某燃氣輪機透平二級靜葉燒蝕原因分析及處理

黃耀文， 薛志敏

(中山嘉明電力有限公司， 廣東 中山 528400)

燃氣透平是將高溫燃氣內能轉化為機械能的主要部件，在機組檢修中常常出現部分葉片損傷超標且無法維修而報廢。眾所周知，燃氣輪機透平葉片制造技術掌握在少數外國廠家手中，維修采購成本較為昂貴。為節省企業經營成本，透平葉片壽命全過程管理一直是燃氣輪機技術人員關注的重點。韓建清[1]分析了燃氣輪機高溫部件熱疲勞、蠕變和氧化腐蝕的損傷機理與故障類型，以降低運行維護成本為目的，提出了針對性的運行維護策略。蘇大為等[2]通過對某一6B型燃氣輪機的一級靜葉整級燒蝕事故進行調查和失效分析，結果表明是天然氣重烴組分過高析出液烴造成的過熱燒損。王司光[3]以Solar Taurus 70燃氣輪機葉片損傷為實例，梳理出可能導致葉片損傷的5個方面并提出了相關運行建議。以上研究中葉片出現損傷都是發生在透平入口最高溫處，符合常規理解，但在某F級重型燃氣輪機現場檢修中發現，該透平渦輪僅有中段部分二級靜葉燒蝕較為嚴重，上、下游無明顯異常損傷。本文以此為例，系統分析二級靜葉燒蝕嚴重的根本原因。

1 燃氣輪機概況

該F級燃氣輪機主要由一個帶有進口可調導葉(IGV)的17級高效軸流式壓氣機、20只繞壓氣機軸線環形布置的分管型燃燒器、4級反動式葉片的透平段組成，燃氣輪機透平葉片配置先進的冷卻系統，葉片表面涂裝熱障涂層。按照原制造商運行維護說明書，燃氣輪機每間隔等效運行小時(EOH)24 000 h應進行一次熱通道部件檢查，更換透平部件。截至檢修時機組運行概況如表1，本次為裝機后的第一次熱通道檢修。

表1 燃氣輪機運行概況

2 損傷情況及特征

燃氣輪機解體后檢查發現透平部件有異常損傷，具體情況如表2所示。透平一級動靜葉和靠后的三級動葉、四級動靜葉都沒有明顯損傷，而中間部分二級動靜葉、三級靜葉都有不同程度的熱障涂層脫落，其中二級靜葉的損傷最為嚴重，部分葉片甚至出現燒蝕穿孔現象，如圖1所示。

表2 透平各級葉片損傷情況

圖1 二級靜葉葉片穿孔

針對二級靜葉損傷程度不均的情況，對整級按照位置分布和損傷程度作示意圖，如圖2，發生龜裂或以上損傷的葉片大概呈等間距均勻分布。

圖2 二級靜葉損傷分布

3 原因分析

3.1 高溫氧化腐蝕異常原因

從經驗來說，導致燃氣輪機透平葉片在壽命期內燒蝕的常見原因主要有三個：一是透平入口初溫過高；二是透平葉片冷卻孔有異物堵塞或冷卻空氣量不足，冷卻效果降低；三是缸內物體脫落擊傷。對照表2損傷情況發現與以上原因明顯不符。若是燃氣溫度高導致葉片燒蝕，損傷最嚴重的應該是透平入口一級靜葉，該處工況最為惡劣；若是冷卻空氣干凈度或者流量不夠，在對葉片冷卻孔檢查時卻未發現有異物堵塞，而且損傷分布不應該有那么強的規律性；若是受到物體擊傷，則下游部件也應當同樣存在打擊損傷，而不僅僅是TBC脫落。根據以上分析，對燒蝕穿孔和裂紋處進行了切片微觀組織觀察，在電鏡下顯示如圖3所示，明顯發現母材不再平滑，外表面TBC局部已被沖蝕干凈，金屬母材也受到高溫氧化腐蝕，因此可以斷定二級靜葉的TBC和母材都受到長時間沖蝕磨損導致損傷異常嚴重。

圖3 裂紋處切面圖

3.2 TBC脫落原理

根據沖蝕磨損原理，影響磨損量的因素有以下幾個方面：沖擊角度、沖擊速度、固體粒子形狀、沖刷時間、溫度和材料性能。其中溫度和材料性能是相對而言的，對不同的材料在不同的溫度下會有截然不同的沖蝕效果，因為沒有相關材料的實驗數據，本文暫不做討論。

