水滴特征對(duì)汽輪機(jī)葉片司太立合金 水蝕的影響

薛 翔，李 勇，劉福廣，黃其洲，劉 剛

（1.海南核電公司，海南 海口 572700；2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

蒸汽在推動(dòng)汽輪機(jī)做功時(shí)，溫度逐步降低，產(chǎn)生的凝結(jié)水對(duì)高速旋轉(zhuǎn)的汽輪機(jī)造成水蝕[1]。水蝕在葉片表面形成鋸齒形缺陷，會(huì)造成應(yīng)力集中和減小葉型根部截面積，對(duì)葉片的可靠性造成巨大危害甚至使葉片斷裂；同時(shí)汽輪機(jī)葉片水蝕損傷會(huì) 改變?nèi)~片的振動(dòng)特性，降低蒸汽的做功效率及機(jī) 組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性[2-5]。隨著大容量火電機(jī)組和核電機(jī) 組的建設(shè)，水蝕現(xiàn)象變得越來越突出。某核電站投運(yùn)18個(gè)月，汽輪機(jī)葉片司太立合金水蝕深度達(dá)到1.05 mm，超過了司太立合金厚度的80%，危及汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。

水蝕是汽輪機(jī)的固有現(xiàn)象，大量文獻(xiàn)資料[6-11]研究了水蝕的產(chǎn)生過程、水滴對(duì)材料的作用過程及水蝕機(jī)理等，獲得了水滴撞擊理論，從水滴碰撞、扁平、破碎及射流過程，揭示了引起材料水蝕損傷的力學(xué)因素。研究了水滴碰撞速度和水滴大小對(duì)水蝕性能的影響，數(shù)值計(jì)算研究認(rèn)為當(dāng)水滴直徑大于1 mm，水滴尺寸的變化對(duì)水蝕的影響不明顯，當(dāng)水滴直徑小于1 mm，隨著水滴尺寸的減少水蝕減輕；同時(shí)水蝕受水滴碰撞速度的影響較大。對(duì)材料的抗水蝕性能進(jìn)行了研究，初步建立了水蝕性能與材料力學(xué)性能的關(guān)系[12]，對(duì)典型材料，計(jì)算了其水蝕門檻速度[2,13-14]，測(cè)試了葉片本體材料如12Cr鋼、17-4PH和Ti6Al4V等的水蝕性能。目前針對(duì)水蝕的主要防護(hù)手段是釬焊鑲嵌司太立合金[15]，這使得水蝕主要發(fā)生在葉片表面司太立合金上，在司太立合金完全損傷前，基體葉片基本不受水蝕損傷。大量的研究[16-19]對(duì)各種工藝制備的司太立合金抗水蝕表面涂層的性能進(jìn)行了測(cè)試。雖然有文獻(xiàn)[6]初步報(bào)道了水蝕性能與金屬材料硬度正相關(guān)，但發(fā)現(xiàn)司太立合金例外。研究水滴與司太立合金間的碰撞過程對(duì)研究司太立合金的水蝕機(jī)理具有重要意義，但目前缺乏對(duì)水滴與司太立合金碰撞過程應(yīng)力演變的研究報(bào)道。本文通過數(shù)值模擬計(jì)算研究水滴特征對(duì)司太立合金水蝕的影響，揭示司太立合金水蝕過程水滴碰撞應(yīng)力演變規(guī)律。

1 水滴撞擊葉片的數(shù)值模型

建立水滴垂直撞擊葉片表面的幾何模型如圖1所示。水滴與葉片模型及具體邊界條件如下：葉片基體材料為17-4PH，尺寸為8 mm×8 mm×3 mm，葉片防護(hù)層材料為司太立合金，尺寸為8.0 mm×8.0 mm×1.2 mm；假設(shè)水滴為球形。在研究不同水滴撞擊速度下司太立合金層內(nèi)等效應(yīng)力及變形時(shí)，采用的碰撞速度分別為：174、229、293及330 m/s；水滴半徑為250 μm；對(duì)比分析水滴尺寸對(duì)司太立合金內(nèi)應(yīng)力及變形的影響時(shí)，水滴半徑為250、500、750與1 000 μm，速度為293 m/s。獲取水滴碰撞過程中最大等效應(yīng)力及殘余應(yīng)力，模擬總時(shí)間為2×10-5s。

