深度調峰狀態下汽輪機末級葉片出汽側水蝕事故分析

王政先，楊林峰

（1.華電電力科學研究院有限公司，遼寧 沈陽 110000；2.華電能源股份有限公司富拉爾基發電廠，黑龍江 齊齊哈爾 161000）

1 前言

電力行業是煤炭消耗的主要行業之一，是國家節能減排工作重點管控行業。進一步降低煤電機組能耗，提升靈活性和調節能力，提高清潔高效水平，促進電力行業清潔低碳轉型，助力全國碳達峰、碳中和目標如期實現是電力行業的總體目標。目前國家要求存量煤電機組靈活性改造應改盡改，“十四五”期間完成2 億千瓦，增加系統調節能力3000 ～4000 萬千瓦，促進清潔能源消納。“十四五”期間，實現煤電機組靈活制造規模1.5 億千瓦。目前越來越多的火電廠正積極開展靈活性改造，隨著機組深度調峰的開展、冬季供熱熱負荷的增加，汽輪機在深度調峰工況下運行時，排汽壓力降低，導致排汽濕度增加，汽輪機末級葉片水蝕現象越來越多。

葉片是汽輪機的關鍵零部件，承受巨大的離心力、蒸汽力和蒸汽激振力的作用。蒸汽品質不佳對葉片的腐蝕作用和濕蒸汽區的水蝕作用，會導致葉片通流面積減小和葉片表面的損傷。葉片的嚴重水蝕不但使機組的級效率大幅下降，而且可能會引起葉片的斷裂破壞等重大事故，目前汽輪機末級、次末級葉片斷裂的事故時有發生。

總而言之，水蝕對汽輪機運行的熱經濟性和安全可靠性影響較大。目前國內學者田瑞峰、劉志江等在文獻[1]、[2]中簡要介紹了末級長葉片沖蝕損傷的機理及其嚴重危害性，著重指出近年來隨著新出現的大機組長期帶低負荷參與調峰運行，相當普遍地發生了末級長葉片出汽側的沖蝕損傷，在北方地區某些機組上葉片進汽側也發生大范圍的沖蝕損傷，提出了相應的防范措施以及大機組調峰運行應綜合考慮末級葉片的強度和壽命的觀點。

鄢宇鵬論述了有關汽輪機動葉片金屬材料水蝕的幾個重要方面：高速液固撞擊理論、水蝕破壞機理、材料的水蝕性能及其試驗研究。介紹了國內外的研究現狀和成果及研究手段和發展方向。

但目前所有相關文獻研究的水蝕主要集中在動葉進汽側葉頂和出汽側葉根處，鮮有在其他部位的介紹。本文通過在某一機組末級葉片出汽側中部發現的水蝕為例，分析了其產生的具體原因并給出了相關的一些建議。

2 事件描述

2.1 機組概況

某汽輪機為哈爾濱汽輪機廠生產的N200-130/535/535型超高壓一次中間再熱、三缸三排汽、凝汽式汽輪機。高壓缸為雙層缸結構，中壓缸為單層缸汽缸由三段組成，27 級后設有排汽口，低壓缸采用三分流設計，共有3 級末級動葉片，分別是27、32、37 級，各112 片動葉，其中37 級是反向布置，葉頂部之間采用的是拱型圍帶連接，動葉出汽邊高度668 mm。1997 年7 月第三次大修中進行了三缸通流改造，末級動葉片更換為三元流可控渦方法設計的自帶冠圍帶新型葉片，葉片進汽邊焊司太立合金，以防沖刷，至2013 年10 月第七次大修，末級葉片無異常。2016 年5 月，5 號汽輪機進行了打孔抽汽改造。

2.2 檢查情況

因機組深度調峰時間增加，對汽輪機開展相應的檢查，揭低壓缸后發現其中一側末級葉片（37 級）葉片背部出汽邊水蝕破損嚴重，距葉頂160MM 處沖刷出三角形豁口，向葉頂和葉根兩方向損壞逐漸減輕，葉根處未見明顯回流，見圖1。而兩外兩個排汽（27、32 級）末級動葉片未見明顯水蝕痕跡。

