（热能工程专业论文）氢气湿度对发电机护环影响研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 护环是发电机的关键设备之一，研究氢冷发电机中氢气湿度对发电机护环的影 响，对指导电厂机组安全经济运行具有重要意义。论文首先分析、讨论了氢冷发电 机中氢气湿度过大的原因与危害，然后重点讨论了应力腐蚀对发电机护环的影响因 素，并完成了护环建模与应力计算分析，最后比较分析了多种湿气发生器的工作原 理，综合考虑后，确定采用分流式湿气发生器。设计、搭建了基于分流法湿度发生 器的氢气湿度对发电机护环影响的实验系统。 关键词：氢冷发电机，护环，氢气湿度，应力腐蚀 a b s t r a c t g e n e r a t o rr e t a i n i n gr i n gi so n eo ft h ek e ye q u i p m e n t so fg e n e r a t o r r e s e a r c ho n r e t a i n i n gr i n gi m p a c to ft h eh u m i d i t yi nt h eg e n e r a t o rh a sg r e a ts i g n i f i c a n c ei ng u i d i n g o p e r a t i o n0 fu n i tw i t hs a f e t ya n de c o n o m y i np o w e r p l a n t f i r s to fa l l ，i nt h i sp a p e r ，t h e r e a s o na n dd a n g e ro fh i g hh y d r o g e nh u m i d i t ya r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e di nt h e g e n e r a t o r a n dt h e nf o c u s e so nt h ef a c t o r so ft h eg e n e r a t o rr e t a i n i n gr i n gi nt h es t r e s s c o r r o s i o n a n dt h er e t a i n i n gr i n gm o d e l i n ga n dc a l c u i a t i o no fs t r e s sa n a l y s i s盯e a c c o m p l i s h e d f i n a l l y ，s o m et h e 咖o m e t e r sa r e 髓a l y z e da n dc o m p a r e d w i t ha l lo fm i s i n t oc o n s i d e 豫t i o n ，s p l i tm o i s t u r eg e n e r a t o ri sa d o p t e d a ne x p e r i m e n t a ls y s t e mb 船e do n s p i i tm o i s t u r eg e n e r a t o rh a sb e e nd e s i g n e da n db u i l tt oa n a l y z e t h ei n f l u e n c eo fh y d r o g e n h u m i d i t yo ng e n e r a t o rr e t a i n i n gr i n g s z h ux i a o h u a ( t h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yv i c ep r o f t i a ns o n g f e n g k e y w o r d s ：h y d r o g e n c o o l e dg e n e r a t o r ；l - e t a i n i n gr i n g ，h y d r o g e nh u m i d i 饥 s t r e s sc o r r o s i o n 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 护环是发电机的关键设备之一，研究氢冷发电机中氢气湿度对发电机护环的影 响，对指导电厂机组安全经济运行具有重要意义。论文首先分析、讨论了氢冷发电 机中氢气湿度过大的原因与危害，然后重点讨论了应力腐蚀对发电机护环的影响因 素，并完成了护环建模与应力计算分析，最后比较分析了多种湿气发生器的工作原 理，综合考虑后，确定采用分流式湿气发生器。设计、搭建了基于分流法湿度发生 器的氢气湿度对发电机护环影响的实验系统。 