汽輪機(jī)低壓末級葉片腐蝕原因分析及其表面防護(hù)處理

摘要：隨著電站汽輪機(jī)大容量化，葉片的安全可靠性和保持高效率顯得尤其重要。葉片是汽輪機(jī)的關(guān)鍵零件之一。它在極苛刻的條件下承受高溫、高壓、巨大的離心力、蒸汽力、蒸汽激振力、腐蝕和振動(dòng)以及濕蒸汽區(qū)水滴沖蝕的共同作用。因此很有必要及時(shí)調(diào)查研究、分析、總結(jié)葉片尤其是末級和調(diào)節(jié)級葉片發(fā)生的各種損傷原因及防止發(fā)生損傷的各種措施。本文著重研究分析汽輪機(jī)低壓末級葉片腐蝕原因及其表面防護(hù)處理。

關(guān)鍵詞：末級葉片；腐蝕；表面防護(hù)

前言

汽輪機(jī)低壓末級的輸出功率約占機(jī)組總輸出功率的10%左右，因此低壓末級的性能穩(wěn)定尤為重要。但是在汽輪機(jī)大修過程中發(fā)現(xiàn)，汽缸的低壓部分和轉(zhuǎn)子的末幾級葉片都存在嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象。在汽缸的高壓部分除出現(xiàn)少量積鹽以外，并沒有出現(xiàn)低壓部分的現(xiàn)象。

1 腐蝕原因

1.1 水沖蝕。汽輪機(jī)在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，低壓末幾級的工況較其他級變化最大。隨著機(jī)組功率的增大，低壓級組子午流道擴(kuò)張角增大，葉高增加，當(dāng)其相對設(shè)計(jì)工況的容積流量急劇減少時(shí)，會使流場參數(shù)發(fā)生很大變化。末級長葉片在小容積流量、真空工況運(yùn)行，葉片底部會有較大的反動(dòng)度，對設(shè)計(jì)不妥的動(dòng)葉片下半部造成大范圍的回流區(qū)。負(fù)荷越低，回流區(qū)越大。在啟動(dòng)和并網(wǎng)初始，回流范圍甚至擴(kuò)大到整個(gè)排汽缸。而且大功率凝汽式汽輪機(jī)的末級排汽濕度總是比較大，因此末級動(dòng)葉后汽流中攜帶大量水滴，回流的蒸汽攜帶水滴沖擊在高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)葉下半部形成水沖蝕。

1．2 酸腐蝕。汽輪機(jī)酸腐蝕是由于蒸汽中的酸性物質(zhì)在汽輪機(jī)低壓缸初凝區(qū)汽——液兩相間，優(yōu)先分配在初凝水中。由于給水堿化劑是氨，分配系數(shù)較大，主要存在汽相，而酸性物質(zhì)在初凝水中濃縮，PH值降低，導(dǎo)致對酸性物質(zhì)比較敏感的鑄鐵、鋼件的腐蝕。

當(dāng)主蒸汽經(jīng)過高壓缸做功后進(jìn)入低壓缸（特別是末幾級葉片），由于蒸汽的擴(kuò)容和溫度壓力的降低，蒸汽將變成飽和蒸汽甚至是濕蒸汽。在低壓缸的干濕蒸汽轉(zhuǎn)換區(qū)（威爾遜線區(qū)），由于蒸汽凝結(jié)形成凝結(jié)水，從而使蒸汽中的雜質(zhì)在此區(qū)域內(nèi)汽液兩相重新分配。由于氨的分配系數(shù)大，原來維持蒸汽PH值的氨絕大多數(shù)留在汽相中，這時(shí)水相的PH值就很低。當(dāng)蒸汽的PH值為9左右時(shí)，水相的PH值為7~8，最低時(shí)為6左右。此時(shí)若有空氣漏入汽輪機(jī)或者含氧量超標(biāo)會加劇酸性腐蝕。

