630 MW機組低壓末級長葉片水蝕分析及預防

王維英，李衛軍，馮立國，顧正皓，干忠明，馬思聰

（1.國能浙江寧海發電有限公司，浙江 寧波 315612；2.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；3.杭州意能電力技術有限公司，杭州 310012）

0 引言

目前，大型燃煤汽輪發電機組負荷在40%～100%額定負荷間頻繁波動，是可再生能源高比例接納的保障，提高了新型電力系統的可靠性。為了提高機組效率，整體圍帶加凸臺阻尼拉筋的變截面扭轉長葉片被廣泛應用于600 MW和1 000 MW機組［1-2］。當機組負荷小于40%，甚至更低時，因低壓缸進汽量變少、進氣壓力下降、排汽濕度增大等原因，低壓轉子末級可能出現嚴重水蝕，誘發葉片出現裂紋甚至斷裂的故障［5-7］，機組安全可靠性明顯下降。除了采用傳統的水蝕預防措施，激光淬硬作為葉片制造的主要方法［8］，激光融覆技術［9］、熱噴涂技術被應用于長葉片水蝕修復。唐世延、葉林等對超音速噴涂技術進行了介紹，認為這是一種很好的葉片水蝕修復、預防措施［10-11］；王純等對空心靜葉的除濕效果進行了研究［12-13］，表明空心靜葉能有效預防末級葉片的水蝕。近期，國內數臺亞臨界630 MW 亞臨界汽輪機組在檢修中均發現低壓缸出現嚴重的水蝕現象，因此，開展汽輪機低壓缸水蝕的監測、評估，采取科學合理的預防措施，提高機組的安全可靠性并降低檢修成本，是亟待研究的課題。

本文介紹2臺某型630 MW汽輪機組低壓缸嚴重水蝕的原因、監測及其預防，表明采取末級葉片噴涂、更換空心靜葉為主要措施，以優化低壓缸的疏水系統為輔助措施，可大幅提高機組低壓缸抗水蝕的預防能力。

1 低壓缸系統

1.1 低壓轉子結構

630 MW機組低壓轉子為雙分流結構，通流部分為7 級。6 級、7 級葉片葉根采用斜直側裝式樅樹型，均為整圈自鎖葉片，具有良好的減振功能。低壓轉子末級葉片長度為1 050 mm，每級共有64個葉片，其進汽側上部背弧處銀焊鑲整條司太立硬質合金片，以抗水蝕。若部分葉片存在水蝕、裂紋等故障，應將整圈葉片拆下，視情況進行修復或更換。

1.2 低加疏水系統

630 MW機組回熱系統采用傳統的“三高四低、一除氧”的結構形式，低壓加熱器疏水采用逐級自流方式。在低負荷運行中，低加疏水系統易出現疏水不暢現象，尤其8號低加至凝汽器部分。負荷大于50%，8 號低加疏水正常；負荷小于50%，低加疏水級間壓差較小，無法有效克服管道沿程阻力，導致水位升高，易出現水位波動現象，低加水側切換至旁路運行。

2 低壓缸水蝕

2.1 長葉片水蝕

630 MW 機組在負荷小于50%時，末級1 050 mm長葉片工作的蒸汽區濕度較大。負荷越低，蒸汽濕度越大，末級葉片越易出現水蝕現象。

水蝕是指當高速流動中的水滴和靜葉柵沉積脫離出來的水滴相互碰撞時，會產生較大的撞擊力；對于本就承受較大離心力、蒸汽沖刷力的末級葉片，附加較大的撞擊力，葉片截面上的壓力可能會超過材料的屈服極限，葉片表面即產生塑性變形和表面硬化；葉片在不同幅值壓力反復作用下，容易出現機械疲勞，甚至疲勞微裂紋，而微裂紋進一步擴展，形成具有鋸齒狀毛刺形貌特征的水蝕現象。水蝕嚴重時葉片會出現缺口，使汽輪機做功能力與效率下降，甚至可能導致汽輪機葉片斷裂的事故。葉片發生水蝕的區域通常為頂部進汽邊和根部出汽邊。

1）葉頂水蝕。頂端進汽邊的水蝕，一般在距離葉片頂部約為1/3葉片長度內。主要原因為：蒸汽在末級葉片處膨脹為濕蒸汽，微水滴聚集成較大的水滴后，在氣動力和離心力作用下對動葉葉頂和進汽邊形成的侵蝕。預防措施主要為末級葉片的氣動優化設計、去濕裝置的優化和葉片表面的硬化或涂層等。