关键词：氢冷发电机，护环，氢气湿度，应力腐蚀 a b s t r a c t g e n e r a t o rr e t a i n i n gr i n gi so n eo ft h ek e ye q u i p m e n t so fg e n e r a t o r r e s e a r c ho n r e t a i n i n gr i n gi m p a c to ft h eh u m i d i t yi nt h eg e n e r a t o rh a sg r e a ts i g n i f i c a n c ei ng u i d i n g o p e r a t i o no fu n i tw i t hs a f e t ya n de c o n o m y i np o w e rp l a n t f i r s to fa l l ，i nt h i sp a p e r ，t h e r e a s o na n dd a n g e ro fh i g hh y d r o g e nh u m i d i t ya r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e di nt h e g e n e r a t o r a n dt h e nf o c u s e so nt h ef a c t o r so ft h eg e n e r a t o rr e t a i n i n gr i n gi nt h es t r e s s c o r r o s i o n a n dt h er e t a i n i n gr i n gm o d e l i n ga n dc a l c u i a t i o no fs t r e s sa n a l y s i s盯e a c c o m p l i s h e d f i n a l l y ，s o m et h e 咖o m e t e r sa r e 髓a l y z e d 觚dc o m p a r e d w i t ha l lo fm i s i n t oc o n s i d e r a t i o n ，s p l i tm o i s t l l r eg e n e r a t o ri sa d o p t e d a ne x p e r i m e n t a ls y s t e mb 勰e do n s p i i tm o i s t u r eg e n e r a t o rh a sb e e nd e s i g n e da n db u i l tt oa n a l y z et h ei n f l u e n c eo fh y d r o g e n h u m i d i t yo ng e n e r a t o rr e t a i n i n gr i n g s z h ux i a o h u a ( t h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yv i c ep r o f t i a ns o n g f e n g k e y w o r d s ：h y d r o g e n c o o l e dg e n e r a t o r ；l - e t a i n i n gr i n g ，h y d r o g e nh u m i d i 饥 s t r e s sc o r r o s i o n 声朋尸，州 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文氢气湿度对发电机护环影响研 究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 作者签名： 日 期： 导师签名：翌鲨垂 导师签名：过羔五 日期：犁篓 华北电力大学硕十学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 随着我国国民经济的增长，电力工业高速的发展，电站大锻件的需求日益增长。 电站建设的数量和规模与日俱增。由于大容量的发电机组具有更好的经济效益( 效 率高、成本低、相对投资少) ，因而各国在电站建设中所使用的发电机组越来越向 大型化发展。采用先进制造技术，生产高质量、高性能的电站大锻件，便成为近年 来锻压科技工作者、生产部门攻关的重要目标。 护环是发电机组中最为关键的部件之一，是用来紧箍发电机转子两端绕组线圈 的圆环，形状简单，但是工作时承受装配应力、离心力、弯曲应力和热应力等，是 发电机组中承受应力最大的主要部件。所以护环要求具有较高的屈服强度、良好的 塑性指标、均匀的力学性能和较小的残余应力。一般功率在3 0 0 m w 以上的大型机 组护环，其屈服强度o o 2 都在1 0 0 0 m p a 以上，护环在强磁场、潮湿的腐蚀介质中工 作，为了提高发电机的效率、减少漏磁和涡流热损耗、防止工作温度过高，护环通 常采用导磁率极低( 小于1 1 ) 的单相奥氏体无磁钢制造。 我们现今使用的护环钢，大多是机械性能优良的1 8 m n 4 c r 、l8 m n 5 c r 奥氏 体钢，在干燥氢中，它们对氢都不敏感，因此不发生氢脆现象。