汽輪機(jī)凝汽器水室異常壁厚減薄故障

張小海

（海軍裝備部駐上海地區(qū)軍事代表室，上海 200031）

0 引言

汽輪發(fā)電機(jī)組的凝汽器是凝汽式汽輪機(jī)裝置的重要組成部分，其工作性能直接影響著整個裝置的經(jīng)濟(jì)性和運行可靠性[1-3]。凝汽器在汽輪機(jī)組的熱力循環(huán)中主要承擔(dān)系統(tǒng)冷源作用，其主要任務(wù)是將汽輪機(jī)排汽凝結(jié)成水，并在汽輪機(jī)排氣口建立并維持一定真空度[4]。

凝汽器常用的管材主要有銅合金管、鈦管和不銹鋼管3大類[5]。凝汽器換熱管的外壁接觸的是高流速的蒸汽及凝結(jié)水，內(nèi)壁則與海水接觸。因此冷凝器換熱管的服役環(huán)境十分惡劣，其產(chǎn)生的腐蝕一直是汽輪發(fā)電機(jī)組面臨的重要問題。

某型號汽輪機(jī)凝汽器材料為鋅錫銅，在運行6年后，水室封頭的管板和分程隔板等區(qū)域發(fā)生壁主要針對冷卻水、水室內(nèi)壁白色附著物、犧牲陽極塊表面附著物和封頭外壁合金的化學(xué)成分展開了一定的分析。

表1 凝汽器水側(cè)水室內(nèi)3處最大減薄量

3.1 冷卻水

取凝汽器內(nèi)海水約300 mL用于化學(xué)成分分析，分析結(jié)果如表2所示。

表2 海水試樣化學(xué)成分分析

3.2 水室內(nèi)壁白色附著物

取凝汽器出水側(cè)水室器壁表面的乳白色膏狀附著物約5g用于化學(xué)成分分析。經(jīng)過4 h后，白色附著物已變?yōu)樗{(lán)綠色。化學(xué)成分分析結(jié)果如表3所示。

表3 色附著物試樣化學(xué)成分分析

3.3 犧牲陽極塊

來樣犧牲陽極塊為純鋅陽極（鋅含量為99.7%），腐蝕電位為-1.10 VCSE。鋅犧牲陽極對溫度比較敏感，在溫度大于49 ℃時，陽極塊會發(fā)生晶間腐蝕，甚至電位轉(zhuǎn)正。因此犧牲陽極塊通常用于49 ℃以下的海水中進(jìn)行電化學(xué)保護(hù)。

3.4 犧牲陽極塊表面附著物

來樣的犧牲陽極塊表面附著物為黑色，主要的成分含量見表4。

表4 來樣犧牲陽極塊表面附著物化學(xué)成分分析

3.5 封頭外壁合金

針對水室封頭外壁的合金進(jìn)行成分測量，發(fā)現(xiàn)其中銅含量為63%，鋅含量為36%，錫含量為1%，其成分符合鋅錫銅HSn62-1的成分要求（GB/T 5321—2012）。

4 研究分析

4.1 鋅錫銅常見腐蝕現(xiàn)象

凝汽器水室封頭的材料為HSn62-1鋅錫銅，具有良好的耐海水腐蝕性能，其常見的腐蝕現(xiàn)象包括應(yīng)力腐蝕、脫鋅溶蝕和點蝕[6]。

鋅錫銅產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的主要原因是由于氨與銅之間具體極強(qiáng)的絡(luò)合作用，因此在銅表面氧化膜內(nèi)容易形成配合物，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，從而破壞氧化膜。氨在溶液中主要以NH4+離子的形式存在，因此NH4+離子是促進(jìn)鋅錫銅發(fā)生應(yīng)力腐蝕的危害性離子。

鋅錫銅的脫鋅溶蝕通常發(fā)生在低pH值、靜止的水溶液中，其原因是靜止水溶液的缺氧環(huán)境會造成鋅錫銅表面氧化膜發(fā)生還原反應(yīng)，導(dǎo)致氧化膜疏松，并形成局部的酸性環(huán)境，選擇性地消耗鋅錫銅中的鋅元素，形成具有一定深度的凹坑。

鋅錫銅的孔蝕通常是由于淤泥和泥砂的垢下腐蝕引起的，而冷卻水中的硫化氫通過破壞氧化亞銅表面的保護(hù)膜而加速孔蝕現(xiàn)象。

4.2 凝汽器水室封頭器壁減薄原因分析

首先，基于凝汽器冷卻水的化學(xué)成分分析結(jié)果對腐蝕原因展開分析。通過檢測發(fā)現(xiàn)海水、鋅犧牲陽極和水室器壁的白色膏狀附著物中主要成分中均未見銅合金的危害性離子（NH4+和S2-）。凝汽器冷卻水基本處于長期運行狀態(tài)，而非長期停滯的缺氧狀態(tài)；而且冷卻水取自海水，屬于開路循環(huán)，無法形成極酸或極堿的腐蝕環(huán)境。凝汽器水室封頭內(nèi)壁也未發(fā)現(xiàn)淤泥和泥沙附著問題。因此冷卻水的化學(xué)成分不是導(dǎo)致鋅錫銅發(fā)生腐蝕的主要原因。

