CN109915342A - 一种基于复合式密封涂层的煤气压缩机级间密封装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于复合式密封涂层的煤气压缩机级间密封装置，它自内而外依次包括基体、底层和面层；其中基体采用耐蚀钢，底层采用铝包镍粉经等离子喷涂形成，面层为铝硅聚苯酯涂层。本发明首次提出针对煤气压缩机复杂苛刻的应用环境，通过对基体、底层和面层不同功能层的材料进行优化，并充分利用不同功能层之间的配合作用，可显著提升所得密封装置的耐腐蚀性、可磨耗性和耐冲蚀性，有效延长其使用寿命；将其应用于CCPP发电机组，可有效提升煤气压缩机工作效率，并减少大量副产煤气放散，具有显著的经济效益和社会效益。

Description

一种基于复合式密封涂层的煤气压缩机级间密封装置

技术领域

本发明涉及一种铝硅聚苯酯复合式密封涂层，具体涉及一种适用于钢铁行业CCPP煤气压缩机气路封严的中低温可磨耗密封装置。

背景技术

随着航空技术的日益发展及能源的日渐短缺，对发动机的效率提出了越来越高的要求。据资料报道，在一台高压涡轮机内，叶片与机壳之间的间隙每减小0.13-0.25mm，油耗可减少0.5～1.0％，发动机效率即可提高2％左右。然而，在发动机的制造和运行过程中，由于发动机组件的热膨胀及轴的热变形、转子高速旋转，离心力引起的叶片伸长、零件加工的公差及发动机装配的偏差、发动机加速/减速和飞机着陆等引起的振动及零部件因振动引起的位移等原因，实际上无法将该间隙控制为零。因此，航空发动机设计和制造时，在叶尖与机壳之间要预留2-3mm的间隙，但过大的间隙必将使气体大量泄漏，导致发动机效率降低，而可磨耗复合式涂层的存在将有助于将间隙减小到最低限度。理想的可磨耗复合式涂层应该既具有足够的强度抵抗气体冲蚀的耐冲蚀性能，又具有一定的可磨耗性能，在叶片与涂层发生摩擦碰撞摩擦时，涂层被刮削而不损坏叶片。

复合式密封涂层主要应用于军工航空领域，其压缩介质主要是洁净的空气，而钢铁企业CCPP煤气压缩机压缩介质主要是钢铁企业副产的高炉、焦炉煤气，煤气中含有大量的焦油、萘、苯、硫化物以及水蒸汽和固体颗粒等腐蚀性污染物，压缩过程中更易腐蚀级间密封基体，冲蚀、磨耗和氧化复合式密封涂层使其有机活性基团脆化、老化失效，降低密封涂层使用寿命。由于复合式密封涂层是高分聚合物和金属相的物质通过等离子喷涂加工而成的，其高分子聚合物和金属相元素组织成分质量百分比不同，导致其性能也不同。目前，复合式密封涂层主要应用于航空领域，民用方面尤其是钢铁行业领域主要依赖进口复合式密封涂层，而国外CCPP以天然气等洁净燃料与国内钢铁企业CCPP以副产煤气为燃料运行环境、污染物对密封涂层的腐蚀损伤存在很大差异，因此急需开发研究一种适用于国内钢铁行业CCPP煤气压缩机的中低温密封涂层。

发明内容

本发明的主要目的在于针对国内钢铁企业煤气特性及煤气压缩机对级间密封涂层的性能需求，提供一种煤气压缩机复合式密封装置，该涂层具有较好的耐冲蚀、可磨耗性能，既能保证压缩机压缩过程中的高密封性能，同时也能够满足煤气压缩机在富含大量苯、萘、焦油、硫化物等腐蚀性污染物工况下安全、高效、稳定运行。

为实现上述方案，本发明采用的技术方案为：

一种基于复合式密封涂层的煤气压缩机级间密封装置，它自内而外依次包括基体、底层和面层；其中基体采用耐蚀钢，底层采用铝包镍粉经等离子喷涂形成，面层为含钼铝硅聚苯酯涂层，它以钼粉和铝硅聚苯酯粉末为原料经等离子喷涂形成。