2 模擬結(jié)果

2.1 水滴速度對(duì)司太立合金層最大等效應(yīng)力的影響

1）最大等效應(yīng)力

根據(jù)單個(gè)水滴的碰撞模擬，水滴撞擊速度對(duì)司太立合金最大等效應(yīng)力的影響如圖2所示。

由圖2可見，隨著水滴撞擊速度的增加，司太立合金最大等效應(yīng)力不斷增加。當(dāng)碰撞速度從174 m/s增加到229 m/s時(shí)，最大等效應(yīng)力增加了114%。當(dāng)速度為174 m/s時(shí)，其最大應(yīng)力僅有241 MPa，這一應(yīng)力值顯著低于司太立合金的屈服強(qiáng)度，不會(huì)在碰撞過程中對(duì)材料產(chǎn)生永久性損傷。而當(dāng)水滴碰撞速度達(dá)到229 m/s及以上時(shí)，司太立合金表面的最大等效應(yīng)力大幅度提升，達(dá)到了518 MPa以上，接近司太立合金的屈服強(qiáng)度541 MPa；當(dāng)速度達(dá)到293 m/s 時(shí)，最大等效應(yīng)力值達(dá)到552 MPa；當(dāng)碰撞速度達(dá)到330 m/s時(shí)，碰撞最大等效應(yīng)力達(dá)到628 MPa。可見當(dāng)速度足夠高，碰撞最大等效應(yīng)力可達(dá)到或超過司太立合金的屈服強(qiáng)度。此時(shí)，單個(gè)水滴的碰撞就會(huì)使司太立合金表面發(fā)生塑性變形。文獻(xiàn)[6]報(bào)道了水蝕失重與碰撞速度的關(guān)系，當(dāng)水滴碰撞速度與材料的損傷門檻速度差異大小不同，水蝕失重分別遵循不同的規(guī)律，本文研究結(jié)果與其報(bào)道類似。司太立合金的水蝕門檻速度為215 m/s[2]，293 m/s和330 m/s的速度遠(yuǎn)大于司太立的門檻速度，其損傷程度遠(yuǎn)高于較低碰撞速度引起的水蝕損傷。事實(shí)上，文獻(xiàn)[2]計(jì)算了660 MW機(jī)組汽輪機(jī)在3 000 r/min的轉(zhuǎn)速下，汽輪機(jī)葉片司太立合金與水滴碰撞的相對(duì)速度約307 m/s，根據(jù)圖2所示結(jié)果，在如此高速度下，水滴與司太立合金碰撞產(chǎn)生的應(yīng)力將超過其屈服強(qiáng)度，對(duì)司太立合金產(chǎn)生明顯的破壞作用。連續(xù)不斷的打擊，將導(dǎo)致司太立合金發(fā)生塑性變形，形成水蝕損傷。

2）應(yīng)力的演變

撞擊區(qū)域中心處的等效應(yīng)力在整個(gè)碰撞過程中的連續(xù)變化曲線如圖3所示。由圖3可見，當(dāng)碰撞速度增加，液滴與基體碰撞所需時(shí)間也越來越短，第一次碰撞產(chǎn)生高應(yīng)力的時(shí)間也越來越短。碰撞后的應(yīng)力-時(shí)間譜線圖表現(xiàn)出振蕩現(xiàn)象，并隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐步衰減最終保持穩(wěn)定。當(dāng)速度達(dá)到293 m/s后，司太立合金表面在碰撞應(yīng)力之后的數(shù)微秒內(nèi)會(huì)出現(xiàn)較高的應(yīng)力峰。這個(gè)二次應(yīng)力峰值高達(dá)300 MPa以上，這一應(yīng)力值超過了司太立合金的疲勞極限[20]，因此在研究水蝕的過程中這一應(yīng)力峰不可忽略。由于該應(yīng)力峰出現(xiàn)在首次碰撞主應(yīng)力峰之后，作者將其稱為次生應(yīng)力峰。當(dāng)初始碰撞速度足夠高，次生應(yīng)力峰值較高，甚至超過司太立的疲勞強(qiáng)度。該應(yīng)力峰值的存在，意味著當(dāng)水滴的碰撞應(yīng)力足夠高，其某個(gè)特定位置發(fā)生水蝕所需要的水滴碰撞次數(shù)可能大大低于傳統(tǒng)理論要求的碰撞水滴碰撞次數(shù)，大幅縮短發(fā)生水蝕所需的碰撞次數(shù)。事實(shí)上，次生應(yīng)力峰不僅在高速度碰撞過程產(chǎn)生，也會(huì)在低速碰撞過程產(chǎn)生，但因其應(yīng)力值低，對(duì)碰撞應(yīng)力的影響較小。

