淺談600MW超臨界機組高中壓缸氧化皮的產生及處理

俞衛剛

【摘??要】本文主要介紹600MW超臨界機組汽輪機在提效節能改造后的檢修中發現高中壓缸存在大面積氧化皮剝落問題，針對各項原因進行分析并指出處理的辦法。

【關鍵詞】高中壓缸;氧化皮剝落

1?概述

華潤電力（常熟）有限公司汽輪機由東方汽輪機廠引進日立技術制造的超臨界壓力首改型機組，超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、雙背壓、純凝汽式汽輪機，汽輪機型號：CLN600-24.2/566/566。高壓缸11級，中壓缸6個級，低壓缸2X2X7級[1]。

206A修期間，2機組進行提效節能改造。208C修期再次對2機高中壓缸揭缸檢修，發現2汽輪機的高中壓轉子、隔板、汽封、內缸等部位存在氧化皮剝落。

2檢查情況

2.1高壓缸轉子檢查

高壓缸轉子共11級：

（1）高壓缸轉子1-5級的葉輪盤、轉軸部位，氧化皮有明顯剝落。

（2）高、中壓缸間汽封有氧化皮脫落。

（3）第1-3級葉片有氧化皮剝落后的花紋。第1級較明顯，第2級輕微，第3級不明顯。

（4）第5-11級葉輪盤、轉軸、葉片等各部位的氧化皮無剝落。

（5）第4-11葉片的正面光滑無積鹽，背面少量積鹽，積鹽評價為一類。第9級葉片背面積鹽最多，積鹽量為2.8mg/cm2，積鹽速率約0.3mg/（cm2.a）。

（6）高壓缸第1-3級、中壓缸第1-2級的氧化皮厚度測量，高壓缸1級的氧化皮約0.2mm，其他各處約0.07～0.12mm。

高壓內缸進汽口附近有氧化皮脫落現象。高、中壓缸葉片無明顯固體顆粒磨蝕（SPE）。中壓缸內受第2級葉片斷裂影響，第3-4級葉片有明顯變形、損壞現象。

2.2中壓缸轉子檢查情況

中壓缸轉子共6級：

（1）第1-2級的葉輪盤、轉軸部位有氧化皮脫落，其他各級氧化皮無明顯脫落。

（2）第1-2級圍帶內側光滑，無氧化皮粉末沉積。第3-5級圍帶內側，有硬塊狀金屬沉積物，應為第2級兩處葉片脫落所致。

3氧化皮脫落影響分析

206A檢修期間，2機組提效節能改造。高中壓缸轉子積鹽與腐蝕評價為一類，無氧化皮脫落。此次檢查高、中壓缸轉子葉片積鹽與腐蝕評價為一類，但進汽口附近汽溫較高部位存在氧化皮脫落。對比兩次大修檢查情況。

（1）兩次大修期間，2機水汽品質控制良好，水汽帶入汽輪機的雜質含量較低。本次檢查發現的氧化皮問題與水汽中的雜質含量無關。

（2）氧化皮脫落發生在進汽口附近汽溫較高部位，故溫度對氧化皮脫落有直接影響。

研究表明，金屬表面氧化皮脫落不僅涉及合金本身的氧化生長動力學、氧化皮厚度、溫變幅度與速度、更與氧化皮形貌結構、合金機械性能等因素，是一個多因素共同作用的復雜過程。針對2機組高中壓缸氧化皮脫落問題，結合提效節能改造前后大修檢查情況，從溫度、蒸汽溶解氧量、氧化皮厚度、熱瞬變等方面進行分析。

3.1溫度

2機組提效節能改造后，主蒸汽溫度從538℃提高至566℃，高中壓缸轉子與隔板整體更換，高壓缸轉子從調速級+7級沖動級，改為11級沖動級。轉子與隔板的材質無變化，轉子輪轂材質30Cr1Mo1V，葉片材質2Cr11Mo1VNbN。研究表明高溫下水蒸氣氧化是一種特殊形式，金屬失去電子被氧化，吸附脫去2個氫質子的水分子變成氧離子，再和金屬離子反應生成氧化鐵，氫質子獲得電子還原為氫氣[2]。相同的金屬材料，蒸汽溫度越高，氧化鋼材的速度越快，氧化皮厚度增加越快。因此，提效改造后，主蒸汽溫度提高，加大了高溫部位氧化皮的生成與脫落的風險。對再熱蒸汽溫度進行檢查發現超570℃現象較多，強化了水蒸汽與鋼材發生氧化反應，加速氧化皮生成[3]。