1．3 氧腐蝕。金屬的氧腐蝕一般與下列因素有關(guān)：溶解氧、PH值、水溫、水質(zhì)、熱負(fù)荷和水流速度等。其中溶解氧和PH值是最重要的影響腐蝕的因素。金屬氧腐蝕是屬于電化學(xué)腐蝕，原理是：金屬壁的氧化鐵保護(hù)膜因水質(zhì)惡化和熱力等因素部分被破壞，在露出的鋼表面水和保護(hù)膜表面之間形成局部電池。鐵從陽極析出，形成腐蝕。鋼的氧腐蝕特征是在被腐蝕的表面形成許多大小不一的鼓包。鼓包表面的顏色可能從黃褐色到磚紅色。表層下的腐蝕產(chǎn)物是黑色粉末狀。如果清除這些黑色粉末會看到金屬表面上的腐蝕坑。形成腐蝕坑的主要原因是在腐蝕產(chǎn)物膜下形成缺氧的活化陽極區(qū)，外部富氧陰極區(qū)，構(gòu)成電池，形成電化學(xué)腐蝕。

汽輪機(jī)汽缸氧腐蝕主要是由于在備用或者檢修過程中停機(jī)保護(hù)措施執(zhí)行不好，使得空氣漏入汽缸中。另外，機(jī)組運(yùn)行過程中，有空氣漏入汽缸也會產(chǎn)生氧腐蝕。

2 末級葉片的防護(hù)

2.1 解決汽輪機(jī)低壓末級腐蝕問題一般從以下方面入手：

2.1.1 研究末級長葉片水沖蝕的大機(jī)組調(diào)峰或低負(fù)荷運(yùn)行方式，用三元流理論驗(yàn)算并有選擇性地進(jìn)行流場和動(dòng)應(yīng)力實(shí)測，以確定機(jī)組帶最低負(fù)荷的安全限制值。2.1.2 研究進(jìn)入汽輪機(jī)低壓部分的濕蒸汽中水滴的形成過程，從設(shè)計(jì)上改進(jìn)末級葉片的型線，從而減少水滴的形成；采用去濕隔板，以降低蒸汽濕度。2.1.3 提高除鹽水的質(zhì)量，加強(qiáng)汽水的化學(xué)監(jiān)督，保證蒸汽品質(zhì)。2.1.4 在爐水中加一定的NaOH，一方面提高爐水PH值，另一方面減少氨的用量，減少氨在低壓缸初凝區(qū)因分配系數(shù)大使初凝水呈現(xiàn)酸性的影響。2.1.5 采用消極的表面保護(hù)措施，以減緩末級葉片的腐蝕速度。

2.2 末級葉片的表面防護(hù)。末級葉片的防護(hù)措施可分為2大類：第1類是局部加覆蓋層，即在進(jìn)汽邊的局部位置覆蓋一層新合金。如鑲置司太立合金、電火花強(qiáng)化、激光熔覆和噴涂等。第2類是表面淬硬，主要技術(shù)手段有火焰淬火強(qiáng)化、高頻感應(yīng)加熱淬火、激光表面淬火等。

2.2.1 鑲置司太立合金。司太立合金有較高的硬度和較好的韌性，水滴撞擊時(shí)變形量小，抗水蝕沖刷性能好，具有較高的組織穩(wěn)定性，盡管超出一定范圍也會出現(xiàn)水蝕，但抵制斷裂能力好，即使出現(xiàn)嚴(yán)重水蝕，也不易產(chǎn)生裂紋。同時(shí)根據(jù)運(yùn)行情況可選擇不同形狀的合金，當(dāng)水蝕嚴(yán)重時(shí)，可更換新的合金片，非常適合葉片的工作條件，所以鑲置司立太合金是防止汽輪機(jī)葉片水蝕最普遍采用的方法。

2.2.2 電火花強(qiáng)化。電火花強(qiáng)化是直接利用火花放電的高密度能量作為正極的電極材料熔化、涂覆、熔摻進(jìn)金屬工件的表層，形成合金化的表面強(qiáng)化層，從而使工件表面的物理、化學(xué)和機(jī)械性能得到改善。電火花表面強(qiáng)化工藝具有以下特點(diǎn)：操作簡單、不會使工件退火或熱變形，不會產(chǎn)生環(huán)境污染，可對工件表面進(jìn)行局部強(qiáng)化等。一般的研究表明，采用硬質(zhì)合金作強(qiáng)化電極進(jìn)行電火花強(qiáng)化，在材料表面形成一層一定厚度的硬化層，這層硬化層的硬度較高，耐磨粒磨損、耐水刷能力越強(qiáng)。但是硬化層不能太厚，否則容易產(chǎn)生表面裂紋，從而影響防水蝕效果。

