低壓汽輪機末級葉片損壞及處理

葉德林

摘 要：汽輪機末級葉片是火力發電廠的重要零部件，直接影響著汽輪機組的安全性和經濟性。近年來，頻繁發生汽輪機末級葉片的早期斷裂事故。低壓段末級葉片損傷形式與原因是多種多樣的，其主要有：（1）機械性損傷的形式與原因；（2）非機械性損傷的形式與原因。本文介紹了本文主要是探討低壓段末級葉片的兩種非機械性損傷原因及處理方法，末級葉片在運行過程中受到腐蝕損傷和水蝕損傷，確定更換葉片的最佳條件，降低成本，獲取最佳利益。

關鍵詞：汽機 葉片 損壞原因 處理方法

中圖分類號：TK263.3 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）03（b）-0144-02

1 汽輪機的葉片工作環境特點

汽輪機的葉片工作環境非常復雜、苛刻。具體可分為高、中、低壓段三部分葉片，而低壓汽輪機的低壓段的末級葉片與-高、中壓段的葉片相比工作條件有以下特點：低壓段末級的蒸汽壓力低于大氣壓，蒸汽容積流量顯著加大，流動復雜；低壓段末級的蒸汽含濕度較大，蒸汽中的水滴水珠對葉片影響顯著；汽輪機變工況運行時，低壓段末級葉片工作狀態變化最大，嚴重影響其強度及振動；低壓段末級葉片比其它葉片更長，強度條件更苛刻。

這些特點使得低壓汽輪機在設計和制造過程中，對低壓段末級葉片的設計必須考慮得更周全、嚴密。通常而言，低壓段末級葉片的設計，比其它葉片的設計需要更先進的分析程序、更多項目的計算，以及更復雜的結構設計。而在制造上的難度更大如：葉片的電火花和火焰淬火及高頻淬火強化、熱噴涂、激光熔覆、局部激光表面淬火、周邊鑲嵌合等等。盡管如此，末級葉片的損壞依然時有發生。

2 低壓段末級葉片損傷形式與原因

低壓段末級葉片損傷形式與原因是多種多樣，其主要有：機械性損傷的形式與原因；非機械性損傷的形式與原因。

機械性損傷與原因：比如外來硬質顆粒雜質進入汽輪機打壞葉片，汽輪機內部固定零部件脫落導致打壞葉片，轉子與汽缸找中不好或汽缸變形使葉片與汽封片碰擦，在葉片圍帶上磨出溝槽等，但大部分損傷主要是末級葉片設計因素之外的原因造成的，是機械性損傷。這一類損傷視其嚴重程度，及對運行的影響大小，可采取不同措施進行處理。

非機械性損傷與原因：因蒸汽品質不良致葉片受到腐蝕而產生的損傷；葉片受濕蒸汽中液態水沖擊發生了水蝕現象產生的損傷。本文主要是探討低壓段末級葉片的兩種非機械性損傷原因及處理方法：因蒸汽品質不良致葉片受到腐蝕而產生的損傷原因分析及處理方法。

原因分析：通常情況下，低壓汽輪機末級葉片使用耐熱不銹鋼制造。此種材料具有良好的耐蝕性，因為其表面會生成一層致密的、穩定的氧化保護膜。但如果蒸汽中含有CO2，SO2，特別是含有氯離子時，葉片表面的保護膜受就會到侵蝕，并且很快向縱深發展，使葉片產生腐蝕，葉片強度會大大降低。以2Cr13不銹鋼為例，常溫下空氣中的彎曲疲勞強度為390 N/mm2（無缺口試樣，應力循環次數n=5×107，下同），在潔凈凝結水中彎曲疲勞強度也還有275～315 N/mm2，然而在NaCl含量≥1%的氯化物溶液中，彎曲疲勞強度急驟下降到115～135 N/mm2，疲勞強度降低就意味著使用壽命縮短。通過儀器對末級葉片的檢驗發現，低壓末級葉片腐蝕大多出現在濕蒸汽區的各級，并且往往是在垢層下的葉片表面產生局部腐蝕，進而擴展出現裂紋，繼續運行則會因腐蝕疲勞造成葉片斷裂，通過儀器對斷裂葉片的檢查、分析顯示，斷口沉積層中含有氯化物。