2）葉根水蝕。根部出汽邊的水蝕，一般在距離葉片根部的徑向高度約為1/3～1/4葉片長度內。主要原因為低負荷下的末級葉片處的濕蒸汽回流所致。葉片出汽邊的濕度較大，且在小容積工況（小流量和高背壓）易發生。防范措施主要為末級葉片的氣動優化設計，特別是末級葉片變工況性能及低壓噴水裝置優化。

2.2 低壓缸水蝕原因分析

2.2.1 低負荷下排汽濕度大

機組負荷在40%～50%下運行的時間逐年增加，再熱汽溫度下降，受真空度影響，低壓缸排汽壓力相應降低，流經低壓缸末幾級的蒸汽膨脹程度增加，導致低壓缸末幾級葉片濕度增大，加劇葉片水蝕程度。排汽濕度隨再熱蒸汽溫度、真空度的三維關系如圖1所示。

圖1 低壓缸排汽濕度和再熱汽溫度、真空度的關系

2.2.2 底部疏水能力不足

如果低壓缸底部疏水孔通流能力不足，會導致低壓隔板底部積水無法全部排除，加劇末級葉片水蝕。該型號630 MW 機組的低壓缸底部設計有3 個疏水孔，其中電端1 個，調端2 個，疏水孔徑約為20 mm。增加疏水孔的數目或直徑，可減輕末級葉片的水蝕現象。

2.2.3 低加疏水不暢

在機組深度調峰運行期間，當負荷小于300 MW 時，8 號低加與凝汽器級間壓差小于8 kPa，低加水側可能出現疏水堵塞、不暢。低加水側切換至旁路運行，會導致低壓缸第五級、第六級抽汽流量減少，低壓轉子末級葉片蒸汽濕度增加。

通過對8號低壓疏水結構進行分析，發現疏水不暢的原因：由于低加正常疏水口與危急疏水口共用一個接口，加上管路布置中存在U 型、倒U型結構，管道的沿程阻力增加，且容易積聚空氣，使疏水無法建立有效的虹吸。應對低加疏水接口位置進行優化改造，一般采用降低疏水孔垂直高度的解決方案。

2.2.4 排汽導流環強度偏低

630 MW 機組低壓缸排汽導流環在低負荷下，流場較不穩定［14-15］，末級葉片在凝結的水滴沖蝕下，導流環已出現溝槽甚至裂紋現象。相比于百萬機組低壓缸排汽導流環設計厚度的58 mm，630 MW汽輪機排汽導流環設計厚度為12 mm，其設計厚度偏薄，抗沖刷能力裕度偏低。在水蝕及化學腐蝕下，容易出現溝槽，甚至穿孔現象。因此，應對導流環的型線、厚度進行優化設計，同時，對導流環進行防水蝕工藝處理，提高其安全裕度，可避免排汽導流環的受損。

3 低壓缸水蝕故障分析

3.1 2號機組低壓缸振動異常

2號機組在2020年9—10月運行中，當機組負荷降低至380 MW時，低壓缸LPA 和LPB 的軸振出現爬升現象。即5—8號瓦出現了大幅爬升現象，5號、6號瓦軸振分別在24 μm～41 μm、35 μm～74 μm波動，7 號、8 號瓦軸振分別在55 μm～150 μm、36 μm～98 μm波動，相位波動40°左右，頻譜均以工頻為主，數據見表1。

表1 9月5日5—8號瓦Y向軸振數據μm/μm∠°

低壓轉子振動爬升的原因為：

1）低壓轉子振動變化以工頻分量為主，為漸變式爬升，且相位變化40°左右，為典型的動靜碰磨故障。將機組真空度由-97 kPa 降低至-94.5 kPa，5—8 號軸振快速回落，進一驗證了低壓轉子發生了動靜碰磨故障。

2）低壓轉子動靜碰磨的原因為低壓缸剛度低、汽封間隙不均、軸封間隙不均。該型號600 MW機組正在改造，由于缸體偏弱，在冬季經常出現因動靜碰磨誘發的軸振爬升現象。對低壓外缸進行加固后［16］，低壓轉子軸振爬升明顯減弱，可排除剛度低的因素。另外，該機組改造為630 MW后，運行一年后才出現這種振動爬升，也可排除汽封、軸封間隙不均誘發的動靜碰磨。

3）當機組在50%負荷以下運行，若真空度較高，排汽濕度增大，特別是排汽濕度大于5%時，低壓軸封處因流動的濕蒸汽而產生ECW（浸濕-腐蝕磨損）［17］，誘發軸封處動靜碰磨現象。將機組真空度降低，排汽濕度隨之降低，低壓軸封處的ECW型磨損得到有效抑制。

4）該型機組末級采用1 050 mm 的長葉片，易發生水蝕現象，特別是在排汽濕度較大的工況下長時間運行，末級葉片可能出現水蝕，應當高度關注。一般的檢查方法為吊開低壓外缸，檢修成本較高；而采用內窺鏡掃描成像的方法，即孔窺的方式，可清晰再現末級、甚至次末級葉片的形貌，為葉片的狀態評估提供數據。

