低壓汽輪機(jī)末級(jí)葉片損壞及處理

葉德林

摘 要：汽輪機(jī)末級(jí)葉片是火力發(fā)電廠的重要零部件，直接影響著汽輪機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性。近年來(lái)，頻繁發(fā)生汽輪機(jī)末級(jí)葉片的早期斷裂事故。低壓段末級(jí)葉片損傷形式與原因是多種多樣的，其主要有：（1）機(jī)械性損傷的形式與原因；（2）非機(jī)械性損傷的形式與原因。本文介紹了本文主要是探討低壓段末級(jí)葉片的兩種非機(jī)械性損傷原因及處理方法，末級(jí)葉片在運(yùn)行過(guò)程中受到腐蝕損傷和水蝕損傷，確定更換葉片的最佳條件，降低成本，獲取最佳利益。

關(guān)鍵詞：汽機(jī) 葉片 損壞原因 處理方法

中圖分類(lèi)號(hào)：TK263.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）03（b）-0144-02

1 汽輪機(jī)的葉片工作環(huán)境特點(diǎn)

汽輪機(jī)的葉片工作環(huán)境非常復(fù)雜、苛刻。具體可分為高、中、低壓段三部分葉片，而低壓汽輪機(jī)的低壓段的末級(jí)葉片與-高、中壓段的葉片相比工作條件有以下特點(diǎn)：低壓段末級(jí)的蒸汽壓力低于大氣壓，蒸汽容積流量顯著加大，流動(dòng)復(fù)雜；低壓段末級(jí)的蒸汽含濕度較大，蒸汽中的水滴水珠對(duì)葉片影響顯著；汽輪機(jī)變工況運(yùn)行時(shí)，低壓段末級(jí)葉片工作狀態(tài)變化最大，嚴(yán)重影響其強(qiáng)度及振動(dòng)；低壓段末級(jí)葉片比其它葉片更長(zhǎng)，強(qiáng)度條件更苛刻。

這些特點(diǎn)使得低壓汽輪機(jī)在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中，對(duì)低壓段末級(jí)葉片的設(shè)計(jì)必須考慮得更周全、嚴(yán)密。通常而言，低壓段末級(jí)葉片的設(shè)計(jì)，比其它葉片的設(shè)計(jì)需要更先進(jìn)的分析程序、更多項(xiàng)目的計(jì)算，以及更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。而在制造上的難度更大如：葉片的電火花和火焰淬火及高頻淬火強(qiáng)化、熱噴涂、激光熔覆、局部激光表面淬火、周邊鑲嵌合等等。盡管如此，末級(jí)葉片的損壞依然時(shí)有發(fā)生。

2 低壓段末級(jí)葉片損傷形式與原因

低壓段末級(jí)葉片損傷形式與原因是多種多樣，其主要有：機(jī)械性損傷的形式與原因；非機(jī)械性損傷的形式與原因。

機(jī)械性損傷與原因：比如外來(lái)硬質(zhì)顆粒雜質(zhì)進(jìn)入汽輪機(jī)打壞葉片，汽輪機(jī)內(nèi)部固定零部件脫落導(dǎo)致打壞葉片，轉(zhuǎn)子與汽缸找中不好或汽缸變形使葉片與汽封片碰擦，在葉片圍帶上磨出溝槽等，但大部分損傷主要是末級(jí)葉片設(shè)計(jì)因素之外的原因造成的，是機(jī)械性損傷。這一類(lèi)損傷視其嚴(yán)重程度，及對(duì)運(yùn)行的影響大小，可采取不同措施進(jìn)行處理。

非機(jī)械性損傷與原因：因蒸汽品質(zhì)不良致葉片受到腐蝕而產(chǎn)生的損傷；葉片受濕蒸汽中液態(tài)水沖擊發(fā)生了水蝕現(xiàn)象產(chǎn)生的損傷。本文主要是探討低壓段末級(jí)葉片的兩種非機(jī)械性損傷原因及處理方法：因蒸汽品質(zhì)不良致葉片受到腐蝕而產(chǎn)生的損傷原因分析及處理方法。

原因分析：通常情況下，低壓汽輪機(jī)末級(jí)葉片使用耐熱不銹鋼制造。此種材料具有良好的耐蝕性，因?yàn)槠浔砻鏁?huì)生成一層致密的、穩(wěn)定的氧化保護(hù)膜。但如果蒸汽中含有CO2，SO2，特別是含有氯離子時(shí)，葉片表面的保護(hù)膜受就會(huì)到侵蝕，并且很快向縱深發(fā)展，使葉片產(chǎn)生腐蝕，葉片強(qiáng)度會(huì)大大降低。以2Cr13不銹鋼為例，常溫下空氣中的彎曲疲勞強(qiáng)度為390 N/mm2（無(wú)缺口試樣，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n=5×107，下同），在潔凈凝結(jié)水中彎曲疲勞強(qiáng)度也還有275～315 N/mm2，然而在NaCl含量≥1%的氯化物溶液中，彎曲疲勞強(qiáng)度急驟下降到115～135 N/mm2，疲勞強(qiáng)度降低就意味著使用壽命縮短。通過(guò)儀器對(duì)末級(jí)葉片的檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，低壓末級(jí)葉片腐蝕大多出現(xiàn)在濕蒸汽區(qū)的各級(jí)，并且往往是在垢層下的葉片表面產(chǎn)生局部腐蝕，進(jìn)而擴(kuò)展出現(xiàn)裂紋，繼續(xù)運(yùn)行則會(huì)因腐蝕疲勞造成葉片斷裂，通過(guò)儀器對(duì)斷裂葉片的檢查、分析顯示，斷口沉積層中含有氯化物。

