汽轮机固体颗粒物冲蚀-王鹏宇

1、超超临界汽轮机固体颗粒物冲蚀问题,王鹏宇,名字好听，压力大呀！,超临界带来的问题,固体颗粒物冲蚀（SPE） 喷嘴和叶片 的固体颗粒物冲蚀（SPE）是超临界参数汽轮机问世以来就面临的严重问题。 最要发生在 主蒸汽调节阀、主蒸汽旁路门、再热蒸汽调节阀、高压第一级、再热第一级。 原因是 锅炉过热、再热器管壁Fe2O3和Fe3O4 剥离形成的微粒进入汽轮机。,时髦称号,固体颗粒冲蚀（SPE),固体颗粒的来源： 固体颗粒主要是 锅炉过热器及主蒸汽管道内氧化垢层剥落所形成。 过热蒸汽管道内氧化膜形成分为 制造加工和运行中 两个阶段。 新锅炉投产前，一定要进行 酸洗、钝化及吹扫 （稳压法或不熄火降压法蒸汽吹

2、扫）以利在机组运行时形成良好的抗腐蚀氧化层。 过热蒸汽管道内壁在运行后所形成的氧化膜是由 水蒸汽和铁形成的氧化膜， 该膜分为二层，称为双层膜。外层称为延伸膜，是由于铁离子向外扩散和水中的氧离子向里扩散而形成的。内层的原生膜是水的氧离子对铁直接氧化的结果。,根源,固体颗粒冲蚀,固体颗粒的来源： 蒸汽中氧化膜的生成过程：开始时，氧化膜形成很快，一旦形成后，进一步的氧化便慢了下来，与时间呈抛物线关系。但在某些不利的运行条件下，如 超温、温度、压力波动条件下，金属表面双层膜就会变成多层膜的结构，这时氧化和时间变成直线关系。起初的双层膜进一步发展成为多个双层膜的多层氧化层结构，然后便会发生剥离。剥离是因

3、氧化膜与基体之间膨胀系数不同产生的应力作用而发生的。在负荷、温度和压力变化较大时，氧化层剥离特别容易发生。,类比“搪瓷”,固体颗粒冲蚀,固体颗粒的来源： 氧化层剥离条件：1、氧化层达到一定厚度 ；2、温度变化幅度、速度大。 由于热膨胀系数的差异，当垢层达到一定厚度后，温度发生变化，尤其是发生反复的或剧烈变化时，氧化层即很容易从金属本体剥离。 从过热器和再热器管剥离的氧化层，经过调门和喷嘴后，获得很大的速度和动能，撞击汽轮机叶片使高压级和中压前几级叶片受到很大的损伤。,固体颗粒物冲蚀现象,定义： 在超(超)临界参数条件下，主、再蒸汽在特定的工况下，携带了一定浓度的固体颗粒物，蒸汽在汽轮机膨胀加速

4、做功的过程中，对汽轮机产生冲击磨损的现象。,固体颗粒冲蚀,当蒸汽温度高于600 （580)时， 锅炉受热面管子高温腐蚀和汽侧氧化问题十分显著。 高压第一级喷嘴和动叶（13级）、中压第一级喷嘴和动叶（13级）的固体颗粒侵蚀比较严重。 1、喷嘴的加速过程，汽固两相流颗粒撞击破坏 喷嘴出汽边的内弧损 损害较大。 2、动叶进口处（颗粒速度蒸汽流速）动叶进气边背弧 损害较大。 3、颗粒与固体壁面碰撞动叶片反弹回来的固体颗粒冲击产生， 喷嘴的出汽边背弧 损害较大。,速度三角形,喷嘴腹背受敌,惯性定律,固体颗粒冲蚀,固体颗粒冲蚀,固体颗粒冲蚀的危害性 固体颗粒冲蚀损害调节级喷嘴叶片和动叶片的型线，使汽轮机组

5、热效率下降，降低机组可用率，增加机组的维修费用。,固体颗粒物冲蚀,颗粒物的基本形态 颗粒属性：金属氧化物颗粒，以磁性四氧化三铁为主（Fe3O4），具有较高的硬度。 粒径分布：0.2mm左右 粒子形态：以片状扁平形态为主 颗粒源头及基本形成：锅炉受热面汽水侧（内表面） 钝化膜：加氧方式下，形成的致密金属氧化物钝化膜，覆盖于金属表面，对金属基材具有保护作用 氧化皮：钝化膜脱落，形成所谓的氧化皮，可能堆积于受热面内，或随蒸汽携带 颗粒物：被蒸汽携带的过程中，不断撞击、破碎，最后随主、再蒸汽进入汽轮机,现原形,固体颗粒物冲蚀,固体颗粒物冲蚀损伤部位 汽轮机的主、再蒸汽阀门 损伤原因 1、阀门开度较小时