犧牲陽極型電化學(xué)保護(hù)失效也可能造成凝汽器管板異常減薄。電化學(xué)保護(hù)失效的原因可能為電屏蔽效應(yīng)或電化學(xué)回路失效。電屏蔽效應(yīng)通常是由于犧牲陽極塊布置的不足或不科學(xué)導(dǎo)致一些邊緣區(qū)域未得到充分的保護(hù)。電化學(xué)回路失效會造成凝汽器徹底喪失電化學(xué)保護(hù)，從而管板和水室的所有區(qū)域均會發(fā)生異常減薄，基本屬于均勻減薄。然而，本文中凝汽器的異常減薄主要集中在管板和水室隔板的中央?yún)^(qū)域以及非邊緣的區(qū)域，屬于局部減薄。因此排除上述2種電化學(xué)保護(hù)失效的可能性。

基于凝汽器水室封頭的減薄區(qū)域分布可以發(fā)現(xiàn)，減薄區(qū)域僅分布在入水側(cè)，而出水側(cè)無減薄現(xiàn)象。入水側(cè)減薄嚴(yán)重的區(qū)域包括分程隔板彎折線靠近管板的區(qū)域（遠(yuǎn)離管板的區(qū)域無大面積減薄問題）、與分程隔板彎折線相接的管板區(qū)域及換熱管管束周圍的管板（越靠近分程隔板減薄越嚴(yán)重），這些特征都說明凝汽器入水側(cè)水室的異常減薄與入水側(cè)冷卻水的沖蝕有關(guān)。

基于上述研究發(fā)現(xiàn)，水室壁厚異常減薄區(qū)域存在著流相復(fù)雜與結(jié)構(gòu)不連續(xù)等沖蝕減薄敏感因素。冷卻水通過入水管直接沖擊在分程隔板表面形成多相流，此多相流再經(jīng)過多次折流進(jìn)入換熱管，這個過程易在管板和分程隔板表面（特別是冷卻水直接沖擊的區(qū)域）形成湍流或者渦流等亂流，造成沖蝕減薄現(xiàn)象產(chǎn)生。冷卻水流經(jīng)距離入水口較遠(yuǎn)的管板表面時，其流速有所下降，故沖蝕損傷減弱，減薄程度較輕；另一方面，冷卻水沖擊在管板與分程隔板結(jié)合處、分程隔板彎折線及管束間管板等結(jié)構(gòu)不連續(xù)表面易形成亂流，造成沖蝕減薄。冷卻水直接沖擊的分程隔板彎折線區(qū)域減薄最為嚴(yán)重，而分程隔板彎折線上遠(yuǎn)離管板的區(qū)域基本未見減薄問題，這都與液流沖擊強(qiáng)度的差異有關(guān)。

基于上述分析可以發(fā)現(xiàn)：凝汽器入水側(cè)水室異常減薄現(xiàn)象主要是由冷卻水沖蝕引起的，且其減薄程度也與液流沖擊強(qiáng)度的差異相關(guān)。

5 結(jié)論

針對汽輪機(jī)凝汽器水室異常減薄問題，通過采用化學(xué)成分分析的方法，研究壁厚異常減薄的原因，發(fā)現(xiàn)入水側(cè)水室壁厚異常減薄主要與入水側(cè)冷卻水的沖蝕有關(guān)，并且液流沖擊強(qiáng)度也會影響水室內(nèi)壁的減薄程度。

根據(jù)GB/T 151—2014《熱交換器》的要求，非磨損型單項流體在ρυ2＞2 230 (kg/m)/s2或磨損型液流ρυ2＞740 (kg/m)/s2（ρ為流體密度，kg/m3；υ為流體流速，m/s）時，需要在入水側(cè)設(shè)置防沖板或?qū)Я魍病Ｄ髦欣鋮s水通過入水管，經(jīng)分程隔板和管板等多次折流后，進(jìn)入換熱管。冷卻水已在管束附近管板造成明顯減薄說明其流速極快且流相復(fù)雜，凝汽器入水側(cè)水室需要設(shè)置防沖板或?qū)Я魍驳缺Ｗo(hù)措施。

水室入水側(cè)存在一些結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域，如分程隔板彎折線、分程隔板與管板連接區(qū)域等。通過優(yōu)化入水側(cè)水室結(jié)構(gòu)設(shè)計可以減少亂流的形成，在結(jié)構(gòu)不連續(xù)處施加襯膠或者增加現(xiàn)有襯膠圓角半徑也可以緩解亂流的危害程度。

在不改變結(jié)構(gòu)設(shè)計的情況下，可以通過持續(xù)跟蹤管板及分程隔板的減薄程度，確定壁厚減薄的狀態(tài)（活躍態(tài)、穩(wěn)定態(tài)）。對于穩(wěn)定態(tài)的沖蝕可以通過計算減薄速率的方法估算其剩余壽命。對于活躍態(tài)的沖蝕，由于其減薄速率無法預(yù)估，則需要在管板或分程隔板的剩余壁厚接近最小許用壁厚時進(jìn)行修補(bǔ)。