深度調(diào)峰狀態(tài)下汽輪機(jī)末級(jí)葉片出汽側(cè)水蝕事故分析

王政先，楊林峰

（1.華電電力科學(xué)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000；2.華電能源股份有限公司富拉爾基發(fā)電廠，黑龍江 齊齊哈爾 161000）

1 前言

電力行業(yè)是煤炭消耗的主要行業(yè)之一，是國(guó)家節(jié)能減排工作重點(diǎn)管控行業(yè)。進(jìn)一步降低煤電機(jī)組能耗，提升靈活性和調(diào)節(jié)能力，提高清潔高效水平，促進(jìn)電力行業(yè)清潔低碳轉(zhuǎn)型，助力全國(guó)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)如期實(shí)現(xiàn)是電力行業(yè)的總體目標(biāo)。目前國(guó)家要求存量煤電機(jī)組靈活性改造應(yīng)改盡改，“十四五”期間完成2 億千瓦，增加系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力3000 ～4000 萬千瓦，促進(jìn)清潔能源消納?！笆奈濉逼陂g，實(shí)現(xiàn)煤電機(jī)組靈活制造規(guī)模1.5 億千瓦。目前越來越多的火電廠正積極開展靈活性改造，隨著機(jī)組深度調(diào)峰的開展、冬季供熱熱負(fù)荷的增加，汽輪機(jī)在深度調(diào)峰工況下運(yùn)行時(shí)，排汽壓力降低，導(dǎo)致排汽濕度增加，汽輪機(jī)末級(jí)葉片水蝕現(xiàn)象越來越多。

葉片是汽輪機(jī)的關(guān)鍵零部件，承受巨大的離心力、蒸汽力和蒸汽激振力的作用。蒸汽品質(zhì)不佳對(duì)葉片的腐蝕作用和濕蒸汽區(qū)的水蝕作用，會(huì)導(dǎo)致葉片通流面積減小和葉片表面的損傷。葉片的嚴(yán)重水蝕不但使機(jī)組的級(jí)效率大幅下降，而且可能會(huì)引起葉片的斷裂破壞等重大事故，目前汽輪機(jī)末級(jí)、次末級(jí)葉片斷裂的事故時(shí)有發(fā)生。

總而言之，水蝕對(duì)汽輪機(jī)運(yùn)行的熱經(jīng)濟(jì)性和安全可靠性影響較大。目前國(guó)內(nèi)學(xué)者田瑞峰、劉志江等在文獻(xiàn)[1]、[2]中簡(jiǎn)要介紹了末級(jí)長(zhǎng)葉片沖蝕損傷的機(jī)理及其嚴(yán)重危害性，著重指出近年來隨著新出現(xiàn)的大機(jī)組長(zhǎng)期帶低負(fù)荷參與調(diào)峰運(yùn)行，相當(dāng)普遍地發(fā)生了末級(jí)長(zhǎng)葉片出汽側(cè)的沖蝕損傷，在北方地區(qū)某些機(jī)組上葉片進(jìn)汽側(cè)也發(fā)生大范圍的沖蝕損傷，提出了相應(yīng)的防范措施以及大機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行應(yīng)綜合考慮末級(jí)葉片的強(qiáng)度和壽命的觀點(diǎn)。

鄢宇鵬論述了有關(guān)汽輪機(jī)動(dòng)葉片金屬材料水蝕的幾個(gè)重要方面：高速液固撞擊理論、水蝕破壞機(jī)理、材料的水蝕性能及其試驗(yàn)研究。介紹了國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和成果及研究手段和發(fā)展方向。

但目前所有相關(guān)文獻(xiàn)研究的水蝕主要集中在動(dòng)葉進(jìn)汽側(cè)葉頂和出汽側(cè)葉根處，鮮有在其他部位的介紹。本文通過在某一機(jī)組末級(jí)葉片出汽側(cè)中部發(fā)現(xiàn)的水蝕為例，分析了其產(chǎn)生的具體原因并給出了相關(guān)的一些建議。