2.2.3 熱噴涂。熱噴涂是指將熔融狀態(tài)的噴涂材料通過高速氣流將其霧化，噴射到工件上形成噴涂層的一種表面加工方法。主要可分為火焰噴涂、超音速火焰噴涂、等離子噴涂、電弧噴涂及高速電弧噴涂等。今年來，特別是超音速電弧噴涂技術(shù)的迅速發(fā)展，涂層的硬度和結(jié)合強(qiáng)度更高。涂層孔隙率更低，氧化物含量更低，因此葉片可獲得更好的防護(hù)效果。

2.2.4 激光熔覆。激光熔覆是將具有某種特性（耐磨、耐熱、耐蝕等）的合金預(yù)制粉末涂覆在金屬工件表面，或在激光處理的同時(shí)噴于激光處理區(qū)，使之在激光作用下熔化、擴(kuò)展并凝固，與基體以冶金方式結(jié)合，形成性能優(yōu)良的表面包覆層。這種技術(shù)適用與大、中功率機(jī)組各種材料葉片的水蝕防護(hù)。

2.2.5 火焰淬火強(qiáng)化。火焰淬火強(qiáng)化是在葉片進(jìn)汽邊用乙炔——氧或者煤氣——氧的混合氣體燃燒的高溫火焰加熱淬火，以獲得高硬度的馬氏體組織和淬硬層。該方法工藝簡單，但溫度不易控制，易產(chǎn)生形變、裂紋和硬度不均等問題。

2.2.6 高頻淬火強(qiáng)化。高頻淬火強(qiáng)化是利用電磁感應(yīng)方法在工件表面產(chǎn)生高頻率的感應(yīng)電流，依靠這種電流和工件本身的電阻，使工件表面迅速加熱到淬火溫度，而內(nèi)部溫度仍接近室溫，然后立即噴水冷卻，使工件表面淬硬。由于葉片一般是由三維空間扭曲成型，型線復(fù)雜，高頻淬火加熱時(shí)不易保證淬火部位受熱均勻。影響葉片高頻感應(yīng)淬硬因素較多：高頻設(shè)備控溫的靈敏度、葉片裝夾位置的偏差及葉型的偏差、感應(yīng)線圈適應(yīng)性、測溫儀和測溫點(diǎn)的選擇、葉片與感應(yīng)線圈的間隙、感應(yīng)線圈包覆寬度等，必須按葉片的實(shí)際情況通過試驗(yàn)確定。

2.2.7 局部激光表面淬火。當(dāng)激光束掃射經(jīng)過黑化處理涂有吸能材料的金屬表面時(shí)，激光束能量被吸收到金屬材料表層內(nèi)，使溫度達(dá)到相變點(diǎn)以上。當(dāng)激光束快速從金屬表面離開，熱量迅速由表面?zhèn)髦列静?，使表面得到快速冷卻，從而使金屬表層發(fā)生快速淬火，引起相變硬化。由于高的冷卻速度產(chǎn)生高密度位錯(cuò)強(qiáng)化，相同的材料經(jīng)過激光表面淬火處理后，硬度要比感應(yīng)淬火硬度高20%，變形很小，晶粒要細(xì)很多。

3 結(jié)論

在發(fā)電廠熱力設(shè)備發(fā)生的事故中，因腐蝕問題引起的事故占很大比例。通過分析汽輪機(jī)低壓末級葉片腐蝕的原因，提出有效的防護(hù)辦法，特別闡述了葉片表面抗腐蝕處理。通過對葉片的防護(hù)，減緩了葉片的腐蝕速度，提高葉片的穩(wěn)定性能。提高汽輪機(jī)及整個(gè)機(jī)組的效率。對汽輪機(jī)的發(fā)展有著極其重要的意義。

參考文獻(xiàn)

[1]李軍普.汽輪機(jī)低壓部分腐蝕分析.河北煤炭,2008(5):45-46

[2]胡平.汽輪機(jī)末級葉片表面防水蝕處理工藝及發(fā)展.表面技術(shù),2008,(37)6:78-80

作者簡介：周景云（1970-），男 漢族河北省靜?？h調(diào)度室助理工程師。