汽輪機固體顆粒物沖蝕-王鵬宇

1、超超臨界汽輪機固體顆粒物沖蝕問題,王鵬宇,名字好聽，壓力大呀！,超臨界帶來的問題,固體顆粒物沖蝕（SPE） 噴嘴和葉片 的固體顆粒物沖蝕（SPE）是超臨界參數(shù)汽輪機問世以來就面臨的嚴重問題。 最要發(fā)生在 主蒸汽調(diào)節(jié)閥、主蒸汽旁路門、再熱蒸汽調(diào)節(jié)閥、高壓第一級、再熱第一級。 原因是 鍋爐過熱、再熱器管壁Fe2O3和Fe3O4 剝離形成的微粒進入汽輪機。,時髦稱號,固體顆粒沖蝕（SPE),固體顆粒的來源： 固體顆粒主要是 鍋爐過熱器及主蒸汽管道內(nèi)氧化垢層剝落所形成。 過熱蒸汽管道內(nèi)氧化膜形成分為 制造加工和運行中 兩個階段。 新鍋爐投產(chǎn)前，一定要進行 酸洗、鈍化及吹掃 （穩(wěn)壓法或不熄火降壓法蒸汽吹

2、掃）以利在機組運行時形成良好的抗腐蝕氧化層。 過熱蒸汽管道內(nèi)壁在運行后所形成的氧化膜是由 水蒸汽和鐵形成的氧化膜， 該膜分為二層，稱為雙層膜。外層稱為延伸膜，是由于鐵離子向外擴散和水中的氧離子向里擴散而形成的。內(nèi)層的原生膜是水的氧離子對鐵直接氧化的結果。,根源,固體顆粒沖蝕,固體顆粒的來源： 蒸汽中氧化膜的生成過程：開始時，氧化膜形成很快，一旦形成后，進一步的氧化便慢了下來，與時間呈拋物線關系。但在某些不利的運行條件下，如 超溫、溫度、壓力波動條件下，金屬表面雙層膜就會變成多層膜的結構，這時氧化和時間變成直線關系。起初的雙層膜進一步發(fā)展成為多個雙層膜的多層氧化層結構，然后便會發(fā)生剝離。剝離是因

3、氧化膜與基體之間膨脹系數(shù)不同產(chǎn)生的應力作用而發(fā)生的。在負荷、溫度和壓力變化較大時，氧化層剝離特別容易發(fā)生。,類比“搪瓷”,固體顆粒沖蝕,固體顆粒的來源： 氧化層剝離條件：1、氧化層達到一定厚度 ；2、溫度變化幅度、速度大。 由于熱膨脹系數(shù)的差異，當垢層達到一定厚度后，溫度發(fā)生變化，尤其是發(fā)生反復的或劇烈變化時，氧化層即很容易從金屬本體剝離。 從過熱器和再熱器管剝離的氧化層，經(jīng)過調(diào)門和噴嘴后，獲得很大的速度和動能，撞擊汽輪機葉片使高壓級和中壓前幾級葉片受到很大的損傷。,固體顆粒物沖蝕現(xiàn)象,定義： 在超(超)臨界參數(shù)條件下，主、再蒸汽在特定的工況下，攜帶了一定濃度的固體顆粒物，蒸汽在汽輪機膨脹加速

4、做功的過程中，對汽輪機產(chǎn)生沖擊磨損的現(xiàn)象。,固體顆粒沖蝕,當蒸汽溫度高于600 （580)時， 鍋爐受熱面管子高溫腐蝕和汽側氧化問題十分顯著。 高壓第一級噴嘴和動葉（13級）、中壓第一級噴嘴和動葉（13級）的固體顆粒侵蝕比較嚴重。 1、噴嘴的加速過程，汽固兩相流顆粒撞擊破壞 噴嘴出汽邊的內(nèi)弧損 損害較大。 2、動葉進口處（顆粒速度蒸汽流速）動葉進氣邊背弧 損害較大。 3、顆粒與固體壁面碰撞動葉片反彈回來的固體顆粒沖擊產(chǎn)生， 噴嘴的出汽邊背弧 損害較大。,速度三角形,噴嘴腹背受敵,慣性定律,固體顆粒沖蝕,固體顆粒沖蝕,固體顆粒沖蝕的危害性 固體顆粒沖蝕損害調(diào)節(jié)級噴嘴葉片和動葉片的型線，使汽輪機組

