FBS-800重型装备锁紧及紧固结构高温防抱死材料研制及应用

2020-10-14段启刚易戈文史苏存曹玉萍

中国重型装备 2020年4期

段启刚易戈文陕钰史苏存白敏曹玉萍

(1.二重(德阳)重型装备有限公司，四川618000；2.中国科学院兰州化学物理研究所，甘肃730000)

我公司研制的回转反应炉(外炉体内径∅6.2 m，长度56 m)，是我国研制的粉煤分级提质洁净化综合利用核心装备，其内外炉体连接机构的锁紧及紧固连接件长期工作在750～800℃(检修时最低温度-25℃)的高温复杂烟气中，极易导致锁紧及紧固连接件卡咬/抱死或断裂，致使设备无法拆卸/维护、损坏甚至报废。因此，我公司联合中国科学院兰州化学物理研究所，进行了防抱死材料的研制及应用研究。

通过对材料不同组组分的分析研究，设计多种方案，进行大量实验，以充分利用组分协同效应，赋予材料良好的耐高/低温、耐压、耐介质、防抱死性能；通过优化锁紧及紧固件表面及螺纹结构，改善材料与基体结构的配套性；再通过对材料的各项耐高温防抱死性能测试评价，和机构紧锁及紧固连接件的台架试验，完成了防抱死材料的研制定型；最后在回转反应炉高温机构的工程应用示范得到验证。本文对防抱死材料的技术指标、材料配方及实验、材料制备工艺、台架试验及工程应用等进行重点分析。

1 FBS-800防抱死材料的技术指标

1.1 高温烟气环境及使用工况

高温烟气成分见表1。该材料长期工作在750～800℃的高温烟气环境中，停车检修时的最低温度达到-25℃，每年累计工作时间不小于8000 h。

表1 高温烟气成分(体积分数，%)Table 1 Compositions of high temperature flue gas (volume fraction,%)

1.2 研究确定材料的主要性能指标

(1)耐高/低温：-25～800℃使用，高温无烧结、低温不脆化。

(2)配套性：与高温合金及螺纹结构表面装配顺畅。

(3)抗压性能：紧固件拧紧后涂膜不破损、不失效。

(4)防抱死性能：涂膜紧固件拧紧状态在800℃保温100 h，冷却到室温用装配扳手能自由分解或卸开，力矩不增加，紧固件不失效。

(5)耐介质：分别在3%硫酸溶液、润滑油、液压油、水中浸泡30天；不脱落，耐温及防抱死性能不降低。

2 防抱死材料配方设计及实验研究

2.1 材料配方设计及对性能影响实验

根据主要技术性能，采用耐高/低温、耐介质性能好的特种润滑油材料为载体，通过高能球磨工艺填充中高温固体润滑剂、金属氧化物耐温填料及金属微粒子，系统研究材料组分配比、优化组合等对高温防抱死材料技术指标的影响。

具体方法：将不同配方的防抱死材料涂覆在M6紧固件表面(S310或GH4169材质)进行实验，拧紧紧固件(拧紧力矩30 N·m)，在空气中800℃下保温24 h，冷却到室温后分解测试紧固件的分解力矩、涂层、螺纹状态及变化等，考察不同组分对防抱死材料性能的影响，以确定材料配方方案。

图1是添加G、B、M、C四种固体润滑剂对防抱死性能的影响：G、B的体积比达到6%以上时，紧固件的卸开力矩小于30 N·m，而含少量M、C两种固体润滑剂时，其卸开力矩最低分别高于50 N·m和200 N·m，且随着含量增加其拆卸力矩增加。

图1 固体润滑剂对防抱死性能的影响Figure 1 Effects of solid lubricant on anti-lock performance

图2是再添加四种耐高温填料(SiO2、Cr2O3、填料B和填料S)对防抱死性能的影响：加入SiO2、Cr2O3复合材料卸开力矩增大幅度较大；加入填料B的体积比达到2.5%以后卸开力矩>50 N·m，随含量增加呈现升高趋势；加入填料S卸开力矩<50 N·m，且随含量变化不大。

图2 高温填料对防抱死性能的影响Figurer 2 Effects of high temperature filler on anti-lock performance

图3是再分别添加三种纳米金属(A、C、N)对防抱死性能的影响：加入纳米金属C后，卸开力矩增加，高于50 N·m，且随含量增加，拆卸出现咔咬或抱死的现象越明显，拆卸力矩快速增加；加入纳米金属A、N后，拆卸力矩先降低后增加，当金属N达到1.2%后，卸开力矩>50 N·m，当A、N含量在0.8%～0.9%，拆卸力矩最小25 N·m左右。