3 減少、避免葉片的腐蝕損傷

通過以上分析知道汽輪機的低壓段的末級葉片在運行中會受到腐蝕。然而汽輪機的葉片在停機狀態下也會發生腐蝕，我們稱做停機腐蝕。汽輪機停機后，腐蝕產生的主要原因是存留在缸內或漏入的蒸汽隨汽輪機冷卻生成凝結水，使葉片上的積鹽溶解，而對葉片產生腐蝕，這種情況，腐蝕損壞在所有葉片上均會出現，而不是僅局限于濕蒸汽區工作的葉片。

處理方法：根據以上分析，為了減少、避免葉片的腐蝕損傷，我們對低壓末級葉片損傷通常做如下處理。

（1） 通過完善鍋爐給水和爐水的處理，保證蒸汽品質

（2） 重視和加強對汽輪機的停機維護有如下幾點。

①汽輪機大修時，如檢驗發現葉片有裂紋，應安排更換有隱患的葉片。

②汽輪機運行中葉片斷落只是偶發事故，并不是常見故障，然而一旦發生卻會造成設備損壞或人身傷害的嚴重事故。汽輪機運行中葉片斷落的特征是：機組突然發生無規則的負荷（轉速）急劇變化；汽輪機通流部分發出可疑聲響（凝氣式汽輪機末級葉片斷落時，凝汽器中發出金屬撞擊聲，如斷落葉片打破凝汽器冷卻水管，凝結水電導率增加）；機組振動突然增大，尤其是低壓級葉片斷落時，振幅明顯增大。機組運行中發生上述情況應立即停機，以防損失范圍擴大。停機后開缸檢查，證實葉片斷落時，盡速與汽輪機供貨商聯系，協商修復事宜，必要時轉子及受損部件發運至供貨商，更換葉片重新作動平衡。中間級葉片斷落往往會使其鄰級靜、動葉受損，因葉片斷落無法盤車的汽輪機，需作轉子彎曲檢驗。

（3） 低壓末級葉片受濕蒸汽中液態水沖擊發生水蝕現象產生的損傷及處理方法

①原因分析：低壓汽輪機末級葉片的另外一種特有的而又常見的損傷情況，是末級葉片的水蝕。水蝕是一種非機械性損傷，是蒸汽濕度較大時出現的小水珠或水滴連續密集高速沖擊葉片表面而造成的侵蝕現象，能夠使葉片表面極其粗糙，增大蒸汽流動的摩擦損失，嚴重時葉片被沖刷出一定深度的凹痕或缺口，危及葉片安全。蒸汽濕度越大，含鹽量越高，對葉片的沖蝕越嚴重。從汽輪機末級葉片水蝕的實際情況看，通常水蝕發生在末級葉片進汽邊背弧處，且集中在葉身的上半部尤其是上1/3處。這是因為濕蒸汽中的小水珠或水滴速度低于蒸汽流速，進入動葉的相對進汽角大于蒸汽的相對進汽角，因而打擊到葉片的背弧上；又因為動葉通常以超過300 m/s的線速度高速旋轉，帶動水滴、水珠往葉片頂部流動，因而沖擊集中到葉片上半部份。（如圖1：末級葉片水蝕現象照片）

除非汽輪機使用的蒸汽過熱度較低或直接使用濕蒸汽，一般水蝕現象不會在高中壓葉片上出現。由于濕度越大，水蝕越嚴重，一般而言，末級葉片的水蝕現象最為嚴重，且集中在葉身上1/3部位。因此水蝕現象通常只會影響汽輪機運行效率，以及末級葉片使用壽命。