但是在潮湿的环境 里，1 8 m n 4 5 c r 钢却对氢腐蚀十分敏感。有实验研究表明在湿氢环境中的裂纹扩 展速度湿真空中的l o o 倍，即使加入了氧来抑制了部分氢的影响，裂纹的扩展速度 依旧是真空中的1 0 倍，在相对湿度大于5 0 时，裂纹扩展速度呈指数增长。 氢冷发电机的氢气湿度超标问题由来己久，但多数情况下未对发电机即时造成 明显的破坏，所以并未引起国内外发电企业的足够重视。但是如果氢冷发电机的氢 气湿度超标，必将对发电机内部部件产生不良影响，甚至威胁发电机的安全运行。 在国家电力公司制定的防止电力生产重大事故的二十五项重点要求中明确提出 要“严格控制氢冷发电机氢气的湿度在规程允许的范围内，并做好氢气湿度的控制措 施”。 我国大型氢冷发电机由于氢湿度超标，曾多次发生定子线圈端部绝缘击穿或转子护 环出现裂纹等重大事故。而且还会使发电机通风损耗增大，每年多耗电能达几十万k 、l l 。 氢湿度对发电机危害最敏感的部件首先是转子护环，其次是定子端部绝缘。当采用的护 环材料为1 8 m n 5 c r 和1 8 m n 4 c r 时，如相对湿度在6 0 以上，护环应力腐蚀裂纹的产生 和扩展速度将加剧i i 刊。 华北电力大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 2 0 世纪5 0 年代以来，国内外对护环应力腐蚀问题极为关注，在研制护环钢时，都 把应力腐蚀作为一个重要指标。 对现在目前国内外应用较广泛的氢冷转子而言，氢是主要的腐蚀介质，由氢引起的 裂纹主要呈穿晶状态。氢气腐蚀实质上是氢脆问题，属干阳极反应，与a p c 反应的应 力腐蚀属于两个范畴，但与应力腐蚀一样，为低应力下的延迟破裂，习惯上可广义地称 为应力腐蚀。 发电机护环的应力腐蚀破裂是由于护环长期处于载荷和腐蚀性介质中，而导致护环 产生应力腐蚀破裂。促使汽轮发电机护环产生应力腐蚀破裂环境中的腐蚀介质，最常见 的是水分，例如水冷转子的漏水和潮湿空气的结露等都波及护环，并且伴随着其他腐蚀 介质的原因。氢冷发电机中护环由于氢引起的裂纹，实质上是氢脆问题。同时，氢气湿 度越大，发电机转子护环发生应力腐蚀的可能性就越大，护环的使用寿命就越短【。 1 9 7 2 年后，国外进口的护环在出厂合格证中都有应力腐蚀数据，均按q h j _ - 2 0 0 2 的要求进行试验，但l 0 0 0 h 不裂的极为少数，大部分在3 0 0 h 后开裂，有的甚至4 8 h 就 出现裂纹。日本制钢所、室兰制作所用三点弯曲的定变形法作护环应力腐蚀试验，介质 为8 0 人工水，试验过程中用肉眼观察，以表面出现o 5 m m 长裂纹算作开始。从对日 本、法国进口护环及国内主要生产企业生产的护环做的一系列实验列出的数据可以看 出，大部分试样在3 0 0 h 已形成裂纹。文献指出，裂纹形成后，由于应力释放，所以裂 纹扩展速度较为缓慢，如3 0 0 h 开始出现裂纹的试样，到1 0 0 0 h 也不会断裂卜引。 我国2 0 0 2 年修订的护环国外订货标谁q h j _ - 2 0 0 2 中规定了应力腐蚀的要求为 三点弯曲定变形法试验，压力为9 0 m p a ，介质为3 6 c 州0 3 ) 2 + 3 n h4 n o ，混合水溶 液，室温试验，以l o o o h 表面不出现裂纹算合格。国内各有关厂、所也进行了对此标准 的验证试验。上海材料所用四点弯曲的定变形法，介质用3 6 c a ( nd 3 ) ：+ 3 n h 。n o ，混 合水溶液。国内各单位所进行的光滑试样定变形试验，由于加载方式、试样尺寸、 取样方式、介质成分的控制、判断准则等差异、使得出的数据分散性很大，主要是 由于试验方法不统一的原因。目前各有关单位已进行了试验方法的协调，统一了试 验方法，使得对比性的应力腐蚀试验可进一步开展，在大量数据的基础上，来修订 q h j 一2 0 0 2 标准【7 捌。 近年来，随着碳纤维的发展，国内外都在尝试把它用作护环材料，以解决护环 应力腐蚀问题，碳纤维增强塑性且强度高、比重小，可大大降低护环的厚度，缺点 是弹性模量低，易变形，卸装有困难，如果改进了工艺和测试技术，则碳纤维是有 发展l 途的一种材料。 2 华北电力大学硕士学位论文 1 3 课题研究内容 本文工作主要是建立氢气湿度实验台，并着重研究氢气湿度对护环的影响，进 行护环的应力腐蚀分析，论文工作主要包括以下内容： ( 1 ) 探讨造成发电机护环应力腐蚀的原因，讨论氢气湿度对护环材料应力腐蚀 的影响，用a n s y s 软件计算护环应力并进行分析。较为全面的分析了发电机护环 在应力腐蚀方面的问题，并探讨护环应力腐蚀对策。 ( 2 ) 比较分析了多种湿气发生器的工作原理，根据其优缺点，以及实际情况， 采用合适的湿气发生器。 ( 3 ) 设计氢气湿度对护环影响的实验系统，提出湿氢气的制备方案。 ( 4 ) 护环材料制备以及实验准备，实验系统制作与搭建。 3 华北电力人学硕士学位论文 2 1 引言 第二章发电机氢气湿度过大原因及危害 发电机氢气湿度过大严重影响机组的安全经济运行，其中对发电机护环的影响 尤为严重。氢气湿度测量的研究目的，就是能够在线监测氢气湿度，及时采取措施， 使危害降到最低。