3 減少、避免葉片的腐蝕損傷

通過(guò)以上分析知道汽輪機(jī)的低壓段的末級(jí)葉片在運(yùn)行中會(huì)受到腐蝕。然而汽輪機(jī)的葉片在停機(jī)狀態(tài)下也會(huì)發(fā)生腐蝕，我們稱(chēng)做停機(jī)腐蝕。汽輪機(jī)停機(jī)后，腐蝕產(chǎn)生的主要原因是存留在缸內(nèi)或漏入的蒸汽隨汽輪機(jī)冷卻生成凝結(jié)水，使葉片上的積鹽溶解，而對(duì)葉片產(chǎn)生腐蝕，這種情況，腐蝕損壞在所有葉片上均會(huì)出現(xiàn)，而不是僅局限于濕蒸汽區(qū)工作的葉片。

處理方法：根據(jù)以上分析，為了減少、避免葉片的腐蝕損傷，我們對(duì)低壓末級(jí)葉片損傷通常做如下處理。

（1） 通過(guò)完善鍋爐給水和爐水的處理，保證蒸汽品質(zhì)

（2） 重視和加強(qiáng)對(duì)汽輪機(jī)的停機(jī)維護(hù)有如下幾點(diǎn)。

①汽輪機(jī)大修時(shí)，如檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)葉片有裂紋，應(yīng)安排更換有隱患的葉片。

②汽輪機(jī)運(yùn)行中葉片斷落只是偶發(fā)事故，并不是常見(jiàn)故障，然而一旦發(fā)生卻會(huì)造成設(shè)備損壞或人身傷害的嚴(yán)重事故。汽輪機(jī)運(yùn)行中葉片斷落的特征是：機(jī)組突然發(fā)生無(wú)規(guī)則的負(fù)荷（轉(zhuǎn)速）急劇變化；汽輪機(jī)通流部分發(fā)出可疑聲響（凝氣式汽輪機(jī)末級(jí)葉片斷落時(shí)，凝汽器中發(fā)出金屬撞擊聲，如斷落葉片打破凝汽器冷卻水管，凝結(jié)水電導(dǎo)率增加）；機(jī)組振動(dòng)突然增大，尤其是低壓級(jí)葉片斷落時(shí)，振幅明顯增大。機(jī)組運(yùn)行中發(fā)生上述情況應(yīng)立即停機(jī)，以防損失范圍擴(kuò)大。停機(jī)后開(kāi)缸檢查，證實(shí)葉片斷落時(shí)，盡速與汽輪機(jī)供貨商聯(lián)系，協(xié)商修復(fù)事宜，必要時(shí)轉(zhuǎn)子及受損部件發(fā)運(yùn)至供貨商，更換葉片重新作動(dòng)平衡。中間級(jí)葉片斷落往往會(huì)使其鄰級(jí)靜、動(dòng)葉受損，因葉片斷落無(wú)法盤(pán)車(chē)的汽輪機(jī)，需作轉(zhuǎn)子彎曲檢驗(yàn)。

（3） 低壓末級(jí)葉片受濕蒸汽中液態(tài)水沖擊發(fā)生水蝕現(xiàn)象產(chǎn)生的損傷及處理方法

①原因分析：低壓汽輪機(jī)末級(jí)葉片的另外一種特有的而又常見(jiàn)的損傷情況，是末級(jí)葉片的水蝕。水蝕是一種非機(jī)械性損傷，是蒸汽濕度較大時(shí)出現(xiàn)的小水珠或水滴連續(xù)密集高速?zèng)_擊葉片表面而造成的侵蝕現(xiàn)象，能夠使葉片表面極其粗糙，增大蒸汽流動(dòng)的摩擦損失，嚴(yán)重時(shí)葉片被沖刷出一定深度的凹痕或缺口，危及葉片安全。蒸汽濕度越大，含鹽量越高，對(duì)葉片的沖蝕越嚴(yán)重。從汽輪機(jī)末級(jí)葉片水蝕的實(shí)際情況看，通常水蝕發(fā)生在末級(jí)葉片進(jìn)汽邊背弧處，且集中在葉身的上半部尤其是上1/3處。這是因?yàn)闈裾羝械男∷榛蛩嗡俣鹊陀谡羝魉?，進(jìn)入動(dòng)葉的相對(duì)進(jìn)汽角大于蒸汽的相對(duì)進(jìn)汽角，因而打擊到葉片的背弧上；又因?yàn)閯?dòng)葉通常以超過(guò)300 m/s的線(xiàn)速度高速旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)水滴、水珠往葉片頂部流動(dòng)，因而沖擊集中到葉片上半部份。（如圖1：末級(jí)葉片水蝕現(xiàn)象照片）

