冶金企業超臨界汽輪機組腐蝕結垢原因及檢修策略

宋燕生

（河鋼唐鋼新區設備管理部，河北 唐山 063000）

葉片銹蝕和水蝕后，如不及時處理，長期操作將導致葉片膨脹損壞，葉片損壞，機組輕微振動加劇，強制關閉，更換轉盤葉片或轉盤回廠治療造成重大經濟損失。特別是在電力供需失衡的情況下，由于設計、制造、安裝、維護和操作的各種，渦輪機長期偏離了設計模式，即長期低負荷模式或多次啟動-停止刀片損壞故障導致的原因將暴露。

1 汽輪機概況

多級汽輪機是由同一軸上的若干級串聯組合而成的，常見的1000MW 機組由4 個缸體共48 級組成，其中高壓缸為12 級，中壓缸2×8 級，低壓缸2×5×5 級。汽輪機級由噴嘴陣列和相應的活動葉片陣列組成，是汽輪機運行的基本單元。當處于特定溫度和壓力的蒸汽通過蒸汽輪機的級時，其動能在級聯的動葉片中轉換為機械能，從而完成操作蒸汽輪機的任務。

1000MW 汽輪機一般為超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓、九級回熱抽汽、凝汽式汽輪機NJK1100-28/600/620，主蒸汽的設計公稱壓力為28 MPa，主蒸汽的溫度為600℃，再熱蒸汽的設計設計壓力為5.613 MPa，溫度為620℃，葉片的最終高度為863.6 mm。蒸汽輪機發電機組的設計額定輸出功率為1,100 MW，TMCR 蒸汽輪機的熱功率（正偏差為零）保證為7,217 kJ/kWh。汽輪機的熱耗率第二保證值（75%THA工況熱耗率保證值，正偏差為零）7351kJ/kWh；TMCR 功率為1090.1MW；VWO 功率為1118.6MW。

這種類型的蒸汽輪機的整個流動路徑包括四個氣缸，即高壓氣缸，中壓雙流量氣缸和兩個低壓雙流量氣缸，對應于四個氣缸的轉子由八個徑向軸承支撐，四個轉子通過剛性聯軸器連接到一個殼體中，蒸汽輪機的低壓B 轉子通過剛性聯軸器連接到發電機轉子當中，汽輪機長度約為37.688m，高度約為11.42m，寬度約為8.9m。蒸汽輪機的流路由三部分組成：高壓，中壓和低壓，共有48 個級。高壓部分有12 個電平，中壓部分是雙向分流器，每個分流器有8 個電平，總共16 個電平。而低壓單元為兩缸雙向分體式，每個單元由5 級組成，總共20 級。

2 汽輪機解體檢修檢查情況

2.1 高壓缸

高壓缸解體檢查所有級別的動葉和靜葉都有更嚴重的積鹽，前9 級葉片和分區沉積更多，每個級別的葉片，分區后部沉積，積鹽顏色黃土中的灰色，濕PH 測試條測試PH 值為13，葉片輕微均勻腐蝕，檢查情況見圖1、圖2。

圖1 高壓調節級隔板積鹽

圖2 反向汽封裝置腐蝕

2.2 低壓缸

低壓缸的前五段葉片和隔板都有少量的鹽積累，濕PH 測試帶測試PH 約為10，沉積部位全部在葉片的前緣，分布較長，最終葉片的尾部有較嚴重的沖刷和機械損傷，前五段葉片和隔板有更嚴重的停（制備）腐蝕現象，檢查情況見圖3、圖4。