5、熱效率下降，降低機組可用率，增加機組的維修費用。,固體顆粒物沖蝕,顆粒物的基本形態(tài) 顆粒屬性：金屬氧化物顆粒，以磁性四氧化三鐵為主（Fe3O4），具有較高的硬度。 粒徑分布：0.2mm左右 粒子形態(tài)：以片狀扁平形態(tài)為主 顆粒源頭及基本形成：鍋爐受熱面汽水側（內(nèi)表面） 鈍化膜：加氧方式下，形成的致密金屬氧化物鈍化膜，覆蓋于金屬表面，對金屬基材具有保護作用 氧化皮：鈍化膜脫落，形成所謂的氧化皮，可能堆積于受熱面內(nèi)，或隨蒸汽攜帶 顆粒物：被蒸汽攜帶的過程中，不斷撞擊、破碎，最后隨主、再蒸汽進入汽輪機,現(xiàn)原形,固體顆粒物沖蝕,固體顆粒物沖蝕損傷部位 汽輪機的主、再蒸汽閥門 損傷原因 1、閥門開度較小時

6、，蒸汽節(jié)流，固體顆粒沖刷嚴重。 2、閥門蒸汽轉向，口徑變化蒸汽加速（攜帶顆粒物）固體顆粒加速沖擊。 高壓缸 第一級（相對嚴重），（特別是調(diào)節(jié)級） 其他高溫通流段 中壓缸 第一級（相對嚴重） 其他高溫通流段 旁路閥門（高/低壓旁路閥）,可憐的汽機妹妹,固體顆粒物沖蝕,固體顆粒物沖蝕的危害 主、再蒸汽閥嚴密性下降 極端情況跳閘、甩負荷工況下易超速 甚至會改變閥門型線（閥芯、閥座）控制過程流量曲線變化 影響惰走進程及盤車投運 預防措施 進行閥門嚴密性試驗 對閥體進行檢修 旁路閥嚴密性下降 工質(zhì)內(nèi)漏、損耗，機組經(jīng)濟性下降 （益處：使旁路處于“熱備用”狀態(tài)）,比股票 還要命,固體顆粒物沖蝕,汽輪機葉片速

7、度系數(shù)降低，流動效率下降 表面粗糙度變大，噴嘴損失、動葉損失增大相對內(nèi)效率 葉片型線變化，蒸汽加速能力 汽流方向角變化速度三角形畸變 嚴重情況下，導致葉片事故 葉片結構強度下降葉片事故斷裂 葉片振動特性偏離設計（減?。┱T發(fā)葉片振動機組安全性下降,影響錢！,罷工,固體顆粒沖蝕及預防對策,固體顆粒對壁面沖蝕的機理,武功再高 也怕飛刀,固體顆粒沖蝕,數(shù)種常見的顆粒沖擊型態(tài) (a)微切削 (b)表面裂紋 (c)擠伸和鍛壓 (d)微裂紋 (e)疲勞屑片 (f)擠伸突起屑片,小李飛刀,“王麻子”,固體顆粒沖蝕,固體顆粒對壁面沖蝕的機理 影響材料磨蝕率的因素復雜多樣，在實際中，磨蝕率取決于各因素的綜合效應，

8、一般可將歸納為三大類： 1、 沖擊型式：沖擊角度、沖擊速度。 2、 顆粒性質(zhì)：形狀、大小、密度及濃度。 3、 靶材性質(zhì)：材料結構、硬度、塑性、加工硬化性、殘留應力、表面狀況等。,準、狠,自身原因,固體顆粒沖蝕,防止固體顆粒沖蝕的對策 對于噴嘴出汽邊內(nèi)弧面被撞擊造成高壓級噴嘴的沖蝕損壞，減少這種沖蝕的方法 1、減少噴嘴數(shù)目、增大其橫截面積；2、改進噴嘴靜葉的葉型、減小汽流的轉向折轉角、增大折轉半徑，使顆粒較容易地通過。 1、通過采用傾斜高壓級噴嘴，可顯著減少撞擊在噴嘴出口邊表面上的固體顆粒數(shù)量。 2、使固體顆粒入射角減少到侵蝕率比較小的角度。 3、采用保護涂層等措施。,改變自己,加裝備 打鐵也要

