汽轮机湿蒸汽级叶片的浸湿磨损问题的现今状态及解决办法.doc

汽轮机湿蒸汽级叶片浸蚀磨损问题的现状及其解决方法为了提高所设计的发电机组经济性，就必须解决由蒸汽初始参数提高及汽轮机末级叶片长度增加所带来的一系列技术和工艺问题。大功率汽轮机运行可靠性及工作寿命的保障在很大程度上与叶片机构的耐磨性息息相关，叶片机构在运行过程中要承受各种腐蚀影响，包括腐蚀开裂、颗粒磨蚀及水蚀，因此就必须要提高工质品质，降低湿蒸汽级外围的湿度，采用更完善的结构材料，开发高效的保护涂层。考虑到上述诸多问题，如今主流的汽轮机生产厂家都在研究大型汽轮机采用超长叶片的新型湿蒸汽级。目前运行中的钢制末级叶片长度已经达到了1200mm。正在开发用于50Hz汽轮机的1500mm钛合金叶片（表1）。在湿蒸汽级工作的这种长度的叶片的外围圆周速度将达到900m/sec，致使解决叶片材料浸蚀问题的迫切性提高到了一个新的水平。提高耐浸蚀性的大多数方法就是保护汽轮机湿蒸汽级动叶进、出汽边的表面不受高速水滴的冲刷作用。按照惯例，这些措施可分为两类：积极性和消极性。积极性措施就是致力于降低湿度，减少汽轮机末几级两相流内的水滴尺寸，从而在一定程度上消除产生浸蚀磨损的固有原因。消极性措施首先致力于改善叶片表层性能（强化）并研制各种耐磨涂层。在这类措施中，还包括各种结构-工艺措施，例如：考虑到结构材料的耐磨性能进行优化选择，改善传统结构材料的组织结构，利用有效的设计和工艺措施来提高通流部分中在两相流高速作用下工作的元件耐浸蚀性能表1 设计及运行中50Hz汽轮机末级超长动叶的主要数据开发单位长度（mm）材料出口环形面积，m2d/l值（节径与长度之比）叶顶圆周速度，m/secSiemensMitsubishiAlstomGE/ToshibaMitsubishiABBSiemensAlstomHitachiMitsubishi1500142313721360121912191200120011461130110010921030钛合金钛合金钛合金钛合金钢，钛合金钢钢，钛合金钛合金钢钢钢钢钢17.916.014.614.711.911.312.211.312.510.510.410.19.42.502.502.502.502.562.442.702.503.032.632.782.702.78832785747754680655697660720642645634618。 尽管通过研究提出了不少用于提高耐浸蚀性能的消极性措施，但是其中只有少数得到了广泛应用（如利用司太立合金片、对叶片表层进行强化处理，施加耐磨涂层等等）。但是应用最广泛的措施，也就是焊接司太立合金片有着非常严重的缺点：降低了叶片工作部分的气动性能，并且实施这项措施时成本高、工艺有难度。除此之外，还经常发生司太立合金片断裂的现象，这些碎片将损伤冷凝器的管子，造成不希望有的后果。在焊接司太立合金片时经常发生应力集中现象，成为汽轮机在运行过程中出现动叶局部裂纹及断裂的原因。在采用表面强化处理以及通过热喷涂形成涂层的措施时会导致耐腐蚀/浸蚀性能的降低；尤其在热喷涂涂层时，其附着性能较低，从而形成应力集中区。何况，这些方法的一个共同缺点是：根本无法用于保护汽轮机末级动叶的出汽边。由于各种传统防蚀方法具有上述缺点，故在实际上已经宣告不可能再应用到未来新一代汽轮机的超长叶片上。结构材料在水滴冲击作用下的浸蚀问题是众所周知的，并且对此已经进行过大量研究。在汽轮机领域的浸蚀磨损现象非常复杂，这是结构材料工作表面多因素的损伤过程：具有复杂形状的动叶片在高速旋转时，与在不同速度下运动的不同尺寸的水滴相互影响；而且，由于两相流的湿度在汽轮机通流部分轴向、周向和径向不断在变化，致使浸蚀表面状态始终处于变化之中。众所周知，大功率汽轮机低压缸末级叶片的蒸汽湿度设计值（按焓熵图）为10%12%；但是，在实际上沿叶高方向的湿度与按焓熵图取用的平均值有很大差别：在叶顶处的湿度将超过平均值23倍。