上述方案中，所述耐蚀钢可选用10CrMoAl、1Cr17MnMo2CuN、Cr18Ni18Mo2Cu2Ti等耐中、低温酸腐蚀钢中的一种。

上述方案中，所述铝包镍粉的粒径为60nm以下，镍所占质量百分比为75～85％，铝所占质量百分比为15～25％。

上述方案中，所述铝硅聚苯酯涂层中各组分及其所占质量百分比包括：金属硅铝相40～60％，聚苯酯30～50％，Mo 2～15％；其中金属硅铝相可有效保证密封涂层具有较好的耐冲刷性能；聚苯酯保证所得密封涂层具有较好的可磨耗行和蠕变性；引入的钼元素可与铝发生放热反应生成铝化钼金属间化合物，有助于提高涂层的厚度,提高结合性能,降低传统热喷涂金属、合金和陶瓷粉末的空隙率，延长密封使用寿命并提升密封效果。

优选的，针对高压级(压力10～20bar)待密封部位，铝硅聚苯酯涂层中各组分及其所占质量百分比包括：硅铝相50～60％，聚苯酯30～45％，Mo 10～15％。

优选的，针对中间级和低压级(压力0.4～10bar)待密封部位，铝硅聚苯酯涂层中各组分及其所占质量百分比包括：硅铝相40～50％，聚苯酯45～50％，Mo 5～10％。

上述方案中，所述面层的厚度为2～3mm。

上述方案中，所述底层的厚度为0.3～1mm。

本发明的原理为：

1)耐腐蚀性能

本发明针对煤气压缩机富含大量苯、萘、焦油、硫化物等腐蚀性气体的应用环境，采用10CrMoAl等耐蚀钢作为基体材料；含有的Al元素能与煤气中O发生氧化反应，形成Al₂O₃从而形成保护膜实现防腐耐腐，Gr、Mo等离子能够自动补充S离子对合金钢点腐蚀形成的空间，形成致密保护层，阻止点腐蚀向纵深方向发展，发挥防腐耐腐功能，延长基体使用寿命，避免基体腐蚀而导致级间密封装置密封性能失效，有效提高压缩机效率和CCPP发电机组发电效率。

2)层间结合性能

本发明底层材料采用颗粒更小、组织均匀性更好的纳米级铝包镍粉末，通过等离子喷涂使铝、镍能充分反应发生放热反应使铝包镍粉末与基体表面实现微冶金结合，增加底层与基体之间的结合强度；同时涂层中增加Mo元素，在等离子喷涂时除了铝和镍发生放热反应生成铝化镍化合物外，钼和铝也发生放热反应生产铝化钼金属间化合物，提高了涂层的厚度和结合性能，降低孔隙率避免密封涂层剥落失效，提高了压缩机机压缩机效率和CCPP发电机组发电效率。

3)材料结构的可调整性

面层材料中铝硅聚苯酯混合质量百分比可根据CCPP煤气压缩机不同部位的压力、温度等运行参数的不同对其可磨耗性、耐冲蚀性需求不同可以适当调整，针对高压级平衡毂部分对耐冲蚀性要求较高，可增加铝硅相和钼元素的质量百分比增强密封涂层的抗冲蚀性能；中间级和低压级部分对可磨耗性能要求较高，可以增加起润滑作用的聚苯酯的质量百分比，提高密封装置的可磨耗性和蠕变性使其根据应用不同的部位实现高效密封和延长服役周期。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)本发明首次提出针对煤气压缩机复杂苛刻的应用环境，通过对基体、底层和面层不同功能层的材料进行优化，并充分利用不同功能层之间的配合作用，可显著提升所得密封结构的耐腐蚀性、可磨耗性和耐冲蚀性，有效延长其使用寿命。

