干式TRT透平機葉片失效機理研究

萬真武，張 帆，馬 偉

（寶鋼湛江鋼鐵有限公司，廣東湛江 524000）

引言

高爐TRT 是高爐煤氣能量回收透平裝置的簡稱，利用高爐爐頂出口煤氣的熱能與壓力驅(qū)動TRT透平機轉(zhuǎn)子帶動發(fā)電機。湛江鋼鐵1 號、2 號2 座高爐分別配置1 臺（套）干式TRT 發(fā)電機組，裝機容量為33 MW［1］。

TRT 透平機采用二級雙支撐結(jié)構(gòu)，透平機結(jié)構(gòu)組成示意圖見圖1，透平機進出口為長方形，均設置在機殼下部，采用徑向進氣與排氣。透平機主要由機殼、轉(zhuǎn)子、動葉、靜葉、靜葉承缸、調(diào)節(jié)缸及盤車裝置等部件組成。支撐軸承采用四葉滑動軸承，推力軸承為金斯貝雷式軸承，均為強制供油潤滑。透平機采用靜葉可調(diào)方式，根據(jù)高爐爐頂壓力調(diào)節(jié)靜葉開度，當壓力超出靜葉開度調(diào)節(jié)范圍時，旁通減壓閥組動作。

圖1 透平機結(jié)構(gòu)組成示意圖

1 透平機葉片失效形式

根據(jù)干式TRT 透平機實際使用情況，葉片失效主要有磨損、腐蝕和積灰三種形式。由于干法除塵高爐煤氣存在酸性物質(zhì)，葉片腐蝕問題較為突出。湛江鋼鐵TRT 透平機葉片失效形式主要為磨損與腐蝕，因此本文只針對葉片的磨損與腐蝕問題展開研究。

1.1 葉片磨損

透平機工作介質(zhì)中的粉塵粒狀雜質(zhì)在氣流影響下，會對葉片造成嚴重磨損。湛江鋼鐵高爐煤氣經(jīng)重力除塵與高溫布袋除塵后，煤氣中仍然含有粉塵顆粒。特別是在干法除塵布袋破損時，煤氣中的粉塵含量嚴重超標。對湛江鋼鐵5 050 m3高爐干法除塵后煤氣進行粉塵含量統(tǒng)計，布袋出口粉塵濃度偶有超出5 mg/m3的情況。另外由于高爐煤氣中含有酸性物質(zhì)，對透平機的承缸與機殼本體造成腐蝕，如防腐措施不到位，承缸與機殼的腐蝕脫落物也會對葉片造成磨損。

1.2 葉片腐蝕

葉片腐蝕是干法TRT 中常見的失效形式，從葉片失效的形貌可看出，引起TRT 葉片腐蝕的原因有如下幾點：

（1）酸腐蝕。從現(xiàn)場對高爐煤氣成分檢測結(jié)果可以看出，煤氣中有一定量的酸性氣體成分存在。當這些酸性氣體遇到煤氣中的冷凝水形成弱酸后，隨即發(fā)生電離產(chǎn)生H+，因H+的活潑性要強于鐵元素，會發(fā)生（1）式反應，造成TRT 透平機葉片的局部腐蝕。

（2）電化學腐蝕。由于煤氣中有少量胺鹽存在，其能和反應生成的鐵離子發(fā)生絡合反應，促使反應向正方向進行，加劇了腐蝕。另外葉片由于金屬本身存在著電化學不均勻性，主體金屬會受破壞，發(fā)生電化學腐蝕。

（3）點腐蝕。點蝕又稱為孔蝕，是一種集中于金屬表面直徑小而深度深的腐蝕形態(tài)。蝕孔的最大深度和金屬平均腐蝕深度的比值，稱為點蝕系數(shù)。點蝕系數(shù)愈大表示點蝕程度愈嚴重。蝕孔內(nèi)主要發(fā)生的陽極溶解反應見式（2），若介質(zhì)呈中性或弱堿性時，蝕孔外鈍化金屬表面主要發(fā)生氧化極化反應見式（3）。

2 葉片失效的因素研究

2.1 透平機氣動性能對葉片的影響

透平機的作用是將高爐煤氣中的熱焓轉(zhuǎn)換成動能，再把動能轉(zhuǎn)換成輸入軸上的功。高爐煤氣在TRT透平機進風圈中降溫、降壓、增速及調(diào)整氣流方向后，為進入動葉葉柵通道做功準備。煤氣氣流通過一級靜葉片后氣流在動葉內(nèi)流動，氣流推動動葉做功。高爐煤氣壓力、溫度與絕對速度降低，相對速度提高。

