水滴特征對汽輪機葉片司太立合金 水蝕的影響

薛 翔，李 勇，劉福廣，黃其洲，劉 剛

（1.海南核電公司，海南 ?？?572700；2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

蒸汽在推動汽輪機做功時，溫度逐步降低，產(chǎn)生的凝結(jié)水對高速旋轉(zhuǎn)的汽輪機造成水蝕[1]。水蝕在葉片表面形成鋸齒形缺陷，會造成應(yīng)力集中和減小葉型根部截面積，對葉片的可靠性造成巨大危害甚至使葉片斷裂；同時汽輪機葉片水蝕損傷會 改變?nèi)~片的振動特性，降低蒸汽的做功效率及機 組運行經(jīng)濟性[2-5]。隨著大容量火電機組和核電機 組的建設(shè)，水蝕現(xiàn)象變得越來越突出。某核電站投運18個月，汽輪機葉片司太立合金水蝕深度達到1.05 mm，超過了司太立合金厚度的80%，危及汽輪機的安全運行。

水蝕是汽輪機的固有現(xiàn)象，大量文獻資料[6-11]研究了水蝕的產(chǎn)生過程、水滴對材料的作用過程及水蝕機理等，獲得了水滴撞擊理論，從水滴碰撞、扁平、破碎及射流過程，揭示了引起材料水蝕損傷的力學因素。研究了水滴碰撞速度和水滴大小對水蝕性能的影響，數(shù)值計算研究認為當水滴直徑大于1 mm，水滴尺寸的變化對水蝕的影響不明顯，當水滴直徑小于1 mm，隨著水滴尺寸的減少水蝕減輕；同時水蝕受水滴碰撞速度的影響較大。對材料的抗水蝕性能進行了研究，初步建立了水蝕性能與材料力學性能的關(guān)系[12]，對典型材料，計算了其水蝕門檻速度[2,13-14]，測試了葉片本體材料如12Cr鋼、17-4PH和Ti6Al4V等的水蝕性能。目前針對水蝕的主要防護手段是釬焊鑲嵌司太立合金[15]，這使得水蝕主要發(fā)生在葉片表面司太立合金上，在司太立合金完全損傷前，基體葉片基本不受水蝕損傷。大量的研究[16-19]對各種工藝制備的司太立合金抗水蝕表面涂層的性能進行了測試。雖然有文獻[6]初步報道了水蝕性能與金屬材料硬度正相關(guān)，但發(fā)現(xiàn)司太立合金例外。研究水滴與司太立合金間的碰撞過程對研究司太立合金的水蝕機理具有重要意義，但目前缺乏對水滴與司太立合金碰撞過程應(yīng)力演變的研究報道。本文通過數(shù)值模擬計算研究水滴特征對司太立合金水蝕的影響，揭示司太立合金水蝕過程水滴碰撞應(yīng)力演變規(guī)律。

1 水滴撞擊葉片的數(shù)值模型

建立水滴垂直撞擊葉片表面的幾何模型如圖1所示。水滴與葉片模型及具體邊界條件如下：葉片基體材料為17-4PH，尺寸為8 mm×8 mm×3 mm，葉片防護層材料為司太立合金，尺寸為8.0 mm×8.0 mm×1.2 mm；假設(shè)水滴為球形。在研究不同水滴撞擊速度下司太立合金層內(nèi)等效應(yīng)力及變形時，采用的碰撞速度分別為：174、229、293及330 m/s；水滴半徑為250 μm；對比分析水滴尺寸對司太立合金內(nèi)應(yīng)力及變形的影響時，水滴半徑為250、500、750與1 000 μm，速度為293 m/s。獲取水滴碰撞過程中最大等效應(yīng)力及殘余應(yīng)力，模擬總時間為2×10-5s。

