鹽霧環(huán)境下發(fā)電機(jī)定子停用防護(hù)技術(shù)

王 珂，張貴泉，張 兆，劉 鋒，王 靜

（1.國能（連江）港電有限公司，福建 福州 350500； 2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054； 3.西安益通熱工技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054）

隨著國家電力行業(yè)去產(chǎn)能政策的實(shí)施，大量緩建和停建電廠的發(fā)電設(shè)備長期存放于工程現(xiàn)場，如果保養(yǎng)不當(dāng)會引起設(shè)備損傷甚至報廢，將造成極大的資金損失和資源浪費(fèi)。特別是處于沿海地區(qū)的電廠，空氣濕度大，空氣中鹽分含量高，如果保養(yǎng)不當(dāng)，必然會加重設(shè)備腐蝕程度[1-4]。

發(fā)電機(jī)是電廠的重要設(shè)備，百萬千瓦機(jī)組發(fā)電機(jī)定子價格昂貴，在結(jié)構(gòu)設(shè)計及工藝方面比較復(fù)雜，對其長期存放提出了更嚴(yán)格的絕緣防護(hù)和腐蝕控制要求。另外，發(fā)電機(jī)定子絕緣系統(tǒng)的穩(wěn)定性在很大程度上決定著發(fā)電機(jī)運(yùn)行的可靠性，據(jù)統(tǒng)計，絕緣故障導(dǎo)致發(fā)電機(jī)事故占發(fā)電機(jī)總事故的56%左右[5]，因此發(fā)電機(jī)定子的絕緣電阻是發(fā)電機(jī)的重要監(jiān)測指標(biāo)之一。但是，目前針對發(fā)電機(jī)定子的研究多集中于定子線棒水系統(tǒng)腐蝕[6-7]、定子冷卻器腐蝕[8]、定子電腐蝕[9-10]及防護(hù)技術(shù)等方面，對發(fā)電機(jī)定子絕緣電阻的影響因素及停用防護(hù)報道較少。

本文以某電廠百萬千瓦機(jī)組發(fā)電機(jī)定子為研究對象，研究了高鹽霧環(huán)境下長期存放的腐蝕防護(hù)方法和發(fā)電機(jī)定子絕緣影響因素及控制技術(shù)，以期為其他機(jī)組發(fā)電機(jī)定子的停用防護(hù)提供依據(jù)。

1 定子腐蝕防護(hù)實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)材料采用與某電廠百萬千瓦機(jī)組發(fā)電機(jī)定子內(nèi)材質(zhì)相同的碳鋼、硅鋼腐蝕試片，其化學(xué)成分見表1。試片分別用80號、200號和800號水磨砂紙逐級打磨，用丙酮擦洗試樣表面油污，然后將試片放入干凈的丙酮中浸泡2 min，取出后冷風(fēng)吹干，置于干燥器內(nèi)備用。

表1 試片化學(xué)成分 w/% Tab.1 Chemical composition of the specimens

采用圖1所示腐蝕模擬實(shí)驗(yàn)裝置研究發(fā)電機(jī)定子材質(zhì)在不同環(huán)境下的腐蝕情況。為了模擬鹽霧環(huán)境中金屬表面的鹽沉積，將一定質(zhì)量濃度的NaCl溶液滴加到試片表面，然后將其放入真空室中加速溶液蒸發(fā)，在試片表面形成100 mg/m2的鹽膜。將試片夾持好后，掛入反應(yīng)裝置內(nèi)，調(diào)節(jié)箱內(nèi)相對濕度至80%（模擬沿海城市空氣濕度），并通入空氣或氮?dú)庹{(diào)節(jié)箱體內(nèi)氣體成分，120 h后觀察試片的表面狀態(tài)。