本章将对氢气湿度对发电机护环应力腐蚀的影响进行研究，为以 后的发电机护环故障诊断奠定基础。 2 2 氢气湿度过大的原因“4 1 2 2 1 透平油带水 氢冷发电机一般采用双流环式密封瓦，其密封油系统与汽轮机润滑油系统并非 各自独立的系统。在平衡阀性能欠佳情况下，汽轮机透平油中带水对发电机内氢气 的湿度也有间接影响，其中透平油带水是带有根本性的顽症。对于采用双流单环式 密封瓦的大容量机组，密封油系统设有独立的氢侧密封油箱，而空侧密封油箱就是 汽轮机润滑油主油箱。当氢侧密封油箱油位超出高限时，向主油箱排油。相反，低 于低限位置时，主油箱向氢侧密封油箱补油。 发电机内氢气湿分主要来自密封油中所含水分，因此在治理氢气湿度超标的众 多措施中，杜绝或减轻透平油带水是治本的措施和着眼点。图2 1 为密封瓦的结构， 氢侧密封油流量约为4 8 m 3 h ，密封瓦处油温在5 0 左右，高速、大量的氢侧密封油 所带水分在窄小的回油室被迅速飞溅雾化，而且密封油压力高于回油室氢压，加速 了雾化作用，使氢侧回油室湿度始终保持在饱和状态，远远高于机内氢气湿度，从 而形成一个很大的湿度分压差，使湿气源源不断地扩散到发电机内。油中水分扩散 示意图如图2 2 所示。 图2 一l 密封瓦的结构 4 华北电力大学硕士学位论文 图2 2 油中水分扩散示意图 根据湿气扩散机理，设氢侧密封油中的水分经回油室雾化达到饱和后扩散到发 电机内的湿气量为q d ，则： q d = 群，( 昂一鼻) ( 2 1 ) 式中q ，表示湿气每小时的扩散量，g ：k p 表示以湿气分压差为推动力的传质系 数：p o 表示氢侧密封油回油室饱和水汽分压，k p a ；p l 表示发电机内饱和水汽分压， k p a ：f 表示扩散面积，c m 2 ； 其中 f = 兀d 6( 2 2 ) 在式( 2 2 ) 中，d 表示氢侧油档处轴径，c m ：6 表示氢侧油档与轴的径向间隙， c m 。这样以根据式( 2 1 ) 可估算出进入氢气中的湿气量。 2 2 2 制氢站供给的氢气的湿度大 发电机内氢气湿度的大小与供发电机充氢、补氢用的新鲜氢气的湿度有直接关 系，因而应当限制其在允许的范围内，这也是降低发电机内氢气湿度的首要环节， 尤其是在发电机氢气系统严密性差、氢气纯度不好，需要大量和频繁补氢以及汽轮 机透平油中带水和发电机氢气外循环系统没有足够去湿能力的情况下，尤需严格控 制新鲜氢气的湿度。新的电力行业标准( 以下简称“标准”) 要求供发电机充氢、补 氢用的新鲜氢气在常压下的允许湿度为：新建、扩建电厂( 站) 的露点温度s 5 0 ： 已建电厂( 站) 的露点温度s 2 5 2 5 。 从国内制氢设备运行状况来看，若d q 4 ( 1 0 m p a ) 型制氢设备仅用水冷除湿， 氢气湿度最低只能达到露点1 0 ，绝对湿度仅为2 0 4 9 m 3 ，大多电厂绝对湿度在8 1 5 9 m ，相当于露点7 1 8 ，远不能满足新鲜氢气标准要求；若水冷却器后加装冷 5 华北电力大学硕士学位论文 凝式干燥器，运行币常时，氢气湿度露点最低可达到1 8 。绝对湿度为1 0 4 9 m ， 大多在l 2 9 m 3 ，亦不能满足标准要求；若安装分子筛干燥器，可使氢气湿度露点 达到5 0 以下，可满足标准要求。当制氢设备为中压制氢设备( 3 2 m p a ) 时，采用 水冷除湿，可使露点降至2 0 2 5 。对于老厂指标，可接近于标准值。如为新厂， 则不能满足。由此可见，补给氢气湿度有待进一步改善。 2 2 3 发电机氢气冷却器泄露 由于冷却器铜管破裂或制造存在沙眼，铜管与管板的胀口质量不好，冷却器密 封垫不严，并且在运行中冷却器铜管内水压较铜管外氢压高。将发生冷却水直接漏 入氢气中，造成氢气湿度增大。此外，定子水冷绕组泄露直接进入机内，也可能导 致机内氢气湿度过高。 2 2 4 检修过程中吸收水分 发电机的检修，需将各零部件拆卸处理，相对于拆卸前，机内的干净度肯定下 降，暴露在空气的各种亲水介质会吸收空气中的水分，而重新装配时将水分带入机 内，从而使氢气的湿度增加。 2 3 氢气系统含水过大的危害分析 发电机氢冷系统氢气湿度越来越引起人们的重视，从而也逐渐发现了氢气湿度 与一些机组运行中常见的不正常现象的影响。氢气湿度过大的危害主要有如下几个 方面： ( 1 ) 发电机内氢气湿度过大，特别是在机组停运时，线圈和机内温度下降， 相对湿度增大。定、转子绝缘严重受潮，绝缘电阻下降，严重影响绝缘强度和机组 启动。 ( 2 ) 机组正常运行时，机内电晕放电使微量空气电离而产生臭氧及氮的氧化 物( n o 等) ，这些物质遇有水分时，将产生腐蚀性很强的硝酸类，对定子绝缘及金 属结构件缓慢腐蚀，严重时造成接地或相间短路等重大事故。 ( 3 ) 转子护环的应力腐蚀。一些对应力腐蚀敏感材质的护环，在护环存在拉 应力和腐蚀介质的条件下将发生应力腐蚀，产生裂纹并逐渐扩大。特别是在较高的 工作温度下，相对湿度大于5 0 时，应力腐蚀会使转子护环出现裂纹，而且裂纹迅 速扩展【l2 1 。机内氢气湿度大，则是腐蚀介质存在的必要条件。 ( 4 ) 增加通风损耗，影响发电机的效率。