電廠汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子末級葉片水蝕防護(hù)分析

李 戈，景崗呈，朱海寶，喬立捷，王 魯

(1.華電電力科學(xué)研究院有限公司， 杭州 310030；2.北京熱電有限公司，北京 100039)

0 引 言

汽輪機(jī)缸體內(nèi)飽和蒸汽通過膨脹推動(dòng)葉片做功，隨著能量的轉(zhuǎn)換，溫度降低至飽和線后，即有水滴凝結(jié)析出，且缸內(nèi)濕度增大，此時(shí)汽輪機(jī)末級葉片在濕蒸汽介質(zhì)環(huán)境下，受蒸汽作用力、激振力、葉片振動(dòng)以及水滴沖刷等共同作用而發(fā)生水蝕，這種現(xiàn)象在火電機(jī)組汽輪機(jī)低壓缸末級動(dòng)葉上十分普遍[1]。

葉片發(fā)生水蝕后外觀一般表現(xiàn)為蜂窩狀，邊緣多呈鋸齒狀毛刺形貌特征，容易在毛刺根部尖角處形成應(yīng)力集中而發(fā)展為微裂紋，進(jìn)而導(dǎo)致宏觀開裂，同時(shí)葉身截面的有效面積降低，級效率下降，各葉片水蝕的不均勻性還會(huì)影響葉片的振動(dòng)特性，進(jìn)一步加速裂紋的擴(kuò)展和轉(zhuǎn)子的失衡，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生葉片斷裂事故而造成重大安全事故及經(jīng)濟(jì)損失。近幾年來，國內(nèi)外由于水蝕引起的汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子末級葉片損傷的事故比例相對較高[1]，且隨著發(fā)電類型的多樣化，汽輪機(jī)末級葉片水蝕現(xiàn)象在核電機(jī)組、燃煤機(jī)組以及燃?xì)廨啓C(jī)組等各種類型的機(jī)組中均有普遍發(fā)生。因此，末級葉片水蝕的修復(fù)與防護(hù)也逐漸成為一項(xiàng)急需重點(diǎn)解決的課題。

1 事件描述

2018年8月，某電廠1號機(jī)組在正常運(yùn)行過程中，DCS顯示軸承振動(dòng)突然增加，機(jī)組自動(dòng)跳機(jī)保護(hù)。開缸檢查發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子末級葉片有1支已斷裂，其余個(gè)別葉片被不同程度地打傷，葉片頂部進(jìn)汽側(cè)水蝕十分嚴(yán)重，幾乎所有葉片在距葉頂280 mm范圍均存在缺口，外觀為蜂窩狀，邊緣呈鋸齒形，且局部鋸齒尖角處已形成裂紋源，葉片根部出汽側(cè)也發(fā)現(xiàn)明顯的水蝕坑，現(xiàn)場葉片水蝕典型圖貌如圖1、圖2所示。

圖1 低壓轉(zhuǎn)子末級葉片水蝕嚴(yán)重

圖2 鋸齒尖處形成的裂紋源

2 末級葉片設(shè)計(jì)、選型及運(yùn)行工況

2.1 葉片的設(shè)計(jì)與選型

該電廠1號機(jī)組采用的是上海汽輪機(jī)設(shè)計(jì)制造的次高壓、單缸、單軸、雙壓、無再熱、無回?zé)?、抽汽凝汽式?lián)合循環(huán)汽輪機(jī)，型號為LZC80—7.80/0.65/0.15型，額定功率(純凝)為81.550 MW。汽缸通流部分共有15級壓力級，第1～12級動(dòng)葉片均為自帶圍帶結(jié)構(gòu)，其中1～7級為直葉型，8～12為扭葉型；第13級為旋轉(zhuǎn)隔板動(dòng)葉，葉型采用扭葉型，葉根采用樅樹型葉根，自帶圍帶結(jié)構(gòu)；第14級使用“518”ILB葉片；第15級使用“905”成組雙焊拉筋葉片，具有技術(shù)成熟、經(jīng)濟(jì)性優(yōu)、安全可靠性高、運(yùn)行業(yè)績優(yōu)良等特點(diǎn)。據(jù)了解，該葉片自1995年首臺(tái)投運(yùn)以來，已應(yīng)用于160余臺(tái)機(jī)組。

低壓末級葉片選用的是0Cr17Ni4Cu4Nb鋼，在化學(xué)成分上低碳、高鉻，同時(shí)富含Cu、Ni、Nb等元素，因此其耐腐蝕性能優(yōu)于Cr13和Cr23Ni4型馬氏體鋼；同時(shí)它是一種馬氏體沉淀硬化不銹鋼，強(qiáng)化機(jī)理是在發(fā)生馬氏體相變和在400～650 ℃溫度范圍內(nèi)時(shí)效時(shí)，析出時(shí)效硬化相ε-Cu、NbC、M23C6等碳化物而產(chǎn)生沉淀硬化，其組織性能類似FV520B鋼，已納入GB 1220標(biāo)準(zhǔn)[2]。

