通風降溫工程焦爐煤氣鼓風機葉輪防腐措施轉子變頻 ―――一種新

摘要：介紹了煤氣鼓風機葉輪腐蝕現象，并簡單分析了腐蝕原因，還提出了8項改進措施。
關鍵詞：離心式鼓風機葉輪防腐
1引言
我公司有4臺陜西鼓風機(集團)有限公司生產的D1150-1.3/0.95-1型兩級離心式煤氣鼓風機。它的作用是不斷地將焦爐炭化室里煉焦過程中所產生的焦爐煤氣抽出，并壓送到回收車間進行處理。它既要克服途中各設備及管道的阻力，又要保持足夠的煤氣剩余壓力。運行方式是兩開兩備，單機輸送能力為69000m3/h。多年來風機運行不太穩定，一年倒機次數最多時竟超過20次，嚴重影響了煤氣的正常輸送，給公司生產帶來很大不利。究其原因,由風機葉輪腐蝕引起的故障是主要問題之一。
2腐蝕現象
風機長年在有害介質中高速運轉，必然要受到腐蝕。轉子的腐蝕主要發生在葉輪的前盤、后盤和葉片上，其材質分別為35CrMo和30CrMnSi。當轉子運行一個周期，由于振動超標故障停機而對其進行檢查清掃時，能在前后盤及葉片表面上清掃出大量的腐蝕產物。而備用機組找過動平衡后，停了相同周期。在啟動運行時，往往由于轉子處于不平衡狀態導致風機振動加劇而被迫停機。若檢查也能清掃出大量腐蝕產物，且比運行一周期剛停下來的轉子還多。從清掃的表面看，葉輪除了有均勻的腐蝕外還有大量的點蝕，致使轉子每隔2～3年就得報廢換新，腐蝕率最大能達2mm/年。備用機組更為嚴重。
制造廠設計的葉輪為前后、盤與葉片焊接而成，在進風口處每個葉片都留有100mm長度未進行焊接而形成了間隙，造成葉輪靜止時產生縫隙腐蝕，葉輪運行時產生縫隙和應力的聯合腐蝕。2000年10月我公司在風機運行時因調速工程故障停機，更換停了6個月的備用風機后運行，在運行幾小時后該風機發生異常聲音，振動劇烈，又被迫停機。經檢查發現前、后盤大面積腐蝕，其表面出現許多麻點，深層凸起，底層銹蝕，清掃的腐蝕產物質量達2kg。低壓級葉輪1個葉片折斷，并打壞了高壓級葉輪的2個葉片，轉子嚴重失衡，導致報廢。
3腐蝕原因分析
風機輸送的介質是粗煤氣，粗煤氣的成份如表1所示。
表1粗煤氣成份（g/m3）
水氣250～450焦油霧80～120粗苯30～45氨6～9氰化氫0.5～1.5吡啶1～3一氧化氮1～4cm3/m3硫化氫4～7二硫化碳0.3～0.5噻吩0.1～0.15硫醇約0.01二氧化硫約0.1萘約10乙烯13～26丙烯約11氯化物約1乙炔1.2～2.3氫氣45～54甲烷170～210乙烷同系物12～26一氧化碳63～88二氧化碳39～59氮氣5～125氧氣約7
從表1可看出煤氣中含有大量活性氣體成分。以硫化氫和氰化物對葉輪腐蝕性最強。硫化氫可溶于水或氫硫酸，葉輪與硫化氫接觸后在其表面快速形成疏松易剝落的硫化物，硫化物和硫化氫阻滯分子氫的形成，使大量氫原子吸附并積聚在葉輪表面，使表面原子間內聚力減弱，表面能下降，滲入葉片焊縫縫隙的氫原子繼續楔入縫隙尖端裂紋缺陷部位，使裂紋迅速向縱深發展，在金屬內部易出現氫脆和脫碳破壞。值得一提的是硫化物應力腐蝕只發生在90℃以下，而破裂最敏感的溫度為20～50℃。風機輸送粗煤氣介質溫度正好在該范圍之內。
二氧化硫屬酸性氧化物，溶于水可生成中強酸。被蝕金屬與二氧化硫反應時，一方面在其表面形成溶于硫原子的氧化皮或溶于硫化物的氧化皮，另一方面在金屬內部深處溶入的硫與活潑元素組成相應的硫蝕相。
這樣一個分子的硫酸并不只腐蝕一個原子的鐵，有資料表明,一個分子的硫酸至少要腐蝕100個原子鐵，可見二氧化硫對金屬腐蝕影響很大。