6、，蒸汽节流，固体颗粒冲刷严重。 2、阀门蒸汽转向，口径变化蒸汽加速（携带颗粒物）固体颗粒加速冲击。 高压缸 第一级（相对严重），（特别是调节级） 其他高温通流段 中压缸 第一级（相对严重） 其他高温通流段 旁路阀门（高/低压旁路阀）,可怜的汽机妹妹,固体颗粒物冲蚀,固体颗粒物冲蚀的危害 主、再蒸汽阀严密性下降 极端情况跳闸、甩负荷工况下易超速 甚至会改变阀门型线（阀芯、阀座）控制过程流量曲线变化 影响惰走进程及盘车投运 预防措施 进行阀门严密性试验 对阀体进行检修 旁路阀严密性下降 工质内漏、损耗，机组经济性下降 （益处：使旁路处于“热备用”状态）,比股票 还要命,固体颗粒物冲蚀,汽轮机叶片速

7、度系数降低，流动效率下降 表面粗糙度变大，喷嘴损失、动叶损失增大相对内效率 叶片型线变化，蒸汽加速能力 汽流方向角变化速度三角形畸变 严重情况下，导致叶片事故 叶片结构强度下降叶片事故断裂 叶片振动特性偏离设计（减薄）诱发叶片振动机组安全性下降,影响钱！,罢工,固体颗粒冲蚀及预防对策,固体颗粒对壁面冲蚀的机理,武功再高 也怕飞刀,固体颗粒冲蚀,数种常见的颗粒冲击型态 (a)微切削 (b)表面裂纹 (c)挤伸和锻压 (d)微裂纹 (e)疲劳屑片 (f)挤伸突起屑片,小李飞刀,“王麻子”,固体颗粒冲蚀,固体颗粒对壁面冲蚀的机理 影响材料磨蚀率的因素复杂多样，在实际中，磨蚀率取决于各因素的综合效应，

8、一般可将归纳为三大类： 1、 冲击型式：冲击角度、冲击速度。 2、 颗粒性质：形状、大小、密度及浓度。 3、 靶材性质：材料结构、硬度、塑性、加工硬化性、残留应力、表面状况等。,准、狠,自身原因,固体颗粒冲蚀,防止固体颗粒冲蚀的对策 对于喷嘴出汽边内弧面被撞击造成高压级喷嘴的冲蚀损坏，减少这种冲蚀的方法 1、减少喷嘴数目、增大其横截面积；2、改进喷嘴静叶的叶型、减小汽流的转向折转角、增大折转半径，使颗粒较容易地通过。 1、通过采用倾斜高压级喷嘴，可显著减少撞击在喷嘴出口边表面上的固体颗粒数量。 2、使固体颗粒入射角减少到侵蚀率比较小的角度。 3、采用保护涂层等措施。,改变自己,加装备 打铁也要

9、自身硬,固体颗粒冲蚀,防止固体颗粒冲蚀的对策 良好的喷嘴曲线。改进叶型使压力面型线角平直，没有大的折转角，因此固体颗粒碰撞角比较小。通过叶型气动设计提高喷嘴抗冲蚀性能的主要途径是减少固体颗粒的碰撞速度和碰撞角度。改进喷嘴的固体颗粒碰撞速度及碰撞角度都有较大幅度的下降。 设计喷嘴时，适当的增大栅距可以减少碰撞颗粒的数量，因而也能减少对叶片的冲蚀。 调节级作为大焓降冲动式设计，是SPE损伤最严重的部位，尽量采用无调节级设计。,变形态,拉开距离,全周进汽,汽轮机叶片蒸汽的流动及颗粒的携带,颗粒在喷嘴叶栅中的流场,斜置式叶栅中颗粒流动分离,再热第一级防范措施 再热第一级冲蚀主要表现在导叶出口背弧上，其

10、机理是静/动叶片之间固体颗粒物复杂的多重反射冲击现象。来自导叶出口的粒子首先打在动叶进汽边背弧上，粒子在动叶上获得巨大切向速度，并以小角度冲击导叶出口背弧表面，对导叶形成严重的冲蚀。 因此，防止再热第一级的SPE的有效措施是 合理加大动/静叶片的轴向间隙，使从动叶反射的固体颗粒物被主流吹回动叶流道而不能打在静叶出口背弧上，切断固体颗粒物粒子多重反射的途径。,距离产生“没”,固体颗粒冲蚀,汽轮机制造中采取的预防措施 通过表面强化的方法来改善喷嘴抗冲蚀性能的 主要途径是提高表层材料的硬度。 目前表面涂层技术主要有 表面等离子喷涂工艺和扩散渗层工艺。 等离子喷涂工艺形成的涂层非常耐侵蚀，几乎可以用于