机内湿度增大时，水分子增多，势 必造成发电机通风损耗增大，降低了发电机的效率，每年多耗电能达几十万千瓦时。 6 华北电力大学硕士学位论文 我国大型氢冷发电机由于氢湿度超标，曾多次发生定子线圈端部绝缘穿击或转 子护环出现裂纹等重大事故。氢气湿度对发电机危害最敏感而且最直接的部件就是 转子护环【9 1 。因此本章将根据河北某电厂发电机护环产生裂纹问题，分析并实验研 究氢气湿度对护环材料的影响。 2 4 本章小结 本章通过对氢气湿度过大原因及危害分析，表明了控制氢气湿度的重要性，同 时也说明了氢气湿度的控制对护环的影响。 7 华北电力大学硕士学位论文 3 1 引言 第三章发电机护环的应力腐蚀分析 根据大量护环实际运行的故障分析表明，护环的断裂几乎都是以应力腐蚀开裂 的方式进行，即便在疲劳腐蚀对断裂起相当大作用的部位，有实验表明，该部位的 断裂仍是应力蚀腐开裂为主要的断裂机制。历史资料表明1 8 m n 4 5 c r 钢制造的护环 即使在无污染的水中，也具有应力腐蚀开裂的敏感性，其应力腐蚀裂绽大多是晶问 开裂的，且伴有大量的、穿晶的二次裂纹。应力腐蚀裂绽大多是晶间开裂的，且伴 有大量的、穿晶的二次裂纹。 3 2 护环材料的应力腐蚀 3 2 1 应力腐蚀破裂 应力腐蚀破裂( s c c ) 是指金属材料在应力和腐蚀介质共同作用下产生的一种 极其危险的低应力破裂行为。一般情况下，在腐蚀介质中金属受力后会加速腐蚀速 度，最基本的情况是这两种因素的叠加。在石油、化工、冶金、造船、动力等行业 应力腐蚀是设备最危险的损伤之一。汽轮机转子结构方面大部分的失效产生于护环 的失效，而护环的失效大多数由于应力腐蚀破裂所致。 3 2 2 应力腐蚀的特征 应力腐蚀只有在特定的环境下才能发生。此外，它还具有以下一些特点【1 5 l ： ( 1 ) 只有在应力( 特别是拉应力存在时) ，才可能产生应力腐蚀破裂，这种应 力可以是外加应力，或是冷加工和热处理过程中引入的残余应力，也可是腐蚀产物 的楔如作用而引起的扩张应力。压应力在某些情况下也可以产生应力腐蚀裂纹。 ( 2 ) 应力腐蚀破裂是一种延迟破坏通常有一个潜伏期( 即孕育期) ，潜伏期的 大小随外加应力或应力强度因子1 0 6 的减小而增长。 ( 3 ) 应力腐蚀破裂是一种低应力脆性断裂，开裂的最低应力( 或应力强度因 子墨) 远小于过载断裂应力( 或临界应力强度因子墨。) 。且断口为脆性断裂形貌， 往往会导致无任何先兆的灾难性事故。 ( 4 ) 应力腐蚀扩展速度一般为1 0 巧1 0 - 3 m m m i n ，比均匀腐蚀快1 0 6 倍，而且 和断裂尖端应力强度因子k 。有关。 8 华北电力人学硕士学位论文 3 2 3 应力腐蚀影响因素 发电机护环的应力腐蚀开裂，并不只是由一两个因素所决定的，它是在众多因 素综合作用下产生的结果。影响汽轮发电机护环应力腐蚀只要有腐蚀介质、腐蚀温 度、应力状态、护环材料化学成份和力学性能的影响，此外护环的加工工艺，装配 与维修状况的因素对护环的应力腐蚀也有影响。 3 2 3 1 腐蚀介质 金属应力腐蚀有八大特点，其中以拉应力与腐护蚀环境的影响最大。护环在运 动过程中经受拉应力的作用，这点是可以确定的，另外，腐蚀介质的影响是极为重 要，介质类型不同，产生应力腐蚀的程度也不同。 l m w y a t t 认为腐蚀介质可能有三方面【1 6 】： ( 1 ) 硝酸根离子。机组运转时产生的电晕使周围空气电离，形成臭氧，再与 空气中的氮结合生成硝酸根离子，在潮湿的情况下，硝酸根离子起了腐蚀的作用。 现今广泛应用的m n c r ，m n n i c r 系护环材料极易在硝酸盐中产生应力腐蚀。 介质浓度增大，出现应力腐蚀裂纹的时间缩短。同时，介质的酸碱度也有明显影响。 如水解后呈强酸性的硝酸盐只产生一般性腐蚀，而呈中性反应的硝酸盐容易造成晶 间性的应力腐蚀裂纹，呈微酸性的硝酸盐更会加速腐蚀破裂。在南非伐尔电厂炸裂 的护环碎片中，确实找到了硝酸盐的残迹。硝酸盐引起的护环应力腐蚀裂纹呈沿晶 状态。 ( 2 ) 氯离子。特别沿海地区的电厂更易受氯离子作用。氯离子引起的护环应 力腐蚀裂纹呈穿晶与沿晶混合状态。 ( 3 ) 氢气。对氢冷转子而言，氢是主要的腐蚀介质，由氢引起的裂纹主要呈 穿晶状态。氢气腐蚀实质上是氢脆问题，属于阳极反应，与a p c 反应的应力腐蚀属 于两个范畴，但与应力腐蚀一样，为低应力下的延迟破裂，习惯上可广义地称为应 力腐蚀。 3 2 3 2 腐蚀温度 一般情况下，提高温度会加速应力破裂。当温度接近溶液的沸点时，氧的溶解 度最小，裂纹尖端的腐蚀产物成黑色的f e 3 0 4 ，具有较好的导电性，因此腐蚀能沿 着微裂缝加速进行。有关电厂护环高温腐蚀试验研究表明：在3 6 c a ( n 0 3 ) ， + 3 n h 4 n 0 3 混合水溶液中，1 0 0 0 h 不裂的护环试样在1 0 5 下2 4 h 就出现明显裂纹 【l i l o 但在氢介质中，温度的影响并不是这么简单的。有试验研究表明在湿氢气环境 中1 8 m n 4 c r 护环钢的裂纹扩展在4 0 以下对温度很敏感，温度上升时，裂纹起始 9 华北电力大学硕七学位论文 扩展的应力强度因子较高，裂纹不扩展或是扩展缓慢。