3）殘余應(yīng)力分布

不同水滴速度下撞擊過程完成后司太立合金內(nèi)部的殘余應(yīng)力分布如圖4所示。由圖4可知：當(dāng)水滴速度為174 m/s時(shí)，司太立合金層內(nèi)最終殘余應(yīng)力為98 MPa，隨著速度增加，涂層內(nèi)殘余應(yīng)力不斷增加，另外，殘余應(yīng)力分布區(qū)域也有所增加。總體來說，水滴的撞擊速度越大，涂層內(nèi)的殘余應(yīng)力也會(huì)隨之增加，當(dāng)水滴速度達(dá)到330 m/s時(shí)，單個(gè)水滴碰撞造成的殘余應(yīng)力達(dá)到了228 MPa。當(dāng)大量大尺寸水滴反復(fù)碰撞司太立合金，將引起司太立合金水蝕。

進(jìn)一步分析了模型內(nèi)部沿著葉片厚度方向，即路徑BB1的殘余應(yīng)力分布。從圖4可看出，水滴的撞擊速度越大，涂層內(nèi)部的最大殘余應(yīng)力越大。在深度方向，殘余應(yīng)力很快降低，殘余應(yīng)力的影響深度較小，并隨著深度的增加，快速降低，更深處的殘余應(yīng)力均非常小，不到10 MPa，也就是說，水滴撞擊之后，基體不會(huì)發(fā)生破壞，而破壞發(fā)生在司太立合金淺表面。

2.2 水滴尺寸對(duì)司太立合金層最大等效應(yīng)力的影響

1）最大等效應(yīng)力

進(jìn)一步計(jì)算了不同半徑的水滴以293 m/s的速度撞擊司太立合金后的最大等效應(yīng)力，不同半徑的水滴對(duì)試樣內(nèi)最大等效應(yīng)力的影響如圖5所示。由圖5可見，隨著水滴半徑的增加，司太立合金內(nèi)的最大等效應(yīng)力增加。當(dāng)水滴半徑從250 μm增加到750 μm的過程中，水滴碰撞過程最大應(yīng)力增加約11%；而當(dāng)水滴半徑大于750 μm后，司太立合金內(nèi)部的應(yīng)力基本保持相當(dāng)?shù)乃健Ｎ墨I(xiàn)[6]報(bào)道了當(dāng)水滴直徑大于1 mm，水滴尺寸對(duì)水蝕的性能影響不大，當(dāng)水滴直徑小于1 mm，水蝕程度隨著水滴尺寸的增加而增加。本研究的結(jié)果與此類似，當(dāng)水滴半徑大于750 μm，即直徑大于1.5 mm時(shí)，水滴大小的變化對(duì)于水蝕損傷沒有顯著影響，當(dāng)水滴半徑小于750 μm時(shí)，水蝕程度隨著水滴尺寸的減少而減少。這種水滴尺寸的差異可能與碰撞材料有關(guān)。

2）應(yīng)力的演變

不同尺寸水滴碰撞司太立合金過程中的碰撞應(yīng)力-時(shí)間譜線如圖6所示。

與前述相同，由圖6可見，在碰撞整個(gè)過程中，碰撞應(yīng)力-時(shí)間譜線中都出現(xiàn)了次生應(yīng)力峰，可見水滴尺寸對(duì)次生應(yīng)力峰的影響程度要大于水滴速度。不同尺寸水滴碰撞時(shí)，這些次生應(yīng)力峰值都超過了司太立合金的疲勞強(qiáng)度。碰撞過程中的次生應(yīng)力峰的數(shù)量和應(yīng)力值在速度一定的情況下，主要取決于碰撞過程中的液滴尺寸。隨著碰撞水滴尺寸的增加，這種多次應(yīng)力峰變得更多，當(dāng)液滴半徑達(dá)到750 μm后，高于司太立合金疲勞強(qiáng)度的應(yīng)力波峰數(shù)達(dá)到了4個(gè)以上。這有可能是水滴在碰撞過程中發(fā)生了多次反彈。當(dāng)水滴直徑變得足夠大，單個(gè)水滴碰撞后會(huì)產(chǎn)生多次超司太立合金材料疲勞強(qiáng)度的碰撞，加劇其水蝕損傷。