2)本发明首次提出在铝硅聚苯酯涂层中进一步引入Mo元素，可有效提升结合性能，提高所得密封结构的耐久性和稳定性。

3)本发明利用纳米级包覆性更好的铝包镍粉末制备底层材料并替换现有镍包铝底层材料，由于铝包覆镍的放热区间远大于镍包覆铝，喷涂时更能够充分反应发生放热反应使粉末与基体表面实现微冶金结合，减小参与应力，增加涂层结合强度，有效提升底层与基体或面层之间的结合性能。

4)本发明面层材料的组分可调，有利于适应压缩机不同部位的应用需求，适用性广。

5)本发明通过优化煤气压缩机密封涂层材料和密封结构，CCPP发电机组2017年发电5.5623亿度，相比2006年4.0865亿度多发电1.5亿度左右，同比增长35％，直接创造效益7000万元左右，同时减少了大量的副产煤气放散，减少国家环境处理费用，具有显著的经济效益和社会效益。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

以下实施例中，基体采用10CrMoAl耐腐蚀钢，由宝武公司提供。

以下实施例中，采用的铝覆镍粉由美国美科公司提供；其粒径为60nm以下，镍铝粉包覆性为铝100％包覆镍，镍所占质量百分比为75～85％，铝所占质量百分比为15～25％。

以下实施例中，所述含钼铝硅聚苯酯涂层以钼粉和铝硅聚苯酯粉末为原料经等离子喷涂形成，其中采用的铝硅聚苯酯粉末由美国美科公司提供；所得含钼铝硅聚苯酯涂层中各组分及其所占质量百分比包括：硅铝相40～60％，聚苯酯30～50％，Mo 2～15％。

实施例1

一种CCPP煤气压缩机级间密封装置，针对高压级部分(平衡毂，压力10～20bar)；它自内而外依次包括基体、底层和面层；其中基体材料选用10CrMoAl耐腐蚀钢；底层材料选用包覆性完整、组织均匀性良好的纳米级铝包镍粉，通过将铝包镍粉进行等离子喷涂在10CrMoAl耐腐蚀钢表面形成厚度为0.6mm的底层；面层材料采用含钼铝硅聚苯酯涂层，以钼粉和铝硅聚苯酯粉末为原料经等离子喷涂在基体上，其厚度为2.5mm，其中硅铝相所占质量百分比为60％，聚苯酯所占质量百分比为30％，Mo所占质量百分比10％。

本实施例所得CCPP煤气压缩机级间密封装置的主要性能参数测试结果见表1。

表1实施例1所得CCPP煤气压缩机级间密封装置的性能测试结果

性能参数	试样1	试样2	试样3	试样4	平均
						硬度HR15	80.50	81.10	79.80	82.05	80.8
结合强度/MPa	10.8	10.3	10.6	10.1	10.4

实施例2

一种CCPP煤气压缩机级间密封装置，针对低压级和中间级部分(压力0.4～10bar)；它自内而外依次包括基体、底层和面层；其中基体材料选用10CrMoAl耐腐蚀钢；底层材料选用包覆性完整、组织均匀性良好的纳米级铝包镍粉，通过将铝包镍粉进行等离子喷涂在10CrMoAl耐腐蚀钢表面形成厚度为0.6mm的底层；面层材料采用含钼铝硅聚苯酯涂层，以钼粉和铝硅聚苯酯粉末为原料经等离子喷涂在基体上，其厚度为3mm，其中硅铝相所占质量百分比为40％，聚苯酯所占质量百分比为50％，Mo所占质量百分比5％，其余为微量杂质。

本实施例所得CCPP煤气压缩机级间密封装置的主要性能参数测试结果见表2。

表2实施例2所得CCPP煤气压缩机级间密封装置的性能测试结果

性能参数	试样1	试样2	试样3	试样4	平均
						硬度HR15	60.5	58.8	61.2	59.7	60.05
结合强度/MPa	8.6	8.8	9.0	8.8	8.8