由此可见环境氢脆只是在一 定的温度范围内发生，裂纹扩展速度与温度的关系出现极大值，因而可以认为氢脆 是由于氢原子在应力的作用下涌向自由能较低的裂纹前端，造成裂纹前端氢原子的 富集，加速了裂纹的扩展，随着温度的增高，扩散作用增强，愈易向裂纹尖端密集， 但到某一温度后，由于热扩散，使已密集的氢原子又重新向四周均匀扩散，所以消 除了氢脆。 3 2 3 3 应力状态 应力状态对护环应力腐蚀有明显影响，2 0 世纪5 0 年代炸裂的伐尔、多伦多电 厂10 0 m w 护环，都在径向开了通风孔，引起的厚度减少，因此孔处应力集中，所 以在此处形成了裂纹。外加拉应力的影响如同于残余应力的影响，随着外加应力的 增大应力腐蚀敏感性提高。 3 2 3 4 护环材料化学成份和力学性能的影响盯 2 0 多年来，国内外都在研究、寻求抗应力腐蚀的护环钢，并对各合金元素的作 用进行了深入的研究。1 9 7 1 年以前，a s t m 标准中列有含钒大于l 的沉淀硬化型 护环钢，以后就取消了，原因是含钒护环钢的应力腐蚀敏感性高。国内也曾研制过 含钒的沉淀硬化钢，但因抗应力腐蚀差而一直未投入生产。含有少量的钒( 约0 2 ) 、 经变形强化的护环，抗应力腐蚀性能没有降低，相反，在某些试验中有所上升。提 高护环钢的含碳量，与其他钢种一样，应力腐蚀的敏感性能也相应提高。2 0 世纪 5 0 年代炸裂的护环，含碳量都偏高，大干o 6 。含镍量越大，应力腐蚀越灵敏。 护环钢中的晶界析出碳化物对应力腐蚀敏感性影响极大，晶界上碳化物与晶内奥氏 体相膨胀系数不同，因而冷却时产生很大内应力，促进此处产生应力腐蚀。随着护 环钢屈服强度的提高，开始应力腐蚀抗力增大到某一强度后，骤然下降，试验得出 此极限为抗拉强度1 0 7 5 m p a ，因此可认为如果护环强度超过1 0 7 5 m p a 时，就要考虑 由于应力腐蚀敏感而能否使用的问题。 我国的护环用钢标准j b l 2 6 8 8 5 实际上等效采用了a s t m a 2 8 9 - 8 l 标准，规定 所用钢的化学成份为碳0 4 0 6 ，锰1 7 1 9 ，硅0 3 0 8 ，磷 15 ，断面收缩率 2 5 。这种护环钢已经使用多年， 总体来说其使用性和可靠性都很好。但它对应力腐蚀裂纹很敏感，至今出现的一些 失效情况主要是因为应力腐蚀裂纹。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 试眨蓐 田中下一一t 串力霄直力性曩兰一妒蓐t 图3 一l 发电机大修期作超声波检查的1 8 m n 一5 c r 护环钢数量 3 2 3 5 氢气湿度的影响 我们现今使用的护环钢，大多是机械性能优良的1 8 m n 4 c r 、1 8 m n 5 c f 奥氏体 钢，在干燥氢中，它们对氢都不敏感，因此不发生氢脆现象。但是在潮湿的环境里， 1 8 m n 4 5 c r 钢却对氢腐蚀十分敏感。有实验研究表明在湿氢环境中的裂纹扩展速度 湿真空中的1 0 0 倍，即使加入了氧来抑制了部分氢的影响，裂纹的扩展速度依旧是 真空中的1 0 倍，在相对湿度大于5 0 时，裂纹扩展速度呈指数增长。而且曾经发 生过1 8 m n 4 c r 护环钢在湿氢气环境下开裂导致失效的事故，所以我们有必要来重 点讨论一下湿氢气环境对护环应力腐蚀的影响。首先来看一下氢气中的水分主要来 源，主要有以下几点： ( 1 ) 发电机转子处于0 3 m p a 或更高压力的氢气气氛中，氢气总是带有一定水 分的。这主要是因为冷却发电机用的氢气由电解水而制得，为净化氢气，叉使氢气 通过水层清洗和降温。因此，在氢气中除带有在该温度下所含的饱和水分外，还 携带有未分离掉的细微水滴。 ( 2 ) 氢冷发电机水系泄漏，主要包括氢冷却器及内冷水系统的泄漏，虽然氢 压大于水压，但水汽仍有可能扩散到氢气系统中。 ( 3 ) 带水密封油漏入发电机。造成发电机氢气湿度大的主要原因为密封油带 水，密封瓦串油，油中水份扩散到机内。 潮湿的氢气为护环的应力腐蚀提供了腐蚀环境，当氢气中含有一定水分时，就 具备了产生腐蚀和使腐蚀发展为沿晶裂纹的条件；如果氢气中水分接近饱和，或者 甚至在转温度下已达结露程度，则护环不可避免地要产生孔蚀，并发展为应力腐 蚀开裂，甚至引起失效的程度。而且氢气在制取过程中还可携带一定数量的氯离子。 发电机在运转过程中难免放电产生氮氧化物，它们在水汽中进而成为硝酸根和亚硝 华北电力大学硕士学位论文 酸根。这些强酸阴离子在护环的电灼伤凹坑或腐蚀坑中产生闭塞腐蚀电池，并可发 展为晶| 日j 腐蚀。 当前我国发电机最大的问题就是氢气湿度超标，甚至有超过露点的水分含量， 这是护环腐蚀开裂的主要原因之一。 3 2 3 6 其他因素 除以上几大因素之外，还有许多因素也会对发电机护环的应力腐蚀有一定的影 响。比如，护环的修理与装配措施以及护环的加工，如果处理不当很容易引起护环 的损伤，导致其机械性能的下降，从而在运行时的引发应力腐蚀。还有机组的启停 也会对护环钢抗应力腐蚀能力造成负面的影响。 影响应力腐蚀断裂的主要因素涉及力学、电化学和冶金三个方面【1 9 】。 ( 1 ) 力学因素：引起应力腐蚀的应力有工作应力、残余应力、结构应力和腐 蚀 产物楔入应力。