淺談超超臨界汽輪機通流部分結垢防腐與防治對策

徐州華潤電力有限公司 李后森 江蘇闞山發電有限公司 王金寶

0 概述

超超臨界汽輪機的通流部分擔負著十分巨大蒸汽熱能的轉換工作，如果蒸汽介質控制不當，汽輪機通流部分就會發生積鹽、結垢、腐蝕、損傷等不安全因子，嚴重影響汽輪機的級效及可靠性系數。因此，很有必要認真研究分析汽輪機常見失效問題，吸收國內外在解決汽輪機通流部分過程中積累的成功經驗和教訓，這對我國順利發展超超臨界機組有著重要的意義。本文通過失效不同類別來論證超超臨界汽輪機通流部分失效機理，從中找出解決的最佳方式監控方式，最大限度地降低安全事故的發生。

1 汽輪機通流部分積鹽、結垢

1.1 汽輪機通流部分積鹽、結垢的危害

使汽輪機通流表面變得粗糙，增大蒸汽流動時的摩擦損失，從而降低汽輪機的效率。

汽輪機通流部分積鹽使蒸汽的通流截面積減少，降低汽輪機的輸出功率。

鹽類物質沉積在隔板噴嘴上，會增大隔板前后的壓力差，從而增大隔板的彎曲應力。

鹽類物質沉積在動葉上，會增大葉輪前后的壓力差，從而增大汽輪機轉子的軸向推力，使推力軸承過負荷，嚴重時甚至會造成推力軸承烏金融化，動靜部分發生摩擦、碰撞。

鹽類物質沉積在軸封上，使軸封環卡死失去彈性而造成軸封部分損壞。

當沿汽輪機圓周積鹽不均勻時，將影響轉子的平衡，使汽輪機振動加大，甚至造成嚴重事故。

1.2 結垢分析與預防

1.2.1 汽輪機通流部分結垢的機理及化學成分

由于鍋爐產出的蒸汽并不是絕對的清潔(其中含有各種鹽分和雜質)，蒸汽在進入汽輪機內膨脹做功時，參數降低，攜帶鹽分的能力逐漸減弱，鹽分即被分離出來，緊緊地黏附在噴嘴、動葉和汽閥等通流部分的表面上，形成一層堅硬的鹽垢。汽輪機內沉積的物質可分為易溶于水的、稍溶于水的和完全不溶于水的。可溶性的均是鈉鹽，如碳酸鈉、硫酸鈉、硅酸鈉、氯化鈉等；不溶性的是二氧化硅、氧化銅、三氧化二鐵等。

1.2.2 超超臨界汽輪機通流部分常見積鹽、結垢分析

超超臨界機組汽輪機積鹽、結垢絕大部分沉積物集中在高中壓缸動葉和導葉的凸起部位。汽輪機葉片積鹽pH值高主要是積鹽中存在氫氧化鈉，銅、磷和硫主要在高中壓缸沉積；鐵、鈉、硅和氯在各級都有分布，低壓缸沉積物成分比較固定。

在超臨界機組熱力系統中，通常不使用銅合金，并認為是無銅系統，機組給水AVT水處理工況下，控制的給水pH值在標準值9.2～9.6的上限。但高壓給水管道材料為WB36(15NiCuMoNb5)，含有0.5～0.8%的銅，在高pH值下容易產生銅的溶解。機組給水全揮發性水處理工況下，水中氨含量增加至1mg/L時，不僅會使由給水中轉移到蒸汽中的銅增加，而且還會使鍋爐水冷壁上的銅沉積物被清洗下來而帶到汽輪機的通流部位。根據氨濃度的不同，在溶液中會形成不同的銅絡合物，直至呈[Cu（NH3）5]2+形態，含有大量氨的銅化合物在蒸汽中溶解度的提高，加劇了銅沉積物自鍋爐向超臨界壓力汽輪機通流部位的轉移。

在AVT水處理工況下，國內超超臨界機組普遍存在的問題是機組運行9個月后流動加速腐蝕表現比較明顯，運行一年后表現十分嚴重，水汽中鐵離子含量大大增加，由最初的主蒸汽含鐵量1.5ug/l上升至10.3ug/l，蒸汽中攜帶鐵離子進入汽輪機隨著溫度及壓力變化，沉積于汽輪機葉片背弧處，尤其高壓缸葉片根部、中壓缸背弧處特別嚴重。下圖為江蘇某超臨界機組運行近兩年后，汽輪機解體時發現汽輪機葉片大面積鹽與結垢，如圖1、圖2。

