核電汽輪機選型中需關(guān)注的幾個問題分析

冀潤景

(中國電能成套設(shè)備有限公司,北京100080)

核電汽輪機選型中需關(guān)注的幾個問題分析

冀潤景

(中國電能成套設(shè)備有限公司,北京100080)

在對核電汽輪機設(shè)備技術(shù)特點分析的基礎(chǔ)上,對核電汽輪機的抗應力腐蝕、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)型式、低壓缸支撐方式、除水及防侵蝕措施、臨界轉(zhuǎn)速評價等方面進行了深入的討論分析,為核電汽輪機選型提供了參考。

核電廠；汽輪機；應力腐蝕；轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；支撐方式；防侵蝕；選型

近來國家大力發(fā)展核電,而核電汽輪機主要由國際上一些著名的汽輪機制造商研發(fā),如三菱、阿爾斯通和西門子公司,特別是百萬千瓦級核電汽輪機。目前國內(nèi)幾家大廠只是引進技術(shù)制造并在此基礎(chǔ)上消化吸收。筆者對核電汽輪機幾個關(guān)注度較高的問題進行了深入探討,供設(shè)計人員對核電汽輪機選型時予以考慮。

1 核電汽輪機主要特點

核電汽輪機在設(shè)計原則上,采用常規(guī)島匹配核島的原則,即反應堆功率確定后,接口參數(shù)也就確定,汽輪機的進汽參數(shù)是固定的。從設(shè)計角度上說,汽輪機的差異主要體現(xiàn)在背壓上［1］。

1.1 蒸汽參數(shù)

以AP1000為例,主蒸汽為飽和蒸汽,濕度為0.45%,蒸汽參數(shù)較低,壓力為5.38 MPa,溫度為268.6℃。由于參數(shù)低,有效焓降約為火電機組的50%,因此同等功率情況下,蒸汽的進汽量和體積流量明顯大,分別是火電的2倍和4～6倍。

1.2 調(diào)節(jié)方式

由于機組通常帶基本負荷,加上蒸汽流量大,首級葉片較火電機組高,若采用噴嘴調(diào)節(jié),則蒸汽彎應力較大,加上低參數(shù)蒸汽在噴嘴出口由于高焓降會出現(xiàn)“凝結(jié)激波”現(xiàn)象,對葉片損壞明顯,因此采用節(jié)流調(diào)節(jié)。

1.3 轉(zhuǎn)速選擇

一般認為,半速機可采用長葉片,減少排汽缸數(shù)量,縮短軸系長度；同時增大排汽面積,降低余速損失,提高熱效率；降低離心力,減小水蝕傾向；因此一般大容量核電機組均選用半速機。

圖1為根據(jù)額定功率和背壓進行轉(zhuǎn)速選擇的原則,落在混合區(qū)的情況需進行綜合分析比較。以AP1000為例,額定功率為1 250 MW左右、設(shè)計背壓為5.6 k Pa時,選用半速機。

圖1 根據(jù)功率和背壓進行轉(zhuǎn)速選擇的原則

2 防應力腐蝕技術(shù)

2.1 應力腐蝕的機理分析

應力腐蝕裂紋是在濕蒸汽狀態(tài)下運行核電汽輪機的一種主要失效型式。汽輪機在濕蒸汽下工作,部件表面存在液膜,特別是飽和線附近,由于蒸汽中的雜質(zhì)離子析出,溶解于水中形成高濃度的“鹽區(qū)”,電解分離了金屬表面的鈍化層,侵入基材并形成點蝕坑。應力腐蝕包括裂紋的形成和擴展兩階段,點蝕坑是一種微裂紋,形成于第一階段。形成微裂紋后,裂紋尖端的高應力撕裂保護膜,在腐蝕介質(zhì)下不斷溶解金屬,而此時裂紋尖端以外均被鈍化,使裂紋向金屬內(nèi)部擴展［2］。