圖1 腐蝕模擬實(shí)驗(yàn)裝置示意 Fig.1 Schematic diagram of the corrosion test equipment

采用Quanta400HV型掃描電子顯微鏡（SEM）對實(shí)驗(yàn)后試片表面腐蝕形貌進(jìn)行微觀分析。采用INCA Energy X射線能譜儀（EDS）檢測試片表面成分。采用D/max-3C型X射線衍射儀對腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行分析，其工作條件為Cu靶等Kα（λ=0.154 06 μm）輻射，管電壓35 kV，管電流40 mA。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1.2.1 鹽分影響

在相對濕度80%的空氣環(huán)境中比較分析鹽分對發(fā)電機(jī)定子材質(zhì)腐蝕的影響，結(jié)果如圖2和圖3所示。由圖2可見，在相對濕度80%的空氣環(huán)境中保持120 h后，無鹽碳鋼和硅鋼試片表面均呈現(xiàn)明亮光潔狀態(tài)，無明顯腐蝕情況。由圖3可見，涂覆鹽膜的碳鋼和硅鋼試片實(shí)驗(yàn)后均出現(xiàn)嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象，碳鋼試片表面被一層暗紅色銹蝕產(chǎn)物包覆，硅鋼表現(xiàn)出較好的抗腐蝕性能，但是仍在邊緣處生成黃褐色銹蝕產(chǎn)物?？梢姡}分對碳鋼和硅鋼材質(zhì)在大氣環(huán)境中的腐蝕具有明顯加速作用。

圖2 無鹽試片實(shí)驗(yàn)后宏觀照片 Fig.2 Photos of the specimens without salt-coating after reaction

圖4為涂鹽碳鋼試片實(shí)驗(yàn)后的SEM表征結(jié)果。由圖4可見，碳鋼試片表面生成疏松多孔的銹蝕產(chǎn)物，呈現(xiàn)雜亂無序的堆積形態(tài)。

圖4 涂鹽碳鋼試片實(shí)驗(yàn)后SEM照片 Fig.4 SEM image of the salt-coated carbon steel specimen after experiment

采用EDS對實(shí)驗(yàn)后碳鋼試片表面銹蝕產(chǎn)物進(jìn)行元素分析，結(jié)果見表2。由表2可見，碳鋼試片表面銹蝕產(chǎn)物主要有O、Na、Cl、Fe 4種元素構(gòu)成，其中Na和Cl元素為涂覆的鹽膜，由此可知腐蝕產(chǎn)物主要為鐵氧化物。郭明曉等[11]在模擬碳鋼在海洋大氣環(huán)境中的腐蝕行為中提出，碳鋼在薄液膜下會發(fā)生基體陽極溶解和溶解氧陰極還原的腐蝕過程，形成Fe(OH)2水解產(chǎn)物層，隨后在空氣中轉(zhuǎn)化生成疏松、有大量孔洞的銹層結(jié)構(gòu)，這與本文表征結(jié)果一致。

表2 涂鹽碳鋼試片實(shí)驗(yàn)后EDS分析結(jié)果 w/% Tab.2 EDS analysis result of the salt-coated carbon steel specimen after experiment

圖5為碳鋼試片實(shí)驗(yàn)后腐蝕產(chǎn)物的XRD表征結(jié)果。由圖5可見，XRD譜圖在2θ=25.2°、32.2°、34.1°、40.8°、50.3°、54.2°附近檢測到歸屬于Fe2O3的特征衍射峰[12]，同時在2θ=18.2°、30.1°、36.8°、43.6°附近檢測到歸屬于Fe3O4的特征衍射峰[13]。根據(jù)衍射峰強(qiáng)度得知，腐蝕產(chǎn)物主要為Fe2O3。

圖5 涂鹽碳鋼試片實(shí)驗(yàn)后XRD譜圖 Fig.5 XRD spectrum of the salt-coated carbon steel specimen after experiment