在末级动静叶之间间隙中的水滴组织和运动速度取决于：通流部分中蒸汽凝结时初始水分出现的部位，离开叶片和通流部分其它元件表面形成的分散大水滴及其与这些表面的相互作用，级的结构特点以及汽轮机的工况参数。不得不承认，直至今天尚缺乏有关汽轮机末级动静叶之间间隙中两相流中水分真实特性方面的可信运行数据。因此，当务之急仍然是必须研究确定测量这种水分尺寸和速度的方法和独特设备，必须确定在汽轮机各种运行工况下沿叶高方向的实际湿度。通过对大量试验研究和实物研究结果的分析及综合，可以确定叶片材料浸蚀过程发展的基本规律。目前，描述浸蚀磨损过程的关系式与早期已不尽相同，主要体现在材料的平均浸蚀深度E与水分与表面单位面积碰撞时失去的质量m的关系。在特定参数的情况下可以对比在各种条件下得到的浸蚀试验结果，从中发现适用于各种结构材料的共同规律。按照现代的概念，叶片材料浸蚀磨损的典型 “曲线”可分五个阶段（图1）。图1 叶片材料浸蚀磨损发展过程的典型“曲线”阶段：I潜伏阶段； II第一过渡阶段； III最大浸蚀速度阶段； IV第二过渡阶段； V稳定浸蚀速度阶段图中文字：1 - E，m；2 m，kg/m2 利用特定的浸蚀参数也可以发现浸蚀过程的典型动态特点，这种特点就是：对不同直径的水滴直径dk 和不同碰撞速度C来说，它们在最大浸蚀速度和稳定浸蚀速度区段与浸蚀曲线的切线都穿过纵轴上的同一点（图1 上的E点及E点）。这种现象已在对铬钢，钛合金和铝合金受到各种不同尺寸和碰撞速度的水分作用下的浸蚀过程进行的大量研究分析结果所证实。不论是单一分散的水滴，还是多个分散的水滴，在以不同速度与金属表面相互作用时，都存在EM 及E 这两个点。对为了确定浸蚀磨损区长度和宽度，以及减小叶片外围部分弦长情况下所进行的长期实物试验结果分析表明，其结果从定性的角度与浸蚀试验台获得的典型浸蚀“曲线”非常吻合（图2）。图2 308.5MW汽轮机的最大浸蚀深度（Y）、664MW汽轮机和7台210MW汽轮机末级动叶片外围弦长的减小与运行时间的关系曲线图中文字：1- b，Y，mm； 2 - 308.5MW 664MW210MW在进行估算和确定叶片材料耐浸蚀性能时最好将典型浸蚀“曲线”的五个阶段改为图1下方括弧内所示的三个阶段。利用浸蚀试验台进行金属浸蚀过程的研究就可以揭示水滴尺寸及其与各种叶片材料表面碰撞速度对表面损伤潜伏阶段的持续时间m0、最大浸蚀速度和稳定浸蚀速度的实际影响特征。从广义上讲，这些数值可以用下列关系式来表示：mo = bo ； mo = po； = b1 ； = p1 ； = ； = p1， 其中b0， b1， k0， k1， 与水滴尺寸、结构材料的组织和性能相关的系数，p0， p1， ， 与碰撞速度、结构材料的组织和性能相关的系数。图3a示出的是反映直径为250 1200m的水滴与表面碰撞的速度对叶片钢和钛合金浸蚀潜伏阶段持续时间的影响的综合曲线；而图3示出的是反映碰撞速度为150 600m/s的水滴尺寸对这些结构材料浸蚀速度的影响的综合曲线。图3 水滴与表面的碰撞速度对潜伏阶段（）持续时间的影响以及水滴尺寸对叶片材料浸蚀过程最大及稳定速度的影响（）图中文字：1- m0 x 104，kg/m2 ； 2 C m/s ；3 dk ，m在各种直径的水滴和各种碰撞速度的条件下进行浸蚀试验研究的高精度综合结果，可以用来评定圆周速度的增大对浸蚀潜伏阶段持续时间和稳定浸蚀速度值的影响。尤其对钛合金BT6而言，当圆周速度从400m/s提高到700m/s时，浸蚀潜伏阶段的持续时间就将缩短到原来的1/15，而浸蚀磨损速度将提高到原来的10倍。如今已经积累了足够多的各种结构材料的浸蚀试验结果，可以将它们按照耐浸蚀性进行排列，形成结构材料的浸蚀潜伏阶段持续时间和浸蚀速度与耐浸蚀性能的关系图表。