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  2. 汽輪機末級葉片的水蝕分析
    2024-04-25 14:50:43 作者: 腐蝕與防護 來源: 腐蝕與防護 分享至:

     

     

    近幾年,隨著經濟發展,要求大機組普遍參與調峰,在電力負荷低的時期,不得不在遠離設計工況下長期帶低負荷,低負荷的下限甚至低于額定負荷的30%,從而使許多機組的末級葉片出汽側受到嚴重的水蝕損傷。有些機組,主要是北方,末級葉片在進汽側也受到大面積水蝕損傷。

     

    末級動葉出汽邊水蝕的原因是當機組在低負荷運行時,動葉根部區域產生回流,回流夾帶著水滴,撞擊在動葉出汽邊背弧上,導致材料的疲勞破壞。

    流中夾帶的水滴來源于以下幾個方面:

    (1) 回流從凝汽器中抽吸回來的水滴及回流本身具有的濕度;

    (2) 排汽缸及導流板中一些凸出部件上凝結的水膜,被汽流撞擊而反濺回來的細小薄膜狀水滴;

    (3) 末級葉輪側面上的凝結水滴受離心力作用,而被拋向排汽通道;

    (4) 從端部汽封中流出的濕蒸汽;

    (5) 噴水減溫裝置投運時噴出的霧化水滴。

    汽輪機低壓部分葉片工作在含有水滴的濕蒸汽中,在水滴的作用下葉片產生水蝕,特別是低壓末級葉片,由于蒸汽濕度大,且圓周速度又高,使葉片極易遭到水蝕。

    一般情況下。葉片發生水蝕的區域為頂部進汽邊和根部出汽邊,葉片的水蝕會導致葉片出現蜂窩狀組織,嚴重者使葉片進出汽邊緣呈現鋸齒狀,形成很多細小的裂紋。這些部位很容易產生應力集中,抗疲勞強度降低,水蝕發展到一定程度還會改變葉片的振動特性,導致機組發生強烈振動等惡性事故,而且可使級效率下降。

    汽輪機末級長葉片的水蝕損傷無論發生在進汽側還是在出汽側,都是受蒸汽凝結過程中攜帶的小水滴對葉片的水沖刷連同水滴中所含化學雜質對葉片的腐蝕作用的結果。只是在葉片頂部(進汽邊)的水蝕是在正常工作條件下無法回避的,因而在設計上采用局部的各種硬化處理加以防護,其中廣泛應用鑲焊司太立合金片;而在葉片出汽側以及進汽側發生大范圍的水蝕損傷,通常則是由于汽輪機在大大偏離設計工況下運行所引起,被認為是不應發生的。嚴重的水蝕將大大縮短葉片的使用壽命。因此,應從運行上盡量避免。

    汽輪機低壓末級葉片水蝕的主要原因:

    (1) 機組頻繁啟停,導致末級葉片工況變化大;

    (2) 長期偏離設計工況低負荷運行,低壓缸蒸汽參數低、流量小、排汽濕度大;

     

    (3) 汽水品質不佳,使末級葉片受到高速水滴侵蝕和腐蝕雙重作用。

     

    水蝕現象本質上是運動的水滴撞擊葉片表面的一種能量轉換過程,高速運動的水滴撞擊金屬的表面形成很大的瞬時作用力,作用力的大小取決于水滴的質量、相對速度和撞擊的角度,當瞬時作用力超過金屬材料的屈服強度時,就會在其表面造成殘余變形。水滴的重復撞擊在金屬表面會逐漸發展成為微觀的裂紋,并逐步擴大,導致金屬顆粒的大量脫落,從而形成宏觀上的水蝕現象。

     

    進汽側水蝕


    低壓轉子末級葉片進汽邊水蝕產生的機理是汽輪機在啟、停過程中及低負荷運行時,進汽量急劇減少,在低壓部分,當蒸汽膨脹到濕度為3%左右時,出現微米級的小水滴。這些小水滴在流經靜葉柵時,有的聚集在靜葉片出汽邊,有的聚集在內弧的凹面,并逐漸連成水膜,當水膜發展到一定的面積和厚度,就會被汽流撕裂,形成數十甚至數百微米的大水滴,以不同的速度和方向撞擊到動葉片進汽邊。在低壓末級,水滴密集,且水滴尺寸大、水滴與汽流的相對速度也大,這些高能量的密集水滴從切線方向撞擊到末級動葉進汽邊背弧,在汽流的切向分力和轉子回轉運動產生的離心力作用下,造成動葉片外緣的侵蝕破壞。因此,汽輪機在啟、停過程中及低負荷運行時,從末級靜葉柵出汽邊因水膜撕裂形成的大直徑水滴是造成末級動葉片進汽邊水蝕的主要原因。
    末級葉片處于濕蒸汽區內,一般來講,材料的水蝕是機械和化學復合作用的結果,通常以機械作用為主,但蒸汽品質、運行條件也是導致問題發生的重要因素。
    據國外資料表明:實際運行嚴格控制Na、Cl等離子的含量, 結果腐蝕問題就少得多。
    盡管水蝕的機理比較復雜,但從大量現象來看:材料的水蝕在最初發生時速率較快,到一定的程度,水蝕發展的就比較緩慢了。這是由于葉片進汽邊受到水蝕后,形成鋸齒形狀,由于這些鋸齒形狀的存在,上面也就可積存相應的水分,運行時濕蒸汽中的水滴繼續沖擊進汽邊時,受到水分的彈性阻力,因此就延緩了水蝕的進展。
    對末級葉片運行的調查表明:發生在葉頂防蝕的司太立合金片附近的斷裂、飛脫仍然相當普遍。由于合金片以及在此斷裂的葉片頂部的質量較小,通常會引起機組振動增大、磨瓦、擊傷凝汽器銅管這類損傷和強迫停機故障。這類損傷的原因往往與葉片的設計和合金片的鑲焊工藝有關;在有些情況下,在短期內發生的過分水蝕,則與運行上蒸汽濕度過大或疏水不暢有關。
    發生在葉片進汽側大范圍的水蝕則是由于運行上機組真空過高,尤其在北方冬季。葉片進汽側的水蝕損傷同樣會降低葉片的使用壽命以及末級的效率。只要運行中維持機組的真空不要太高,即機組的背壓不低于設計的極限背壓就可以減小水蝕。
    末級動葉片頂部進汽邊受到濕蒸汽水滴的沖刷,這是正常運行都會產生的現象。一般來說,在試運行72小時后, 末級動葉片(葉片長度在600 mm以上的葉片)均會被腐蝕掉4×(10~15)的三角形區域,這種現象不少機組都存在。
    葉片進汽邊受到水蝕后,形成鋸齒形狀,由于這些鋸齒形狀的存在,上面也就可積存相應的水分,由此,運行時濕蒸汽中的水滴繼續沖擊進汽邊時,受到水分的彈性阻力,這樣就延緩了水蝕的進展(這個過程即水蝕的平穩進展期,約100000小時)。