金屬停用腐蝕的主要誘因是凝結(jié)水和氧氣，當(dāng)鹽分沉積于金屬表面，尤其是腐蝕性陰離子，促進(jìn)了碳鋼和合金鋼點(diǎn)蝕誘發(fā)及初期發(fā)展，并降低金屬的點(diǎn)蝕電位，顯著加快了金屬的腐蝕速度[14-15]。這就解釋了本文研究中碳鋼和硅鋼材質(zhì)在模擬的高鹽霧、高濕度環(huán)境中發(fā)生嚴(yán)重腐蝕的原因。

1.2.2 充氮作用

氮?dú)猸h(huán)境中發(fā)電機(jī)定子材質(zhì)的腐蝕情況實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。實(shí)驗(yàn)過程保持氮?dú)饧兌却笥?8%，系統(tǒng)內(nèi)相對濕度為80%。由圖6可見，實(shí)驗(yàn)后碳鋼和硅鋼試片表面呈現(xiàn)明亮的金屬光澤，僅在試片部分區(qū)域殘留白色的鹽膜，整體無明顯腐蝕跡象。對比圖3可知，在高鹽分沉積和高濕度環(huán)境下，采用氮?dú)庵脫Q空氣可有效抑制發(fā)電機(jī)定子的腐蝕。氧氣是金屬停用腐蝕的必要因素之一，采用充氮方法降低系統(tǒng)內(nèi)的氧體積分?jǐn)?shù)或完全排除系統(tǒng)內(nèi)氧氣，利用氮?dú)獾亩栊蕴刭|(zhì)對金屬進(jìn)行保護(hù)，可有效抑制停用腐蝕的發(fā)生[16-17]。

圖6 氮?dú)猸h(huán)境中涂鹽試片實(shí)驗(yàn)后宏觀照片 Fig.4 Photos of the salt-coated specimens after experiment in N2 atmosphere

2 定子絕緣防護(hù)技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

2.1 出現(xiàn)問題

神華（福州）羅源灣港電有限公司百萬千瓦機(jī)組停運(yùn)過程中發(fā)電機(jī)定子的絕緣電阻（60 s，1 000 V）監(jiān)測情況見表3。

表3 發(fā)電機(jī)定子絕緣電阻監(jiān)測值 單位：MΩ Tab.3 The monitoring value of generator stator insulation resistance

由表3可見，停機(jī)初期發(fā)電機(jī)定子絕緣電阻值高達(dá)2 500 MΩ，隨著停用時間的延長，絕緣電阻值持續(xù)降低，到2020年5月降至58 MΩ，降低了97%以上，已經(jīng)低于發(fā)電機(jī)定子絕緣電阻合格標(biāo)準(zhǔn) （80 MΩ），必須采取措施改善。

2.2 保養(yǎng)系統(tǒng)設(shè)計

為了有效避免機(jī)組停運(yùn)過程中發(fā)電機(jī)定子的腐蝕和絕緣電阻降低問題，設(shè)計了圖7所示充氮保養(yǎng)系統(tǒng)，并進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)。該充氮保養(yǎng)系統(tǒng)由制氮系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、除濕系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、監(jiān)測及控制系統(tǒng)構(gòu)成。具有以下技術(shù)特點(diǎn)：1）可自產(chǎn)氮?dú)?，且氮?dú)猱a(chǎn)量滿足保養(yǎng)要求；2）保養(yǎng)系統(tǒng)可自動運(yùn)行，有效降低運(yùn)行維護(hù)人員工作量；3）保養(yǎng)系統(tǒng)具有除濕、加熱功能，將定子內(nèi)已有的濕氣去除，并在定子設(shè)備溫度低于存放要求下限（5 ℃）的情況下對定子進(jìn)行加熱。

圖7 充氮保養(yǎng)系統(tǒng)示意 Fig.7 Schematic diagram of the nitrogen filling maintenance system

