超臨界汽輪機(jī)固體顆粒侵蝕特性與防治對(duì)策分析

崔修強(qiáng)

（華電國(guó)際電力股份有限公司技術(shù)服務(wù)分公司，山東 濟(jì)南 250014）

隨著我國(guó)超臨界國(guó)產(chǎn)化1000MW、600MW超臨界壓力機(jī)組相繼投產(chǎn)，汽輪機(jī)本體高、中壓級(jí)通流部分噴嘴、葉片固體顆粒侵蝕(SPE)損傷問題愈加突出。鍋爐運(yùn)行中由于熱沖擊作用，其熱器、再熱器汽側(cè)內(nèi)壁金屬發(fā)生氧化作用，在金屬表面形成氧化膜的垢層,達(dá)到一定厚度后從管材內(nèi)壁剝離，產(chǎn)生堅(jiān)硬的氧化皮固體顆粒，固體顆粒在蒸汽攜帶下進(jìn)入汽輪機(jī)流通部分，造成汽輪機(jī)噴嘴、葉片固體顆粒侵蝕問題，導(dǎo)致汽輪機(jī)內(nèi)效率降低、做功能力下降，機(jī)組檢修維護(hù)費(fèi)用上升。基于提高汽輪機(jī)抗固體顆粒侵蝕能力的目的，深入分析超臨界汽輪機(jī)流通部分SPE問題，研究固體顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡特性、噴嘴與葉片抗沖蝕氣動(dòng)設(shè)計(jì)、高溫噴嘴與葉片材料選用、流通部分采用表面硬化處理等降低固體顆粒侵蝕的對(duì)策及機(jī)理，指導(dǎo)超臨界機(jī)組設(shè)計(jì)與制造，安全及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1 固體顆粒形成及危害

鍋爐過熱器、再熱器受熱面以及主蒸汽管道內(nèi)壁氧化層厚度增大到一定程度，在熱應(yīng)力作用下發(fā)生剝落，形成了機(jī)組蒸汽中攜帶的固體顆粒。在鍋爐啟動(dòng)、停止和負(fù)荷劇烈波動(dòng)的過程中，鍋爐受熱面管壁溫度波動(dòng)幅度較大，受熱面管材就會(huì)產(chǎn)生溫差熱應(yīng)力，這是氧化層大量脫落的主要原因。

鍋爐過熱器、再熱器受熱面管材的加工制造要在570℃及以上的高溫條件下進(jìn)行，在加工過程中，空氣中的氧氣與管材表面金屬相結(jié)合形成了3種氧化層，管材表面由內(nèi)至外依次為FeO、Fe3O4，F(xiàn)e2O3，其中與管材基體連結(jié)的FeO層結(jié)構(gòu)疏松不穩(wěn)定，在570℃以下容易分解形成Fe3O4和FeO，導(dǎo)致管材加工過程中產(chǎn)生的氧化膜層脫落或發(fā)生腐蝕，形成氧化皮固體顆粒。

鍋爐運(yùn)行中，過熱器、再熱器等高溫受熱管材表面氧化膜的生成既是一個(gè)化學(xué)過程，也是一個(gè)物理過程。金屬的氧化主要通過鐵離子、氧離子的擴(kuò)散不斷進(jìn)行，形成了由內(nèi)層原生膜(Topotactishe schicht)與外層延伸膜(Epitaktishe schicht)組成的結(jié)合比較牢固的雙層氧化膜。在開始運(yùn)行階段，雙層膜較薄而且致密，隨著氧化膜厚度的增加，尤其在機(jī)組啟停、超溫或溫度、壓力烈波動(dòng)過程中，最初雙層膜先是變成2個(gè)雙層膜，然后發(fā)展成為多層氧化膜結(jié)構(gòu)，使氧化膜的厚度不斷增加。由于氧化膜與基體之間膨脹系數(shù)不同，在應(yīng)力作用下氧化膜發(fā)生剝離現(xiàn)象，剝落的氧化皮固體顆粒，在高流速的蒸汽攜帶下經(jīng)主汽門、調(diào)門進(jìn)入了汽輪機(jī)，根據(jù)能量方程可知，這些隨蒸汽高速流動(dòng)的顆粒具有極大的動(dòng)能，不斷撞擊汽機(jī)的噴嘴與葉片，造成高、中壓缸前幾級(jí)噴嘴與葉片受損、流通面積變小，汽輪機(jī)內(nèi)效率下降。