工作应力即设备或部件在工作条件下外加载荷引起的应力：残 余应力即在生产、制造和加工过程中材料内残留的应力，如铸造、热处理、冷热加 工变形、焊接和切削加工等工艺导致的热应力、相变应力、不均匀塑性变形引起的 附加应力和焊接的拘束应力等：结构应力即由设备、部件安装与装配引起的应力； 腐蚀产物楔入应力即封闭在裂纹内的腐蚀产物因其体积效应可在垂直裂纹面方向 产生的拉伸应力。受力物体的几何形状或截面变化以及材料内部的不均匀性可造成 应力集中。 ( 2 ) 电化学因素：应力腐蚀存在临界电位，即应力腐蚀发生在材料的活化和 致钝化转变的电位区间，此时满足了裂纹壁成膜和裂纹尖端溶解可同时进行的条 件。 ( 3 ) 金属学因素：晶体结构、各向异性、晶粒尺寸、位错密度、晶间沉淀和 晶界偏析等金属学因素对材料是否发生应力腐蚀开裂有较大影响。 3 2 4 应力腐蚀机理 早在本世纪初期，就已经开始应力腐蚀的研究，对于应力腐蚀裂纹的起源、扩 展过程的研究，各国的科学家都做了大量的工作，提出了不同的学说。关于应力腐 蚀的开裂机制，目前主要有以下几个观点2 2 l ： ( 1 ) 保护膜破裂机制：该理论主要解释了膜破裂合金表面裂缝的起源和扩展 作用。其基本观点认为：一般金属表面存在不同程度的保护膜，或称钝化膜，如果 保护膜一旦受到局部破坏，就会形成以膜为阴极，裸露的金属为阳极，发生局部阳 1 2 华北电力大学硕士学位论文 极溶解，产生腐蚀坑，进而萌生应力腐蚀裂纹。这样膜破裂，金属发生局部溶解， 保护膜形成，金属得到保护，在应力作用下膜再一次破裂，这样循环往复就导致了 应力腐蚀裂纹的形核和扩展。p a r k i n s 认为，当膜破裂速度低于膜的形成速度时，就 不会发生应力腐蚀开裂。j g 斯卡利认为，金属表面在应力作用下产生的划移阶梯 可能发生再钝化，当再钝化的局部表面所需的钝化物质耗尽时，就会发生局部阳极 溶解腐蚀。 ( 2 ) 活性通道理论：这一理论首先由e d i x m e a r s 等人提出的，其基本理论观 点认为：在金属或合金中存在一条易于腐蚀的、大致连续的路线，即所谓的“活性通 道”，电化学腐蚀就是沿着这条通道进行，最终导致应力腐蚀破裂。形成“活性通道” 的因素很多，如合金成分与微观结果的差异：溶质原子可能析出的高度无序晶界或 亚晶界；由于局部应力集中及由此引起的应变引起的阳极晶界区；应变引起表面膜 的局部破裂；以及由于塑性变形引起的阳极区等。 ( 3 ) 阳极快速溶解机制：这一理论是t p 霍尔等人在1 9 6 3 年前后提出的，其 基本理论观点是由于裂纹尖端阳极快速连续溶解的结果。应力的存在加速了阳极溶 解的速度并且促使金属的分离。事实证明，裂纹尖端的溶解速度要比裂纹两侧大的 多，t p 霍尔的实验结果，大约要大1 0 4 倍。 ( 4 ) 氢致开裂型应力腐蚀机理：氢致开裂又叫作氢脆。氢脆是在应力和过量 的氢共同作用下使金属的材料塑性、韧性下降的一种现象。关于氢脆的机制有多种 学说，例如认为金属中的氢在缺陷处聚集成分子态，形成高压气泡的氢压理论：认 为氢与金属形成氢化物造成材料脆化的氢化物理论；认为内氢降低金属原子问结合 力使金属变脆的减聚理论等。而工程上目前所说的氢脆，大多是指氢致延滞断裂， 即高强度钢在固溶状态的氢( 内氢或从环境中吸收的氢) ，在低于屈服强度的应力 持续作用下，经过一段孕育期后，在内部特别是在三向拉应力区形成裂纹，裂纹逐 步扩展，最后会突发脆性断裂。这类氢脆的特点是：只在一定温度范围内出现， 如高强度钢多出现在1 0 0 1 5 0 ，并以室温下最敏感；( 此类氢脆显著降低金属材 料的伸长率，当含氢量超过议定数值后，伸长率不再变化丹断面收缩率则随含氢量 增加而下降；氢脆的裂纹路径与应力大小有关，应力强度因子k i 较高时，断裂 为穿晶，k i 较低时，断裂呈沿晶断裂。此外，断裂类型还与杂质的含量有关，杂质 含量越高，造成沿晶断裂可能性越大。 ( 5 ) 应力吸附破裂理论：这一理论是由h h u h l i g 等人在1 9 5 9 年提出的，这 一理论的基本观点是：应力腐蚀破裂是由于在裂纹尖端有某些特殊离子如a 一，明一 等的吸附，使应变金属的原子键的亲和力减弱，即金属表面能下降，在拉应力作用 下，促进了金属的破裂。e g c o e a 加等人根据断裂理论得出如下公式： 1 3 华北电力大学硕士学位论文 叹4 焉】l ，2 耖 ( 3 1 ) 式中：g 为金属材料的钢性膜量，s c 为表面能，7 为泊松比。 从上式可以看出，破坏应力t 不仅与金属材料的晶粒直径d 有关，而且与材料 表面能s c 成正比。 ( 6 ) 位错运动致裂理论：这个理论试图从金属物理学方面来解释应力腐蚀破 裂现象。金属在应力作用下引起滑移时，合金元素的扩散加速，特别是氮、碳、氢 等间隙原子很容易在缺陷处偏聚，形成位错处的成份偏析。这种成份偏析为选择性 腐蚀导致应力腐蚀准备了条件。应力腐蚀破裂的敏感性与位错分布及堆垛层错能有 关，一般层状分布的位错对应力腐蚀破裂的敏感性要高于团状分布的位错。 ( 7 ) 遂洞形孔蚀撕裂理论：这个模型认为在平面排列的位错露头处，或新形 成的滑移台阶处，处于高应变状态的金属原子在发生择优腐蚀，这种腐蚀沿着位错 线向纵深发展，形成隧洞，在应力的作用下，隧洞之间的金属产生机械撕裂。