對應力腐蝕裂紋擴展的研究,西屋公司提出了裂紋擴展速率的Clark模型：

式中：R為裂紋擴展速度；T為工作溫度；σys為材料室溫下屈服強度。

西門子公司提出了初始裂紋環(huán)境的判定準則,定義：

式中：σsur為表面工作應力。

RSCCI在強烈腐蝕環(huán)境下,應不大于0.5；凝結(jié)蒸汽環(huán)境下,應不大于0.9；高純凈水環(huán)境下,應不大于1.1。

通過式(1)、式(2)得出影響應力腐蝕的主要因素包括：材料屈服強度、工作溫度、工作環(huán)境、應力水平。

2.2 防應力腐蝕的主要措施

防應力腐蝕措施一般從環(huán)境(即介質(zhì))和結(jié)構(gòu)兩方面考慮：

(1)從環(huán)境角度分析,首先應選用耐腐蝕性強的材料；其次根據(jù)經(jīng)驗,在機組停機過程中,水中的氯離子、氧的濃度以及溫度都會比較高,因此應在汽缸結(jié)構(gòu)上設(shè)計除濕、疏水。

需要關(guān)注的是,AP1000設(shè)計中,NI和CI接口文件規(guī)定蒸汽品質(zhì)中陽離子總電導率≤0.3 μS/cm,這一要求相對較低,個別廠家的設(shè)計中可能達到0.2μS/cm,這將增加電站的投資。陽離子導電率對凝結(jié)水的影響主要表現(xiàn)在游離酸的存在,增加了H+的含量。KWU公司的同一機型在南非發(fā)現(xiàn)大量的應力腐蝕開裂［3］,而在歐洲未現(xiàn)任何裂紋,經(jīng)過調(diào)查就在于陽離子導電率較高。

(2)從結(jié)構(gòu)角度看,由于應力腐蝕主要發(fā)生在葉輪表面、長葉片根部、紅套部件鍵槽等應力集中部位,因此采取措施主要在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上。

紅套轉(zhuǎn)子輪盤和中心軸之間需要較大的收縮配合力,以防止轉(zhuǎn)子在工作時松動；另外鍵槽中會集中雜質(zhì),形成高度腐蝕性的環(huán)境。環(huán)境與高應力相結(jié)合,導致轉(zhuǎn)子輪盤發(fā)生應力腐蝕裂紋。據(jù)了解,目前除西門子公司外,其他制造商均放棄了套裝轉(zhuǎn)子。西門子公司的紅套轉(zhuǎn)子的特點在于對輪盤鍛件進行了特殊的表面熱處理,對高拉應力區(qū)域進行了表面預滾壓,使輪盤整個表面區(qū)域形成一定深度范圍內(nèi)的預壓應力,降低部件實際工作時的RSCCI,緩解應力腐蝕傾向。

關(guān)于紅套轉(zhuǎn)子還需關(guān)注鍵槽的結(jié)構(gòu),新的設(shè)計改變過去在內(nèi)孔開軸向矩形槽的方式,避開高應力區(qū),在葉輪側(cè)面使用徑向圓柱定位銷,定位銷避開過盈區(qū),降低應力對鍵槽的影響。此外,在鍵槽端部沿圓周開應力釋放槽,釋放應力的同時還能集中放置雜質(zhì)。

采用焊接轉(zhuǎn)子,可降低應力水平(焊接轉(zhuǎn)子切向應力比紅套轉(zhuǎn)子小30%左右),且由于無中心孔,中心部位應力低,可選擇低屈服強度材料。在低于室溫屈服強度70%時,不會產(chǎn)生應力腐蝕裂紋。