2.3 工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果

圖8為神華（福州）羅源灣港電有限公司發(fā)電機(jī)定子采用充氮保養(yǎng)系統(tǒng)后相對濕度、氮?dú)饧兌鹊淖兓厔?。?dāng)?shù)卮髿獾南鄬穸燃s為73%。

圖8 相對濕度和氮?dú)饧兌茸兓厔?Fig.8 Change trends of the relative humidity and nitrogen purity

由圖8可見：充氮保養(yǎng)系統(tǒng)投運(yùn)后，定子內(nèi)部濕度開始快速降低，充氮113 h后，定子內(nèi)氮?dú)鉂穸冉抵?%以下（達(dá)到濕度計檢測下限）；定子內(nèi)氮?dú)饧兌仍诔涞ｐB(yǎng)系統(tǒng)投運(yùn)后快速上升，41 h后氮?dú)饧兌冗_(dá)到98.8%并保持穩(wěn)定，達(dá)到了抑制碳鋼和硅鋼材質(zhì)停用腐蝕防護(hù)的要求。

圖9為充氮保養(yǎng)系統(tǒng)投運(yùn)前后發(fā)電機(jī)定子絕緣電阻的變化情況。由圖9可見，當(dāng)充氮保養(yǎng)系統(tǒng)投運(yùn)78 h后，發(fā)電機(jī)定子絕緣電阻迅速升至468 MΩ，絕緣電阻值隨著保養(yǎng)時間的延長持續(xù)增長，218 h后達(dá)到1 370 MΩ。這與定子內(nèi)相對濕度的變化趨勢剛好相反，即隨著定子內(nèi)相對濕度的降低絕緣電阻增大。環(huán)境中的水分是影響發(fā)電機(jī)定子絕緣電阻的重要因素之一，在高濕度鹽霧環(huán)境下，鹽分逐漸附著于發(fā)電機(jī)定子絕緣表面，使得絕緣表面吸濕性進(jìn)一步增強(qiáng)，導(dǎo)致定子絕緣電阻降低。因此，采用合理的除濕工藝是抑制機(jī)組停運(yùn)過程中發(fā)電機(jī)定子絕緣電阻降低的最有效方法。

圖9 發(fā)電機(jī)定子充氮前后絕緣電阻變化情況 Fig.9 Variation of insulation resistance of the generator stator before and after nitrogen filling

工業(yè)試驗(yàn)過程中，向定子內(nèi)部分別懸掛碳鋼和硅鋼腐蝕指示片，試驗(yàn)過程始終保持定子內(nèi)氮?dú)饧兌却笥?8%、相對濕度低于5%。停用保護(hù)9個月后，試片宏觀照片如圖10所示。

圖10 工業(yè)試驗(yàn)后試片照片 Fig.10 Photos of the specimens after industrial test

由圖10可見，碳鋼和硅鋼試片光潔明亮，無明顯腐蝕現(xiàn)象，表明腐蝕防護(hù)效果良好。

3 結(jié) 論

1）發(fā)電機(jī)定子金屬組件表面鹽分的沉積，顯著加快金屬的停用腐蝕速度。采用充氮法排除定子內(nèi)的氧氣，能夠有效抑制金屬腐蝕的發(fā)生。

2）環(huán)境中的水分是影響發(fā)電機(jī)定子絕緣電阻的重要因素之一。在高濕度鹽霧環(huán)境下，鹽分附著于發(fā)電機(jī)定子絕緣表面，使得絕緣表面吸濕性進(jìn)一步增強(qiáng)，導(dǎo)致定子絕緣電阻下降。通過降低環(huán)境濕度，能夠有效提高發(fā)電機(jī)定子絕緣電阻。

3）在鹽霧環(huán)境下，充氮和降低環(huán)境濕度可有效保護(hù)發(fā)電機(jī)定子。該技術(shù)一方面可抑制發(fā)電機(jī)定子金屬組件的腐蝕，另一方面可防止發(fā)電機(jī)定子受環(huán)境水分影響造成的絕緣值降低。