом микроскопе ММР-4, при увеличении до 1000 раз. Фотографии микроструктур получены с помощью цифровой фотокамеры Nikon 4300 (фокус F = 4,5).
Фазовый рентгеноструктурный анализ [4] выполнялся с помощью рентгеновского ди-фрактометра ДРОН - 2.0 с использованием монохроматического излучения изотопов кобальта и железа, что обеспечивало получение четких, не размытых дифракционных пиков для идентификации фазовых составляющих.
Микротвердость определялась на поперечном сечении образца с помощью прибора ПМТ-3М при нагрузке 50 г (0,49 Н) [5].
Для проведения испытания наплавленного покрытия на сопротивление механическому изнашиванию при сухом трении о жест-ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК №4 2009
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО СОЗДАНИЮ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫ ТИЙ НА ТРУБАХ КОТЛОВ С «КИПЯЩИМ СЛОЕМ» ГАЗОПОРОШКОВОЙ НАПЛАВКОЙ
ко закрепленные абразивные частицы [6] использовалась универсальная установка МИ-1М.
При оценке изнашивания использовался весовой метод, так как его рекомендуется применять преимущественно на образцах с небольшой массой. Величина весового износа определялась на лабораторных аналитических весах с точностью 2• 10-4 г (тип ВЛР-200).
Исследование проводилось на реальных образцах труб элементов котлоагрегатов с «кипящим слоем», работавших определенное
Участок износа
время в режиме полной эксплуатации. Визуальный контроль качества наплавленных слоев показал, что ряду предприятий не всегда удается добиться стабильного высокого качества защитных покрытий на элементах, поверженных высокотемпературному абразивному износу. Причиной этого, как правило, является несоблюдение инструкций РД 34.26.602 и РТМ 70.0009.014-83 [7, 8].
В частности, на рисунке 1 представлены фотоснимки исследуемого элемента трубы с износом наплавленного защитного покрытия.
Рисунок 1 - Элемент трубы с покрытием
Такой износ покрытия является следствием грубейшего нарушения технологии газопорошковой наплавки, что в свою очередь может привести к аварийным ситуациям на котельных. В результате остановки котлоагрегатов происходят перебои с теплом, что особенно недопустимо в зимний период для жилых кварталов, а также таких социально значимых объектов, как например, больницы,
школы и т.д. При этом сами котлоагрегаты нуждаются в сложном, длительном, трудоемком и дорогостоящем ремонте. На рисунках 2, 3 изображена микроструктура основного металла и границы сплавления основного металла с защитным покрытием исследуемого участка трубы.
Рисунок 2 - Микроструктура основного металла
Защитное покрытие
Граница сплавления
Основной металл
Рисунок 3 - Распределение карбидной составляющей и граница сплавления защитного покрытия и основного металла
Проанализировав полученные при микроструктурном анализе фотоснимки, можно сделать вывод, что структура основного металла является феррито-перлитной. Однако, ближе к границе сплавления, структура приобретает игольчатое строение. Это может быть вызвано перегревом, что с точки зрения износостойкости и качества сцепления покрытия крайне не благоприятно и может привести к отслоению. Граница сплавления основного металла и защитного покрытия достаточно четкая, но в большом количестве присутствуют дефекты металлургического характера: поры и несплавления (рисунок 4).
Участок несплавления
Как показывает практика, обнаруженные дефекты вызваны следующими нарушениями технологии: некачественная обработка поверхности основного металла перед наплавкой (поверхность основного металла должна быть зачищена от различных загрязнений: влаги, масла, пыли, ржавчины), несоблюдение норм при подготовке порошкового материала (порошковый материал перед наплавкой необходимо просушить при температуре 200...250 °С в течение 1...1,5 ч) и нестабильность режимов при нанесении защитного покрытия.
Поры
Рисунок 4 - Наличие в покрытии дефектов металлургического характера
Количество карбидной составляющей тия Sп=0,0165 мм2, отражены в гистограммах защитного покрытия и ее размер, на площади на рисунке 5. поперечного сечения наплавленного покры-
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО СОЗДАНИЮ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ТРУБАХ КОТЛОВ С «КИПЯЩИМ СЛОЕМ» ГАЗОПОРОШКОВОЙ НАПЛАВКОЙ
Размер карбидной составляющей.