2）處理方法：針對以上特點，對末級葉片的水蝕現象，通常做如下處理。

①提高葉片耐水蝕能力：提高末級葉片耐水蝕能力；常見的有對末級葉片進汽邊背弧上半部位進行淬硬、滲氮甚至鑲嵌硬質合金條等處理方法。這類方法通常簡便易行，成本低，效果顯著，因而最為常用。其中鑲嵌硬質合金的方法，通常用于排汽濕度高于12%的場合；淬硬及滲氮則用于排汽濕度低于12%場合。

②設置葉片除濕裝置：在汽輪機通流部分設計中，設置各種除濕裝置，減少水蝕可能性；根據低壓部位蒸汽流動特性，在靜葉裝置上設置水滴收集裝置，以減少蒸汽中水滴含量，降低水蝕程度。這也是一種常用方法，可以有效降低末級葉片水蝕嚴重程度，延長末級葉片使用壽命。通常是在動葉進汽側對應的靜體上沿圓周開去濕槽，利用蒸汽中水滴水珠的向上流動方向，收集蒸汽中的水滴水珠，降低蒸汽濕度。效果較明顯。在靜葉表面開幾道淺槽，把靜葉葉身上的水膜導向靜體上的去濕槽，可以明顯強化去濕效果。

③提高蒸汽過熱度：提高汽輪機新蒸汽的過熱度，有效降低低壓部位的蒸汽濕度；對于大部分汽輪機而言，其新蒸汽的過熱度都很高，為降低排汽部位的蒸汽濕度而采用這種方法，不容易達到目的。但某些用于特殊場合的汽輪機，如核電汽輪機，垃圾發電汽輪機，其蒸汽初參數本來過熱度就低，如果過熱度能夠提高10 ℃左右，可以降低排汽部位蒸汽濕度約1%（原濕度如果是13%，則可以降低為12%），效果還是非常明顯的。

④對蒸汽再熱：增加汽輪機中間再熱處理，顯著降低低壓部位的蒸汽濕度；對于中大型發電汽輪機，中間再熱是常見的，不僅可以提高整個電廠系統的熱效率，同時能夠極大地降低排汽濕度（原濕度如果是15%，則再熱后可以降至8%左右），使得末級葉片水蝕現象顯著減少。但對于小型汽輪機，采用中間再熱方法有較大難度。

⑤在低壓部位進行抽汽：由于通流部分中各部位蒸汽濕度是不一樣的，同一軸向位置上，靠近葉片頂部的濕度明顯高于葉片根部，因此，在低壓部位進行抽汽，能夠降低蒸汽濕度。根據某些研究，抽汽部位及抽汽量對除濕效果有明顯影響。在低于大氣壓部位抽出1%～2%的蒸汽量效果最好，可以降低末級濕度約0.5%（原濕度為15.5%）。

⑥定期檢修汽輪機，及時更換水蝕程度較高的末級葉片：這是一項消除產生水蝕現象帶來的影響葉片的方法。對于運行廠家，可以根據提高效率或防止葉片斷裂等不同目的，確定更換末級葉片的條件，以降低成本，獲取最佳利益。

參考文獻

[1]楊義波，張燕俠，楊作梁，等.熱力發電廠[M].中國電力出版社，2005，8.

[2]王國清，楊世斌，梁建勇.汽輪機設備運行技術問答[M].中國電力出版社，2004，1.

[3]鄭磊，馬義良.汽輪機末級葉片振動特性分析[J].汽輪機技術，2011（4）.

[4]崔約賢.金屬斷口分析[M].哈爾濱工業大學出版社，1998.

[5]張亞明，夏邦杰，董愛華.熱電廠汽輪機葉片斷裂原因分析[J].腐蝕科學與防護技術，2009.

[6]袁裕祥.火力發電廠維護消缺技術問答叢書汽輪機分冊[M].中國電力出版社，2004.