2 超臨界汽輪機(jī)固體顆粒沖蝕特性

2.1 固體顆粒運(yùn)動(dòng)特性分析

分析固體顆粒的運(yùn)動(dòng)特性時(shí)，可采用離散顆粒運(yùn)行軌跡計(jì)算模型。在此模型中，蒸汽相作為連續(xù)流體介質(zhì)進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，固體顆粒作為離散介質(zhì)進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，利用拉格朗日方程進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行描述分析。在數(shù)學(xué)建模中蒸汽流場(chǎng)已知，通過求解固體顆粒運(yùn)動(dòng)方程得到其運(yùn)動(dòng)軌跡與運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

為方便固體顆粒在蒸汽流場(chǎng)中的受力分析，假設(shè)固體顆粒為球體，依據(jù)高中壓缸第一級(jí)蒸汽流動(dòng)條件簡(jiǎn)化處理，簡(jiǎn)化后影響固體顆粒運(yùn)動(dòng)特性的主要因素為慣性作用與蒸汽黏性阻力，則其運(yùn)動(dòng)方程可表示為：

式中：t表示時(shí)間，表示蒸汽流速，表示固體顆粒流速。其中FD的表達(dá)式為：

式中：ρP表示顆粒密度，ρ表示蒸汽密度，dp表示顆粒當(dāng)量直徑，μ表示蒸汽運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)，CD表示蒸汽流體阻力系數(shù)，Re表示相對(duì)雷諾數(shù)。

通過求解固體顆粒運(yùn)動(dòng)特性方程，分析固體顆粒沖蝕特性與噴嘴、葉片沖蝕率的關(guān)系，分析固體顆粒撞擊與沖蝕材料表面后，噴嘴與葉片體積與質(zhì)量的減少量與固體顆粒單位質(zhì)量的關(guān)系變化。研究表明，沖蝕率與固體顆粒的碰撞角和碰撞速度相關(guān)，對(duì)于12Cr的馬氏體材料，沖蝕率與碰撞速度的3～4次方成正比關(guān)系，汽輪機(jī)高沖蝕區(qū)域在碰撞角在20～35°的范圍內(nèi)。因此提高噴嘴葉片抗沖蝕性能，重點(diǎn)應(yīng)從噴嘴氣動(dòng)設(shè)計(jì)避開高沖蝕區(qū)域范圍、降低固體顆粒撞擊速度、減少體顆粒數(shù)量等方面采取措施。

2.2 調(diào)節(jié)級(jí)固體顆粒運(yùn)動(dòng)特性與沖蝕特性

根據(jù)取樣測(cè)量結(jié)果，在鍋爐過熱器、再熱器疏水和爐水中，氧化皮固體顆粒當(dāng)量直徑在5～100μm范圍內(nèi)，因此數(shù)學(xué)建模中，其特征顆粒直徑分別取10μm、50μm及100μm三種尺寸，進(jìn)行顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡特性計(jì)算，分析固體顆粒撞擊壓力壁面后，反彈穿過汽輪機(jī)流通空間的軌跡特性。

計(jì)算分析不同尺寸顆粒在設(shè)計(jì)工況下的運(yùn)動(dòng)軌跡特性，隨著固體顆粒尺寸增加，顆粒在慣性作用下撞擊壁面的位置離噴嘴進(jìn)口越近，顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡與蒸汽流道跡線的偏離程度也越大。

計(jì)算分析不同尺寸固體顆粒在10%負(fù)荷下的運(yùn)動(dòng)軌跡特性，與設(shè)計(jì)工況相比有3個(gè)方面不同：（1）固體顆粒碰撞壁面位置較設(shè)計(jì)工況向前移動(dòng)，而且軌跡更為分散；（2）低負(fù)荷下蒸汽流對(duì)固體顆粒的攜帶作用力比設(shè)計(jì)工況下減小很多；（3）低負(fù)荷下固體顆粒碰撞角度、反射角度均比設(shè)計(jì)工況大一些。

計(jì)算不同負(fù)荷下軌跡特性方程，分析固體顆粒在不同工況下的運(yùn)動(dòng)軌跡特性如下：（1）固體顆粒在蒸汽攜帶下碰撞壁面時(shí)，其碰撞速度與相對(duì)軸向位置、顆粒直徑都有關(guān)系；隨著軸向距離的增加，碰撞速度也增大，但隨著顆粒尺寸的增大，碰撞速度反而減少。（2）機(jī)組負(fù)荷變化對(duì)碰撞速度影響較大，尤其在10%負(fù)荷工況下固體顆粒的撞擊速度比其他工況明顯減小，分析其原因10%負(fù)荷工況下第一級(jí)噴嘴焓降小，蒸汽密度小、流速低、攜帶固體顆粒作用力小，導(dǎo)致固體顆粒流速小。在50%負(fù)荷下，固體顆粒撞擊速度比30%負(fù)荷和100%負(fù)荷稍微增加，分析其原因50%負(fù)荷工況下第一級(jí)噴嘴焓降大，蒸汽密度大、流速高、攜帶固體顆粒作用力大，導(dǎo)致固體顆粒流速大。（3）由固體顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡特性、沖蝕率與碰撞速度關(guān)系特性分析，50%負(fù)荷工況下噴嘴最易受到?jīng)_蝕，尤其噴嘴壓力面出口邊緣位置，受沖蝕情況最嚴(yán)重。