当机 械撕裂停止后，有重新开始隧道腐蚀，这个过程反复进行就导致了裂纹的不断扩展， 直至金属不能承受载荷而发生过载断裂。总的来说，隧道腐蚀与裂纹的形核和扩展 有关，其断口形貌是带有沟槽的平断口，但只是在个别场合发现，属于一种伴生现 象。这一理论虽然有一定的实验基础，但不能成为应力腐蚀的主要机理。 此外还有固体产物锲入左右理论：机械破裂为主的两段论：以及由于环境氢脆 引起的氢脆致裂理论等等。由于影响应力腐蚀破裂的因素很多，哪一种因素在应力 腐蚀中起主导作用麻药视情况而定。因此试图用一种理论去解释应力腐蚀破裂这一 复杂的现象是很困难的，甚至是不可能的。 3 3 护环应力腐蚀的对策 发电机护环作为汽轮发电机中极为重要的部件，它的应力腐蚀开裂所造成的影 响和导致的后果也是极为严重的，尤其是在当今的机组都在向大容量的方向发展趋 势下，这一问题的严重性就显得更为突出。因此，在目前情况下，如何在现有的条 件下，研究应对护环应力腐蚀( 尤其是在湿氢气环境下的应力腐蚀开裂) 的对策， 是一项非常有价值的工作。 3 3 1 应用抗应力腐蚀的护环钢 3 3 1 1 使用18 m n 一18 c r 钢 我们现在尤其是我国，大多数发电机护环基本上都采用1 8 m n 4 5 c r 奥氏体钢。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 这种类型的钢虽然有相当高的强度，但如果发电机内氢气湿度过高，在硝酸根和 氯离子的作用下，它可在几年甚至几个月内出现裂纹。许多国家都已报道过护环失 效的事故，我国也有数十例出现裂纹的事例。多年使用经验表明，这一类型钢在湿 氢气的环境中，对应力腐蚀极为的敏感，这是它的最大的缺点。因此，许多人( 尤 其是在美国) 都建议使用机械性能更好的1 8 m n 1 8 c r 钢来做护环，替换现今使用的 1 8 m n 4 5 c r 奥氏体钢护环。 ( 1 ) 化学成份 表3 一l1 8 m n 一4 5 c r 化学成分 ( 2 ) 机械性能( n m m 2 ) 表3 31 8 m n 1 8 c r 无磁性钢护环化学成份及机械性能如下 延伸率万s 1 9 断面收缩率缈 4 6 抗拉强度1 0 5 0 ( 外环) l1 0 0 ( 内环) 延伸率 万s 1 6 断面收缩率 矽2 5 冷弯( d = 1 0 咖) 口1 2 0残余应力1 5 0 磁性能1 1 ( 磁场强度1 6 0 0 0 a m ) 晶粒度争取达到a s t m1 级或更细 对比1 8 m n 4 5 c r 与1 8 m n 1 8 c r 钢化学成份和机械性能( 见表3 3 和表3 4 ) 可 1 5 华北电力大学硕士学位论文 以看出两种材料的机械性能都能满足护环钢的设计要求，且都是非磁性的奥氏体锰 钢。不同的是，1 8 m n 1 8 c r 除具有高的抗应力腐蚀开裂的能力外( 即使在水中对腐 蚀丌裂也不敏感) ，还具有较高的断裂韧性2 1 抛l 。 下面我们看一下一些研究中1 8 m n 4 5 c r 与1 8 m n 1 8 c r 两种护环钢各性能的比较 【1 9 - 2 l l ( 1 ) 抗应力腐蚀性能 1 8 m n 1 8 c r 钢在水中能完全低抗应力腐蚀。即使在高浓度的硝酸根离子中也无 拉力腐蚀的迹象。而1 8 m n 4 5 c r 钢即使在纯水和空气中也有应力腐蚀现象发生，在 发电机运行中，介质中浓缩了的硝酸根离子可以使其应力腐蚀开裂的速度是纯水中 速度3 0 0 倍。奥氏体钢的应力腐蚀开裂常和介质中的氯离子有关，1 8 m n 4 c r 在含有 氯离子的溶液中应力腐蚀开裂速度是纯水中的2 0 倍。然而1 8 m n 1 8 c r 钢在含有氯离 子的溶液中，不管其浓度多高，都不存在应力腐蚀开裂的倾向。 衡量高强度钢应力腐蚀开裂敏感性的一个重要指标有时是钢材的屈服强度。不 少材料工作者通过反复遍观察发现，提高钢材的屈服强度可以导致材料的应力腐蚀 裂纹长大速率增大。1 8 m n 1 8 c r 钢则不然，两种不同的热处理使其具有1 1 3 6 1 3 0 0 m p a 的屈服强度，但都可以完全地阻止护环在高温汽水环境中的应力腐蚀开裂，证明了 即使1 8 m n 1 8 c r 钢达到了目前护环要求的最高屈服强度，在水中也不发生应力腐蚀 开裂。 ( 2 ) 抗氢脆能力 众所周知，l8 m n 4 c r 护环钢，由于介质中的潮湿氢曾导致了护环的氢脆断裂 事故，因此为避免1 8 m n 4 c r 护环钢发生氢脆而需采用结构复杂昂贵的氢冷发电机， 且氢气始终保持干燥。而1 8 m n 1 8 c r 钢则不然，即使在潮湿氢气中，也不会产生氢 脆现象。故用1 8 m n 1 8 c r 钢制做的护环，运行中允许湿氧的条件，增加护环的安全 裕量。尽管如此，还是要求发电机在任何时侯，任何情况下，都保持干燥的环境。 发电机制造厂家对此也都做了严格的规定。 ( 3 ) 抗腐蚀疲劳能力 许多试验证明，1 8 m n 4 5 c r 钢在纯水中的抗腐蚀疲劳强度仅局限在一个很小的 范围里，而1 8 m n 1 8 c r