2 模擬結(jié)果

2.1 水滴速度對司太立合金層最大等效應(yīng)力的影響

1）最大等效應(yīng)力

根據(jù)單個水滴的碰撞模擬，水滴撞擊速度對司太立合金最大等效應(yīng)力的影響如圖2所示。

由圖2可見，隨著水滴撞擊速度的增加，司太立合金最大等效應(yīng)力不斷增加。當碰撞速度從174 m/s增加到229 m/s時，最大等效應(yīng)力增加了114%。當速度為174 m/s時，其最大應(yīng)力僅有241 MPa，這一應(yīng)力值顯著低于司太立合金的屈服強度，不會在碰撞過程中對材料產(chǎn)生永久性損傷。而當水滴碰撞速度達到229 m/s及以上時，司太立合金表面的最大等效應(yīng)力大幅度提升，達到了518 MPa以上，接近司太立合金的屈服強度541 MPa；當速度達到293 m/s 時，最大等效應(yīng)力值達到552 MPa；當碰撞速度達到330 m/s時，碰撞最大等效應(yīng)力達到628 MPa?？梢姰斔俣茸銐蚋撸鲎沧畲蟮刃?yīng)力可達到或超過司太立合金的屈服強度。此時，單個水滴的碰撞就會使司太立合金表面發(fā)生塑性變形。文獻[6]報道了水蝕失重與碰撞速度的關(guān)系，當水滴碰撞速度與材料的損傷門檻速度差異大小不同，水蝕失重分別遵循不同的規(guī)律，本文研究結(jié)果與其報道類似。司太立合金的水蝕門檻速度為215 m/s[2]，293 m/s和330 m/s的速度遠大于司太立的門檻速度，其損傷程度遠高于較低碰撞速度引起的水蝕損傷。事實上，文獻[2]計算了660 MW機組汽輪機在3 000 r/min的轉(zhuǎn)速下，汽輪機葉片司太立合金與水滴碰撞的相對速度約307 m/s，根據(jù)圖2所示結(jié)果，在如此高速度下，水滴與司太立合金碰撞產(chǎn)生的應(yīng)力將超過其屈服強度，對司太立合金產(chǎn)生明顯的破壞作用。連續(xù)不斷的打擊，將導致司太立合金發(fā)生塑性變形，形成水蝕損傷。

2）應(yīng)力的演變

撞擊區(qū)域中心處的等效應(yīng)力在整個碰撞過程中的連續(xù)變化曲線如圖3所示。由圖3可見，當碰撞速度增加，液滴與基體碰撞所需時間也越來越短，第一次碰撞產(chǎn)生高應(yīng)力的時間也越來越短。碰撞后的應(yīng)力-時間譜線圖表現(xiàn)出振蕩現(xiàn)象，并隨著時間的延長逐步衰減最終保持穩(wěn)定。當速度達到293 m/s后，司太立合金表面在碰撞應(yīng)力之后的數(shù)微秒內(nèi)會出現(xiàn)較高的應(yīng)力峰。這個二次應(yīng)力峰值高達300 MPa以上，這一應(yīng)力值超過了司太立合金的疲勞極限[20]，因此在研究水蝕的過程中這一應(yīng)力峰不可忽略。由于該應(yīng)力峰出現(xiàn)在首次碰撞主應(yīng)力峰之后，作者將其稱為次生應(yīng)力峰。當初始碰撞速度足夠高，次生應(yīng)力峰值較高，甚至超過司太立的疲勞強度。該應(yīng)力峰值的存在，意味著當水滴的碰撞應(yīng)力足夠高，其某個特定位置發(fā)生水蝕所需要的水滴碰撞次數(shù)可能大大低于傳統(tǒng)理論要求的碰撞水滴碰撞次數(shù)，大幅縮短發(fā)生水蝕所需的碰撞次數(shù)。事實上，次生應(yīng)力峰不僅在高速度碰撞過程產(chǎn)生，也會在低速碰撞過程產(chǎn)生，但因其應(yīng)力值低，對碰撞應(yīng)力的影響較小。

3）殘余應(yīng)力分布

不同水滴速度下撞擊過程完成后司太立合金內(nèi)部的殘余應(yīng)力分布如圖4所示。由圖4可知：當水滴速度為174 m/s時，司太立合金層內(nèi)最終殘余應(yīng)力為98 MPa，隨著速度增加，涂層內(nèi)殘余應(yīng)力不斷增加，另外，殘余應(yīng)力分布區(qū)域也有所增加?？傮w來說，水滴的撞擊速度越大，涂層內(nèi)的殘余應(yīng)力也會隨之增加，當水滴速度達到330 m/s時，單個水滴碰撞造成的殘余應(yīng)力達到了228 MPa。當大量大尺寸水滴反復碰撞司太立合金，將引起司太立合金水蝕。

進一步分析了模型內(nèi)部沿著葉片厚度方向，即路徑BB1的殘余應(yīng)力分布。從圖4可看出，水滴的撞擊速度越大，涂層內(nèi)部的最大殘余應(yīng)力越大。在深度方向，殘余應(yīng)力很快降低，殘余應(yīng)力的影響深度較小，并隨著深度的增加，快速降低，更深處的殘余應(yīng)力均非常小，不到10 MPa，也就是說，水滴撞擊之后，基體不會發(fā)生破壞，而破壞發(fā)生在司太立合金淺表面。

