超臨界汽輪機固體顆粒侵蝕特性與防治對策分析

崔修強

（華電國際電力股份有限公司技術服務分公司，山東 濟南 250014）

隨著我國超臨界國產(chǎn)化1000MW、600MW超臨界壓力機組相繼投產(chǎn)，汽輪機本體高、中壓級通流部分噴嘴、葉片固體顆粒侵蝕(SPE)損傷問題愈加突出。鍋爐運行中由于熱沖擊作用，其熱器、再熱器汽側內(nèi)壁金屬發(fā)生氧化作用，在金屬表面形成氧化膜的垢層,達到一定厚度后從管材內(nèi)壁剝離，產(chǎn)生堅硬的氧化皮固體顆粒，固體顆粒在蒸汽攜帶下進入汽輪機流通部分，造成汽輪機噴嘴、葉片固體顆粒侵蝕問題，導致汽輪機內(nèi)效率降低、做功能力下降，機組檢修維護費用上升。基于提高汽輪機抗固體顆粒侵蝕能力的目的，深入分析超臨界汽輪機流通部分SPE問題，研究固體顆粒運動軌跡特性、噴嘴與葉片抗沖蝕氣動設計、高溫噴嘴與葉片材料選用、流通部分采用表面硬化處理等降低固體顆粒侵蝕的對策及機理，指導超臨界機組設計與制造，安全及經(jīng)濟運行。

1 固體顆粒形成及危害

鍋爐過熱器、再熱器受熱面以及主蒸汽管道內(nèi)壁氧化層厚度增大到一定程度，在熱應力作用下發(fā)生剝落，形成了機組蒸汽中攜帶的固體顆粒。在鍋爐啟動、停止和負荷劇烈波動的過程中，鍋爐受熱面管壁溫度波動幅度較大，受熱面管材就會產(chǎn)生溫差熱應力，這是氧化層大量脫落的主要原因。

鍋爐過熱器、再熱器受熱面管材的加工制造要在570℃及以上的高溫條件下進行，在加工過程中，空氣中的氧氣與管材表面金屬相結合形成了3種氧化層，管材表面由內(nèi)至外依次為FeO、Fe3O4，F(xiàn)e2O3，其中與管材基體連結的FeO層結構疏松不穩(wěn)定，在570℃以下容易分解形成Fe3O4和FeO，導致管材加工過程中產(chǎn)生的氧化膜層脫落或發(fā)生腐蝕，形成氧化皮固體顆粒。

鍋爐運行中，過熱器、再熱器等高溫受熱管材表面氧化膜的生成既是一個化學過程，也是一個物理過程。金屬的氧化主要通過鐵離子、氧離子的擴散不斷進行，形成了由內(nèi)層原生膜(Topotactishe schicht)與外層延伸膜(Epitaktishe schicht)組成的結合比較牢固的雙層氧化膜。在開始運行階段，雙層膜較薄而且致密，隨著氧化膜厚度的增加，尤其在機組啟停、超溫或溫度、壓力烈波動過程中，最初雙層膜先是變成2個雙層膜，然后發(fā)展成為多層氧化膜結構，使氧化膜的厚度不斷增加。由于氧化膜與基體之間膨脹系數(shù)不同，在應力作用下氧化膜發(fā)生剝離現(xiàn)象，剝落的氧化皮固體顆粒，在高流速的蒸汽攜帶下經(jīng)主汽門、調(diào)門進入了汽輪機，根據(jù)能量方程可知，這些隨蒸汽高速流動的顆粒具有極大的動能，不斷撞擊汽機的噴嘴與葉片，造成高、中壓缸前幾級噴嘴與葉片受損、流通面積變小，汽輪機內(nèi)效率下降。

2 超臨界汽輪機固體顆粒沖蝕特性

2.1 固體顆粒運動特性分析

分析固體顆粒的運動特性時，可采用離散顆粒運行軌跡計算模型。在此模型中，蒸汽相作為連續(xù)流體介質(zhì)進行數(shù)學描述，固體顆粒作為離散介質(zhì)進行數(shù)學描述，利用拉格朗日方程進行數(shù)學建模，對顆粒運動軌跡進行描述分析。在數(shù)學建模中蒸汽流場已知，通過求解固體顆粒運動方程得到其運動軌跡與運動參數(shù)。

為方便固體顆粒在蒸汽流場中的受力分析，假設固體顆粒為球體，依據(jù)高中壓缸第一級蒸汽流動條件簡化處理，簡化后影響固體顆粒運動特性的主要因素為慣性作用與蒸汽黏性阻力，則其運動方程可表示為：

式中：t表示時間，表示蒸汽流速，表示固體顆粒流速。其中FD的表達式為：

式中：ρP表示顆粒密度，ρ表示蒸汽密度，dp表示顆粒當量直徑，μ表示蒸汽運動黏性系數(shù)，CD表示蒸汽流體阻力系數(shù)，Re表示相對雷諾數(shù)。

