國內燃氣－蒸汽聯合循環機組金屬監督應用及研究

石巖，王甲安，朱海寶

（華電電力科學研究院有限公司，浙江 杭州 310030）

燃氣-蒸汽聯合循環機組因建設周期短、熱效率高、啟動快速、排放污染小等特點，在我國得到迅速發展。同時，國內燃氣—蒸汽聯合循環機組多為調峰運行，啟停頻繁、負荷變化快的運行模式大大降低了機組的安全可靠性，造成設備隱患、異常事件增多，甚至發生一些影響較大、較為嚴重的事故。目前，燃氣-蒸汽聯合循環機組金屬監督尚未系統性深入開展，參考燃煤機組執行但沒有專屬標準引用，而金屬部件的失效形式及監督重點與燃煤機組又有顯著差異，本文結合近年來燃氣－蒸汽聯合循環機組金屬監督應用情況進行研究，為行業標準的發展提供參考。

1 燃氣-蒸汽聯合循環機組選材特性

燃氣-蒸汽聯合循環機組金屬監督重點在燃機本體，相關設備主要由GE、西門子、三菱等國外公司制造或提供核心部件，材質及工藝情況國內并未能詳細掌握。以GE公司9FA燃氣輪機為例，為使材料的耐高溫和高強度特性更符合機組高參數大功率要求，熱端部件采用稱為超級合金的鎳鈷基奧氏體合金鋼DS GTD-111，并在熱負荷較高部位采用高溫抗氧化涂層(MCrAlY)、熱障涂層(TBC)和抗腐蝕涂層(Al-Cr,Al-Si)等。其強化手段、金相組織、高溫性能、使用中的損壞失效方式、使用涂層情況、無損檢測方法都不同于汽輪機所用的普通耐熱鋼。

余熱鍋爐及蒸汽輪機的結構與燃煤機組鍋爐及蒸汽輪機有顯著的不同，因運行環境、工況、條件等工作不同，金屬部件的選材及運行損壞失效方式有其獨特性。9F機組選用的部分高溫端鋼材與超臨界機組所用高合金鋼相同，其他如汽缸、軸、轉子、葉片、發電機護環、汽包等部件的選材都會有所提高。

2 燃氣-蒸汽聯合循環機組金屬部件典型失效問題

2.1 壓氣機葉片斷裂

章褆等對國外、國內燃氣-蒸汽聯合循環機組壓氣機葉片斷裂情況進行了詳細的數據統計，分析表明，國外機組壓氣機葉片晃動、葉根槽磨損、葉臺凸起問題大多發生在機組運行16000小時以后，而國內出現相同問題的機組運行時數最短的僅為4900小時。文獻[4-6]分別介紹了十余起國內燃氣輪機壓氣機葉片斷裂事件。數據統計顯示，燃氣輪機壓氣機葉片斷裂故障占比達60%，且多為高周疲勞開（斷）裂，主要原因是由于葉片某階固有頻率未能有效避開 kn、zn共振，導致壓氣機葉片發生疲勞開（斷）裂，嚴重威脅機組安全運行，給電廠帶來巨大損失。

實際運行過程中，除了一些影響較大和較為嚴重的事故和設備隱患之外，國內燃氣-蒸汽聯合循環機組的日常異常事件也明顯增多，這些事故和隱患經事后分析發現都和頻繁調峰或日起停有關。圖1、2分別為某S109FA燃氣-蒸汽聯合循環機組壓氣機S1斷口形貌及損壞程度，斷口形貌呈現明顯的高周疲勞開（斷）裂。分析認為：由于壓氣機靜葉片較低的共振裕度，在機組升速時，軸系的1、2、3階臨界轉速附近振動逐漸變大，與某階固有頻率發生共振，發生金屬疲勞斷裂。國內燃氣-蒸汽聯合循環機組多參與調峰，長期頻繁日啟停運行，機組每啟停一次，壓氣機在轉速變化時都有可能發生共振，壓氣機葉片在多次的共振下發生金屬疲勞、動靜摩擦，葉片斷裂的可能性增大，最終誘發了葉片的斷裂。

圖1 壓氣機靜葉片斷面分析

圖2 壓氣機靜葉片損壞程度

2.2 主汽聯合閥閥體疲勞裂紋

某S109FA燃氣-蒸汽聯合循環機組，系GE公司生產的D10標準型蒸汽輪機，單軸、三壓、再熱、兩缸、沖動凝汽式聯合循環汽輪機。截至2018年11月檢修時，機組累計運行42528小時，啟停1561次。內窺鏡檢查發現高壓主汽聯合閥閥體存在裂紋，該閥體材質為GE牌號B50A224B，相當于ASTM A356 Gr9級，成分為1?Cr1Mo?V，即ZG15Cr1Mo1V。對高壓主汽聯合閥閥殼底部結合面著色滲透檢測，發現多處裂紋，如圖3所示。對裂紋周邊氧化皮進行打磨后再次著色滲透檢測，清晰發現裂紋圍繞閥殼一周，長度達到閥殼內周長的4/5左右，進一步檢查，裂紋起點位于疏水孔，如圖4所示。后續利用內窺鏡對疏水孔內部的裂紋進行檢測，發現裂紋沿疏水孔口往里延伸4mm長度。