2.2 水滴尺寸對司太立合金層最大等效應(yīng)力的影響

1）最大等效應(yīng)力

進一步計算了不同半徑的水滴以293 m/s的速度撞擊司太立合金后的最大等效應(yīng)力，不同半徑的水滴對試樣內(nèi)最大等效應(yīng)力的影響如圖5所示。由圖5可見，隨著水滴半徑的增加，司太立合金內(nèi)的最大等效應(yīng)力增加。當水滴半徑從250 μm增加到750 μm的過程中，水滴碰撞過程最大應(yīng)力增加約11%；而當水滴半徑大于750 μm后，司太立合金內(nèi)部的應(yīng)力基本保持相當?shù)乃?。文獻[6]報道了當水滴直徑大于1 mm，水滴尺寸對水蝕的性能影響不大，當水滴直徑小于1 mm，水蝕程度隨著水滴尺寸的增加而增加。本研究的結(jié)果與此類似，當水滴半徑大于750 μm，即直徑大于1.5 mm時，水滴大小的變化對于水蝕損傷沒有顯著影響，當水滴半徑小于750 μm時，水蝕程度隨著水滴尺寸的減少而減少。這種水滴尺寸的差異可能與碰撞材料有關(guān)。

2）應(yīng)力的演變

不同尺寸水滴碰撞司太立合金過程中的碰撞應(yīng)力-時間譜線如圖6所示。

與前述相同，由圖6可見，在碰撞整個過程中，碰撞應(yīng)力-時間譜線中都出現(xiàn)了次生應(yīng)力峰，可見水滴尺寸對次生應(yīng)力峰的影響程度要大于水滴速度。不同尺寸水滴碰撞時，這些次生應(yīng)力峰值都超過了司太立合金的疲勞強度。碰撞過程中的次生應(yīng)力峰的數(shù)量和應(yīng)力值在速度一定的情況下，主要取決于碰撞過程中的液滴尺寸。隨著碰撞水滴尺寸的增加，這種多次應(yīng)力峰變得更多，當液滴半徑達到750 μm后，高于司太立合金疲勞強度的應(yīng)力波峰數(shù)達到了4個以上。這有可能是水滴在碰撞過程中發(fā)生了多次反彈。當水滴直徑變得足夠大，單個水滴碰撞后會產(chǎn)生多次超司太立合金材料疲勞強度的碰撞，加劇其水蝕損傷。

3）殘余應(yīng)力

不同水滴尺寸下，司太立合金內(nèi)部的殘余應(yīng)力分布對比如圖7所示。由圖7可知，隨著水滴尺寸的增加，撞擊后的最大殘余應(yīng)力基本呈現(xiàn)不斷增加趨勢。值得注意的是，當水滴半徑小于等于500 μm時，撞擊后的殘余應(yīng)力增幅非常小，基本穩(wěn)定在 172 MPa；而當水滴半徑大于等于750 μm時，最大殘余應(yīng)力隨水滴尺寸增加呈現(xiàn)較大幅度增加；當半徑增加至1 000 μm時，最大殘余應(yīng)力增加至230 MPa，試樣表面受水滴沖擊影響的面積也不斷增大。

對于基體，水滴的尺寸越大，撞擊后試樣內(nèi)部的最大殘余應(yīng)力越大，應(yīng)力波往基體的傳遞也越深，但不論對哪種情況，基體內(nèi)部的應(yīng)力都非常小，不到10 MPa，也就是說，水滴撞擊之后，基體不會發(fā)生破壞，破壞僅發(fā)生在基體表面的司太立合金處。

3 分析討論

3.1 應(yīng)力-時間譜線分析

如圖3和圖6所示，當水滴速度或尺寸足夠大，在碰撞過程中金屬材料內(nèi)部的應(yīng)力-時間譜線中出現(xiàn)了振蕩現(xiàn)象和多個次生應(yīng)力峰。

文獻[21]對振蕩現(xiàn)象進行了研究分析，分析認為這種現(xiàn)象與碰撞過程中的水錘效應(yīng)有關(guān)。水滴在碰撞過程中，碰撞產(chǎn)生的水錘沖擊應(yīng)力波在金屬材料/水滴界面和水滴上部的水滴/空氣界面間不斷反射和傳輸，司太立合金不斷受到應(yīng)力波的作用，從而應(yīng)力隨時間的變化規(guī)律上表現(xiàn)為如圖3和圖7所示的振蕩現(xiàn)象。

文獻[22-23]報道了次生應(yīng)力峰現(xiàn)象，與本文具有類似結(jié)論。水滴與固體表面碰撞時會發(fā)生壓縮、扁平擴展、表面張力作用下液滴收縮、反彈、再次形成新的小水滴并再次碰撞固體[24]。水滴碰撞過程分裂示意如圖8所示，這一過程如同分裂一般，速度足夠的情況下，會發(fā)生多次分裂。每次分裂產(chǎn)生的小水滴都會對司太立合金表面產(chǎn)生碰撞作用，但這種分裂可能不會持續(xù)進行下去，液滴的動能在多次碰撞鋪展過程中消耗后不足以形成反彈時，這種分裂過程將不再發(fā)生。水滴的分裂、反彈是引起司太立合金表面出現(xiàn)次生峰的主要因素。這種現(xiàn)象主要發(fā)生在大尺寸水滴高速碰撞過程中。