采用整鍛轉(zhuǎn)子,根除了熱套收縮配合的應力腐蝕裂紋問題,大幅降低葉輪的切向應力,進而降低葉輪的合成應力,可采用低屈服強度材料。轉(zhuǎn)子材料通過選用更低的屈服應力和超低的磷、硫含量,可以顯著降低應力腐蝕發(fā)生的可能性。隨著整鍛轉(zhuǎn)子鍛件尺寸的不斷增大,對鑄錠、鍛壓及熱處理環(huán)節(jié)的技術(shù)要求將不斷提高,有時因為中心部位探傷發(fā)現(xiàn)缺陷或芯部晶粒度粗大,或是為了運行時監(jiān)測應力或檢修中進行探傷,需開中心孔。中心部位的應力水平高于實心轉(zhuǎn)子,若超出屈服強度則需考慮選擇更高屈服的材料,這對應力腐蝕反而是不利的。

除轉(zhuǎn)子外,對葉片的設(shè)計一般采用自由葉片或整體圍帶葉片代替鉚釘、拉筋結(jié)構(gòu),以減小應力且避免雜質(zhì)在縫隙中集中。另外,葉根和葉根槽尖頂之間通過緊固裝置等設(shè)計,也起到了降低峰值應力和避免雜質(zhì)沉淀的作用。

3 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)型式的比較

國內(nèi)主要的方案中,轉(zhuǎn)子的型式基本上有：整鍛轉(zhuǎn)子、焊接轉(zhuǎn)子和紅套轉(zhuǎn)子三種。

3.1 整鍛轉(zhuǎn)子優(yōu)缺點分析

整鍛轉(zhuǎn)子一般采用低合金鋼材料,如30Cr2Ni4Mo V。整鍛轉(zhuǎn)子輪孔應力小,可避免應力腐蝕；同時還能夠有效減少飛射物的可能性。

隨著轉(zhuǎn)子鍛件尺寸不斷增大,需關(guān)注大型整鍛轉(zhuǎn)子鍛件的成品率。影響整鍛轉(zhuǎn)子質(zhì)量主要在于鍛件形成過程的冶煉、鑄錠、鍛壓、熱處理以及探傷等環(huán)節(jié)。從冶煉環(huán)節(jié)看,一般采用真空脫氣、鋼包精煉、電渣重熔等工藝,提高鋼的純凈度。從鑄錠環(huán)節(jié)看,大型鋼錠普遍向短粗型、多棱邊、大錐度方向發(fā)展,需通過各種技術(shù)手段控制宏觀偏析。目前日本的JSW、JCFC,中國的一重、二重都已成功澆鑄出600 t以上鋼錠。從鍛造環(huán)節(jié)看,需采用合適的鍛壓技術(shù)保證足夠的鍛造比和中心部位的壓實,鍛合疏松、細化晶粒、均勻組織。切實起到改善鍛件內(nèi)部質(zhì)量的作用,鍛造后需通過合適的“正火+回火”熱處理以及“淬火+回火”調(diào)質(zhì)熱處理,進一步細化晶粒并達到合格的機械性能。

3.2 焊接轉(zhuǎn)子優(yōu)缺點分析

焊接轉(zhuǎn)子采用多個小塊鍛件制成,鍛件在應力最低的區(qū)域,即最外半徑處,沿圓周焊接在一起。典型的焊接轉(zhuǎn)子示意圖見圖2。

圖2 典型的焊接轉(zhuǎn)子示意圖

由于中央空腔減輕了轉(zhuǎn)子質(zhì)量,焊接轉(zhuǎn)子啟動時熱應力明顯低于整鍛轉(zhuǎn)子,啟動速度快。在焊接時空腔填充惰性氣體(氬氣),可以防止表面氧化。由于分鍛件尺寸小,成品率高,可在不同溫度、壓力的區(qū)域選用不同材料；同時分鍛件可以先進行部分加工后再焊接,易于保證轉(zhuǎn)子尺寸。焊接轉(zhuǎn)子應力小,可避免應力腐蝕。