通過求解固體顆粒運動特性方程，分析固體顆粒沖蝕特性與噴嘴、葉片沖蝕率的關系，分析固體顆粒撞擊與沖蝕材料表面后，噴嘴與葉片體積與質(zhì)量的減少量與固體顆粒單位質(zhì)量的關系變化。研究表明，沖蝕率與固體顆粒的碰撞角和碰撞速度相關，對于12Cr的馬氏體材料，沖蝕率與碰撞速度的3～4次方成正比關系，汽輪機高沖蝕區(qū)域在碰撞角在20～35°的范圍內(nèi)。因此提高噴嘴葉片抗沖蝕性能，重點應從噴嘴氣動設計避開高沖蝕區(qū)域范圍、降低固體顆粒撞擊速度、減少體顆粒數(shù)量等方面采取措施。

2.2 調(diào)節(jié)級固體顆粒運動特性與沖蝕特性

根據(jù)取樣測量結果，在鍋爐過熱器、再熱器疏水和爐水中，氧化皮固體顆粒當量直徑在5～100μm范圍內(nèi)，因此數(shù)學建模中，其特征顆粒直徑分別取10μm、50μm及100μm三種尺寸，進行顆粒運動軌跡特性計算，分析固體顆粒撞擊壓力壁面后，反彈穿過汽輪機流通空間的軌跡特性。

計算分析不同尺寸顆粒在設計工況下的運動軌跡特性，隨著固體顆粒尺寸增加，顆粒在慣性作用下撞擊壁面的位置離噴嘴進口越近，顆粒運動軌跡與蒸汽流道跡線的偏離程度也越大。

計算分析不同尺寸固體顆粒在10%負荷下的運動軌跡特性，與設計工況相比有3個方面不同：（1）固體顆粒碰撞壁面位置較設計工況向前移動，而且軌跡更為分散；（2）低負荷下蒸汽流對固體顆粒的攜帶作用力比設計工況下減小很多；（3）低負荷下固體顆粒碰撞角度、反射角度均比設計工況大一些。

計算不同負荷下軌跡特性方程，分析固體顆粒在不同工況下的運動軌跡特性如下：（1）固體顆粒在蒸汽攜帶下碰撞壁面時，其碰撞速度與相對軸向位置、顆粒直徑都有關系；隨著軸向距離的增加，碰撞速度也增大，但隨著顆粒尺寸的增大，碰撞速度反而減少。（2）機組負荷變化對碰撞速度影響較大，尤其在10%負荷工況下固體顆粒的撞擊速度比其他工況明顯減小，分析其原因10%負荷工況下第一級噴嘴焓降小，蒸汽密度小、流速低、攜帶固體顆粒作用力小，導致固體顆粒流速小。在50%負荷下，固體顆粒撞擊速度比30%負荷和100%負荷稍微增加，分析其原因50%負荷工況下第一級噴嘴焓降大，蒸汽密度大、流速高、攜帶固體顆粒作用力大，導致固體顆粒流速大。（3）由固體顆粒運動軌跡特性、沖蝕率與碰撞速度關系特性分析，50%負荷工況下噴嘴最易受到?jīng)_蝕，尤其噴嘴壓力面出口邊緣位置，受沖蝕情況最嚴重。

計算固體顆粒運動軌跡特性的方程，影響顆粒碰撞角大小的主要因素包括顆粒尺寸、軸向位置、機組負荷等，其影響機理分析如下。（1）根據(jù)10%、30%、50%、100%設計負荷下軌跡特性方程，發(fā)現(xiàn)固體顆粒尺寸與軸向距離增大時，碰撞角隨之增大。（2）分析機組負荷與固粒碰撞角特性關系，發(fā)現(xiàn)50%負荷工況固粒碰撞角最小，在50%負荷基礎上降低負荷時碰撞角明顯增大，在50%負荷基礎上增加負荷時碰撞角也略有增大；分析其原因50%負荷下噴嘴焓降大，蒸汽密度大、速度高、攜帶作用力大，導致固體顆粒運動軌跡更接近蒸汽流線。（3）研究在相同軸向距離位置處，不同尺寸固體顆粒與碰撞角關系，其特性軌跡表明固體顆粒直徑小于50μm時碰撞角相差較大；粒徑在50～100μm范圍內(nèi)，固體顆粒碰撞角相差較小。（4）在相對軸向距離為0.8條件下，固體顆粒碰撞角度在20～35°之間，而這個撞擊角度范圍則屬于金屬材料的高沖蝕區(qū)域，因此撞擊角度在高沖蝕區(qū)范圍內(nèi)，是導致大尺寸的固體顆粒容易造成汽輪機噴嘴、葉片沖蝕的主要原因之一。

3 固體顆粒侵蝕防治對策分析

3.1 改進葉型

改進葉型氣動設計是提高噴嘴抗沖蝕性能的重要措施，主要采取的對策有降低固體顆粒與壁面的撞擊速度、碰撞角度，避免碰撞角度范圍在材料高沖蝕區(qū)域等。由GE公司與東芝公司葉型抗沖蝕性能改進案例分析，改進后葉型的共同特點：（1）改進了噴嘴壓力面型線角，使其平直、避免大的折轉角，改進后碰撞角在10°左右，大幅降低了固體顆粒的碰撞角度與速度，由氣動設計上避開了導致12Cr鋼材的高沖蝕率碰撞角度區(qū)域。（2）噴嘴設計適當增加葉柵距離，以減少碰撞固體顆粒數(shù)量，減輕葉片沖蝕。