2 事件描述

2.1 機(jī)組概況

某汽輪機(jī)為哈爾濱汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的N200-130/535/535型超高壓一次中間再熱、三缸三排汽、凝汽式汽輪機(jī)。高壓缸為雙層缸結(jié)構(gòu)，中壓缸為單層缸汽缸由三段組成，27 級(jí)后設(shè)有排汽口，低壓缸采用三分流設(shè)計(jì)，共有3 級(jí)末級(jí)動(dòng)葉片，分別是27、32、37 級(jí)，各112 片動(dòng)葉，其中37 級(jí)是反向布置，葉頂部之間采用的是拱型圍帶連接，動(dòng)葉出汽邊高度668 mm。1997 年7 月第三次大修中進(jìn)行了三缸通流改造，末級(jí)動(dòng)葉片更換為三元流可控渦方法設(shè)計(jì)的自帶冠圍帶新型葉片，葉片進(jìn)汽邊焊司太立合金，以防沖刷，至2013 年10 月第七次大修，末級(jí)葉片無異常。2016 年5 月，5 號(hào)汽輪機(jī)進(jìn)行了打孔抽汽改造。

2.2 檢查情況

因機(jī)組深度調(diào)峰時(shí)間增加，對(duì)汽輪機(jī)開展相應(yīng)的檢查，揭低壓缸后發(fā)現(xiàn)其中一側(cè)末級(jí)葉片（37 級(jí)）葉片背部出汽邊水蝕破損嚴(yán)重，距葉頂160MM 處沖刷出三角形豁口，向葉頂和葉根兩方向損壞逐漸減輕，葉根處未見明顯回流，見圖1。而兩外兩個(gè)排汽（27、32 級(jí)）末級(jí)動(dòng)葉片未見明顯水蝕痕跡。

圖1 37 級(jí)末級(jí)葉片出汽側(cè)水蝕圖

通過對(duì)三組末級(jí)動(dòng)葉進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)進(jìn)汽側(cè)釬焊司太立合金處狀態(tài)一致，僅發(fā)生了輕微水蝕。如圖2 所示，表明三組末級(jí)動(dòng)葉進(jìn)汽狀態(tài)基本一次。

圖2 進(jìn)汽側(cè)水蝕情況

3 問題分析

3.1 水蝕發(fā)生的機(jī)理

工作在濕蒸汽區(qū)的動(dòng)葉片，與汽流中夾帶的二次水滴高速撞擊，從靜葉柵出來的水滴與高速轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)葉片發(fā)生沖擊，水滴與動(dòng)葉片接觸部位產(chǎn)生了很高的壓力，其壓力超過了材料的屈服極限，使葉片材料產(chǎn)生局部的塑性變形和表面硬化。這種壓力反復(fù)作用于葉片，葉片材料達(dá)到疲勞極限時(shí)，局部即開始產(chǎn)生疲勞裂紋。水滴沖擊到這種裂紋時(shí)，產(chǎn)生的壓力將加劇裂紋向更深處發(fā)展，致使葉片材料從葉片表面脫離形成水蝕。

在汽輪機(jī)濕蒸汽區(qū)部分凝結(jié)后經(jīng)靜葉表面沉積，之后匯聚為水洼或水流，當(dāng)水從靜葉表明脫離后，形成的水滴與動(dòng)葉撞擊最終導(dǎo)致了水蝕的形成。