從沖擊速度分析，按照塑性材料的微切削沖蝕理論，固體粒子以低角度沖擊材料表面時會導致材料表面產生凹陷并在材料表面發生滑躍。該凹陷會引起材料因塑性變形而剝落，滑躍會對材料產生切削作用從而發生剝落現象，如圖4(a)所示。但是，隨著固體粒子沖擊速度的下降，該粒子逐漸不在材料表面發生滑躍，切削所導致的損傷會逐漸消失，只會出現因塑性變形導致的損傷，如圖4(b)所示。

(a) 粒子發生滑躍

(b) 粒子發生滾動圖4 不同速度沖刷下粒子的運動狀態

在檢修現場檢查發現透平一級動靜葉TBC都幾乎沒有脫落，涂層脫落自二級靜葉開始出現且沿氣流方向下游的沖蝕程度在減弱。正常情況高溫燃氣通過透平一級靜葉膨脹后加速到最大向一級動葉沖刷，該處TBC本該更容易脫落，但是由于一級動葉迎風側有冷卻氣孔，運行中冷卻空氣形成保護氣膜，避免了固體粒子的直接沖刷，因而實際并沒有受到沖蝕。燃氣中夾雜的固體粒子經過一級動葉的導流后以低角度高速入射二級靜葉產生如圖4(a)形式的沖蝕磨損，導致TBC脫落嚴重，母材損傷。往后隨著透平級截面積的擴大，粒子速度減少形成圖4(b)形式的沖蝕磨損，切削導致的損傷減少，因此越往后損傷程度在減少。

其他影響因素對于燃氣輪機內各透平級而言，燃氣沖擊角度都是低角度，固體粒子形狀相同，沖刷時間本應該也是一樣，但是隨著透平級越往下游截面積越大，粒子濃度實際被稀釋，若按濃度一樣反向折算，透平上游的沖刷時間相對較長，因此上游部件受沖蝕更為嚴重，與實際結果相符。

3.3 固體粒子來源分析

高溫燃氣中的固體粒子有多個來源，結合機組檢修按照系統逐一排除。首先燃料系統在前置模塊裝有過濾等級為5μ的過濾器，濾芯檢查無異常，排除燃料系統中的硫化物、鐵銹等雜質。其次排除透平冷卻系統、進氣通道和缸體、壓氣機轉子上產生的鐵銹，因為以上系統部件產生的銹灰對透平葉片的影響應該是均勻分布的，不會出現等間隔的現象。最后經深入分析發現是值班噴嘴燃燒產生的碳粒子造成本次損傷，因為值班噴嘴布置在燃燒器噴嘴中部，機組長時間在某一負荷段運行，旋扭角相對固定，碳粒子沖刷的位置基本呈現等間距，與損傷分布吻合。

3.4 碳粒子的形成

值班燃料從噴孔流出后與周邊的空氣摻混燃燒，燃燒方式主要是擴散燃燒。根據低氮燃燒原理，當機組高負荷運行時，值班燃料比例低、空氣壓比大，因此值班噴嘴處燃空動量比處于整個運行過程的低位[6]，此處高燃空比區域燃燒會析出碳化附著物，積聚在噴嘴頭部，形成固體碳粒子，如圖5所示。某現場在一次高負荷跳機后發現值班噴嘴表面積聚了大量的碳粒子也驗證了該理論，見圖6。

圖5 原值班噴嘴示意圖

圖6 值班噴嘴積碳

4 應對措施

為消除值班噴嘴燃燒過程產生的碳粒子沖刷葉片TBC，對它進行局部改造，在原值班噴嘴前端增加氣孔，其作用一是強化噴嘴的冷卻避免出現金屬氧化，二是空氣流能將碳素附著物吹離，減少積聚形成固體碳粒子，從源頭上減少碳顆粒物的產生，如圖7。除碳粒子之外，為盡量減少其他固體粒子對TBC的沖蝕，檢修期間分別對燃料前置模塊及透平冷卻空氣系統的慣性過濾器按標準進行檢查清理，保證過濾器正常使用。在應用冷卻強化型值班噴嘴后，經過20 000 h(AOH)的運行驗證，對透平葉片孔探檢查未發現涂層有沖蝕痕跡。為能收集更多的數據，后續也將定期孔探檢查、記錄。

圖7 改造后值班噴嘴示意圖

5 結語

本次二級靜葉的燒蝕是碳粒子長期沖刷造成的一個不良結果，為了更好的防范，應當在有條件的時候就對透平葉片進行檢查，運行中也要注意運行參數的變化。

更換冷卻強化型值班噴嘴后成效是顯著的，能徹底解決燒蝕問題。二級靜葉燒蝕造成哪些運行參數的變化可能在接下來的運行中再也收集不到，但是定期的孔探檢查工作將會持續執行，保證設備安全、健康運行。