計(jì)算固體顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡特性的方程，影響顆粒碰撞角大小的主要因素包括顆粒尺寸、軸向位置、機(jī)組負(fù)荷等，其影響機(jī)理分析如下。（1）根據(jù)10%、30%、50%、100%設(shè)計(jì)負(fù)荷下軌跡特性方程，發(fā)現(xiàn)固體顆粒尺寸與軸向距離增大時(shí)，碰撞角隨之增大。（2）分析機(jī)組負(fù)荷與固粒碰撞角特性關(guān)系，發(fā)現(xiàn)50%負(fù)荷工況固粒碰撞角最小，在50%負(fù)荷基礎(chǔ)上降低負(fù)荷時(shí)碰撞角明顯增大，在50%負(fù)荷基礎(chǔ)上增加負(fù)荷時(shí)碰撞角也略有增大；分析其原因50%負(fù)荷下噴嘴焓降大，蒸汽密度大、速度高、攜帶作用力大，導(dǎo)致固體顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡更接近蒸汽流線。（3）研究在相同軸向距離位置處，不同尺寸固體顆粒與碰撞角關(guān)系，其特性軌跡表明固體顆粒直徑小于50μm時(shí)碰撞角相差較大；粒徑在50～100μm范圍內(nèi)，固體顆粒碰撞角相差較小。（4）在相對(duì)軸向距離為0.8條件下，固體顆粒碰撞角度在20～35°之間，而這個(gè)撞擊角度范圍則屬于金屬材料的高沖蝕區(qū)域，因此撞擊角度在高沖蝕區(qū)范圍內(nèi)，是導(dǎo)致大尺寸的固體顆粒容易造成汽輪機(jī)噴嘴、葉片沖蝕的主要原因之一。

3 固體顆粒侵蝕防治對(duì)策分析

3.1 改進(jìn)葉型

改進(jìn)葉型氣動(dòng)設(shè)計(jì)是提高噴嘴抗沖蝕性能的重要措施，主要采取的對(duì)策有降低固體顆粒與壁面的撞擊速度、碰撞角度，避免碰撞角度范圍在材料高沖蝕區(qū)域等。由GE公司與東芝公司葉型抗沖蝕性能改進(jìn)案例分析，改進(jìn)后葉型的共同特點(diǎn)：（1）改進(jìn)了噴嘴壓力面型線角，使其平直、避免大的折轉(zhuǎn)角，改進(jìn)后碰撞角在10°左右，大幅降低了固體顆粒的碰撞角度與速度，由氣動(dòng)設(shè)計(jì)上避開了導(dǎo)致12Cr鋼材的高沖蝕率碰撞角度區(qū)域。（2）噴嘴設(shè)計(jì)適當(dāng)增加葉柵距離，以減少碰撞固體顆粒數(shù)量，減輕葉片沖蝕。

3.2 表面強(qiáng)化技術(shù)

汽輪機(jī)通流噴嘴、葉片材料常采用12Cr馬氏體族高韌性鋼材，撞擊固體顆粒硬度極高，達(dá)到莫氏硬度5.5～6.6級(jí)，推斷其受到侵蝕為“韌性模式”侵蝕。侵蝕模擬試驗(yàn)證實(shí)固體材料受侵蝕速度與固體顆粒撞擊角度與相關(guān)性較大，對(duì)于噴嘴與葉片常用的如12Cr馬氏體族高韌性鋼材，固體顆粒撞擊角度在20～30°范圍內(nèi)所受侵蝕損傷最嚴(yán)重；然而對(duì)于大硬度材料（如陶瓷等）抗侵蝕的性能規(guī)律則完全不同，對(duì)于此類材料，固體顆粒沖擊角度在20～30°內(nèi)所受侵蝕損傷反而最小。因此采用表面強(qiáng)化技術(shù)，在噴嘴、葉片表面噴涂硬質(zhì)涂層，從而達(dá)到提高汽輪機(jī)通流部分噴嘴和葉片表面抗侵蝕性能、降低預(yù)防汽輪機(jī)固體顆粒侵蝕危害的目的。