11、通流部分的所有部件。但会受部件结构限制，不能用于喷涂喷嘴出汽边的内弧面。,金属材料学,硬碰硬,固体颗粒冲蚀,汽轮机制造中采取的预防措施 镀耐冲蚀涂层，厚度为0.050.10mm的涂层可维持2年。等离子喷耐冲蚀涂层将材料抗冲蚀能力可提高9倍。 采用合金扩散渗层工艺能解决受结构限制而无法用等离子喷涂的问题，渗层的最大厚度小于等于0.076mm。扩散渗层技术可解决已投运机组第一级喷嘴室和用螺栓固定的喷嘴弧段的耐冲蚀问题。主要是硼化物扩散渗层。 在各种硬化处理的涂层中，硼化处理被认为是最好的一种。常用12Cr钢喷嘴施以硼化处理,浓缩的精华,至高心法,固体颗粒冲蚀,锅炉应采取的预防措施 1、在炉管内壁渗

12、铬以防止产生金属氧化物是一种解决固体颗粒冲蚀的十分有效办法。 2、对过热器和再热器进行酸洗，清除管壁上的金属氧化物，但该工艺的费用很高。 3、在锅炉酸洗后对炉管进行酸洗钝化处理，以改善磁性氧化铁的粘附力。从而使之具有长期抗剥落的能力，这样减少了金属氧化物的形成和剥落，减少固体颗粒物的生成。,铬、镍 super304H HR3C,固体颗粒冲蚀,机组运行中应采取的预防措施 1、充分利用机组旁路系统，较好的控制温度偏差，减少氧化皮产生和剥落，并通过高低旁的配合对炉内氧化皮进行冲洗。 2、要充分重视机组调试阶段防止炉内固体颗粒进入汽轮机，调试启动时可延长使用旁路的时间，或设置临时细目滤网。 3、低负荷

13、工况下固体颗粒更易反弹至喷嘴背弧，引起喷嘴出汽背弧严重冲蚀，因此应尽量避免汽轮机在低负荷下长期运行。 4、氧化皮的剥离主要发生在降温时，而当机组重新启动时，剥离的碎片被带入汽轮机。控制好蒸汽参数，防止蒸汽温度大幅波动。 5、降低压力可以减小蒸汽流速，变压运行优于定压运行。,固体颗粒物冲蚀的综合影响因素,颗粒物源头锅炉 炉型 型布置 热偏差大，易堆积氧化皮，爆管几率高，颗粒物难以处理 塔式布置 热偏差小，氧化皮易携带，爆管几率低，颗粒物易处理 受热面材质 局部热偏差 钝化膜的生长及脱落 材质，奥氏体钢（560度以上）氧化皮易剥落（0.1mm） 化学工况，水质影响、加氧处理 工作温度，超温 温度变

14、化，变化速率,铬钼钢540度以下 （0.20.5mm),从割管中表现的氧化皮、固体颗粒,飞刀,我国1000MW汽轮机的防SPE措施,固体颗粒物冲蚀的综合影响因素,其他相关因素 旁路 旁路的形式、容量（与造价相关） 小容量（10%）单级大旁路（早期东汽，对锅炉氧化皮、汽机固体颗粒防范很不利） （3040）%、级串联旁路 （现多应用） 100% 级、65%级串联旁路 （上汽） 化学水工况（参照电厂化学） 水质，要求严格 化学水工况，加氧处理,化学也很重要,固体颗粒物冲蚀的综合影响因素,采取严格的给水水质控制标准和有效措施： 对铜、氧离子、含氧量、钠及氯离子、pH值的控制应更严格。 设置完善的补给水

15、处理系统，100凝结水的精处理系统，腐蚀产物对给水的污染。 整个汽水系统必须为无铜，消除铜沉积物的危害。化学清洗设备定期清除水汽系统聚集的沉积物，避免在停运时的腐蚀。 严格防止凝汽器泄漏，采用抗腐蚀性能好的钛管/不锈钢管，采用胀接后再焊接密封的工艺等技术措施。,固体颗粒物冲蚀有效防范措施,（1）系统工程 主体受损部位在汽轮机本体及系统内 汽轮机内已采取了一定的防范措施，但并不是汽轮机本身能全部解决完成的 整体涉及到单元机组的各个主体设备 是系统总体设计、材质、施工工艺、实际运行的综合系统工程,全局意识,全民抗战,固体颗粒物冲蚀有效防范措施,（2）设备配置 锅炉 塔式炉：相对占优 型炉：相对较差

16、 汽轮机 宜采用节流方式运行，压力级方式运行 旁路 建议采用、级串联旁路 容量不但要满足锅炉的基本稳燃需求，还应满足防范氧化皮脱落的要求 给水泵组 对于纯汽泵模式，应充分保证其可靠性 化学工况 适时转入加氧方式运行,有钱才能来,固体颗粒物冲蚀有效防范措施,（3）实际运行 新机组 严格的酸洗、冲管，保障汽水品质 保证主、再蒸汽清洁 启动进程中，利用旁路系统洁净蒸汽 防范高颗粒物浓度蒸汽进入汽轮机做功 汽轮机 新机组612个月宜节流方式运行 启动进程及2472小时内宜节流方式运行 锅炉平稳运行，防范氧化皮脱落,固体颗粒物冲蚀有效防范措施,单元机组平稳运行，防范氧化皮脱落 机组大幅度变负荷 AGC负荷需求 RB工况 甩负荷工况（停线不停电、停电不