氯化物是含有鹵素的陽離子氧化劑，幾乎能使所有實用金屬增加腐蝕。在陽離子氧化劑和活性氯離子的雙重作用下腐蝕反應激烈。鹵素離子易使不銹鋼等易鈍化金屬產生孔蝕，縫隙腐蝕及應力腐蝕破裂等局部腐蝕。當介質中有NH3—CO2—H2S—H2O時，工程會增大對金屬的腐蝕速率。
總之，這些有害的活性氣體都極易溶解在葉輪表面中，并電離出氫離子或氫氧根離子，致使葉輪的前、后盤和葉片發生腐蝕。它們對金屬的腐蝕方式均與溫度有關，且像粗煤氣這樣多種成分混合在一起的介質構成的聯合腐蝕速率要比單種介質大得多，破壞力也更為強烈。這是由于混合氣體介質在金屬表面進行著多元不均勻的化學反應，并形成成分不均勻，含有大量晶體結構缺陷的多種反應產物，顯然這種銹皮是不耐蝕的。
由上述可知，葉輪的腐蝕主要是活性氣體等以水為介質的電化學反應所引起的。水氣是腐蝕發生的重要介質，活性氣體是腐蝕發生的主要禍根。
4防腐措施
4.1改變葉輪材質
為了減少腐蝕，延長轉子壽命，除應考慮到材料的機械性能和物理性能外，還應注重其化學性能。風機葉輪最好的材質當然首選不銹鋼。鋼中含鉻量超過12%時就會變得不易被腐蝕生銹，因為在這種鋼的表面上形成了一層致密的FeO•Cr2O3、NiO•Cr2O3或NiO•Fe2O3之類的氧化物保護膜的緣故。寶鋼的風機葉輪是用含鈦不銹鋼坯整體切削加工而成的。這樣既避免了零件受剪切而損壞，又達到了防腐目的。但這種方法國內采用較少，因為它加工方法復雜，再加上這么大的不銹鋼坯料供應有困難，而且在加工中被切削去的材料的質量遠遠超過葉輪本身，所以費用非常昂貴。如果不選用鋼坯整體加工，而選用不銹鋼焊接葉輪，其加工難度及費用都會大大下降，但費用仍比其它材質較高。因此在企業有能力的情況下還是應選不銹鋼葉輪。
4.2化學鍍Ni-P合金
經過論證選擇了化學鍍Ni-P合金，就是在轉子葉輪表面鍍上一層0.03mm的非晶態Ni-P合金。
化學鍍Ni-P合金鍍層有著十分優異的抗腐蝕性能。據有關資料表明，在還原性介質中它的抗腐蝕能力優于不銹鋼百倍以上。它之所以非常耐腐蝕是由于非晶態合金結構均勻，不存在偏析、夾雜物和第二相，原子呈短程有序結構，沒有晶界、位錯、層錯及與晶態有關的其它缺陷，從而具有較好的化學及電化學均勻性，這是耐蝕的主要原因。再者該合金鍍層腐蝕電位隨合金中含磷量的增高而增高。根據金屬腐蝕的混合電位理論，在陰極過程不變的情況下，金屬腐蝕電位愈正，則該金屬的腐蝕電流愈小。因此用高磷工藝生產的化學鍍Ni-P合金鍍層耐蝕性能十分優異。
還有它與基體的結合力大于電刷鍍，更大于電鍍，孔隙率只是電鍍的一半。其均鍍性好，任何復雜的幾何形狀均可施鍍，并可保證鍍層厚薄均勻、平整光滑。耐蝕性、抗粘附、抗嚙合能力都強于硬鉻。它確實是一種綜合性能優良的防腐防磨材料，且工藝簡單、化學鍍Ni-P合金工期短、成本低、見效快。
4.3用N2保壓保護
在風機備用機組停機狀態下，由于風機前、后閥門關不嚴會產生泄漏，致使機殼內充滿靜止的粗煤氣。靜止的粗煤氣對轉子葉輪侵蝕相當嚴重，其危害性也很大，所以采用N2保壓保護方法。
從風機進口閥后、出口閥前兩點向機殼內通N2，N2壓力保持在風機軸封處有N2微微冒出即可，使機殼內保持微正壓，且在正常情況下每周做一次含氧和爆發試驗，并記錄。這樣做的好處有兩點：其一，機殼內始終充滿N2，粗煤氣進不來，葉輪始終“浸泡”在N2中。N2是惰性氣體，不具有腐蝕性；其二，在緊急情況下立即開備用風機而不需做含氧分析，縮短了倒機時間，減少了對生產的影響。但是要制定相應的N2使用操作規程，做好N2使用的壓力控制和運行安全監