9、自身硬,固體顆粒沖蝕,防止固體顆粒沖蝕的對策 良好的噴嘴曲線。改進葉型使壓力面型線角平直，沒有大的折轉角，因此固體顆粒碰撞角比較小。通過葉型氣動設計提高噴嘴抗沖蝕性能的主要途徑是減少固體顆粒的碰撞速度和碰撞角度。改進噴嘴的固體顆粒碰撞速度及碰撞角度都有較大幅度的下降。 設計噴嘴時，適當?shù)脑龃髺啪嗫梢詼p少碰撞顆粒的數(shù)量，因而也能減少對葉片的沖蝕。 調(diào)節(jié)級作為大焓降沖動式設計，是SPE損傷最嚴重的部位，盡量采用無調(diào)節(jié)級設計。,變形態(tài),拉開距離,全周進汽,汽輪機葉片蒸汽的流動及顆粒的攜帶,顆粒在噴嘴葉柵中的流場,斜置式葉柵中顆粒流動分離,再熱第一級防范措施 再熱第一級沖蝕主要表現(xiàn)在導葉出口背弧上，其

10、機理是靜/動葉片之間固體顆粒物復雜的多重反射沖擊現(xiàn)象。來自導葉出口的粒子首先打在動葉進汽邊背弧上，粒子在動葉上獲得巨大切向速度，并以小角度沖擊導葉出口背弧表面，對導葉形成嚴重的沖蝕。 因此，防止再熱第一級的SPE的有效措施是 合理加大動/靜葉片的軸向間隙，使從動葉反射的固體顆粒物被主流吹回動葉流道而不能打在靜葉出口背弧上，切斷固體顆粒物粒子多重反射的途徑。,距離產(chǎn)生“沒”,固體顆粒沖蝕,汽輪機制造中采取的預防措施 通過表面強化的方法來改善噴嘴抗沖蝕性能的 主要途徑是提高表層材料的硬度。 目前表面涂層技術主要有 表面等離子噴涂工藝和擴散滲層工藝。 等離子噴涂工藝形成的涂層非常耐侵蝕，幾乎可以用于

11、通流部分的所有部件。但會受部件結構限制，不能用于噴涂噴嘴出汽邊的內(nèi)弧面。,金屬材料學,硬碰硬,固體顆粒沖蝕,汽輪機制造中采取的預防措施 鍍耐沖蝕涂層，厚度為0.050.10mm的涂層可維持2年。等離子噴耐沖蝕涂層將材料抗沖蝕能力可提高9倍。 采用合金擴散滲層工藝能解決受結構限制而無法用等離子噴涂的問題，滲層的最大厚度小于等于0.076mm。擴散滲層技術可解決已投運機組第一級噴嘴室和用螺栓固定的噴嘴弧段的耐沖蝕問題。主要是硼化物擴散滲層。 在各種硬化處理的涂層中，硼化處理被認為是最好的一種。常用12Cr鋼噴嘴施以硼化處理,濃縮的精華,至高心法,固體顆粒沖蝕,鍋爐應采取的預防措施 1、在爐管內(nèi)壁滲

12、鉻以防止產(chǎn)生金屬氧化物是一種解決固體顆粒沖蝕的十分有效辦法。 2、對過熱器和再熱器進行酸洗，清除管壁上的金屬氧化物，但該工藝的費用很高。 3、在鍋爐酸洗后對爐管進行酸洗鈍化處理，以改善磁性氧化鐵的粘附力。從而使之具有長期抗剝落的能力，這樣減少了金屬氧化物的形成和剝落，減少固體顆粒物的生成。,鉻、鎳 super304H HR3C,固體顆粒沖蝕,機組運行中應采取的預防措施 1、充分利用機組旁路系統(tǒng)，較好的控制溫度偏差，減少氧化皮產(chǎn)生和剝落，并通過高低旁的配合對爐內(nèi)氧化皮進行沖洗。 2、要充分重視機組調(diào)試階段防止爐內(nèi)固體顆粒進入汽輪機，調(diào)試啟動時可延長使用旁路的時間，或設置臨時細目濾網(wǎng)。 3、低負荷