除非汽輪機(jī)使用的蒸汽過(guò)熱度較低或直接使用濕蒸汽，一般水蝕現(xiàn)象不會(huì)在高中壓葉片上出現(xiàn)。由于濕度越大，水蝕越嚴(yán)重，一般而言，末級(jí)葉片的水蝕現(xiàn)象最為嚴(yán)重，且集中在葉身上1/3部位。因此水蝕現(xiàn)象通常只會(huì)影響汽輪機(jī)運(yùn)行效率，以及末級(jí)葉片使用壽命。

2）處理方法：針對(duì)以上特點(diǎn)，對(duì)末級(jí)葉片的水蝕現(xiàn)象，通常做如下處理。

①提高葉片耐水蝕能力：提高末級(jí)葉片耐水蝕能力；常見(jiàn)的有對(duì)末級(jí)葉片進(jìn)汽邊背弧上半部位進(jìn)行淬硬、滲氮甚至鑲嵌硬質(zhì)合金條等處理方法。這類(lèi)方法通常簡(jiǎn)便易行，成本低，效果顯著，因而最為常用。其中鑲嵌硬質(zhì)合金的方法，通常用于排汽濕度高于12%的場(chǎng)合；淬硬及滲氮?jiǎng)t用于排汽濕度低于12%場(chǎng)合。

②設(shè)置葉片除濕裝置：在汽輪機(jī)通流部分設(shè)計(jì)中，設(shè)置各種除濕裝置，減少水蝕可能性；根據(jù)低壓部位蒸汽流動(dòng)特性，在靜葉裝置上設(shè)置水滴收集裝置，以減少蒸汽中水滴含量，降低水蝕程度。這也是一種常用方法，可以有效降低末級(jí)葉片水蝕嚴(yán)重程度，延長(zhǎng)末級(jí)葉片使用壽命。通常是在動(dòng)葉進(jìn)汽側(cè)對(duì)應(yīng)的靜體上沿圓周開(kāi)去濕槽，利用蒸汽中水滴水珠的向上流動(dòng)方向，收集蒸汽中的水滴水珠，降低蒸汽濕度。效果較明顯。在靜葉表面開(kāi)幾道淺槽，把靜葉葉身上的水膜導(dǎo)向靜體上的去濕槽，可以明顯強(qiáng)化去濕效果。

③提高蒸汽過(guò)熱度：提高汽輪機(jī)新蒸汽的過(guò)熱度，有效降低低壓部位的蒸汽濕度；對(duì)于大部分汽輪機(jī)而言，其新蒸汽的過(guò)熱度都很高，為降低排汽部位的蒸汽濕度而采用這種方法，不容易達(dá)到目的。但某些用于特殊場(chǎng)合的汽輪機(jī)，如核電汽輪機(jī)，垃圾發(fā)電汽輪機(jī)，其蒸汽初參數(shù)本來(lái)過(guò)熱度就低，如果過(guò)熱度能夠提高10 ℃左右，可以降低排汽部位蒸汽濕度約1%（原濕度如果是13%，則可以降低為12%），效果還是非常明顯的。

④對(duì)蒸汽再熱：增加汽輪機(jī)中間再熱處理，顯著降低低壓部位的蒸汽濕度；對(duì)于中大型發(fā)電汽輪機(jī)，中間再熱是常見(jiàn)的，不僅可以提高整個(gè)電廠系統(tǒng)的熱效率，同時(shí)能夠極大地降低排汽濕度（原濕度如果是15%，則再熱后可以降至8%左右），使得末級(jí)葉片水蝕現(xiàn)象顯著減少。但對(duì)于小型汽輪機(jī)，采用中間再熱方法有較大難度。

⑤在低壓部位進(jìn)行抽汽：由于通流部分中各部位蒸汽濕度是不一樣的，同一軸向位置上，靠近葉片頂部的濕度明顯高于葉片根部，因此，在低壓部位進(jìn)行抽汽，能夠降低蒸汽濕度。根據(jù)某些研究，抽汽部位及抽汽量對(duì)除濕效果有明顯影響。在低于大氣壓部位抽出1%～2%的蒸汽量效果最好，可以降低末級(jí)濕度約0.5%（原濕度為15.5%）。

⑥定期檢修汽輪機(jī)，及時(shí)更換水蝕程度較高的末級(jí)葉片：這是一項(xiàng)消除產(chǎn)生水蝕現(xiàn)象帶來(lái)的影響葉片的方法。對(duì)于運(yùn)行廠家，可以根據(jù)提高效率或防止葉片斷裂等不同目的，確定更換末級(jí)葉片的條件，以降低成本，獲取最佳利益。

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