圖1 高壓缸葉片上根部

圖2 中壓缸葉片

無論機組處于何種水處理工況，如果水質、鍋爐燃燒工況控制不好，都會出現汽輪機積垢與腐蝕。汽輪機的積垢主要來自于蒸汽的溶解攜帶和機械攜帶，正常情況下以蒸汽的溶解攜帶為主，但過熱器、再熱器有氧化皮脫落時以蒸汽的機械攜帶為主。蒸汽溶解攜帶的物質主要包括氧化產物、氯化物、硫酸鹽、乙酸鹽、碳酸鹽、鈉、硅等物質。隨著蒸汽壓力在汽輪機中下降，鹽類的溶解度也會逐漸降低，當蒸汽中某雜質的含量高于其溶解度時就會發生沉積，不同的雜質依據其溶解特性沉積在汽輪機的不同部位。

1.2.3 預防措施

嚴格執行機組啟動階段的化學監督；嚴防鍋爐超溫運行、溫度速率變化過大，造成氧化皮生成與脫落；機組啟動時做好氧化皮旁路吹掃工作，嚴禁蒸汽攜帶氧化皮進入汽輪輪機；防止凝汽器滲漏，如果發生滲漏一定保證精處理樹脂氫型運行。

做好停爐防腐工作，防止過熱器、再熱器彎頭積水造成停運期間腐蝕。目前超超臨界機組大都采用熱爐放水、余熱烘干法進行保養。嚴格控制管壁溫差不超過制造廠允許值前提下應盡量提高鍋爐受熱面放水壓力和溫度，停爐期間加強過熱器和再熱器系統疏水的排放，并確保管內剝落的氧化皮在停爐期間和啟爐過程中始終處于干燥、松散狀態，以利于蒸汽吹掃。一些電廠保養，當分離器出口壓力1.60MPa，溫度295度，開啟爐水冷壁系統、過熱器系統、再熱器系統各疏水和放空氣門進行帶壓放水。放水后關閉鍋爐各放水門和各放空氣門，啟動真空泵抽真空，保養效果良好。

2 汽輪機通流部分腐蝕

2.1 常見腐蝕種類及形成機理

2.1.1 氧腐蝕

金屬氧腐蝕是屬于電化學腐蝕，原理是：金屬壁的氧化鐵保護膜因水質惡化和熱力等因素部分被破壞，在露出的鋼表面水和保護膜表面之間形成局部電池。鐵從陽極析出，形成腐蝕。鋼的氧腐蝕特征是在被腐蝕的表面形成許多大小不一的鼓包。鼓包表面的顏色可能從黃褐色到磚紅色。表層下的腐蝕產物是黑色粉末狀。如果清除這些黑色粉末會看到金屬表面上的腐蝕坑。形成腐蝕坑的主要原因是在腐蝕產物膜下形成缺氧的活化陽極區，外部富氧陰極區，構成電池，形成電化學腐蝕。汽輪機汽缸氧腐蝕主要是由于在備用或者檢修過程中停機保護措施執行不好，使得空氣漏入汽缸中。另外，機組運行過程中，有空氣漏入汽缸也會產生氧腐蝕。

2.2.2 酸腐蝕

蒸汽在汽輪機中的做功過程，會發生變壓從而在低壓缸部分結成水滴，此水滴在最初時期含鹽量很高，具有較強的腐蝕性。如圖3。

圖3 汽輪機葉片酸腐蝕

2.2.3 點腐蝕

點腐蝕在汽輪機運行及停運過程中均可發生，初凝水中的鹽類，特別是含CL-、SO42-陰離子是產生點腐蝕的腐蝕介質。汽輪機在運行過程中由于負荷的變化，初凝區會發生變化，初凝水會濃縮，如果該區域有鹽類附著，點蝕會加劇。在汽輪機停運期間，由于真空破壞，導致空氣中的氧和二氧化碳進入汽輪機，在潮濕的氣氛中，點蝕就會加劇，如圖4。

圖4 汽輪機葉片點腐蝕

2.2.4 水蝕

汽輪機在低負荷運行時，低壓末幾級的工況較其他級變化最大。隨著機組功率的增大，低壓級組子午流道擴張角增大，葉高增加，當其相對設計工況的容積流量急劇減少時，會使流場參數發生很大變化。末級長葉片在小容積流量、真空工況運行，葉片底部會有較大的反動度，對設計不妥的動葉片下半部造成大范圍的回流區。負荷越低，回流區越大。在啟動和并網初始，回流范圍甚至擴大到整個排汽缸。而且大功率凝汽式汽輪機的末級排汽濕度總是比較大，因此末級動葉后汽流中攜帶大量水滴，回流的蒸汽攜帶水滴沖擊在高速旋轉的動葉下半部形成水沖蝕。如下圖5。