Рисунок 5 - Гистограммы упрочняющей фазы в защитном покрытии
В наплавленном покрытии, на основе никелевой матрицы, преобладают твердые включения малых размеров, в основном правильной округлой формы, более крупные включения вытянуты и бесформенны. Распределение упрочняющей фазы в покрытии не равномерное.
Более полное представление о структурных составляющих защитного покрытия дает фазовый рентгеноструктурный анализ. Представленные дифрактограммы (рисунок
6) позволяют говорить о том, что в защитном покрытии, выполненном газопорошковой наплавкой, основным материалом является твердый раствор легирующих элементов в у-а также присутствуют карбиды типа Fe3C, СГ3С2, Cr7Cз и бориды FeB, Сг5В3. Наличие таких включений в структуре защитного покрытия предопределяет высокие физико-механические свойства (теплоустойчивость, прочность, твердость, устойчивость к износу).
Рисунок 6 - Фазовый состав защитных покрытий
Для определения механических свойств защитных покрытий было выполнено исследование распределения значений микротвердости в поперечном сечении образца. По результатам измерений и на основе расчет-
ных данных были построены графики распределения значений микротвердости по сечению наплавленного металла (рисунок 7) в трех различных сечениях.
-1.75 -1.5 -1.25 -1 -0.75 -0,5 -0.25 О 0,25 0,5 0,75 I 1,25 1.5 1.75
Толщина, мм Рисунок 7 - Распределение микротвердости
Как показывают графики, защитное покрытие обладает твердостью на 100-150 МПа выше, чем у основного металла и это, безусловно, является положительной характеристикой. Однако распределение микротвердости в покрытии не равномерное, скачки вверх на графиках означают, что при измерении микротвердости вдавливание индентора пришлось на твердую карбидную фазу, а
провалы - на пластичную никелевую матрицу.
Сравнительным исследованиям износостойкости были подвергнуты образцы с защитным покрытием и образец из стали 45 (эталон). Испытания проводили на образцах площадью Sобр=1 см2 при постоянной нагрузке Р = 400 г. Результаты представлены в виде графиков на рисунке 8.
Рисунок 8- Результаты испытаний покрытий на износостойкость о жестко закрепленные
абразивные частицы: 1 - сталь 45; 2 - образец покрытия, полученного газопорошковой наплавкой
Как показывают графики потери массы металла от времени, относительная потеря массы образца с защитным покрытием в 2 раза меньше образца стали 45.
Таким образом, в данной работе авторами выполнен комплекс исследований наплавленных слоев на изнашиваемых элементах котлоагрегатов с «кипящим слоем», в ходе которых установлены причины неудовле-
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО СОЗДАНИЮ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ТРУБАХ КОТЛОВ С «КИПЯЩИМ СЛОЕМ» ГАЗОПОРОШКОВОЙ НАПЛАВКОЙ
творительного качества защитных покрытий, полученных газопорошковой наплавкой и сформулированы технологические рекомендации по созданию качественных защитных покрытий, которые заключаются в следующем:
1) В качестве наплавочного материала использовать порошковый сплав системы Сг-В^, а именно ПГ-СР3 ОМ (фракция 40...100 мкм).
2) Давление газов необходимо поддерживать в следующих диапазонах: пропан -0,8.1,0 атм., кислород - 4,5.5,0 атм. Подогрев поверхности основного металла осуществлять на дистанции 10.15 мм. Наплавку выполнять на дистанции Lн=20...25 мм при скорости Vн=3...5 м/ч, сопло горелки располагать под углом 90° к поверхности детали. Подачу наплавочного материала и его оплавление начинать после «запотевания» поверхности основного металла.
3) Наплавленный металл визуально проконтролировать на наличие дефектов. Для определения толщины покрытий и качественных показателей (наличия пор, трещин, несплавлений) использовать метод ультразвукового контроля и прибор УТ-93П (ТУ 257761.007-86).