分析認為：疏水從閥座的疏水口倒流入閥門，沉積在閥門疏水孔側。機組啟動時，蒸汽流經閥座，閥座受熱膨脹，由于閥座疏水孔側存有積水，相對密封面側，閥座疏水孔側溫升明顯較慢、膨脹小，導致密封面側受到附加拉應力；機組停機時，情況相反，密封面側膨脹收縮較快，疏水孔側收縮較慢，密封面側受到附加的壓應力，這種交替的應力變化最終導致密封面發生開裂。如果閥座的疏水管道布置不合理或疏水排放不及時，機組啟停過程中閥座的合金嵌體易于受到交變應力的作用，最終導致發生開裂。

圖3 閥殼底部結合面裂紋

圖4 疏水口位置缺陷裂紋

2.3 四大管道及集箱裂紋

某9F燃氣-蒸汽聯合循環發電機組，機組2013年投產，采用單軸聯合循環型式，由PG9351FA型燃氣輪機、D10型三壓再熱系統的雙缸雙流式汽輪機、390H型氫冷發電機、和三壓再熱但帶冷凝器除氧的自然循環余熱鍋爐組成。2019年4月檢修期間，對8號機組高壓旁路閥出口減溫器管道（材料10CrMo910；規格φ660.4×14.27mm）對接環焊縫進行金屬監督檢驗，發現管道焊縫融合線處存在一條長約150mm裂紋缺陷，深度約10mm，典型缺陷見圖5。

據調查資料顯示該機組累計運行約10500小時，機組累計啟停675次，頻繁參與調峰變負荷運行，另此處減溫器常噴水用于調節高壓蒸汽參數，溫度的頻繁劇烈變化，給機組服役材料帶來極大考驗，導致管道在此處多次發生高參數蒸汽泄漏，給機組的安全穩定運行帶來極大危害。

圖6是某西門子公司V94.2（SGT5-2000E）熱電聯產機組，運行期間發現高壓供熱減溫減壓器管道出現蒸汽泄漏現象，管道材質12Cr1MoVG，規格φ273×14mm。停機檢查發現管道母材存在周向開裂貫穿裂紋，裂紋位于減溫水噴嘴頭汽水流向后端150mm。可見，針對燃氣機組頻繁啟停參與調峰運行特點，對高參數管道復雜受力部件，如彎頭焊縫、三通、減溫器、管座角焊縫等重點位置要縮短金屬檢驗周期，進行高溫、高壓蒸汽管道專項檢查。

3 重要金屬部件監督檢驗內容及標準

金屬監督是通過各種檢測方法對受監在役金屬部件進行檢測和診斷，掌握金屬部件性能變化及失效規律，對金屬部件及設備進行壽命分析及評估，為機組運行維護提供指導依據。燃氣—蒸汽聯合循環機組的金屬監督范圍涵蓋燃氣輪機、汽輪機、發電機、余熱鍋爐、壓力容器及公共系統的高溫、高壓、高轉速部件以及相關的金屬部件。

圖5 高壓旁路減溫器焊縫熔合線裂紋

圖6 供熱減溫減壓器管道母材周向開裂

監督對象包括：壓氣機動靜葉片、燃燒室噴嘴、聯焰管、透平及其缸體、導流套、入口可調導葉、合金鋼螺栓；承壓管道及閥門、汽包、受熱面管、聯箱、疏水管路；發電機大軸和護環、發電機風扇葉片、軸瓦、隔板、汽缸、油管路；燃氣輪機和蒸汽輪機大軸、葉片、拉筋、軸瓦；加熱器、除氧器、連續排污擴容器和儲氣罐等壓力容器以及鋼架結構等。

余熱鍋爐、汽輪機、發電機、壓力容器部件及附屬設備的性能、材料質量、焊接質量等的監督，可按照廠商提供的最小揭缸檢修周期，參照DL/T 438-2016《火力發電廠金屬技術監督規程》的要求開展相關檢驗檢測及監督工作。對燃氣輪機的壓氣機、燃燒室、透平及其缸體等重要受監部件應按照廠商提供的最小揭缸檢修周期進行檢查，要求無裂紋、重皮、焊瘤、鑄砂等缺陷，且每年應至少進行1次孔窺檢查。具體監督檢驗內容及標準見表1。進氣安全隔離網鋼絲、負荷齒輪箱和輔助齒輪箱的輪齒等其他部件每次檢修時應進行宏觀檢查和表面檢測，檢查磨損情況及是否有變形、斷裂。

4 結語

國內燃氣—蒸汽聯合循環機組頻繁啟停的運行模式加速了受監金屬部件疲勞、裂紋、組織劣化等缺陷產生，結合多起壓氣機葉片疲勞斷裂、主汽聯合閥閥體疲勞裂紋、管道及壓力容器焊縫疲勞開裂等失效案例的分析，總結了燃氣—蒸汽聯合循環機組重要受監金屬部件的監督、檢驗和診斷內容及標準。建議后續結合國內燃氣—蒸汽聯合循環機組金屬監督的應用，逐步掌握金屬部件性能變化及失效規律，完善相關標準，超前預測受監金屬部件的缺陷和隱患，避免重大設備異常事件造成的社會財產損失。

表1 燃氣輪機的壓氣機、燃燒室、透平及其缸體等重要受監部件的監督檢驗