3）殘余應(yīng)力

不同水滴尺寸下，司太立合金內(nèi)部的殘余應(yīng)力分布對(duì)比如圖7所示。由圖7可知，隨著水滴尺寸的增加，撞擊后的最大殘余應(yīng)力基本呈現(xiàn)不斷增加趨勢(shì)。值得注意的是，當(dāng)水滴半徑小于等于500 μm時(shí)，撞擊后的殘余應(yīng)力增幅非常小，基本穩(wěn)定在 172 MPa；而當(dāng)水滴半徑大于等于750 μm時(shí)，最大殘余應(yīng)力隨水滴尺寸增加呈現(xiàn)較大幅度增加；當(dāng)半徑增加至1 000 μm時(shí)，最大殘余應(yīng)力增加至230 MPa，試樣表面受水滴沖擊影響的面積也不斷增大。

對(duì)于基體，水滴的尺寸越大，撞擊后試樣內(nèi)部的最大殘余應(yīng)力越大，應(yīng)力波往基體的傳遞也越深，但不論對(duì)哪種情況，基體內(nèi)部的應(yīng)力都非常小，不到10 MPa，也就是說，水滴撞擊之后，基體不會(huì)發(fā)生破壞，破壞僅發(fā)生在基體表面的司太立合金處。

3 分析討論

3.1 應(yīng)力-時(shí)間譜線分析

如圖3和圖6所示，當(dāng)水滴速度或尺寸足夠大，在碰撞過程中金屬材料內(nèi)部的應(yīng)力-時(shí)間譜線中出現(xiàn)了振蕩現(xiàn)象和多個(gè)次生應(yīng)力峰。

文獻(xiàn)[21]對(duì)振蕩現(xiàn)象進(jìn)行了研究分析，分析認(rèn)為這種現(xiàn)象與碰撞過程中的水錘效應(yīng)有關(guān)。水滴在碰撞過程中，碰撞產(chǎn)生的水錘沖擊應(yīng)力波在金屬材料/水滴界面和水滴上部的水滴/空氣界面間不斷反射和傳輸，司太立合金不斷受到應(yīng)力波的作用，從而應(yīng)力隨時(shí)間的變化規(guī)律上表現(xiàn)為如圖3和圖7所示的振蕩現(xiàn)象。

文獻(xiàn)[22-23]報(bào)道了次生應(yīng)力峰現(xiàn)象，與本文具有類似結(jié)論。水滴與固體表面碰撞時(shí)會(huì)發(fā)生壓縮、扁平擴(kuò)展、表面張力作用下液滴收縮、反彈、再次形成新的小水滴并再次碰撞固體[24]。水滴碰撞過程分裂示意如圖8所示，這一過程如同分裂一般，速度足夠的情況下，會(huì)發(fā)生多次分裂。每次分裂產(chǎn)生的小水滴都會(huì)對(duì)司太立合金表面產(chǎn)生碰撞作用，但這種分裂可能不會(huì)持續(xù)進(jìn)行下去，液滴的動(dòng)能在多次碰撞鋪展過程中消耗后不足以形成反彈時(shí)，這種分裂過程將不再發(fā)生。水滴的分裂、反彈是引起司太立合金表面出現(xiàn)次生峰的主要因素。這種現(xiàn)象主要發(fā)生在大尺寸水滴高速碰撞過程中。

3.2 司太立合金的損傷

汽輪機(jī)葉片在運(yùn)行過程中，蒸汽是主要的動(dòng)力來源，蒸汽由高壓向低壓運(yùn)行過程中，壓力急劇下降，蒸汽溫度也會(huì)顯著降低，通常蒸汽到了末級(jí)前，蒸汽溫度低于100 ℃，這促使其發(fā)生凝結(jié)，產(chǎn)生濕蒸汽，蒸汽濕度升高，通常末級(jí)的濕度可達(dá)9%～14%。蒸汽中的水分增加導(dǎo)致其在流通過程中對(duì)汽輪機(jī)葉片產(chǎn)生水蝕，這是水蝕損傷介質(zhì)的來源，是水蝕發(fā)生的第一個(gè)必要條件。

對(duì)超（超）臨界火電機(jī)組或核電機(jī)組常用汽輪機(jī)而言，汽輪機(jī)在全速運(yùn)行過程中，葉片尖端的速度接近600 m/s，由于蒸汽的噴射角度，水滴與葉片的碰撞相對(duì)速度約307 m/s[2]。這一速度顯然是遠(yuǎn)大于司太立合金的門檻速度215 m/s[6]，因此易導(dǎo)致汽輪機(jī)葉片司太立合金發(fā)生水蝕損傷。