3.2 司太立合金的損傷

汽輪機葉片在運行過程中，蒸汽是主要的動力來源，蒸汽由高壓向低壓運行過程中，壓力急劇下降，蒸汽溫度也會顯著降低，通常蒸汽到了末級前，蒸汽溫度低于100 ℃，這促使其發(fā)生凝結(jié)，產(chǎn)生濕蒸汽，蒸汽濕度升高，通常末級的濕度可達9%～14%。蒸汽中的水分增加導致其在流通過程中對汽輪機葉片產(chǎn)生水蝕，這是水蝕損傷介質(zhì)的來源，是水蝕發(fā)生的第一個必要條件。

對超（超）臨界火電機組或核電機組常用汽輪機而言，汽輪機在全速運行過程中，葉片尖端的速度接近600 m/s，由于蒸汽的噴射角度，水滴與葉片的碰撞相對速度約307 m/s[2]。這一速度顯然是遠大于司太立合金的門檻速度215 m/s[6]，因此易導致汽輪機葉片司太立合金發(fā)生水蝕損傷。

根據(jù)本項目研究，當相對碰撞速度達到229 m/s左右時，碰撞過程中的應(yīng)力超過司太立合金的屈服強度，同時，該應(yīng)力也超過了司太立合金的疲勞極限強度。盡管單個水滴不易對司太立合金產(chǎn)生破壞，但在反復的水滴碰撞作用下，司太立合金會形成疲勞，促進司太立合金的水蝕。事實上，汽輪機中的水滴尺寸分布非常復雜，與其運行工況有較大關(guān)系，蒸汽中水滴尺寸從數(shù)十微米到數(shù)毫米不等。根據(jù)本文研究結(jié)果，不同水滴產(chǎn)生的應(yīng)力水平不同，司太立合金并非從機組開始運行就發(fā)生可見的水蝕損傷現(xiàn)象，只有在長期的運行過程中，不同速度、不同粒徑的水滴碰撞效果才會體現(xiàn)出來。正如文獻[6]報道，水蝕過程存在潛伏期和加速期，其中潛伏期就是各種速度、粒徑的水滴對司太立合金的反復作用過程。當潛伏期內(nèi)的碰撞疲勞累計效應(yīng)達到一定程度后，材料發(fā)生可見的破壞，并進入水蝕加速期。

如前所述，大尺寸水滴在高速碰撞過程中發(fā)生“分裂”，并反彈再次與金屬表面碰撞，從而形成次生應(yīng)力峰，這一應(yīng)力峰的值大多高于司太立合金材料的疲勞強度。當然，汽輪機高速旋轉(zhuǎn)時分裂水滴的碰撞位置并不一定與第一次碰撞位置相同。基于分裂水滴的碰撞應(yīng)力峰時間間隔和液滴與葉片相對速度進行計算，這種位置偏差約500～700 μm。盡管不在同一碰撞位置，但在大量水滴分裂并再次碰撞的情況下，同一位置可能會被其余部位分裂水滴造成次生應(yīng)力，會加劇該部位的材料疲勞損傷。這種現(xiàn)象與水滴首次碰撞的高應(yīng)力相結(jié)合，一方面首次碰撞產(chǎn)生的高應(yīng)力引起材料發(fā)生屈服變形，另一方面分裂水滴對司太立合金產(chǎn)生疲勞作用，屈服和疲勞共同作用引起司太立合金發(fā)生水蝕損傷。由于司太立合金具有一定厚度，這種應(yīng)力的作用范圍有限，因此不會對葉片本體材料產(chǎn)生影響。

4 結(jié) 論

本文旨在揭示鑲嵌司太立合金汽輪機葉片的完整水蝕過程，探究水滴特征對汽輪機葉片司太立合金損傷行為的影響。得到以下主要結(jié)論：

1）隨著水滴速度的增加，碰撞過程的最大等效應(yīng)力不斷增加，當碰撞速度為293 m/s時，最大等效應(yīng)力超過司太立合金的屈服強度，速度的進一步提高，碰撞應(yīng)力顯著提升。

2）當水滴半徑大于750 μm時，碰撞最大等效應(yīng)力變化并不顯著；水滴半徑小于750 μm時，隨著水滴尺寸的減少，最大等效應(yīng)力不斷減少。

3）水滴碰撞過程中，應(yīng)力-時間譜線具有振蕩特性，大尺寸水滴高速碰撞過程中產(chǎn)生的分裂水滴對司太立合金產(chǎn)生高于疲勞強度的次生碰撞應(yīng)力，加速司太立合金的損傷。機組實際運行過程中應(yīng)盡可能降低凝結(jié)水滴的尺寸。

4）水滴碰撞產(chǎn)生的殘余應(yīng)力較低，且作用深度遠小于司太立合金厚度，對葉片本體無影響。