圖3 低壓缸第1 級葉片腐蝕

圖4 低壓缸第2 級隔板腐蝕及汽封損壞

3 汽輪機結垢原因分析

高壓汽輪機對蒸汽品質的要求尤為嚴格，據《汽輪機蒸汽動力設備水汽質量》（GB/T12145—2016），蒸汽質量標準要求SiO2含量＜15ug/L、Na＋含量＜5ug/L。列如有2臺220t/h鍋爐（一開一備），主要是空氣分離裝置和氨合成系統2臺高壓蒸汽輪機；整個生產系統幾乎有10 個冷凝水，冷凝水系統比較復雜。蒸汽在液體通過脫氣器脫酸后，將其用作鍋爐給水，同時添加了少量的淡化水。但是，即使處理了凝結水，鹽類物質也仍然析出較少。在產生過熱蒸汽的過程中，必須除去這些鹽分物質（含硅鹽和鈉鹽），過熱蒸汽進入汽輪機后，由于壓力和溫度的降低，壓力降低，鈉鹽和硅酸鹽在蒸汽中的溶解度降低。當特定物質的溶解度降至其蒸氣含量以下時，該物質的鹽將以固體形式沉淀并沉積在一部分蒸氣流中。當然，如果蒸汽的SiO2含量和Na含量在可接受的范圍內，則轉子結垢對蒸汽輪機的運行的影響是可接受的。可以確定鍋爐給水中的SiO2含量為197μg/L，Na含量為195μg/L，主水蒸氣中的SiO2含量為1575μg/L，Na 含量為10μg/L。可以看出，主蒸汽中SiO2和Na 的含量超過了標準，高壓蒸汽輪機無法與蒸汽的質量相匹配，從而導致其無法滿足機械運行。

4 結垢處理對策

4.1 停機揭缸處理

當蒸汽輪機清潔空氣分離裝置時，在轉盤葉片返回工廠后采用化學清潔方法。葉輪首先浸有化學物質，然后通過手工研磨和清潔進行處理；固定刀片經過噴砂處理。化學清潔的主要原因：垢分析的主要成分是硅酸鹽層，該硅酸鹽層難溶于水且難以用蒸汽沖洗。該維修解決了轉子跳動大和分度大的問題，其持續時間約為14d。在220 MW 汽輪機通風流程的現代化過程中，由于動葉片和固定葉片的嚴重污染，在制造工廠進行了特殊清潔，所有動葉片和固定葉片均通過物理噴砂清理，其余部分則進行了手動清潔。

4.2 不停機在線處理

（1）該系統減少了負荷和蒸汽冷卻階段。在此期間，空氣分離系統保持低負荷運行并調節冷卻速度為2°C ～3℃/min。將目標降低到操作渦輪所需的最低壓力，溫度比相應的飽和溫度高20°C ～30°C。在工作場所打開管線上的蒸汽以使其能夠排出。中央控制器密切監視蒸汽渦輪參數的變化。如果發現任何異常，請立即停止制冷。

（2）當蒸汽降到預定壓力和溫度時，蒸汽進入清潔階段，并動態分析冷凝水，鈉離子，二氧化硅和其他結垢成分的電導率。當前正在減少到正常索引值，并且清理結束。

（3）清潔后，與主管人員進行聯系，以將蒸汽壓力和溫度逐漸恢復到正常過程值，將壓縮機和分餾系統恢復到原始負荷，然后恢復正常運行。整個清洗過程約需5 個小時，清洗效果明顯。

5 常見腐蝕種類

5.1 氧腐蝕

金屬的氧腐蝕是電化學腐蝕。原理是金屬壁上的氧化鐵保護膜由于諸如水降解和加熱等因素而被部分破壞，并且在機械設備表面的暴露水與保護膜表面之間形成局部電池。鐵從陽極沉淀，引起腐蝕。鋼的氧腐蝕的特征是在腐蝕的表面上形成許多不同大小的鼓包，凸起表面的顏色范圍從黃褐色到磚紅色。表面層下面的腐蝕產物是黑色粉末，如果去除黑色粉末，金屬表面會出現腐蝕坑，形成腐蝕坑的主要原因是在腐蝕產物膜下形成了一個缺氧的活化陽極區域，而外部富氧陰極區域構成了電池并形成了電化學腐蝕。蒸汽輪機氣缸的氧氣腐蝕主要是由于在等待或檢修時未采取防止停機的保護措施而導致的，這導致空氣泄漏到氣缸中。此外，空氣泄漏到氣缸中還會在單元運行期間引起氧氣腐蝕。

