電廠汽輪機低壓轉(zhuǎn)子末級葉片水蝕防護分析

李 戈，景崗呈，朱海寶，喬立捷，王 魯

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

0 引 言

汽輪機缸體內(nèi)飽和蒸汽通過膨脹推動葉片做功，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，此時汽輪機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)象在火電機組汽輪機低壓缸末級動葉上十分普遍[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，進而導(dǎo)致宏觀開裂，同時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影響葉片的振動特性，進一步加速裂紋的擴展和轉(zhuǎn)子的失衡，嚴重時會發(fā)生葉片斷裂事故而造成重大安全事故及經(jīng)濟損失。近幾年來，國內(nèi)外由于水蝕引起的汽輪機低壓轉(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，汽輪機末級葉片水蝕現(xiàn)象在核電機組、燃煤機組以及燃氣輪機組等各種類型的機組中均有普遍發(fā)生。因此，末級葉片水蝕的修復(fù)與防護也逐漸成為一項急需重點解決的課題。

1 事件描述

2018年8月，某電廠1號機組在正常運行過程中，DCS顯示軸承振動突然增加，機組自動跳機保護。開缸檢查發(fā)現(xiàn)汽輪機低壓轉(zhuǎn)子末級葉片有1支已斷裂，其余個別葉片被不同程度地打傷，葉片頂部進汽側(cè)水蝕十分嚴重，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)子末級葉片水蝕嚴重

圖2 鋸齒尖處形成的裂紋源

2 末級葉片設(shè)計、選型及運行工況

2.1 葉片的設(shè)計與選型

該電廠1號機組采用的是上海汽輪機設(shè)計制造的次高壓、單缸、單軸、雙壓、無再熱、無回熱、抽汽凝汽式聯(lián)合循環(huán)汽輪機，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)濟性優(yōu)、安全可靠性高、運行業(yè)績優(yōu)良等特點。據(jù)了解，該葉片自1995年首臺投運以來，已應(yīng)用于160余臺機組。

低壓末級葉片選用的是0Cr17Ni4Cu4Nb鋼，在化學成分上低碳、高鉻，同時富含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；同時它是一種馬氏體沉淀硬化不銹鋼，強化機理是在發(fā)生馬氏體相變和在400～650 ℃溫度范圍內(nèi)時效時，析出時效硬化相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標準[2]。

2.2 機組運行工況

對于通過飽和蒸汽做功的汽輪機低壓缸末級動葉，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葉時，汽水品質(zhì)因水滴的凝結(jié)而具有粘性的，同時呈氣液雙相。

該電廠機組不僅需要滿足早起晚停調(diào)峰功能，同時肩負冬季長期抽汽供暖任務(wù)。文獻[3]分析了末級長葉片沖蝕損傷的機理及其嚴重危害性，著重指出近幾年隨著新出現(xiàn)的大機組長期帶低負荷參與調(diào)峰運行，相當普遍地發(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)某些機組上葉片進汽側(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組調(diào)峰運行應(yīng)綜合考慮末級葉片的強度和壽命的觀點[3]。

3 水蝕的產(chǎn)生與破壞機理分析

汽輪機末級動葉在高濕度蒸汽區(qū)域內(nèi)工作，與蒸汽中的高速水滴發(fā)生強烈沖擊，同時與從靜葉柵沉積脫離出來的水滴發(fā)生撞擊，進而在動葉截面上產(chǎn)生了非常大的壓力，當壓力超過材料的屈服極限時，動葉表面容易產(chǎn)生局部的塑性變形和表面硬化。而且動葉在壓力的反復(fù)作用下容易形成機械疲勞，疲勞達到極限時，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。

動葉片水蝕產(chǎn)生的機理過程。汽輪機水蝕的物理過程可分為如下幾個階段：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動→水滴濺射、撞擊動葉表面→水蝕[4]，機理過程如圖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，發(fā)現(xiàn)末級動葉在高速水滴發(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 末級葉片水蝕機理圖

RIGRER認為裂紋的產(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 水蝕防護措施類型

目前汽輪機低壓葉片常用防侵蝕措施基本可分為主動積極型和被動消極型。

1)主動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。

利用動葉的離心力除水：利用動葉離心力把水滴甩到通流部分外面，同時設(shè)計捕水室，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，當水膜流向縫隙時，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)的水份以達到降低濕度的目的，同時還可以提高機組級效率。

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，實現(xiàn)降低濕度的效果。

調(diào)整動、靜葉片軸向間隙：通過適度增大靜葉出汽邊和動葉軸向間隙，從而增強水滴的霧化效果，同時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到去濕效果。

2)被動消極型的理念則是在設(shè)計定型的情況下，采取選擇抗侵蝕材料、動葉邊緣強化處理、涂層噴涂等方法，達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 葉片水蝕防護措施的對比及選擇

5.1 主要防護措施的對比

表1對上述幾種葉片水蝕修復(fù)方案在修復(fù)性能、方案的實施以及經(jīng)濟性能等方面進行優(yōu)缺點對比，并綜合因素選擇最終適合該臺機組的方案。

表1 水蝕防護方法的優(yōu)缺點對比

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

5.2 最終防護方案的選擇及運行效果

汽輪機末級葉片出現(xiàn)嚴重水蝕時，從機組的安全性考慮，更換葉片也許比較適當，但是葉片單片價格比較昂貴，更換代價十分巨大，且施工難度較大，工期較長，不適合現(xiàn)代電廠商業(yè)化進程。目前采用消極的防護方法對于電廠來說是比較客觀實際的。

比較激光淬火及司太立合金防護技術(shù)，從工藝的成熟性、普遍性、經(jīng)濟性綜合考慮，基于機組現(xiàn)狀，在葉片設(shè)計定型的情況下，最終該電廠選擇了被動消極方式，將嚴重水蝕的末級動葉整圈更換，并將動葉進汽邊司太立合金片的長度由283 mm增加為490 mm，增強了動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

自末級動葉更換以來，機組已運行7 000余小時，在后期檢修中未再發(fā)現(xiàn)末級動葉發(fā)生水蝕現(xiàn)象，運行良好，長期時效性隨機組運行時間有待進一步觀察。

6 結(jié) 語

解決汽輪機末級動葉水蝕問題，需綜合考慮各方案的實施工藝、性能特點以及經(jīng)濟因素，司太立合金是目前應(yīng)用最廣泛的防護手段。

結(jié)合汽輪機組的運行特性提出建議如下：

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

3)進一步觀察末級動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)。