2.2 機(jī)組運(yùn)行工況

對于通過飽和蒸汽做功的汽輪機(jī)低壓缸末級動(dòng)葉，其工作環(huán)境具有特殊性和復(fù)雜性，缸內(nèi)水蒸汽通過膨脹做功至在末級動(dòng)葉時(shí)，汽水品質(zhì)因水滴的凝結(jié)而具有粘性的，同時(shí)呈氣液雙相。

該電廠機(jī)組不僅需要滿足早起晚停調(diào)峰功能，同時(shí)肩負(fù)冬季長期抽汽供暖任務(wù)。文獻(xiàn)[3]分析了末級長葉片沖蝕損傷的機(jī)理及其嚴(yán)重危害性，著重指出近幾年隨著新出現(xiàn)的大機(jī)組長期帶低負(fù)荷參與調(diào)峰運(yùn)行，相當(dāng)普遍地發(fā)生了末級長葉片出汽側(cè)的沖蝕損傷，尤其在北方地區(qū)某些機(jī)組上葉片進(jìn)汽側(cè)也發(fā)生大范圍的沖蝕損傷，并提出了相應(yīng)的防范措施以及大機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行應(yīng)綜合考慮末級葉片的強(qiáng)度和壽命的觀點(diǎn)[3]。

3 水蝕的產(chǎn)生與破壞機(jī)理分析

汽輪機(jī)末級動(dòng)葉在高濕度蒸汽區(qū)域內(nèi)工作，與蒸汽中的高速水滴發(fā)生強(qiáng)烈沖擊，同時(shí)與從靜葉柵沉積脫離出來的水滴發(fā)生撞擊，進(jìn)而在動(dòng)葉截面上產(chǎn)生了非常大的壓力，當(dāng)壓力超過材料的屈服極限時(shí)，動(dòng)葉表面容易產(chǎn)生局部的塑性變形和表面硬化。而且動(dòng)葉在壓力的反復(fù)作用下容易形成機(jī)械疲勞，疲勞達(dá)到極限時(shí)，疲勞裂紋即隨之產(chǎn)生。疲勞裂紋在水滴的不斷沖擊下，裂紋深度將進(jìn)一步加劇，最終形成具有鋸齒狀毛刺形貌特征的水蝕現(xiàn)象。

動(dòng)葉片水蝕產(chǎn)生的機(jī)理過程。汽輪機(jī)水蝕的物理過程可分為如下幾個(gè)階段：濕蒸汽的自發(fā)凝結(jié)→水滴的長大→水份在靜葉表面的沉積→沉積水匯聚為水洼和水流→水從靜葉表面脫離和運(yùn)動(dòng)→水滴濺射、撞擊動(dòng)葉表面→水蝕[4]，機(jī)理過程如圖3所示。

THOMAS和BRUTON研究了奧氏體不銹鋼的水蝕。這種材質(zhì)的末級動(dòng)葉在水滴高速撞擊下，微觀組織發(fā)生晶格畸變，宏觀形貌表現(xiàn)為材料表面凹陷不平；另一方面，高速蒸汽流具有側(cè)向性，進(jìn)一步的沖刷容易在尖端萌生裂紋[4]。BERKUITH和MARRIAT在研究鉻鈷合金材質(zhì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)末級動(dòng)葉在高速水滴發(fā)生垂直撞擊下，在碳化物與基體的滑移線和結(jié)合處容易產(chǎn)生疲勞應(yīng)力而萌生裂紋，也可能在高速水流側(cè)向應(yīng)力的作用下發(fā)生碳化物剝落，形成空穴而萌生裂紋[4]。

圖3 末級葉片水蝕機(jī)理圖

RIGRER認(rèn)為裂紋的產(chǎn)生是塑性變形造成的，HEYMANN從疲勞的角度解釋裂紋的產(chǎn)生。疲勞理論得到了較為廣泛的支持[4]。

4 水蝕防護(hù)措施類型

目前汽輪機(jī)低壓葉片常用防侵蝕措施基本可分為主動(dòng)積極型和被動(dòng)消極型。

1)主動(dòng)積極型的理念是適度地降低蒸汽濕度、減少水滴的形成量，在汽缸末幾級內(nèi)降低蒸汽濕度、減少水滴形成量，主要方法如下所述。

利用動(dòng)葉的離心力除水：利用動(dòng)葉離心力把水滴甩到通流部分外面，同時(shí)設(shè)計(jì)捕水室，防止再回流葉片通道內(nèi)[5]。

在靜葉通道內(nèi)除水：在靜葉弧面上加工出縫隙，當(dāng)水膜流向縫隙時(shí)，在導(dǎo)葉內(nèi)壓差作用下，導(dǎo)葉吸入水膜以減少水滴。

