淺談600MW超臨界機組高中壓缸氧化皮的產(chǎn)生及處理

俞衛(wèi)剛

【摘??要】本文主要介紹600MW超臨界機組汽輪機在提效節(jié)能改造后的檢修中發(fā)現(xiàn)高中壓缸存在大面積氧化皮剝落問題，針對各項原因進行分析并指出處理的辦法。

【關(guān)鍵詞】高中壓缸;氧化皮剝落

1?概述

華潤電力（常熟）有限公司汽輪機由東方汽輪機廠引進日立技術(shù)制造的超臨界壓力首改型機組，超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、雙背壓、純凝汽式汽輪機，汽輪機型號：CLN600-24.2/566/566。高壓缸11級，中壓缸6個級，低壓缸2X2X7級[1]。

206A修期間，2機組進行提效節(jié)能改造。208C修期再次對2機高中壓缸揭缸檢修，發(fā)現(xiàn)2汽輪機的高中壓轉(zhuǎn)子、隔板、汽封、內(nèi)缸等部位存在氧化皮剝落。

2檢查情況

2.1高壓缸轉(zhuǎn)子檢查

高壓缸轉(zhuǎn)子共11級：

（1）高壓缸轉(zhuǎn)子1-5級的葉輪盤、轉(zhuǎn)軸部位，氧化皮有明顯剝落。

（2）高、中壓缸間汽封有氧化皮脫落。

（3）第1-3級葉片有氧化皮剝落后的花紋。第1級較明顯，第2級輕微，第3級不明顯。

（4）第5-11級葉輪盤、轉(zhuǎn)軸、葉片等各部位的氧化皮無剝落。

（5）第4-11葉片的正面光滑無積鹽，背面少量積鹽，積鹽評價為一類。第9級葉片背面積鹽最多，積鹽量為2.8mg/cm2，積鹽速率約0.3mg/（cm2.a）。

（6）高壓缸第1-3級、中壓缸第1-2級的氧化皮厚度測量，高壓缸1級的氧化皮約0.2mm，其他各處約0.07～0.12mm。

高壓內(nèi)缸進汽口附近有氧化皮脫落現(xiàn)象。高、中壓缸葉片無明顯固體顆粒磨蝕（SPE）。中壓缸內(nèi)受第2級葉片斷裂影響，第3-4級葉片有明顯變形、損壞現(xiàn)象。

2.2中壓缸轉(zhuǎn)子檢查情況

中壓缸轉(zhuǎn)子共6級：

（1）第1-2級的葉輪盤、轉(zhuǎn)軸部位有氧化皮脫落，其他各級氧化皮無明顯脫落。

（2）第1-2級圍帶內(nèi)側(cè)光滑，無氧化皮粉末沉積。第3-5級圍帶內(nèi)側(cè)，有硬塊狀金屬沉積物，應為第2級兩處葉片脫落所致。

3氧化皮脫落影響分析

206A檢修期間，2機組提效節(jié)能改造。高中壓缸轉(zhuǎn)子積鹽與腐蝕評價為一類，無氧化皮脫落。此次檢查高、中壓缸轉(zhuǎn)子葉片積鹽與腐蝕評價為一類，但進汽口附近汽溫較高部位存在氧化皮脫落。對比兩次大修檢查情況。

（1）兩次大修期間，2機水汽品質(zhì)控制良好，水汽帶入汽輪機的雜質(zhì)含量較低。本次檢查發(fā)現(xiàn)的氧化皮問題與水汽中的雜質(zhì)含量無關(guān)。

（2）氧化皮脫落發(fā)生在進汽口附近汽溫較高部位，故溫度對氧化皮脫落有直接影響。

研究表明，金屬表面氧化皮脫落不僅涉及合金本身的氧化生長動力學、氧化皮厚度、溫變幅度與速度、更與氧化皮形貌結(jié)構(gòu)、合金機械性能等因素，是一個多因素共同作用的復雜過程。針對2機組高中壓缸氧化皮脫落問題，結(jié)合提效節(jié)能改造前后大修檢查情況，從溫度、蒸汽溶解氧量、氧化皮厚度、熱瞬變等方面進行分析。

3.1溫度

2機組提效節(jié)能改造后，主蒸汽溫度從538℃提高至566℃，高中壓缸轉(zhuǎn)子與隔板整體更換，高壓缸轉(zhuǎn)子從調(diào)速級+7級沖動級，改為11級沖動級。轉(zhuǎn)子與隔板的材質(zhì)無變化，轉(zhuǎn)子輪轂材質(zhì)30Cr1Mo1V，葉片材質(zhì)2Cr11Mo1VNbN。研究表明高溫下水蒸氣氧化是一種特殊形式，金屬失去電子被氧化，吸附脫去2個氫質(zhì)子的水分子變成氧離子，再和金屬離子反應生成氧化鐵，氫質(zhì)子獲得電子還原為氫氣[2]。相同的金屬材料，蒸汽溫度越高，氧化鋼材的速度越快，氧化皮厚度增加越快。因此，提效改造后，主蒸汽溫度提高，加大了高溫部位氧化皮的生成與脫落的風險。對再熱蒸汽溫度進行檢查發(fā)現(xiàn)超570℃現(xiàn)象較多，強化了水蒸汽與鋼材發(fā)生氧化反應，加速氧化皮生成[3]。