根據(jù)本項(xiàng)目研究，當(dāng)相對(duì)碰撞速度達(dá)到229 m/s左右時(shí)，碰撞過程中的應(yīng)力超過司太立合金的屈服強(qiáng)度，同時(shí)，該應(yīng)力也超過了司太立合金的疲勞極限強(qiáng)度。盡管單個(gè)水滴不易對(duì)司太立合金產(chǎn)生破壞，但在反復(fù)的水滴碰撞作用下，司太立合金會(huì)形成疲勞，促進(jìn)司太立合金的水蝕。事實(shí)上，汽輪機(jī)中的水滴尺寸分布非常復(fù)雜，與其運(yùn)行工況有較大關(guān)系，蒸汽中水滴尺寸從數(shù)十微米到數(shù)毫米不等。根據(jù)本文研究結(jié)果，不同水滴產(chǎn)生的應(yīng)力水平不同，司太立合金并非從機(jī)組開始運(yùn)行就發(fā)生可見的水蝕損傷現(xiàn)象，只有在長(zhǎng)期的運(yùn)行過程中，不同速度、不同粒徑的水滴碰撞效果才會(huì)體現(xiàn)出來。正如文獻(xiàn)[6]報(bào)道，水蝕過程存在潛伏期和加速期，其中潛伏期就是各種速度、粒徑的水滴對(duì)司太立合金的反復(fù)作用過程。當(dāng)潛伏期內(nèi)的碰撞疲勞累計(jì)效應(yīng)達(dá)到一定程度后，材料發(fā)生可見的破壞，并進(jìn)入水蝕加速期。

如前所述，大尺寸水滴在高速碰撞過程中發(fā)生“分裂”，并反彈再次與金屬表面碰撞，從而形成次生應(yīng)力峰，這一應(yīng)力峰的值大多高于司太立合金材料的疲勞強(qiáng)度。當(dāng)然，汽輪機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)分裂水滴的碰撞位置并不一定與第一次碰撞位置相同。基于分裂水滴的碰撞應(yīng)力峰時(shí)間間隔和液滴與葉片相對(duì)速度進(jìn)行計(jì)算，這種位置偏差約500～700 μm。盡管不在同一碰撞位置，但在大量水滴分裂并再次碰撞的情況下，同一位置可能會(huì)被其余部位分裂水滴造成次生應(yīng)力，會(huì)加劇該部位的材料疲勞損傷。這種現(xiàn)象與水滴首次碰撞的高應(yīng)力相結(jié)合，一方面首次碰撞產(chǎn)生的高應(yīng)力引起材料發(fā)生屈服變形，另一方面分裂水滴對(duì)司太立合金產(chǎn)生疲勞作用，屈服和疲勞共同作用引起司太立合金發(fā)生水蝕損傷。由于司太立合金具有一定厚度，這種應(yīng)力的作用范圍有限，因此不會(huì)對(duì)葉片本體材料產(chǎn)生影響。

4 結(jié) 論

本文旨在揭示鑲嵌司太立合金汽輪機(jī)葉片的完整水蝕過程，探究水滴特征對(duì)汽輪機(jī)葉片司太立合金損傷行為的影響。得到以下主要結(jié)論：

1）隨著水滴速度的增加，碰撞過程的最大等效應(yīng)力不斷增加，當(dāng)碰撞速度為293 m/s時(shí)，最大等效應(yīng)力超過司太立合金的屈服強(qiáng)度，速度的進(jìn)一步提高，碰撞應(yīng)力顯著提升。

2）當(dāng)水滴半徑大于750 μm時(shí)，碰撞最大等效應(yīng)力變化并不顯著；水滴半徑小于750 μm時(shí)，隨著水滴尺寸的減少，最大等效應(yīng)力不斷減少。

3）水滴碰撞過程中，應(yīng)力-時(shí)間譜線具有振蕩特性，大尺寸水滴高速碰撞過程中產(chǎn)生的分裂水滴對(duì)司太立合金產(chǎn)生高于疲勞強(qiáng)度的次生碰撞應(yīng)力，加速司太立合金的損傷。機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過程中應(yīng)盡可能降低凝結(jié)水滴的尺寸。

4）水滴碰撞產(chǎn)生的殘余應(yīng)力較低，且作用深度遠(yuǎn)小于司太立合金厚度，對(duì)葉片本體無影響。