图4就是根据对莫斯科动力学院和其他单位的浸蚀研究结果进行分析和汇总而绘制的、有关常用叶片钢及钛合金以及司太立合金防蚀片的耐浸蚀性能图表。图 4 常用的叶片材料和司太立合金的浸蚀特性图中文字：1 相对浸蚀速度； 2 潜伏阶段持续时间相对值； 3 -司太立合金 在图中将20X13钢，-1、-6和TC-5钛合金以及司太立合金分别按照三个浸蚀特性指标（mo，）与15X11M钢进行了对比。显然，叶片钢及钛合金在潜伏阶段持续时间和浸蚀发展速度方面的指标远不如司太立合金。广泛应用司太立合金防蚀片来提高汽轮机动叶的耐浸蚀性能在很大程度上被证明是正确的。但是，正如上面指出的那样，由于种种原因，其应用前景很成问题。目前，仍然一直在寻找提高汽轮机湿蒸汽级动叶耐浸蚀性能的更为有效的方法。提高耐浸蚀性能的积极性和消极性措施的应用在汽轮机制造业发展的一定阶段的确在很大程度上减缓了浸蚀磨损问题的紧迫感。但是，随着汽轮机单机容量的不断增大，叶片的圆周速度也随之提高叶片的浸蚀可靠性及确保其所需使用寿命的问题又尖锐起来。在最近十年中，针对动叶浸蚀的主要措施就是对其进汽边进行强化处理和/或施加防蚀保护层。具体采用哪一种措施将取决于浸蚀试验的结果。至今很明显，在同一尺寸的水滴和同样的碰撞速度条件下对同一结构材料进行浸蚀试验的结果相互之间大部分不相吻合，不能成为与其他结果进行正确对比的依据，更不能作为选择提高耐浸蚀性能措施的依据。这种情况与大部分浸蚀试验中没有绘制浸蚀“曲线”以及没有找到浸蚀过程发展中三个基本阶段有关。于是，在对比各种结构材料的耐浸蚀性能时，均按照在同一碰撞参数下、在同一固定时间段内表面浸蚀破坏的平均深度进行。通过这种方法会得出对真实耐浸蚀性能的错误概念，特别是在对比经过强化处理和具有保护涂层的结构材料时。要使浸蚀试验结果可靠只有在利用能够进行高精度测量、并使一些关键性参数（水滴的尺寸、数量及其碰撞速度）保持所需水平的试验装置时才能获得。在这种情况下利用特定参数就能够精确确定所试验的材料的浸蚀特性，至少能够在一定的水滴尺寸及其碰撞速度下对材料的潜伏阶段持续时间，最大浸蚀速度和稳定浸蚀速度进行对比。当需要确定某种提高耐浸蚀性的方法有效性时，这点就特别迫切。图5所示是由不同层数的钛和钛的氮化物组成不同厚度的各种保护涂层与20X13叶片钢的相对耐浸蚀性对比图表。图中按照浸蚀潜伏阶段的持续时间m0以及最大浸蚀速度进行对比。根据这种方式得到的浸蚀试验结果就能够对结构材料的耐浸蚀性、强化处理的方法和保护涂层做出完全有根据的结论。图 5 带有不同厚度多层保护涂层的叶片钢相对耐浸蚀性图中文字：1 相对浸蚀速度； 2 - 6m厚度的涂层； 3 - 10m厚度的涂层； 4 - 12m厚度的涂层国内外的研究结果证明，在现今条件下提高叶片材料耐浸蚀性的最具有发展前景的方向就是：一方面，研制更有效的强化处理工艺和通用的耐磨涂层；而另一方面，要尽最大可能降低级的外围、动静叶之间间隙中、以及动叶根部区出汽边的湿度和大颗粒分散水滴的数量。根据大量研究结果确定，在现代条件下开发出来的表面强化处理工艺和保护涂层必须符合下列要求： 耐腐蚀/浸蚀性高（至少能与司太立合金相比美）； 有效的保护动叶进、出汽边所有表面； 动叶表面光洁度和叶型的原始特性不变； 在运行应力状态下保持涂层的有效性； 涂层的涂镀工艺过程对被保护的结构材料的组织结构以及包括疲劳特性在内的力学性能没有不良影响。根据这些极其苛刻的要求，最有发展前景的就是由门捷列夫周期表IVVI族过渡金属的氮化物、氧化物、碳化物及它们的化合物形成的多层保护涂层。 结论1. 如今主流的汽轮机生产厂家都在致力于开发用于大型汽轮机中装有超长叶片的新型湿蒸汽级，也就是说，由于新设计的动叶圆周速度明显提高，致使解决叶片材料浸蚀问题的迫切性达到了一个全新的水平。2. 如今尚缺乏有关大功率汽轮机两相流中水分在末级动静叶之间周向、轴向和径向特性的可信数据。