當透平機的氣動特性發(fā)生變化，特別是在嚴重偏離設計工況下，整個流場的氣流將產(chǎn)生分離與渦旋，氣流場被破壞，機組的效率大幅度降低。由于氣流出現(xiàn)分離與渦旋，會對葉片出氣側(cè)造成嚴重磨損。

2.1.1 葉型損失計算

湛江鋼鐵TRT 在氣動設計時按照理想狀態(tài)、無粘流動考慮，實際工作中氣流的氣動損失是不可避免的。根據(jù)出口角及進口角的葉型損失計算公式［2］，TRT 透平機葉型損失與葉片的進出口角度、葉型的厚度及葉片弦長有關。如果透平機部件出現(xiàn)變化和偏離設計工況，將會引起葉型損失增大，導致TRT出力不足，引起設備效率下降。

2.1.2 透平機氣動性能

為分析透平機氣動特性，根據(jù)透平機的運行參數(shù)，分析其運行狀態(tài)變化引起能量損失及效率變化。通過分析對比，湛江鋼鐵1#TRT 透平機投用初期與近期功率、效率的差異，推斷透平機氣動特性。對高爐TRT 的發(fā)電效率進行計算［3］，分析其氣動性能。

通過對比表1和表2，透平機的氣動性能平均值已經(jīng)下降。氣動性能變化造成葉柵偏離設計工況后，葉片沖角變化較大，一方面大量的氣流直接沖擊葉柵背弧面，形成渦流損失，造成葉片吸力面梯度較少，做功能力下降；另一方面大量的氣流在葉片背弧面長期沖擊，也是背弧面?zhèn)葒乐啬p的主要原因。從透平機多次檢修的情況來看，透平機二級葉片背弧面嚴重磨損，也反應出氣動性能的變化。

表1 2015年運行參數(shù)及效率

表2 2020年運行參數(shù)及效率

2.2 酸性物質(zhì)對葉片的影響

湛江鋼鐵1、2 號高爐煤氣冷凝水pH 值在2.0～7.0 之間波動，且pH 值長時間低于3，煤氣成分檢測顯示煤氣中含有SO2、SO3、H2S、HCl等酸性成分。高爐煤氣在透平機進、出口之間形成較大的溫度差，高爐煤氣流經(jīng)透平機后溫度下降約三分之二，從而導致煤氣在二級動葉處結(jié)露。實際生產(chǎn)表明，二級葉片腐蝕比一級嚴重。煤氣中的酸性物質(zhì)析出對金屬部件有強烈的腐蝕作用，造成TRT 裝置及管道損壞，無法達到預期壽命［4］。

從圖2 可以看出，當溶液的pH≤4 時，不銹鋼的腐蝕速率呈直線上升。從圖3 可以看出，pH 為1～2時，碳鋼腐蝕速率＞0.64 mm/a；pH≥6 時，碳鋼腐蝕速率＜0.23 mm/a。TRT 葉片與出口管道均采用不銹鋼材質(zhì)，高爐煤氣管道采用碳鋼，在較低pH 值冷凝水影響下嚴重腐蝕。

圖2 pH值對不銹鋼腐蝕速率的影響

圖3 pH值對碳鋼腐蝕速率的影響（50 ℃）

2.3 介質(zhì)中雜質(zhì)對葉片的影響

湛江鋼鐵TRT 透平機轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，動葉片的線速度較高，介質(zhì)中存在雜質(zhì)，對葉片磨損加劇，同時煤氣中的機械水含量也會對葉片造成沖蝕。TRT透平機葉片長時間運行，一、二級動葉片頂部容易出現(xiàn)磨損缺角現(xiàn)象，進氣邊根部出現(xiàn)沖刷磨損，排氣邊磨損減薄；靜葉排氣邊頂部沖蝕缺角，出氣邊也會出現(xiàn)磨損減薄。特別是透平機偏離設計工況時，介質(zhì)中的雜質(zhì)對葉片的磨損加劇。