13、工況下固體顆粒更易反彈至噴嘴背弧，引起噴嘴出汽背弧嚴重沖蝕，因此應盡量避免汽輪機在低負荷下長期運行。 4、氧化皮的剝離主要發(fā)生在降溫時，而當機組重新啟動時，剝離的碎片被帶入汽輪機?？刂坪谜羝麉?shù)，防止蒸汽溫度大幅波動。 5、降低壓力可以減小蒸汽流速，變壓運行優(yōu)于定壓運行。,固體顆粒物沖蝕的綜合影響因素,顆粒物源頭鍋爐 爐型 型布置 熱偏差大，易堆積氧化皮，爆管幾率高，顆粒物難以處理 塔式布置 熱偏差小，氧化皮易攜帶，爆管幾率低，顆粒物易處理 受熱面材質(zhì) 局部熱偏差 鈍化膜的生長及脫落 材質(zhì)，奧氏體鋼（560度以上）氧化皮易剝落（0.1mm） 化學工況，水質(zhì)影響、加氧處理 工作溫度，超溫 溫度變

14、化，變化速率,鉻鉬鋼540度以下 （0.20.5mm),從割管中表現(xiàn)的氧化皮、固體顆粒,飛刀,我國1000MW汽輪機的防SPE措施,固體顆粒物沖蝕的綜合影響因素,其他相關因素 旁路 旁路的形式、容量（與造價相關） 小容量（10%）單級大旁路（早期東汽，對鍋爐氧化皮、汽機固體顆粒防范很不利） （3040）%、級串聯(lián)旁路 （現(xiàn)多應用） 100% 級、65%級串聯(lián)旁路 （上汽） 化學水工況（參照電廠化學） 水質(zhì)，要求嚴格 化學水工況，加氧處理,化學也很重要,固體顆粒物沖蝕的綜合影響因素,采取嚴格的給水水質(zhì)控制標準和有效措施： 對銅、氧離子、含氧量、鈉及氯離子、pH值的控制應更嚴格。 設置完善的補給水

15、處理系統(tǒng)，100凝結水的精處理系統(tǒng)，腐蝕產(chǎn)物對給水的污染。 整個汽水系統(tǒng)必須為無銅，消除銅沉積物的危害?；瘜W清洗設備定期清除水汽系統(tǒng)聚集的沉積物，避免在停運時的腐蝕。 嚴格防止凝汽器泄漏，采用抗腐蝕性能好的鈦管/不銹鋼管，采用脹接后再焊接密封的工藝等技術措施。,固體顆粒物沖蝕有效防范措施,（1）系統(tǒng)工程 主體受損部位在汽輪機本體及系統(tǒng)內(nèi) 汽輪機內(nèi)已采取了一定的防范措施，但并不是汽輪機本身能全部解決完成的 整體涉及到單元機組的各個主體設備 是系統(tǒng)總體設計、材質(zhì)、施工工藝、實際運行的綜合系統(tǒng)工程,全局意識,全民抗戰(zhàn),固體顆粒物沖蝕有效防范措施,（2）設備配置 鍋爐 塔式爐：相對占優(yōu) 型爐：相對較差

16、 汽輪機 宜采用節(jié)流方式運行，壓力級方式運行 旁路 建議采用、級串聯(lián)旁路 容量不但要滿足鍋爐的基本穩(wěn)燃需求，還應滿足防范氧化皮脫落的要求 給水泵組 對于純汽泵模式，應充分保證其可靠性 化學工況 適時轉入加氧方式運行,有錢才能來,固體顆粒物沖蝕有效防范措施,（3）實際運行 新機組 嚴格的酸洗、沖管，保障汽水品質(zhì) 保證主、再蒸汽清潔 啟動進程中，利用旁路系統(tǒng)潔凈蒸汽 防范高顆粒物濃度蒸汽進入汽輪機做功 汽輪機 新機組612個月宜節(jié)流方式運行 啟動進程及2472小時內(nèi)宜節(jié)流方式運行 鍋爐平穩(wěn)運行，防范氧化皮脫落,固體顆粒物沖蝕有效防范措施,單元機組平穩(wěn)運行，防范氧化皮脫落 機組大幅度變負荷 AGC負荷需求 RB工況 甩負荷工況（停線不停電、停電不