表面等離子噴涂工藝與擴(kuò)散滲層工藝是目前汽輪機(jī)表面涂層強(qiáng)化的主要技術(shù)。表面等離子噴涂工藝可以用于汽輪機(jī)通流部分需要噴涂抗侵蝕涂層的絕大部分部件，形成的涂層抗侵蝕性能好，但此工藝受到弧段結(jié)構(gòu)的限制，例如對(duì)于部分噴嘴室以及采用螺栓固定的噴嘴，其噴嘴出汽邊的內(nèi)弧面則不能用等離子噴涂工藝進(jìn)行噴涂。為了解決部分部件受原始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)限制而無法采用等離子噴涂工藝的問題，一般采用合金擴(kuò)散滲層工藝處理，該工藝把部件被滲涂的部位裝箱，放入由可擴(kuò)散金屬元素以及鹵族鹽類活化劑組成的粉末狀混合物中，然后加熱到899～1093℃。保溫?cái)?shù)小時(shí)，冷卻拆箱后再利用熱處理工藝恢復(fù)其機(jī)械性能，因此該工藝受擴(kuò)散涂層自身特性限制，其滲層厚度一般小于0.076mm。

采用表面硬化處理技術(shù)，可以提高材料抗固體顆粒侵蝕性能。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)證明，噴嘴采用硼化物擴(kuò)散滲層，葉片采用等離子涂層，是預(yù)防汽輪機(jī)固體顆粒侵蝕損傷的有效方法。

3.3 機(jī)組運(yùn)行工況

研究表明，機(jī)組啟動(dòng)運(yùn)行方式、升負(fù)荷速率控制不同，蒸汽中攜帶的氧化物顆粒濃度與負(fù)荷變化的關(guān)系也不同。對(duì)于有些機(jī)組在滿負(fù)荷之前，蒸汽中氧化物顆粒濃度已從開始由最高峰值開始下降，然而有些機(jī)組卻在滿負(fù)荷后才由最高峰值開始下降。因此，設(shè)計(jì)采用汽輪機(jī)旁路控制汽輪機(jī)通流部分固體顆粒濃度的機(jī)組，旁路啟停時(shí)間由機(jī)組啟動(dòng)運(yùn)行方式與升負(fù)荷率控制方式來決定。

對(duì)于新建或鍋爐四管大修啟動(dòng)機(jī)組，可以采用延長(zhǎng)調(diào)試啟動(dòng)期間的旁路投運(yùn)時(shí)間、設(shè)置臨時(shí)管道濾網(wǎng)等運(yùn)行方式，減少機(jī)組啟動(dòng)調(diào)試階段進(jìn)入汽輪機(jī)通流部分固體顆粒數(shù)量。另外，在啟動(dòng)過程中，利用旁路系統(tǒng)控制好主、再蒸汽溫度偏差，也是減少鍋爐受熱面金屬氧化物顆粒產(chǎn)生與剝落的重要措施之一。

鍋爐高溫氧化皮的剝離主要發(fā)生在管材降溫期間，機(jī)組重新啟動(dòng)后，剝離的氧化物顆粒被蒸汽攜帶進(jìn)入汽輪機(jī)。由于全周進(jìn)汽碎片不易被集中，局部蒸汽的流速小，因此與部分進(jìn)汽運(yùn)行方式相比，啟動(dòng)期間采用全周進(jìn)汽運(yùn)行方式，對(duì)預(yù)防固體顆粒侵蝕有較好的效果。

固體顆粒沖蝕特性與汽輪機(jī)負(fù)荷關(guān)聯(lián)性較大，低負(fù)荷工況下汽輪機(jī)抗固體顆粒侵蝕能力較弱，因此應(yīng)盡量縮短汽輪機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間，避免固體顆粒侵蝕。

4 結(jié)語

通過超臨界汽輪機(jī)流通部分固體顆粒運(yùn)動(dòng)特性及機(jī)理的研究，分析了影響汽輪機(jī)固體顆粒侵蝕損傷程度的主要因素，其中影響較大的因素包括固體顆粒尺寸與數(shù)量、撞擊角度與速度、噴嘴與葉片材料抗侵蝕性能等。解決固體顆粒侵蝕應(yīng)取綜合防護(hù)措施，首先是防止和減緩固體顆粒生成；其次要避免已生成的固體顆粒進(jìn)入汽輪機(jī)，采取的措施包括定期清洗鍋爐管道、設(shè)置蒸汽管道濾網(wǎng)、設(shè)置汽輪機(jī)旁通閥等措施減少進(jìn)入汽輪機(jī)的固體顆粒；最后對(duì)于部分進(jìn)入汽輪機(jī)的固體顆粒，則可采用改進(jìn)葉型氣動(dòng)設(shè)計(jì)、材料表面噴涂硬質(zhì)涂層、優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行方式等措施提高抗固體顆粒侵蝕的性能，降低汽輪機(jī)固體顆粒侵蝕的危害。