Соблюдение сформулированных технологических рекомендаций позволит обеспечить стабильно высокое качество защитных покрытий на протяженных трубных элементах котлоагрегатов с «кипящим слоем», подверженных высокотемпературному абразивному износу.
Далее в статье приведены результаты исследования свойств защитных покрытий, полученных по технологии газопорошковой наплавки, разработанной в ООО «Научно-исследовательский институт Высоких Технологий» (НИИ ВТ).
Защитное покрытие
Граница сплавления
Основной металл
Рисунок 9 - Распределение карбидной составляющей и граница сплавления защитного покрытия и основного металла
На рисунке 9 показана микроструктура защитного покрытия, основного металла и граница сплавления при соблюдении всех технологических рекомендаций газопорошковой наплавки. С точки зрения защиты металла от износа полученное таким образом покрытие наиболее эффективно, так как характеризуется наличием в матрице карбидов и
боридов примерно одинакового среднего размера, распределенных равномерно по покрытию и расположенных на малом расстоянии друг от друга. Граница сплавления основного и наплавленного металлов ровная, микроструктура практически не имеет дефектов.
0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5
Время, мин
Рисунок 10 - Результаты испытаний покрытий на износостойкость о жестко закрепленные
абразивные частицы: 1 - сталь 45; 2 - образец газопорошковой наплавки
Анализ результатов исследований износостойкости покрытий показал, что следуя общим рекомендациям наплавки можно получить покрытие, потеря массы которого будет 3-3,5 раза ниже, чем у эталона.
Практическая апробация способа наплавки, разработанного в ООО «НИИ ВТ», была выполнена на предприятии ОАО «Бий-ский котельный завод». В качестве защитного материала был использован износостойкий высоколегированный сплав ПГ-СР3.
Как показала практика, межремонтный период котлов с незащищенными экранными трубами в зависимости от типа углей (каменный или бурый) составляет 1,5...2,5 месяца. Обследование, проведенное во время останова котлов с наплавленными защитными покрытиями, после двух лет эксплуатации, в условиях котельной г. Борзя, следов износа не выявили. Это свидетельствует о существенном повышении стойкости труб с защитными покрытиями при работе в условия высокотемпературного газоабразивного износа.
Экономический эффект от внедрения разработанной технологии на одном котле составил 3,6 млн. рублей в год, при стоимости ремонта одного котла с заменой комплекта экранных труб 600 тыс. рублей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сварка, резка, пайка металлов - М.: Аде-лант, 2003. - 192 с.
2. Лаборатория металлографии / Е.В. Пан-ченко, Ю.А. Скаков, Б.И. Кример [и др.]. - 2-е изд. - М.: Металлургия, 1972. - 240 с.
3. ГОСТ 9.302 - 79. Единая система защиты от коррозии и старения. Покрытия металлические и неметаллические неорганические. Правила приемки и методы контроля.
4. Рентгенографический и электронно-оптический анализ / Горелик С.С., Расторгуев Л.Н., Скаков Ю.А. - М.: Металлургия, 1970.- 338 с.
5. Металловедение и термическая обработка стали: Справ.изд. Т.1. Методы испытаний и исследования/ Под ред. Бернштейна М.Л., Рахштадта А.Г.- 3-е изд. перераб. и доп.-М.: Металлур-гия,1983.- 325 с.
6. Тушинский, Л.И., Плохов, А.В. Исследование структуры и физико-механических свойств покрытий. - Новосибирск: Наука, 1986.- 201 с.
7. РД 34.26.602 Инструкция по восстановлению изношенных и защите новых гибов и прямых участков труб поверхностей нагрева котлов высокого давления методом газопорошковой наплавки.
8. РТМ 70.0009.014-83 Восстановление деталей газопорошковой наплавкой на пропане.
Радченко М.В., зав. кафедрой, проф., Шевцов Ю.О., Радченко В.Г., Уварова С.Г., АлтГТУ им. И.И. Ползунова, тел. (3852) 36-72-23