因?yàn)樗蔚慕^對(duì)流速較蒸汽較慢，在周向速度u 不變的情況下，絕對(duì)速度c1 越慢，水滴相對(duì)進(jìn)入動(dòng)葉的方向w1 就會(huì)發(fā)生變化，擊打在動(dòng)葉背弧處，如圖3 所示。當(dāng)前比較常見的集中減輕水蝕的方法有兩大類，第一類是對(duì)動(dòng)葉頂部吸力側(cè)前緣附近采用電火花強(qiáng)化或釬焊司太立合金或者局部火焰淬硬等工藝處理來提高葉片抗水蝕能力；第二類是在靜葉表面設(shè)計(jì)徑向除濕槽、采用空心靜葉除濕等減少水滴的措施。除上述兩類水蝕防護(hù)措施還可以通過提高水滴速度，比如加大靜動(dòng)間隙、靜葉頂部前掠等，減輕水滴對(duì)動(dòng)葉的直接撞擊，減輕葉片水蝕。

圖3 進(jìn)汽側(cè)速度三角形

3.2 水蝕原因查找

本次汽輪機(jī)末級(jí)葉片水蝕發(fā)生在出汽側(cè)與正常水蝕在進(jìn)汽側(cè)現(xiàn)象不一致。從水蝕發(fā)生機(jī)理可以判斷出該級(jí)末級(jí)葉片屬于特殊情況?？紤]到末級(jí)葉片離低壓缸噴水減溫較近，懷疑噴水減溫管道有故障。

通過試投5 號(hào)機(jī)排汽缸噴水裝置，發(fā)現(xiàn)2 號(hào)排汽缸（爐側(cè)）垂直安裝的冷卻水管噴水口噴射方向正對(duì)37級(jí)葉片，但噴射位置與葉片損壞豁口處相差約15cm，如圖4 所示。

圖4 靜態(tài)時(shí)投低壓缸噴水減溫狀態(tài)圖

考慮到現(xiàn)場(chǎng)試投5 號(hào)機(jī)排汽缸噴水裝置時(shí)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子為靜態(tài)，若機(jī)組在運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)“伯努利效應(yīng)”，流體的流速越大,壓強(qiáng)越小；流體的流速越小,壓強(qiáng)越大。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉頂汽流較葉根汽流速大很多，產(chǎn)生一個(gè)向葉頂?shù)囊粋€(gè)壓力梯度，也即運(yùn)行時(shí)冷卻水噴水位置會(huì)向葉頂處偏移。該噴水管為機(jī)組原始安裝。

3.3 以往未發(fā)生該問題原因分析

該機(jī)組至1988 年投產(chǎn)至今已經(jīng)歷過七次大修，期間檢查并未發(fā)現(xiàn)末級(jí)葉片有異常現(xiàn)象。

運(yùn)行方式上由于近年來為滿足電網(wǎng)輔助調(diào)峰需要，減少輔助調(diào)峰考核，需要進(jìn)行深度調(diào)峰。深調(diào)期間機(jī)組負(fù)荷降至50%以下。在關(guān)閉導(dǎo)汽管蝶閥時(shí)，沒有足夠的蒸汽量將低壓缸內(nèi)摩擦鼓風(fēng)產(chǎn)生的熱量帶走，排氣缸溫度升高，為控制排汽室溫度，深調(diào)期間排汽缸噴水裝置投入運(yùn)行。

統(tǒng)計(jì)近半年時(shí)間運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)該機(jī)組深調(diào)時(shí)間約為1800 小時(shí)，投入排汽室冷卻水時(shí)間累計(jì)約800h。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）葉片水蝕的主要原因是冷卻水管噴水口安裝方向不正確，使水流直接噴向葉片，水流與高速運(yùn)動(dòng)的葉片發(fā)生撞擊，導(dǎo)致葉片水蝕發(fā)生。

（2）以往未發(fā)生葉片水蝕的主要原因是以往機(jī)組未進(jìn)行深度調(diào)峰，運(yùn)行時(shí)未投入噴水減溫，僅在啟停機(jī)時(shí)短暫投入。

（3）對(duì)于進(jìn)行供熱改造、深度調(diào)峰機(jī)組建議對(duì)低壓缸噴水減溫一并改造，更改為霧化噴嘴，避免噴水減溫高速射出的水柱沖蝕汽輪機(jī)后缸缸壁或者末級(jí)葉片造成損壞。