3 延長葉片使用壽命研究

根據(jù)湛江鋼鐵TRT 使用情況，影響TRT 運行穩(wěn)定的主要問題是轉(zhuǎn)子動葉片涂層大面積脫落，葉片出現(xiàn)局部腐蝕磨損，造成轉(zhuǎn)子組動不平衡，導致機組振動故障。采用干式除塵后的煤氣溫度較高，腐蝕的成分也相對較高，透平機部件侵蝕程度在加劇，對設備本身抗腐蝕、抗沖刷要求相應提高。從目前機組運行的情況來看，透平機流道內(nèi)部組件的腐蝕嚴重，制約設備的長周期運行。要提高TRT 機組運行穩(wěn)定性，必須解決透平機葉片失效的問題。

3.1 運行工況優(yōu)化研究

運行工況優(yōu)化主要包括對透平機內(nèi)部氣動性能優(yōu)化與降低高爐煤氣中的雜質(zhì)含量。

（1）氣動性能優(yōu)化方面，及時對TRT 出口擴壓器進行維護，解決出口煤氣紊亂問題，以降低出口段氣流的回流、沖擊。維持爐頂壓力的穩(wěn)定，盡量將TRT 出口壓力提高至13 kPa 以上，降低透平機的背壓，提高氣道通暢度。

（2）降低高爐煤氣中的雜質(zhì)含量方面，加強對干法除塵布袋的管控，將TRT 透平機入口粉塵含量控制在5 mg/m3以內(nèi)，避免煤氣中雜質(zhì)損壞葉片涂層。對TRT 透平機入口加藥量與爐頂溫度控制進行優(yōu)化，減少機械水進入機組內(nèi)部，降低其對機組內(nèi)部組件的腐蝕及葉片沖刷。

3.2 動葉片防腐研究

針對TRT 透平機動葉片腐蝕問題，國內(nèi)大部分鋼鐵廠對動葉片表面進行防腐處理，常用的表面處理工藝有熱噴涂、真空釬涂、PVD、電鍍以及激光表面合金化等。湛江鋼鐵TRT 透平機在設計時，綜合考慮各種表面工藝的優(yōu)缺點，動葉片采用熱噴涂工藝。

噴涂材料選用金屬陶瓷，涂層由底層與表面層組成。底層為耐磨耐腐材料，厚度為0.08～0.10 mm，涂層的整體厚度0.25～0.30 mm；表面層為氧化物金屬陶瓷涂層，含有微量元素，用以改善表面層的附著韌性，厚度為0.15～0.20 mm。在進行葉片熱噴涂前，必須嚴格進行表面預處理，包括對葉片表面進行除油、清潔噴砂及活化處理。噴涂時必須嚴格按照噴涂工藝要求，根據(jù)夏光明等人的研究成果［5］，按照表3 中噴涂工藝參數(shù)實施，噴涂質(zhì)量較好。噴涂完成后，須對葉片涂層表面進行封孔處理，降低涂層孔隙率，使涂層性能達表4中的指標要求。

表3 等離子噴涂TRT葉片工藝參數(shù)

表4 涂層性能參數(shù)要求

3.3 靜止部件防腐研究

靜止部件的防腐主要包括機殼、靜葉承缸及靜葉片。如果靜葉頂部與承缸出現(xiàn)腐蝕，將會造成內(nèi)部氣流不暢，降低機組的運行效率，同時氣道內(nèi)的腐蝕脫落物將對葉片造成沖擊。通過對不同的防腐涂料進行試驗，主要對不同涂料進行沖蝕加鹽霧試驗，對3 種涂料進行試驗，結(jié)果如表5 所示，試驗結(jié)果顯示樂泰耐蝕膠具有較好的耐腐蝕及耐沖刷的能力。湛江鋼鐵機殼、承缸與靜葉片防腐材料采用樂泰耐蝕膠，使用效果表明，樂泰耐蝕膠使用效果較好，最長運行18個月后涂層基本保持完好。但是對承缸進行離線修復時，防腐處理前必須對其表面進行降低粗糙度處理，提高涂層的結(jié)合強度。

表5 試驗結(jié)果 g

4 結(jié)語

主要針對干式TRT透平機出現(xiàn)的葉片失效問題展開研究，分別研究了透平機氣動性能、高爐煤氣中酸性物質(zhì)及雜質(zhì)對葉片使用壽命的影響，并針對造成葉片失效的因素提出相應的解決措施，為國內(nèi)類似機組出現(xiàn)葉片失效問題提供參考。［6］