5.2 點腐蝕

在蒸汽輪機運行和停機期間會發生點蝕。冷凝水中的鹽類物質，特別是含有CL 和SO4 的陰離子，是點蝕的腐蝕性介質。在汽輪機運行過程中，由于負荷的變化，初始冷凝區將發生變化，初始冷凝水將濃縮，如果該區域中有鹽分附著，則會加劇點蝕。當蒸汽輪機由于真空故障而關閉時，空氣中的氧氣和二氧化碳進入蒸汽輪機，在潮濕的氣氛中，點蝕增加。

6 腐蝕產生的機理

在正常運行期間，高壓缸的中部是過熱的干蒸汽，在高溫下，每個缸的金屬表面都會形成保護膜，通常不會生銹。但是，當裝置啟動和停止時，熱系統不及時結束疏水性或存在疏水性死，每個單元的金屬表面將形成一層水膜；電化學反應發生在水環境中的金屬表面：

陽極反應：Fe-2e →Fe2+。

陰極反應：2H2O+O2+4e →4OH-。

電化學反應的生成物之間也會發生反應：

上述電化學反應就是腐蝕發生的過程。

7 汽輪機低壓缸腐蝕原因分析

其中，切口主要發生在機組運行中，由氯化離子等腐蝕性離子腐蝕引起，在低壓缸相變區形成的原冷凝水中，氯化離子濃度高，達到整個蒸汽水平的幾十倍甚至上百倍，是初始蒸汽冷凝區應力銹裂、腐蝕疲勞和粘接風險的重要誘發因素。同時，由于氨分散系數高，初期冷凝水pH 酸度高，導致葉片表面形成點坑。在該裝置的日常操作過程中，蒸汽中氯離子的含量超過3ug/l，而低壓缸相變化區域的局部濃度超過300ug/l，導致低壓氣缸葉片的滲漏。機組關閉后，葉片表面有低溫氧腐蝕，冷凝器真空損壞，汽輪機和冷凝器汽側未進行保護，低壓缸金屬在濕蒸汽、氧氣和氯化物中，銹蝕較為明顯。

8 汽輪機結垢及腐蝕危害防治

（1）確保精細處理系統和其他關鍵設備正常工作。對于超臨界機組，精制的混合床應為氫型，以確保排水符合新標準的水質要求。在工廠進行精密處理后，混合層變為氫氣后，水蒸氣的氫氣導電率一般降至0.08us/cm以下，以滿足GB/T12145-2016等待要求。

（2）供水方式對供水系統的腐蝕和供熱設備的規模牢度有明顯影響。對于沒有銅材料的超臨界直流爐，AVT（R）已證明不合適，AVT（O）或OT 是確保低單位結垢率的重要方法。

（3）對全過程進行化學監督和控制，注意機組試運行過程中水蒸氣的質量、爐子的保護效果以及機組啟動階段水蒸氣質量控制對機組損壞的結垢和腐蝕危害的影響，只需全過程的監控，即可降低危害的可能性。

9 汽輪機結垢及腐蝕危害防治

（1）檢查核心裝置，如精密處理系統的正常運行。對于超臨界單元，混合床應以氫形運行，以確保水符合新標準的水質要求。隨著精密處理混合器轉化為氫形，水蒸氣氫傳導一般降到0.08μs/cm 以下，滿足了期望要求。

（2）供水條件對供水系統腐蝕和熱設備結垢速度有顯著影響。對于沒有銅材料的超臨界DC，AVT 已證明不合適，使用AVT（O）或OT 作為確保設備縮放速度低的重要手段。

（3）實行全過程的化學監督控制。重視單元試驗期間水蒸氣質量、關機保護效果、單元啟動階段水蒸氣質量控制對單元犯規和腐蝕危險的影響。只有全面的過程監督控制才能最大限度地降低風險發生的可能性。

10 結束語

綜上所述，停機時揭缸加工，加工方法多樣，加工細致，但需要時間，因此，一般有其他揭缸檢修項目時，合并加工；在線無停機處理適用于影響大、停機可能性小、效果好、時間短、恢復快的空氣分離系統。