圖5 汽輪葉片水蝕

2.3 預防汽輪機通流部分腐蝕措施

加強機組停運保養。停用腐蝕的控制對減少沉積物是非常必要的。目前國內較多機組采用熱爐放水堿性烘干+抽真空法保養。

加強監控水汽品質，優化管理精處理運行，嚴禁精處理運行過程中釋放陰離子。

優化末級長葉片水沖蝕的大機組調峰或低負荷運行方式，用三元流理論驗算并有選擇性地進行流場和動應力實測，以確定機組帶最低負荷的安全限制值；從設計上改進末級葉片的型線，從而減少水滴的形成，采用去濕隔板，以降低蒸汽濕度。

3 汽輪通流部分的固體顆粒侵蝕（SPE）

3.1 SPE的概念及危害

固體顆粒侵蝕（SPE）是指從鍋爐的過熱器、再熱器及主蒸汽和再熱蒸汽管的內表面剝落下來的堅硬的氧化鐵粒子及檢修爐管時殘留物隨蒸汽流入汽輪機，會對主蒸門造成卡澀（如圖6）及通流部分機械損傷（如圖7）。

圖6 高壓調節汽門金屬顆粒打擊痕跡

圖7 高壓缸葉片SPE

機械損傷是指固體顆粒在高速撞擊和磨削的聯合作用下侵蝕噴嘴、動葉片及其圍帶、阻汽片等通流部件金屬材料。由于大容量機組的鍋爐過熱器、再熱器系統十分龐大，只要其中一部分受熱面積發生的氧化鐵垢層剝落下來，其每年形成的固體粒子的重量可達數百千克。在固體顆粒當中不僅有高溫氧化鐵的剝落物，而且還有停機時產生的腐蝕產物，這些堅硬的粒子以高速不斷地撞擊、磨削通流部件，汽輪機噴嘴和動葉片的汽道失去金屬材料或產生變形。

3.2 固體顆粒的產生

在高溫環境下水蒸氣管道內會出現水分子中的氧與金屬元素發生氧化反應，稱為蒸汽氧化。當金屬的工作溫度大于570℃時，鐵的氧化速率會大大增加。對于抗氧化性能良好的合金鋼，因鉻、硅、鋁等合金元素的離子更容易氧化，會在管道表面形成結構致密的合金氧化膜并阻礙原子或離子的擴散，大大減緩氧化速率。隨著時間的推移，氧化層還會逐漸增厚，當然其氧化過程將按對數規律而逐步趨于收斂。對于同一種合金鋼材，工質溫度越高。蒸汽氧化作用就越強。另外管道的傳熱強度(熱通量)越高，管道的平均溫度越高，其蒸汽氧化作用也越強。蒸汽側氧化層出現后相當于管內結垢，這又提高了管壁的平均溫度，從而又加速了蒸汽氧化。氧化層的熱膨脹系數與母材不同且導熱系數遠比母材低。

在鍋爐啟動階段，特別是鍋爐帶負荷跳閘后的重新啟動，其受熱面會受到較大的冷熱沖擊，在此階段管子內側的氧化層較易松動或脫落。一定厚度的氧化皮脫落時一般呈片狀，若能被蒸汽吹離則會沿蒸汽流向運動并逐步加速，由于其單位質量遠大于蒸汽，在管子彎頭處蒸汽轉向時，氧化皮在離心力作用下會撞向管壁出現變形或破碎，其比表面積增加并更易被加速而后在蒸汽的推動下沿內壁轉向，到直管段后再次被加速，直至撞向下一個轉彎處。從過熱器、再熱器到汽輪機，脫落的氧化皮跟隨蒸汽要經過很多次轉向，在此過程中不斷重復上述運動，反復被加速、撞擊、變形和破碎，最終成為許多呈顆粒狀的氧化金屬。

不過，脫落的氧化皮若較厚，在U型布置的過熱器、再熱器的向上管段內蒸汽的動能有可能不足以克服其重力并將其沖出垂直段，則氧化皮會沉積于U型管的底部。從而增加該管段的阻力造成此處的蒸汽流量下降，并使該段金屬溫度升高，氧化加速。在下一次啟動或其他原因的冷熱沖擊時再次發生氧化皮脫落，將更減少此處的蒸汽流量及其對管子的冷卻能力，進一步加劇氧化皮脫落。

3.3 固體顆粒對汽輪機通流部分的侵蝕

一般情況下管內的蒸汽設計流速小于60rrds，蒸汽中攜帶的金屬顆粒的動能及對管道內壁的侵蝕較為有限。但當金屬顆粒進入汽輪機靜葉后，流道內的蒸汽熱能(焓)轉換為速度能，出口流速可達甚至超過音速，導致金屬顆粒被大大加速。其具有的動能可能對靜葉出汽邊和動葉產生嚴重的侵蝕，速度越高侵蝕率越大，且侵蝕率與顆粒運動速度的3次方成正比。