图3 纳米金属对防抱死性能的影响Figure 3 Effects of nanocrystalline metal on anti-lock performance

实验结果表明：部分固体润滑剂明显地提高了防抱死性能，耐高温填料可进一步防止紧固件在高温下粘结；少量纳米金属粒子有利于防抱死材料的高温成膜，减少高温下材料粉化。

因此，将上述G、B固体润滑剂、耐高温填料B和S、纳米金属A和N作为防抱死材料的填充组分，进行配比优化，选出具有较好综合性能的3种样品方案：F-1、F-2、F-3，进行系统性理化性能实验。

2.2 材料耐介质性能实验

将F-1、F-2、F-3三种样品涂覆在M6螺栓表面(S310材质)，分别在3%硫酸溶液、润滑油、液压油、水中浸泡30天，然后取出进行耐介质性能评估，结果见表2。

表2 三种不同溶液下耐介质性能评估结果Table 2 Evaluation results of resistance medium performance in three solutions

实验结果表明：F-1不耐3%硫酸溶液的腐蚀，存在脱落，其与紧固件螺母的配套性差；F-3在YH15液压油中浸泡后也出现气泡，导致配套性变化；F-2的耐蚀性能较好，均无明显变化。

2.3 材料耐高/低温性能实验

将F-2涂覆在平行样M6紧固件(材质S310)螺纹上，用力矩扳手拧紧，拧紧力矩为30 N·m，分别：(a)放入KSL1100X型烧结炉中，在空气中800℃下保温100 h，然后冷却到室温检测；(b)放入LGJ-12型冷冻干燥机中，在-25℃保温100 h，取出恢复到室温检测。

实验结果表明：(a)中螺栓用力矩扳手均可自由拆卸，力矩为10～30 N·m，螺栓、螺母具有较好的配套性，无烧结现象；(b)中螺栓用力矩扳手均可自由拆卸，力矩为10～15 N·m，螺栓、螺母配套性良好，F-2未出现脆化现象。

2.4 材料高温防抱死性能实验

将F-1、F-2、F-3、F-2A(在-25℃冷冻100 h并3%硫酸中浸泡30天后的F-2)，分别涂敷于M12螺纹表面(材质S31008)，拧紧力矩分别采用50 N·m 和100 N·m拧紧并保压10 s后，放入KSL1100X型烧结炉中，在空气气氛、800℃保温100 h，恢复室温后考察紧固件拆卸力矩及分解状态，其测试结果如表3。

表3 三种不同溶液下紧固件测试结果Table 3 Testing results of fastening components in three solutions

实验结果表明：(1)F-1和F-3，拧紧力矩为50 N·m时，紧固件均出现咔咬和螺纹局部损伤，拆卸力矩均高于300 N·m；拧紧力矩为100 N·m时，紧固件均出现抱死，拆卸力矩高达500 N·m以上，未能正常拆卸分解。(2)F-2和F-2A，拧紧力矩为50 N·m时，拆卸力矩在90～150 N·m之间；拧紧力矩为100 N·m时，拆卸力矩在100～230 N·m之间。两者均可用扳手拆卸，未出现咔咬或抱死，螺纹结未损伤。但后者分解力矩较高，我们认为：螺栓越大，拧紧力矩大，部分材料被挤出螺纹咬合面所致。

因此，我们进一步对F-2配方进行优化，制备出优化的FBS-800高温防抱死材料，在结构优化后的M12紧固件上进行测试，拧紧力矩100 N·m时的拆卸力矩≤200 N·m，紧固件可自由分解，螺纹表面无损伤。

3 防抱死材料台架试验及研制定型

3.1 台架试验螺栓的优化设计

以回转反应炉的产品螺栓规格设计台架试验螺栓，研究不同螺纹牙形对防抱死性能的影响；增加螺纹牙形承力面积，提高螺栓承载能力；优化设计螺纹牙侧间隙，保证涂覆防抱死材料后螺纹副的配合间隙，避免防抱死材料被强制挤出破坏；设计“平头”和“凸头”两种装配型式，以考察装配形式对防抱死性能的影响等方面进行了优化设计：

(1)两种螺纹牙形，普通锯齿形螺纹M和梯形螺纹Tr；

(2)两种螺纹规格，一种为M16、Tr16×4，一种为M56、Tr56×9；

(3)两种装配形式，螺栓头与螺母平齐的“平头”和螺栓头凸出螺母表面5～10 mm的“凸头”。