圖1 37 級末級葉片出汽側水蝕圖

通過對三組末級動葉進行觀察，發現進汽側釬焊司太立合金處狀態一致，僅發生了輕微水蝕。如圖2 所示，表明三組末級動葉進汽狀態基本一次。

圖2 進汽側水蝕情況

3 問題分析

3.1 水蝕發生的機理

工作在濕蒸汽區的動葉片，與汽流中夾帶的二次水滴高速撞擊，從靜葉柵出來的水滴與高速轉動的動葉片發生沖擊，水滴與動葉片接觸部位產生了很高的壓力，其壓力超過了材料的屈服極限，使葉片材料產生局部的塑性變形和表面硬化。這種壓力反復作用于葉片，葉片材料達到疲勞極限時，局部即開始產生疲勞裂紋。水滴沖擊到這種裂紋時，產生的壓力將加劇裂紋向更深處發展，致使葉片材料從葉片表面脫離形成水蝕。

在汽輪機濕蒸汽區部分凝結后經靜葉表面沉積，之后匯聚為水洼或水流，當水從靜葉表明脫離后，形成的水滴與動葉撞擊最終導致了水蝕的形成。

因為水滴的絕對流速較蒸汽較慢，在周向速度u 不變的情況下，絕對速度c1 越慢，水滴相對進入動葉的方向w1 就會發生變化，擊打在動葉背弧處，如圖3 所示。當前比較常見的集中減輕水蝕的方法有兩大類，第一類是對動葉頂部吸力側前緣附近采用電火花強化或釬焊司太立合金或者局部火焰淬硬等工藝處理來提高葉片抗水蝕能力；第二類是在靜葉表面設計徑向除濕槽、采用空心靜葉除濕等減少水滴的措施。除上述兩類水蝕防護措施還可以通過提高水滴速度，比如加大靜動間隙、靜葉頂部前掠等，減輕水滴對動葉的直接撞擊，減輕葉片水蝕。

圖3 進汽側速度三角形

3.2 水蝕原因查找

本次汽輪機末級葉片水蝕發生在出汽側與正常水蝕在進汽側現象不一致。從水蝕發生機理可以判斷出該級末級葉片屬于特殊情況。考慮到末級葉片離低壓缸噴水減溫較近，懷疑噴水減溫管道有故障。

通過試投5 號機排汽缸噴水裝置，發現2 號排汽缸（爐側）垂直安裝的冷卻水管噴水口噴射方向正對37級葉片，但噴射位置與葉片損壞豁口處相差約15cm，如圖4 所示。

圖4 靜態時投低壓缸噴水減溫狀態圖

考慮到現場試投5 號機排汽缸噴水裝置時汽輪機轉子為靜態，若機組在運行狀態，根據“伯努利效應”，流體的流速越大,壓強越小；流體的流速越小,壓強越大。汽輪機轉子葉頂汽流較葉根汽流速大很多，產生一個向葉頂的一個壓力梯度，也即運行時冷卻水噴水位置會向葉頂處偏移。該噴水管為機組原始安裝。

3.3 以往未發生該問題原因分析

該機組至1988 年投產至今已經歷過七次大修，期間檢查并未發現末級葉片有異常現象。

運行方式上由于近年來為滿足電網輔助調峰需要，減少輔助調峰考核，需要進行深度調峰。深調期間機組負荷降至50%以下。在關閉導汽管蝶閥時，沒有足夠的蒸汽量將低壓缸內摩擦鼓風產生的熱量帶走，排氣缸溫度升高，為控制排汽室溫度，深調期間排汽缸噴水裝置投入運行。

統計近半年時間運行數據發現該機組深調時間約為1800 小時，投入排汽室冷卻水時間累計約800h。

4 結語

（1）葉片水蝕的主要原因是冷卻水管噴水口安裝方向不正確，使水流直接噴向葉片，水流與高速運動的葉片發生撞擊，導致葉片水蝕發生。

（2）以往未發生葉片水蝕的主要原因是以往機組未進行深度調峰，運行時未投入噴水減溫，僅在啟停機時短暫投入。

（3）對于進行供熱改造、深度調峰機組建議對低壓缸噴水減溫一并改造，更改為霧化噴嘴，避免噴水減溫高速射出的水柱沖蝕汽輪機后缸缸壁或者末級葉片造成損壞。