1 引言
1.1引言(1)
1.1.1大功率風機和泵從恒速傳動改成變速傳動效益巨大
(1)平均節能30％
(2)優化工藝或燃燒過程，提高產量和質量
(3)減少維修工作量
1.1.2大功率風機和泵用電機的功率及電壓
(1)功率范圍：大部200～2000KW
(2)電壓等級：我國10KV（6KV），國外還有2.3KV，3KV，4.26KV（我國沒有）
1.2引言（2）
現流行的調速方法――中壓變頻
三電平變頻：最高電壓4500V器件不串，3KV；4500V器件2串，6KV


1.3引言（3）
H橋級聯：最高電壓可達6KV，10KV，器件串聯太多，影響可靠性。


1.4引言（4）
我國電壓等級不合理影響推廣
1.5引言（5）
把變頻器移至繞線電機轉子側――轉子變頻，可實現用20％～30％電機功率的400V低壓變頻器控制100％功率6～10KV中壓電機轉速
2轉子變頻調速原理（1）
2.1主電路


2.2轉子變頻主電路（內反饋電機）（2）




3.5諧波問題
3.5.1 IGBT逆變器輸出正弦電流，無5、7次諧波，開關頻率諧波頻率高，可被變壓器漏抗濾掉
3.5.2轉子側DR整流產生低頻諧波，影響電網，可通過有源濾波技術，在不增加設備情況下消除

4控制框圖及仿真結果
4.1斬波器控制




4.2逆變器控制





5 起動和旁路



6關于電機
6.1標準繞線電機和籠型電機機座號及安裝尺寸相同，更換方便。


6.2內反饋電機大一個機座號，但省去變壓器
6.3收購舊電機，新電機與調速裝置成套供應，無固定資產問題

7價格估計及市場
7.1價格估計
以560KW電機為例：電機15～17萬，調速裝置15～20萬（含變壓器及起動旁路裝置），共計35萬左右。若用中壓變頻器估計需80～90萬
7.2市場
北方調速公司類似的內反饋斬波串調每年有幾千萬市場

8結論
把變頻器從電機定子側移至轉子側――轉子變頻調速，特點
(1)用400V低壓變頻器控制6～10KV中壓電機調速
(2)逆變器容量小，僅電機功率20％～30％
(3)主電路簡單，無大電抗器
(4)功率因數高，諧波小
(5)起動旁路簡單
(6)電機問題可通過收購舊電機，隨調速裝置成套供應新電機解決
(7)價格比中壓變頻便宜

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