此外侵蝕率亦與金屬顆粒對葉片表面的入射角有關，研究表明當入射角達20～30°時侵蝕率達最高值。當顆粒進入汽輪機葉片流道后被不斷加速的蒸汽流加速直至撞向葉片壁面。顯然，即使蒸汽流速、運動路程等其他物理條件相同，超臨界機組金屬顆粒最終的撞擊速度也將明顯高于亞臨界機組。

對于帶調節級的機組，超臨界機組的調節級焓降尤其是部分進汽方式下的焓降遠高于亞臨界機組，故超超臨界機組的噴嘴出口蒸汽流速亦遠高于亞臨界機組，這使得超臨界機組調節級出口的顆粒運動速度遠高于亞臨界機組，故超超臨界機組的侵蝕問題必然更為嚴重。

3.4 防范措施

選用高溫部件如鍋爐的高溫過熱器、再熱器及主蒸汽、再熱汽管道的鋼材，使其具有完全抗氧化和耐腐蝕性能，而現代冶金工業技術的進步已經能夠為超臨界機組提供多種耐高溫的金屬材料。

在新機組啟動前，對鍋爐過熱器、再熱器和主蒸汽、再熱蒸汽管道一定要進行蒸汽吹掃，將易脫落的氧化鐵粒子吹出。為了提高對氧化鐵的清除效率，可采用加氧吹掃新工藝，它能加速清除掉新投運鍋爐和蒸汽管道系統的表面在加工時形成的氧化皮。鍋爐過熱器、再熱器管子以及主蒸汽和再熱蒸汽管道的焊接應采用新的焊接工藝以防焊渣等碎金屬落入；在一段管子焊接完之后立即清理干凈，再焊下一段管子。

3.4.1 運行階段預防措施

加強機組運行中的汽溫調整和控制。同時要防止爐膛熱工況擾動造成受熱面超溫，防止減溫器后溫度突變造成受熱面氧化皮脫落。加強受熱面的熱偏差監視和調整，防止受熱面局部長期超溫運行，發現有任一點壁溫超過限額時，應降低蒸汽溫度運行，待原因查明處理正常，各管壁金屬溫度均不超限后再恢復正常汽溫運行。

3.4.2 機組的啟停過程中控制措施

機組啟動過程中，嚴格按照升溫升壓曲線進行溫度和壓力的控制，汽溫和管屏溫升均不應超過1.5℃/min，主汽壓升壓速率不大于0.1MPa/min；及時進行燃燒調整，防止管屏壁溫超溫。

鍋爐停運過程中，應控制主、再汽溫溫降小于1.5℃/min（最大不超過3℃/min，且不超過60℃/h），壓降不大于0.174MPa/min，且盡量避免減溫水的投用，若必須投用則以一級減溫水為主，二、三級減溫水不投用。

鍋爐熄火后，經過通風吹掃后，及時停運行鍋爐送、引風機，保持鍋爐悶爐狀態；鍋爐放水前，不進行鍋爐的自然通風工作。鍋爐放水結束，關閉汽機側疏水破壞真空，維持鍋爐系統空氣門和疏水門開啟狀態進行余熱干燥。停爐后應檢測屏式過熱器、高溫過熱器和高溫再熱器底部氧化物的堆積情況，發現堆積嚴重應割管清理。

3.4.3 做好停爐防腐工作

防止過熱器、再熱器彎頭積水造成停運期間腐蝕。目前超超臨界機組大都采用熱爐放水、余熱烘干法進行保養。嚴格控制管壁溫差不超過制造廠允許值前提下應盡量提高鍋爐受熱面放水壓力和溫度，停爐期間加強過熱器和再熱器系統疏水的排放，并確保管內剝落的氧化皮在停爐期間和啟爐過程中始終處于干燥、松散狀態，以利于蒸汽吹掃。當分離器出口壓力1.60MPa，溫度295℃，開啟爐水冷壁系統、過熱器系統、再熱器系統各疏水和放空氣門進行帶壓放水。放水后關閉鍋爐各放水門和各放空氣門，啟動真空泵抽真空，保養效果良好。

4 總結

在超超臨界機組運行過程中，因汽輪機通流部分失效引起的事故占很大比例，嚴重影響電網安全運行。本文通過分析汽輪機通流部分的積鹽、結垢、腐蝕及SPE的原因及形成機理，并提出有效的預防措施，對提高汽輪機的穩定性能及整個機組的效率有著極其重要的意義。