焊接轉(zhuǎn)子的主要難點在于焊接環(huán)節(jié)的控制。從焊接工藝［4］來說,幾大主要的廠家均采用窄間隙坡口,“氬弧自動焊封底+埋弧自動焊填充”方法。窄間隙焊接可減少焊接變形,提高焊接質(zhì)量,特別適用于大壁厚的鍛件焊接。氬弧自動焊通常采用立式焊機,工頻感應預熱,焊接過程中充氬氣保護,防止有害氣體進入,焊接過程穩(wěn)定；另外在氬氣流壓縮下,電弧熱量集中,熔池和熱影響區(qū)小,可防止變形和開裂,背部成型好。為提高填充效率,采用臥式埋弧自動焊。焊后需實施合適的去應力熱處理。

由于焊接轉(zhuǎn)子分鍛件可能選用不同材料,就涉及到異種鋼焊接問題。異種鋼焊接時,碳及其他合金元素因濃度差擴散,導致擴散區(qū)域性能惡化,但對核電機組來說,由于蒸汽參數(shù)緣故,一般采用同種材料,如A471等,不存在這一問題。

此外,為提高可焊性,需降低材料中的合金元素,這樣一來轉(zhuǎn)子的FATT(脆變溫度)就會提高。美國核管會標準審查大綱要求,低壓轉(zhuǎn)子的50%FATT應不高于-17.7℃,而實際上以CAP1400低壓轉(zhuǎn)子鍛件為例,其采購要求50% FATT切向試樣為不高于20℃。

FATT的試驗方法為：用一組共16個2V形缺口試件,將試件放入液氮中或熱水箱中,做不同溫度下的試驗,當斷口面積50%為脆性斷裂時,所對應的試件溫度為該材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度。從AP1000整鍛轉(zhuǎn)子看,徑向試件的FATT值采購要求高壓轉(zhuǎn)子≤4℃、低壓轉(zhuǎn)子≤-7℃。

3.3 紅套轉(zhuǎn)子優(yōu)缺點分析

紅套轉(zhuǎn)子的優(yōu)勢在于原料供應容易,制造周期短,但由于鍵槽部位應力腐蝕導致開裂的可能性較大,目前僅西門子堅持使用。由于其鍛件的熱處理工藝及預滾壓工藝較為復雜,據(jù)了解目前全球僅一家工廠具備供應能力,因此在鍛件供貨上受到一定限制。

4 低壓模塊支撐方式的比較和分析

低壓缸的支撐方式主要需考慮基礎(chǔ)和運行平臺的載荷分配,其次也需兼顧動靜間隙及同心度以及軸系長度等方面的影響。載荷分配的計算需考慮：靜止、轉(zhuǎn)動部件載荷,凝汽器和低加載荷,凝結(jié)水和循環(huán)水載荷,地震載荷,轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時反向力矩,轉(zhuǎn)子不平衡載荷真空力等,其中真空力載荷最大［5］。特別在啟停機、變工況運行下,由于背壓、凝結(jié)水和循環(huán)水的頻繁大范圍變化,低壓缸可能因載荷變化變形較大。

百萬核電機組低壓缸的支撐方式一般有4種情況(見表1)［6-7］。

表1 百萬核電機組低壓缸的支撐方式

方式A可大幅減少動靜間隙的變化,可避免轉(zhuǎn)子和汽封的摩擦,軸封與轉(zhuǎn)子能保持較好的同心度,但低壓外缸和平臺要承受真空載荷,運行平臺的垂直載荷加大,增加了設(shè)計難度。對外缸剛度也有一定要求。

方式B內(nèi)外缸相對獨立,外缸和平臺不承受真空載荷,平臺僅承受內(nèi)缸載荷,降低基礎(chǔ)投資；但這一方式軸承座與內(nèi)缸不獨立,對內(nèi)缸或軸承座的剛度要求較大。部件結(jié)構(gòu)相對復雜,加工難度大,且在建設(shè)期通流間隙的調(diào)整中,需考慮轉(zhuǎn)子載荷影響,將一定程度上增加工作量。

方式C對內(nèi)、外缸剛度要求大大降低,減輕質(zhì)量并分散基礎(chǔ)載荷輸入,提高抗震性；但軸向支撐裝置過長且要穿過外缸,對其結(jié)構(gòu)設(shè)計、密封等技術(shù)要求高,同時平臺要承受部分真空載荷。