对比例1

本对比例所述密封装置与实施例1大致相同，不同之处在于，底层材料采用传统的镍包铝材料。

本对比例所得CCPP煤气压缩机级间密封装置的主要性能参数测试结果见表3。

表3对比例1所得CCPP煤气压缩机级间密封装置的性能测试结果

性能参数	试样1	试样2	试样3	试样4	平均
						硬度HR15	70.5	68.8	71.2	69.7	70.05
结合强度/MPa	6.7	6.4	6.8	6.2	6.5

结果表明，底层材料选用镍包覆铝，不加适当钼元素，密封涂层结合性能远低于本发明中底层选用铝包覆镍，增添少量钼元素的底层材料配方。其主要原因为在等离子喷涂过程中铝和镍发生剧烈的化合反应，释放出大量的热，由于镍包覆铝复合粉末是一种以铝为核心，放热区间680-715℃，远小于铝包覆镍粉末的放热区间638-720℃；不易于在其放热区间形成金属间化合物，降低密封涂层结合强度，同时Mo元素在等离子喷涂时钼和铝也发生放热反应生产铝化钼金属间化合物，提高了涂层的厚度和结合性能，降低孔隙率避免密封涂层剥落失效。

对比例2

本对比例所述密封装置与实施例1大致相同，不同之处在于，面层材料采用的铝硅聚苯酯涂层中各组分及其所占质量百分比为：硅铝相52％，聚苯酯48％。

本对比例所得CCPP煤气压缩机级间密封装置的主要性能参数测试结果见表4。

表4对比例2所得CCPP煤气压缩机级间密封装置的性能测试结果

性能参数	试样1	试样2	试样3	试样4	平均
						硬度HR15	70.5	68.8	71.2	69.7	70.05
结合强度/MPa	6.7	6.4	6.8	6.2	6.5

对比例3

本对比例所述密封装置与对比例2大致相同，不同之处在于，面层材料采用的铝硅聚苯酯涂层中各组分及其所占质量百分比为：硅铝相51％，聚苯酯48％，Mo 1％。

本对比例所得CCPP煤气压缩机级间密封装置的主要性能参数测试结果见表5。

表5对比例2所得CCPP煤气压缩机级间密封装置的性能测试结果

性能参数	试样1	试样2	试样3	试样4	平均
						硬度HR15	71	70.3	69.8	70.6	70.4
结合强度/MPa	6.8	6.9	7.1	7.3	7.0

由对比例2、3可以看出：面层材料不加钼元素或者添加微量钼(1％)时，所得密封涂层的结合性能明显低于本发明中加5～15％的钼元素的面层材料，其主要原因是钼能够和底层、面层中铝发生化合反应释放大量热量，有助于基体、底层、面层更佳的融合为微冶金结合体，提高了密封涂层结合强度和抗剥落性能。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于复合式密封涂层的煤气压缩机级间密封装置，它自内而外依次包括基体、底层和面层；其中基体采用耐蚀钢，底层采用铝包镍粉经等离子喷涂形成，面层为含钼铝硅聚苯酯涂层，它以钼粉和铝硅聚苯酯粉末为原料经等离子喷涂形成。

2.根据权利要求1所述的煤气压缩机级间密封装置，其特征在于，所述耐蚀钢为10CrMoAl、1Cr17MnMo2CuN、Cr18Ni18Mo2Cu2Ti耐腐蚀钢中的一种。

3.根据权利要求1所述的煤气压缩机级间密封装置，其特征在于，所述铝包镍粉的粒径为60nm以下，镍所占质量百分比为75～85％，铝所占质量百分比为15～25％。

4.根据权利要求1所述的煤气压缩机级间密封装置，其特征在于，所述含钼铝硅聚苯酯涂层中各组分及其所占质量百分比包括：金属硅铝相40～60％，聚苯酯30～50％，Mo 2～15％。

5.根据权利要求1所述的煤气压缩机级间密封装置，其特征在于，所述面层的厚度为2～3mm。

6.根据权利要求1所述的煤气压缩机级间密封装置，其特征在于，所述底层的厚度为0.3～1mm。