3.2 表面強化技術

汽輪機通流噴嘴、葉片材料常采用12Cr馬氏體族高韌性鋼材，撞擊固體顆粒硬度極高，達到莫氏硬度5.5～6.6級，推斷其受到侵蝕為“韌性模式”侵蝕。侵蝕模擬試驗證實固體材料受侵蝕速度與固體顆粒撞擊角度與相關性較大，對于噴嘴與葉片常用的如12Cr馬氏體族高韌性鋼材，固體顆粒撞擊角度在20～30°范圍內(nèi)所受侵蝕損傷最嚴重；然而對于大硬度材料（如陶瓷等）抗侵蝕的性能規(guī)律則完全不同，對于此類材料，固體顆粒沖擊角度在20～30°內(nèi)所受侵蝕損傷反而最小。因此采用表面強化技術，在噴嘴、葉片表面噴涂硬質(zhì)涂層，從而達到提高汽輪機通流部分噴嘴和葉片表面抗侵蝕性能、降低預防汽輪機固體顆粒侵蝕危害的目的。

表面等離子噴涂工藝與擴散滲層工藝是目前汽輪機表面涂層強化的主要技術。表面等離子噴涂工藝可以用于汽輪機通流部分需要噴涂抗侵蝕涂層的絕大部分部件，形成的涂層抗侵蝕性能好，但此工藝受到弧段結構的限制，例如對于部分噴嘴室以及采用螺栓固定的噴嘴，其噴嘴出汽邊的內(nèi)弧面則不能用等離子噴涂工藝進行噴涂。為了解決部分部件受原始結構設計限制而無法采用等離子噴涂工藝的問題，一般采用合金擴散滲層工藝處理，該工藝把部件被滲涂的部位裝箱，放入由可擴散金屬元素以及鹵族鹽類活化劑組成的粉末狀混合物中，然后加熱到899～1093℃。保溫數(shù)小時，冷卻拆箱后再利用熱處理工藝恢復其機械性能，因此該工藝受擴散涂層自身特性限制，其滲層厚度一般小于0.076mm。

采用表面硬化處理技術，可以提高材料抗固體顆粒侵蝕性能。運行經(jīng)驗證明，噴嘴采用硼化物擴散滲層，葉片采用等離子涂層，是預防汽輪機固體顆粒侵蝕損傷的有效方法。

3.3 機組運行工況

研究表明，機組啟動運行方式、升負荷速率控制不同，蒸汽中攜帶的氧化物顆粒濃度與負荷變化的關系也不同。對于有些機組在滿負荷之前，蒸汽中氧化物顆粒濃度已從開始由最高峰值開始下降，然而有些機組卻在滿負荷后才由最高峰值開始下降。因此，設計采用汽輪機旁路控制汽輪機通流部分固體顆粒濃度的機組，旁路啟停時間由機組啟動運行方式與升負荷率控制方式來決定。

對于新建或鍋爐四管大修啟動機組，可以采用延長調(diào)試啟動期間的旁路投運時間、設置臨時管道濾網(wǎng)等運行方式，減少機組啟動調(diào)試階段進入汽輪機通流部分固體顆粒數(shù)量。另外，在啟動過程中，利用旁路系統(tǒng)控制好主、再蒸汽溫度偏差，也是減少鍋爐受熱面金屬氧化物顆粒產(chǎn)生與剝落的重要措施之一。

鍋爐高溫氧化皮的剝離主要發(fā)生在管材降溫期間，機組重新啟動后，剝離的氧化物顆粒被蒸汽攜帶進入汽輪機。由于全周進汽碎片不易被集中，局部蒸汽的流速小，因此與部分進汽運行方式相比，啟動期間采用全周進汽運行方式，對預防固體顆粒侵蝕有較好的效果。

固體顆粒沖蝕特性與汽輪機負荷關聯(lián)性較大，低負荷工況下汽輪機抗固體顆粒侵蝕能力較弱，因此應盡量縮短汽輪機低負荷運行時間，避免固體顆粒侵蝕。

4 結語

通過超臨界汽輪機流通部分固體顆粒運動特性及機理的研究，分析了影響汽輪機固體顆粒侵蝕損傷程度的主要因素，其中影響較大的因素包括固體顆粒尺寸與數(shù)量、撞擊角度與速度、噴嘴與葉片材料抗侵蝕性能等。解決固體顆粒侵蝕應取綜合防護措施，首先是防止和減緩固體顆粒生成；其次要避免已生成的固體顆粒進入汽輪機，采取的措施包括定期清洗鍋爐管道、設置蒸汽管道濾網(wǎng)、設置汽輪機旁通閥等措施減少進入汽輪機的固體顆粒；最后對于部分進入汽輪機的固體顆粒，則可采用改進葉型氣動設計、材料表面噴涂硬質(zhì)涂層、優(yōu)化機組運行方式等措施提高抗固體顆粒侵蝕的性能，降低汽輪機固體顆粒侵蝕的危害。