方式D兼顧了A、B、C的優(yōu)點,但其橫向支撐裝置過長且要穿過外缸,強度、結(jié)構(gòu)等設(shè)計要求較高。

5 除濕和防侵蝕設(shè)計的特點和分析

5.1 濕蒸汽對核電汽輪機的影響分析

相對常規(guī)機組,核電汽輪機整個高壓缸處于濕蒸汽區(qū),低壓缸蒸汽相對早地進入濕蒸汽區(qū),排汽濕度大。蒸汽中的水分會導致汽輪機部件發(fā)生各種侵蝕,主要機理包括水滴的機械沖擊以及電化學因素［8］。

5.1.1 沖擊侵蝕

沖擊侵蝕,即濕蒸汽中的水滴高速沖擊動葉,反復的沖擊載荷超過動葉屈服強度,將產(chǎn)生局部反復的塑性變形,產(chǎn)生疲勞裂紋,最終出現(xiàn)蝕痕和蜂窩狀的凹坑。動葉的侵蝕磨損量E為［9］：

式中：m為落入單位表面積的水量；v為水滴撞擊硬表面的速度；k和n為考慮葉片或防蝕保護層材料性。

由于高壓缸蒸汽壓力大,水滴尺寸小且呈霧化,速度慢,因此不需考慮沖蝕影響。沖蝕主要發(fā)生在低壓末幾級,在汽流黏滯力和切向力的作用下,靜葉表面形成水膜,水膜在汽流作用下,在靜葉出口處被撕裂形成粗糙水滴。由于水滴尺寸大,兩相流中水滴速度遠小于汽流,水滴的流動滯后于汽流,因此水滴以接近切線方向沖擊到動葉進汽邊背弧。另外由于離心力作用以及線速度的影響,一般動葉頂部1/3葉高處沖蝕較為厲害。在長葉片設(shè)計上應避免葉根反動度為負造成倒流,對葉根出汽邊沖蝕。

5.1.2 縫隙侵蝕

縫隙侵蝕主要發(fā)生在靜止部件的結(jié)合面等有縫隙部位,高密度、高速的濕蒸汽在壓差作用下,經(jīng)過這些縫隙,產(chǎn)生拉絲狀侵蝕。

5.1.3 表面沖刷侵蝕

工作在濕蒸汽區(qū)的金屬表面水膜組織了氧化膜的形成,在濕蒸汽流的沖刷力共同作用下,加劇了表面的沖刷侵蝕。在過熱區(qū)不會發(fā)生沖刷侵蝕。

5.2 常用的去濕和防侵措施

5.2.1 材料的選擇

與蒸汽直接接觸的內(nèi)部套、汽封體等盡量選用12%Cr不銹鋼材料,缸體受制于尺寸較大；若選用碳鋼或Cr Mo合金鋼,應在可能發(fā)生侵蝕的地方堆焊不銹鋼(不銹鋼的侵蝕速率為合金鋼2.25-Cr-1Mo的1/15)。

5.2.2 去濕結(jié)構(gòu)設(shè)計

比較常用的辦法是在低壓部分動葉出汽側(cè)頂部設(shè)置捕水槽、去濕腔室和擋水凸緣,收集動葉甩出的水滴；對高壓部分,可采用疏水孔與抽汽孔并用的方式。

5.2.3 空心靜葉除濕

空心靜葉除濕方式,即對濕度大的低壓末級葉片采用中空靜葉,并在葉片表面開槽,利用壓差抽吸將水分通過外環(huán)上的孔導入凝汽器。中空葉片的制造有兩種常見方法：一種是鑄造葉片后利用電火花加工出中孔,另一種是用兩張鋼板焊接組成內(nèi)弧和背弧。

