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;
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 出汽側水蝕
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;
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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