采用蜂窩汽封的結(jié)構(gòu)形式：蜂窩式汽封可以通過收集葉片流道內(nèi)的水份以達(dá)到降低濕度的目的，同時(shí)還可以提高機(jī)組級效率。

級間抽汽除濕：通過級間抽汽的方式可以抽走缸體內(nèi)部分水汽，實(shí)現(xiàn)降低濕度的效果。

調(diào)整動(dòng)、靜葉片軸向間隙：通過適度增大靜葉出汽邊和動(dòng)葉軸向間隙，從而增強(qiáng)水滴的霧化效果，同時(shí)減小水滴對葉片的沖擊力[1]。

另外，末級隔板采用空心靜葉抽吸或靜葉加熱等也可以達(dá)到去濕效果。

2)被動(dòng)消極型的理念則是在設(shè)計(jì)定型的情況下，采取選擇抗侵蝕材料、動(dòng)葉邊緣強(qiáng)化處理、涂層噴涂等方法，達(dá)到減緩葉片的水蝕速度目的，主要措施有鍍硬鉻、表面淬硬、電火花強(qiáng)化、激光硬化、噴涂以及釬焊司太立合金片等。

5 葉片水蝕防護(hù)措施的對比及選擇

5.1 主要防護(hù)措施的對比

表1對上述幾種葉片水蝕修復(fù)方案在修復(fù)性能、方案的實(shí)施以及經(jīng)濟(jì)性能等方面進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)對比，并綜合因素選擇最終適合該臺(tái)機(jī)組的方案。

表1 水蝕防護(hù)方法的優(yōu)缺點(diǎn)對比

為了對比不同的葉片表面處理工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，有研究學(xué)者專門設(shè)計(jì)了熱態(tài)模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果通過沖蝕損失深度和試樣質(zhì)量損失兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行評判。經(jīng)過多次模擬沖蝕質(zhì)量損失試驗(yàn)表明：激光淬火強(qiáng)化試樣<司太立合金片試樣<激活熔覆試樣[1]。

5.2 最終防護(hù)方案的選擇及運(yùn)行效果

汽輪機(jī)末級葉片出現(xiàn)嚴(yán)重水蝕時(shí)，從機(jī)組的安全性考慮，更換葉片也許比較適當(dāng)，但是葉片單片價(jià)格比較昂貴，更換代價(jià)十分巨大，且施工難度較大，工期較長，不適合現(xiàn)代電廠商業(yè)化進(jìn)程。目前采用消極的防護(hù)方法對于電廠來說是比較客觀實(shí)際的。

比較激光淬火及司太立合金防護(hù)技術(shù)，從工藝的成熟性、普遍性、經(jīng)濟(jì)性綜合考慮，基于機(jī)組現(xiàn)狀，在葉片設(shè)計(jì)定型的情況下，最終該電廠選擇了被動(dòng)消極方式，將嚴(yán)重水蝕的末級動(dòng)葉整圈更換，并將動(dòng)葉進(jìn)汽邊司太立合金片的長度由283 mm增加為490 mm，增強(qiáng)了動(dòng)葉的防水蝕效果而不破壞整體通流特性，改造方案如圖4所示。

圖4 加長的司太立合金片長度

自末級動(dòng)葉更換以來，機(jī)組已運(yùn)行7 000余小時(shí)，在后期檢修中未再發(fā)現(xiàn)末級動(dòng)葉發(fā)生水蝕現(xiàn)象，運(yùn)行良好，長期時(shí)效性隨機(jī)組運(yùn)行時(shí)間有待進(jìn)一步觀察。

6 結(jié) 語

解決汽輪機(jī)末級動(dòng)葉水蝕問題，需綜合考慮各方案的實(shí)施工藝、性能特點(diǎn)以及經(jīng)濟(jì)因素，司太立合金是目前應(yīng)用最廣泛的防護(hù)手段。

結(jié)合汽輪機(jī)組的運(yùn)行特性提出建議如下：

1)嚴(yán)密監(jiān)視缸體內(nèi)蒸汽品質(zhì)，防止末級葉片工作環(huán)境介質(zhì)惡化。

2)制定機(jī)組合理的低負(fù)荷調(diào)峰運(yùn)行方式，機(jī)組在空負(fù)荷附近停留的時(shí)間盡量不要超過設(shè)計(jì)控制時(shí)間；尤其在供暖季，應(yīng)維持機(jī)組真空不能太高，機(jī)組的運(yùn)行應(yīng)按低壓缸效率曲線或保持背壓不低于末級葉片的設(shè)計(jì)的極限背壓。

3)進(jìn)一步觀察末級動(dòng)葉采用加長司太立合金后防水蝕效果，如若仍有明顯水蝕，應(yīng)考慮采用新型的激光表面硬化技術(shù)。