3.2蒸汽中溶解氧

（1）2005年～2015年：給水溶解氧設定為100μg/L。主蒸汽含氧量不低于20μg/L。

（2）2016年2月～2018年7月：給水溶解氧設定為50μg/L。主蒸汽含氧量10～20μg/L。

（3）2018年8月～現(xiàn)今：給水采用質(zhì)溶機液態(tài)加氧，控制穩(wěn)定，溶解氧設定為20μg/L。主蒸汽溶解氧≤10μg/L。

自2016年提效節(jié)能改造后，給水加氧量不斷下調(diào)，主蒸汽的加氧量降低，僅前期蒸汽中存在外加溶氧。

兩次揭缸檢查顯示：更換前，在蒸汽溶解氧含量較高的情況下，運行10年，高中壓缸氧化皮并未發(fā)生脫落;更換后，溶解氧明顯降低，在材質(zhì)未發(fā)生變化的情況下，運行3年，反而發(fā)生了氧化皮脫落問題現(xiàn)象。說明氧化皮脫落是多重因素綜合作用。

以600MW機組為例，受熱面約4.6萬M2，若金屬表面生成0.001mm?Fe3O4膜需66kg溶解氧，依照給水20μg/L需通過給水659萬噸，鍋爐運行4個半月才能形成氧化膜保護。蒸汽含氫量表明，金屬表面氧化膜20～30小時即可形成。

研究表明在無溶解氧的水中，鐵和水可以反應生成Fe3O4并放出氫，確定了鐵水反應的就位氧化過程[4]。根據(jù)05年至今加氧值遞減情況，以及歷年的開缸檢查，給水加氧對高中壓缸氧化皮影響甚微。

3.3線膨脹系數(shù)

氧化皮與金屬基體的熱膨脹系數(shù)存在差異。600℃時，高壓轉(zhuǎn)子與氧化皮的線膨脹系數(shù)（與20℃間，×10-6℃-1）分別是：基體30Cr1Mo1V：14.15，氧化皮Fe2O3?脹系：12.9，氧化皮Fe3O4脹系：16.5。蒸汽中的氧與鋼反應生成氧化皮（包括Fe2O3、Fe3O4），其熱膨脹系數(shù)存在差異，在啟停機與負荷變化時，氧化皮受到較大的擠壓應力，可能發(fā)生破裂與脫落。按國網(wǎng)要求參與到深度調(diào)峰，負荷最低至227.5MW，對氧化皮的脫落有影響。

3.4氧化皮厚度

氧化皮在生長過程中會產(chǎn)生生長應力，而且隨氧化皮厚度增加應力增加，逐漸逼近應力（厚度）臨界值。現(xiàn)場對高壓第1-3級、中壓第1-2級的氧化皮厚度進行測量，其中高壓1級的氧化皮最厚，約0.2mm，其他各處大致0.07～0.12mm，氧化皮厚度較厚。厚度是否達到臨界值還與管材、溫降幅度和速度有關(guān)。

3.5熱瞬變

溫度變化時，合金和氧化皮都會發(fā)生相應的應變，即氧化皮與母材間的線膨脹系數(shù)不同產(chǎn)生的熱應力，尤其是當機組停機過程中，此熱應力達最大。不同降溫速率對氧化皮破裂脫落和產(chǎn)生裂縫的大小都有影響。

4?結(jié)論

2機高中壓缸內(nèi)氧化皮大面積脫落，主要集中在內(nèi)缸進汽口附近、高壓缸第1-4級葉輪盤、中壓缸第1-2級葉輪盤、高壓缸第1-2級葉片等蒸汽溫度較高的部位。

（1）提效節(jié)能改造后，主蒸汽溫度提高了28℃，加大了高溫部位氧化皮生成與脫落的風險，而且運行中存在超溫現(xiàn)象，此為氧化皮剝落主因。建議運行中嚴格控制主蒸汽、再熱蒸汽超溫現(xiàn)象。

（2）蒸汽中的外加溶氧是影響氧化皮生長與脫落的因素之一，從規(guī)避氧化皮脫落風險的角度，建議給水保持微氧處理，避免蒸汽存在外加溶氧。

（3）氧化皮發(fā)生脫落，為溫度升高、蒸汽存在外加溶氧、氧化皮厚度增加、線膨脹系數(shù)差異、負荷波動時熱瞬變應力增加等因素綜合作用的結(jié)過果。

參考文獻：

[1]華潤電力常熟有限公司《汽輪機運行規(guī)程》2018版

[2]王金寶.《超（超）臨界機組氧化皮優(yōu)化對策》，600/1000MW超超臨界機組技術(shù)交流2009年會.2019.11

[3]徐傳堂.《650MW超臨界機組#2號機汽輪機內(nèi)部氧化皮脫落的原因分析及對策》，內(nèi)燃機與配件.2019（20）

[4]于學斌、賀桂林、王海鷗、耿兆龍《超臨界機組加氧對氧化皮生成和剝離的影響》，熱力發(fā)電.2010

（作者單位：華潤電力（常熟）有限公司）