3.2蒸汽中溶解氧

（1）2005年～2015年：給水溶解氧設定為100μg/L。主蒸汽含氧量不低于20μg/L。

（2）2016年2月～2018年7月：給水溶解氧設定為50μg/L。主蒸汽含氧量10～20μg/L。

（3）2018年8月～現今：給水采用質溶機液態加氧，控制穩定，溶解氧設定為20μg/L。主蒸汽溶解氧≤10μg/L。

自2016年提效節能改造后，給水加氧量不斷下調，主蒸汽的加氧量降低，僅前期蒸汽中存在外加溶氧。

兩次揭缸檢查顯示：更換前，在蒸汽溶解氧含量較高的情況下，運行10年，高中壓缸氧化皮并未發生脫落;更換后，溶解氧明顯降低，在材質未發生變化的情況下，運行3年，反而發生了氧化皮脫落問題現象。說明氧化皮脫落是多重因素綜合作用。

以600MW機組為例，受熱面約4.6萬M2，若金屬表面生成0.001mm?Fe3O4膜需66kg溶解氧，依照給水20μg/L需通過給水659萬噸，鍋爐運行4個半月才能形成氧化膜保護。蒸汽含氫量表明，金屬表面氧化膜20～30小時即可形成。

研究表明在無溶解氧的水中，鐵和水可以反應生成Fe3O4并放出氫，確定了鐵水反應的就位氧化過程[4]。根據05年至今加氧值遞減情況，以及歷年的開缸檢查，給水加氧對高中壓缸氧化皮影響甚微。

3.3線膨脹系數

氧化皮與金屬基體的熱膨脹系數存在差異。600℃時，高壓轉子與氧化皮的線膨脹系數（與20℃間，×10-6℃-1）分別是：基體30Cr1Mo1V：14.15，氧化皮Fe2O3?脹系：12.9，氧化皮Fe3O4脹系：16.5。蒸汽中的氧與鋼反應生成氧化皮（包括Fe2O3、Fe3O4），其熱膨脹系數存在差異，在啟停機與負荷變化時，氧化皮受到較大的擠壓應力，可能發生破裂與脫落。按國網要求參與到深度調峰，負荷最低至227.5MW，對氧化皮的脫落有影響。

3.4氧化皮厚度

氧化皮在生長過程中會產生生長應力，而且隨氧化皮厚度增加應力增加，逐漸逼近應力（厚度）臨界值。現場對高壓第1-3級、中壓第1-2級的氧化皮厚度進行測量，其中高壓1級的氧化皮最厚，約0.2mm，其他各處大致0.07～0.12mm，氧化皮厚度較厚。厚度是否達到臨界值還與管材、溫降幅度和速度有關。

3.5熱瞬變

溫度變化時，合金和氧化皮都會發生相應的應變，即氧化皮與母材間的線膨脹系數不同產生的熱應力，尤其是當機組停機過程中，此熱應力達最大。不同降溫速率對氧化皮破裂脫落和產生裂縫的大小都有影響。

4?結論

2機高中壓缸內氧化皮大面積脫落，主要集中在內缸進汽口附近、高壓缸第1-4級葉輪盤、中壓缸第1-2級葉輪盤、高壓缸第1-2級葉片等蒸汽溫度較高的部位。

（1）提效節能改造后，主蒸汽溫度提高了28℃，加大了高溫部位氧化皮生成與脫落的風險，而且運行中存在超溫現象，此為氧化皮剝落主因。建議運行中嚴格控制主蒸汽、再熱蒸汽超溫現象。

（2）蒸汽中的外加溶氧是影響氧化皮生長與脫落的因素之一，從規避氧化皮脫落風險的角度，建議給水保持微氧處理，避免蒸汽存在外加溶氧。

（3）氧化皮發生脫落，為溫度升高、蒸汽存在外加溶氧、氧化皮厚度增加、線膨脹系數差異、負荷波動時熱瞬變應力增加等因素綜合作用的結過果。

參考文獻：

[1]華潤電力常熟有限公司《汽輪機運行規程》2018版

[2]王金寶.《超（超）臨界機組氧化皮優化對策》，600/1000MW超超臨界機組技術交流2009年會.2019.11

[3]徐傳堂.《650MW超臨界機組#2號機汽輪機內部氧化皮脫落的原因分析及對策》，內燃機與配件.2019（20）

[4]于學斌、賀桂林、王海鷗、耿兆龍《超臨界機組加氧對氧化皮生成和剝離的影響》，熱力發電.2010

（作者單位：華潤電力（常熟）有限公司）