3.2 低壓缸水蝕狀況

在2020年11月的檢修中，檢查發現低壓導流環、末級葉片存在不同程度的水蝕現象。

3.2.1 導流環水蝕情況

低壓缸LPA導流環水蝕溝槽顯現，但未穿孔。低壓缸LPB調閥端排汽導流環有4段穿孔部位，穿孔單段最長為800 mm，穿孔最大寬度15 mm，穿孔總長約2 600 mm；電機端排汽導流環有5 段穿孔部位，單段最長為600 mm，穿孔總長約2 100 mm。排汽導流環固定正常，末級葉片四周間隙均勻，間隙為10.3 mm 左右。低壓缸LPA 和LPB 導流環水蝕情況見表2，LPB 電端導流環穿孔現象如圖2所示。

表2 低壓缸排汽導流環水蝕情況

圖2 低壓缸排汽導流環穿孔

3.2.2 基于孔窺的末級葉片水蝕檢查

利用內窺鏡進行孔窺檢查是水蝕檢查的一種常用方法，可避免由于揭缸帶來的維修成本上升。檢修人員由熱井進入缸內，采用內窺鏡對低壓轉子末級葉片逐個進行掃描，發現低壓缸LPA 和LPB 末級葉片的葉根、葉頂均存在不同程度的水蝕現象，如圖3所示。

圖3 內窺鏡掃描的末級葉片

3.3 低壓缸水蝕的預防及評估

3.3.1 臨時措施

檢修中采取了以下臨時治理措施：

1）對LPA和LPB導流環進行了強化補焊。

2）根據內窺鏡掃描圖，發現低壓末級葉片的水蝕深度小于0.5 mm，為輕度水蝕［18］。同時，出現輕微水蝕后，水蝕位置存在水膜，水蝕的擴展速度會放緩，經過較長時間才會導致水蝕誘發的裂紋進一步擴展，甚至出現自帶圍帶的部分掉落。盡管葉冠頂部水蝕裂紋的擴展會引起葉冠脫落，導致整圈葉片的振動增大，危及葉片安全，但由于葉冠脫落的概率較小，因此判斷機組可繼續安全運行1個月左右，待后期安排停機處理。

3）葉片水蝕的處理措施為對葉片進行熱噴涂或更換葉片，但當時均未做好準備。因工期要求，在LPB轉子7號瓦側輪轂上加重0.42 kg，啟動后，低壓轉子振動均小于40 μm，安全運行1 個多月后，在2021年1月初進行停機處理。

3.3.2 揭缸檢查

2021 年1 月，在機組檢修中，對低壓缸LPA和LPB 進行揭缸檢修，發現電端、調端第七級即末級部分的葉片均存在不同程度的水蝕現象，其中部分葉片的葉根處水蝕深度為0.2～0.3 mm；部分葉片的出汽邊葉頂與葉冠處存在長度15～20 mm，寬度12 mm，深度12 mm 的缺口，如圖4、圖5所示。

圖4 低壓轉子第7級葉片葉根水蝕

圖5 低壓轉子第7級葉片葉冠水蝕

3.3.3 末級葉片噴涂處理

為了防止末級葉片水蝕的進一步擴展，采用更換葉片或熱噴涂作為主要措施。更換葉片需提前訂購葉片，生產周期長，成本高。而末級葉片噴涂是防水蝕的有效措施，具有成本低、工期短的特點，被廣泛應用于水蝕葉片的治理中。因此，2021 年1 月，采用Jet-Kote?超音速噴涂保護技術對低壓缸LPA和LPB調端、電端末級葉片進行噴涂，以提高葉片的防水蝕能力。

對低壓轉子末級葉片水蝕部位進行噴涂保護處理，噴涂材料為JK135粉末，噴涂位置為葉頂水蝕面以下70 cm，寬度3 cm，厚度為0.20～0.30 mm。同時，將8號低加危急疏水孔位置從中部調整到底部，高度變化約1 m，可以降低管道阻力約10 kPa，大大減少了疏水管路的沿程阻力，提高疏水可靠性，如圖6所示。

圖6 8號低加危急疏水優化處理

處理后，在不同工況下的運行中，低壓缸LPA 和LPB 振動較穩定，相關數據見表3。改造后，機組運行1 年多時間，運行安全穩定。另外，在今后的C 修中，計劃對次末、末級葉片進行內窺鏡觀測檢查。