通過試驗［10］和有限元計算［11］得出：水分在靜葉表面的沉積大量在內(nèi)弧靠近出汽邊部位,在背弧靠近進汽邊部位也有部分沉積,因此開縫隙部位應在內(nèi)弧靠近出汽邊部位或背弧靠近進汽邊部位；同時考慮到抽吸效率,一般縫隙寬度約2～3 mm,縫隙與葉片表面切向呈45°。

5.2.4 動葉片防水蝕

通常在低壓末幾級動葉上部進汽邊背弧采取硬化措施以防水蝕,常用的方式有釬焊司太立合金片、激光淬火、高頻淬火、鍍鉻等。

5.2.5 增大動靜軸向距離

適當增大動靜軸向距離可使水滴升速、碎化。AEI公司給出了1 500 r/min機組的動靜間隙推薦值,當導葉長1 385 mm時,導葉寬度102～153 mm,動靜間隙推薦值為102～190 mm。

5.2.6 其他措施

包括加強結(jié)合面密封、加大螺栓力矩以防止縫隙侵蝕；在動葉頂部采用蜂窩式汽封,蜂窩結(jié)構(gòu)可收集水分；在蒸汽中添加十二胺,可封堵金屬表面氧化膜上的孔,防止腐蝕,還可降低水的表面張力,減小水滴尺寸等。

6 軸系臨界轉(zhuǎn)速的綜合評價

影響軸系振動的因素分為三個方面：一是軸系振動特性；二是軸系加工、裝配和單轉(zhuǎn)子動平衡以及現(xiàn)場安裝質(zhì)量；三是支承系統(tǒng)特性。過去的設(shè)計要求臨界轉(zhuǎn)速應避開工作轉(zhuǎn)速的-15%～+20%,這一避開率范圍較大。而根據(jù)經(jīng)驗,部分轉(zhuǎn)子達到這一避開率,卻很難平衡、穩(wěn)定運行；而有的轉(zhuǎn)子即使達不到這一避開率,也能穩(wěn)定的運行。西屋公司的新設(shè)計準則在降低避開率的同時,考慮Q因子(共振轉(zhuǎn)速相應峰值的靈敏度,見圖3)：

式中：N0為臨界轉(zhuǎn)速值；N1為小于臨界轉(zhuǎn)速、振動值為0.707倍峰值下的轉(zhuǎn)速；N2為大于臨界轉(zhuǎn)速、振動值為0.707倍峰值下的轉(zhuǎn)速。

圖3 Q因子計算參數(shù)

Q因子的判定準則見表2。根據(jù)判定準則,當臨界轉(zhuǎn)速離工作轉(zhuǎn)速很遠時,Q因子大于允許值也沒關(guān)系。這一準則有利于對軸系臨界轉(zhuǎn)速的綜合評價［12］。

表2 Q因子判定準則

7 結(jié)語

筆者討論了核電汽輪機在選型時需注意的幾個關(guān)鍵問題,結(jié)合百萬核電汽輪機的特點,在選型時應特別關(guān)注抗應力腐蝕的技術(shù)、除濕防侵蝕技術(shù)以及低壓模塊支撐方式設(shè)計。另外,在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)選擇上,應綜合考慮各種型式轉(zhuǎn)子的優(yōu)缺點,以及轉(zhuǎn)子供應市場情況等。

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Problems Concerning Type Selection of Nuclear Steam Turbines

Ji Runjing
(China Power Complete Equipment Co.,Ltd.,Beijing 100080,China)

Based on analysis of the technical features of nuclear steam turbine,a detail discussion was made to the anti-stress corrosion,the rotor structure,the supporting type of LP casing,the anti-erosion countermeasures and the evaluation of critical speed for the steam turbine,which may serve as a reference for type selection of nuclear steam turbines.

nuclear power plant；steam turbine；stress corrosion；rotor structure；supporting type；antierosion；type selection

TM623

A

1671-086X(2015)03-0220-05

2014-08-07

冀潤景(1981-),男,工程師,從事核電設(shè)備監(jiān)造技術(shù)及管理工作。

E-mail：jirunjing@cpcec.com

環(huán)保技術(shù)