    出汽側水蝕


    葉片出汽側水蝕是由于機組在遠低于設計時所考慮的運行工況長期運行,受到從排汽缸有時甚至從凝汽器喉部向前回流的濕蒸汽中的水滴的沖刷及其所含化學雜質的腐蝕共同作用下形成的。
    回流蒸汽的運動范圍越大,出汽側受水蝕的范圍越大,在根部出汽側受水蝕亦愈加嚴重。此外,葉片出汽側受水蝕的程度還與低壓缸噴水減溫裝置的設計、噴水量大小、末級疏水的結構和汽水化學品質等因素有關。
    低壓轉子末級葉片出汽邊水蝕產生機理汽輪機低負荷運行時,工況變化最大的是低壓轉子末級葉片。機組的功率越大,低壓級子午流道擴張角越大,葉高越高,當機組偏離設計工況低負荷運行時,容積流量相對設計工況急劇減小,流場參數的變化也越大。
    低壓末級葉片在小流量、真空狀態下運行時,實際流場相對原設計流場發生較大的變化,葉片根部出現較大的負反動度,末級葉片的熱力參數沿葉高重新分布,動葉柵根部的汽流和靜葉柵頂部的汽流脫離,形成倒渦流,通流汽道只有部分汽流通過。負荷越低,流量越小,倒渦流區越大,分離的相對高度也越大。在機組啟動和并網初期,倒渦流甚至擴大到整個排汽缸。末級動葉片后汽流濕度大,蒸汽中有大量的水滴,回流的蒸汽攜帶著這些水滴撞擊在高速旋轉的末級動葉片出汽邊上,形成鋸齒狀毛刺,造成動葉片出汽邊水蝕。

     

    由一些斷葉片事故和用有限元方法進行的強度計算分析說明:長葉片出汽側的水蝕損傷肯定會縮短葉片的疲勞壽命,對于一些結構強度設計薄弱的葉片將構成嚴重威脅。

    據國外資料介紹,水蝕使葉片材質疏松,造成大的應力集中,嚴重的水蝕損傷將造成葉片斷裂;大的回流對次末級葉片將形成不均勻的激振力,可能導致次末級葉片斷裂損傷,而葉片斷裂往往誘發機組受到更大的損傷。同時,葉片表面的水蝕破壞了原來精心設計的型線,粗糙度增大,從而增加了葉型損失,降低末級效率,因為末級的出力占整個機組出力的份額很大,所以會明顯降低機組的熱經濟性。 

     

    葉片水蝕的防護方法


    01

    積極的防護方法

     

    即從設計、結構及運行條件考慮如何減輕葉片水蝕。

    1. 級間抽汽去濕;

    2. 將靜葉做成空心靜葉,在容易集聚水膜的葉片表面開槽,以抽吸掉附著在葉片表面上的水分;

    3. 末級靜葉后汽缸壁面上開槽去濕; 

    4. 增大靜葉和動葉之間的軸向間隙;

    5. 選擇合理的運行方式;

    6. 選擇合理的設計參數,主要是采用可控渦設計方法和增大級焓降;

    7. 排汽缸溫度高后,將噴水降溫,噴水裝置的噴水方向不能對準末級葉片;

    8. 對于軸封漏汽可以增加擋板,使漏汽在流向排汽通道過程中增加一次汽水分離的機會,并要做好疏水的工作;

     

    9. 縮短起停時間,減少起停次數。

    02

    消極的防護方法

     

    主要是增加葉片受水蝕表面硬度,以提高葉片的抗水蝕能力,目前國內外常用的方法有:鑲焊司太立合金片、局部火焰淬硬、電火花強化、等離子噴涂硬質合金等。

     

    結論

    (1) 目前機組的末級長葉片出汽側和進汽側普遍遭遇到水蝕損傷,水蝕肯定會縮短葉片原來的疲勞壽命或使用壽命。嚴重的水蝕不僅威脅機組的安全,而且將大大降低末級的效率,降低機組的熱經濟性。

    (2) 通過加強運行管理和制定機組的合理的低負荷調峰運行方式,可以避免葉片出汽側的水蝕損傷。應控制汽輪機的運行工況,使其排汽容積流量高于設計規定的排汽容積流量的下限,防止末級產生回流。

    (3) 材料的水蝕在最初發生時速率較快,到一定的程度,水蝕發展的就比較緩慢。

     

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