表3 2號機組改造后機組相關參數

4 低壓缸水蝕的預防

4.1 3號機組低壓缸水蝕現象

在3 號機組檢修時，發現低壓缸存在水蝕現象，具體情況及分析如下。

4.1.1 導流環水蝕情況

低壓缸LPA和LPB排汽導流環整個圓周均有穿透性水蝕，最寬處2 cm。低壓缸LPB 電機端排汽導流環設計厚度為12 mm，穿孔總長約3 200 mm，有4 段穿孔部位，穿孔單段最長為800 mm，最大寬度20 mm，深度12 mm。

4.1.2 末級葉片水蝕情況

低壓缸LPA和LPB的轉子末級葉片進、出汽側均有水蝕現象。低壓缸LPA 轉子葉片葉頂處水蝕稍輕，水蝕長度12～15 mm，寬度8 mm，存在穿孔現象；低壓缸LPB 轉子葉片葉頂處水蝕長度15～22 mm，寬度15 mm。

4.2 低壓轉子末級葉片水蝕預防措施

4.2.1 末級葉片水蝕部位噴涂保護

對低壓轉子末級動葉水蝕部位進行噴涂保護處理，噴涂材料為JK135 粉末，噴涂位置為葉頂水蝕面以下70 cm，葉根水蝕面往葉頂方向35 cm，寬度3 cm，厚度為0.20～0.30 mm，如圖7、圖8所示。

圖7 低壓轉子末級上半部噴涂

圖8 低壓轉子末級下半部噴涂

4.2.2 空心靜葉的改裝

低壓缸末級隔板改為空心靜葉后，排汽導流環與空心靜葉隔板修改結構形成一個抽濕通道，用以將壓力降低為凝汽器真空壓力，確保凝結匯集的水在內外壓差的作用下自動向外排出。為了在空心靜葉內部建立負壓，需要將其與凝汽器真空相通，在靜葉結構上進行以下改造：

1）調整排汽導流環與空心靜葉配合的結構，在空心靜葉與排汽導流環之間形成一個腔室。

2）在排汽導流環垂直端面上整圈開孔，確保導流環垂直端面兩側壓力相通。

3）將排汽導流環的厚度提高至16 mm，以提高其抗水蝕的安全裕度。

低壓缸末級隔板改為空心靜葉，末級葉片進汽中的水滴通過空心靜葉直接流入凝汽器，大幅降低蒸汽濕度。改造后，一方面可增加低壓缸疏水能力；另一方面可改變低壓缸末級隔板結構，提高末級葉片防水蝕能力，如圖9所示。

圖9 空心靜葉及導流環結構示意圖

4.2.3 低壓缸底部增加疏水孔

在低壓內缸底部疏水孔附近50 mm 距離位置各增加2 個直徑為20 mm 的疏水孔。原有低壓缸底部疏水孔增加至3個后，低壓缸疏水性能顯著加強，如圖10所示。

圖10 低壓缸底部增加疏水孔

4.2.4 8號低加疏水優化改造

對8A 和8B 低加危急疏水進行優化改造，即將8A 和8B 低加危急疏水接口由加熱器中部移位至加熱器底部，高度降低1 m。

改造完成后，8號低加水位維持穩定，在低負荷運行時，低加水側不需要切換至旁路運行，提高了機組運行的經濟性和安全性。

4.3 處理效果

3號機組低壓缸采取了低壓轉子末級葉片水蝕區域噴涂防護、末級靜葉更換為空心靜葉、更換排汽導流環、增加低壓內缸疏水孔等措施后，最大程度減輕或消除了低負荷工況下汽輪機末級葉片和排汽導流環的水蝕。改造后，機組運行8個月中，低壓缸LPA和LPB振動均較穩定，相關數據見表4。另外，計劃在C修中，對次末、末級葉片進行內窺鏡觀測檢查。

表4 3號機組改造后機組相關參數

5 結語

某型630 MW亞臨界機組在深度調峰運行中，汽輪機低壓缸存在一定程度的水蝕現象，導致末級葉冠出現裂紋、低壓缸排氣導流環穿孔的故障。在檢修中，對低壓排氣導流環、低壓末級葉片表面進行狀態檢查，及時、準確發現了低壓缸的水蝕故障，進行適當評估后合理安排了檢修。采用末級葉片噴涂、末級靜葉更換為空心靜葉、低壓疏水系統優化等防治措施，可有效提升低壓缸水蝕預防性能，提高該型機組運行的安全可靠性。

汽輪機組低壓缸的水蝕是一種緩慢發展的故障。雖然在630 MW 機組低壓缸水蝕綜合預防方面取得了一定的經驗，但還應對采取綜合性抗水蝕技改的機組進行定期監測，積累數據，及時掌握低壓缸的水蝕情況，觀察長周期運行后抗水蝕的效果，不斷完善低壓缸抗水蝕技術。