[科普中国]-固体颗粒侵蚀

在高速撞击和磨削的联合作用下侵蚀喷嘴、动叶片及其围带、阻汽片等通流部件金属材料。由于大容量机组的锅炉过热器、再热器系统十分庞大，只要其中一部分受热面积发生的氧化铁垢层剥落下来，其每年形成的固体粒子的重量可达数百千克至上千千克。在固体颗粒当中不仅有高温氧化铁的剥落物，而且还有停机时产生的腐蚀产物。这些坚硬的粒子以高速源源不断地撞击、磨削通流部件，使喷嘴和动叶片的汽道失去金属材料或产生变形。

简介超临界机组采用的是直流锅炉，相对亚临界机组的汽包锅炉，由于没有汽包，给水品质要求比较高。若凝结水处理设备发生故障时，杂质和污染物将进入锅炉后由于不能进行定期排污，给水中的杂质将进入到汽轮机，有可能对汽轮机的高温叶片等部件造成固体颗粒侵蚀。超临界机组温度较高，锅炉高温受热面管内易产生氧化垢(Fe2O3、Fe3O4)。试验结果表明，当蒸汽温度高于600℃时，锅炉受热面管子高温腐蚀和汽侧氧化问题十分显著；奥氏体管材最大腐蚀(汽侧腐蚀)出现在640～700℃。超临界锅炉的过热器、再热器、主蒸汽和再热蒸汽管道内表面剥离的微型固体颗粒，随着蒸汽进入汽轮机内。固体颗粒以蒸汽的流速通过汽轮机的流通部分时，会造成喷嘴和动叶损伤。特别是对于超临界汽轮机调节级、高压缸和中压缸第一级喷嘴和动叶，其固体颗粒侵蚀比较严重。

高速运动的氧化物产生的金属颗粒侵蚀不但会使汽轮机级效率迅速下降，而且影响了汽轮机的可靠性。美、日等国在这方面都有很多经验教训，有的机组运行3～4年就要进行焊接修补，有的机组运行40000～70000h后，受损伤的叶片必须予以更换。因此对机组的安全性和经济性均有不利影响。

产生机理固体颗粒侵蚀损伤的程度与粒子的撞击角度、撞击速度、粒子的大小和多少及叶片材料的耐侵蚀性能等因素有关。其中粒子的撞击角度对侵蚀速度有极大的影响，汽轮机通流部分常含有12Cr的马氏体族不锈钢，其材料的韧性高，但它遭遇的粒子硬度极高，其莫氏硬度为5.5～6.6级，所以目前普遍认为喷嘴、动叶片受到侵蚀最可能是“韧性模式”。通过侵蚀模拟试验证实，常用喷嘴和动叶片的材料在粒子撞击角度较小(如20。～30。)时侵蚀最严重。然而，这种规律对于硬度很大的材料如陶瓷的侵蚀规律则完全不同，陶瓷材料在冲击角度较小时所受的侵蚀损伤最小。1

固体颗粒侵蚀率与其固体颗粒的撞击速度和入射角、汽轮机的型式、材料耐腐蚀性、机组的运行方式以及锅炉的启动系统等因素有关。

固体颗粒侵蚀有两种机理，固体颗粒入射角等于90。时为变形侵蚀，小于90。时为切削侵蚀。固体颗粒侵蚀率主要与汽流速度(撞击速度)和固体颗粒人射角有关。在相同的固体颗粒入射角下，汽流速度愈大，固体颗粒侵蚀愈严重。在相同汽流速度下，不同的固体颗粒入射角对应不同的侵蚀率。试验研究表明，当固体颗粒入射角等于20。～25。时，叶片侵蚀率达到最大值。

由于冲动级喷嘴出口汽流速度比反动级高，故冲动级动叶固体颗粒侵蚀比反动级动叶更为严重。

危害根据超临界汽轮机的运行经验，汽轮机尤其是超临界压力汽轮机通流部分的高、中压级的喷嘴、动叶片及主蒸汽阀、旁路阀经常会发生固体颗粒侵蚀(SPE)损伤。固体颗粒(粒子)侵蚀是指由于锅炉过、再热器及主蒸汽管道内剥落下来的氧化垢层形成的坚硬固体颗粒随蒸汽一起进入汽轮机，侵蚀通流部分的喷嘴、动叶片的现象。固体颗粒的侵蚀使汽轮机通流效率降低，功率下降，检修周期缩短，维修费用上升。为此，采用叶片的气动抗侵蚀设计与表面强化两种方法来改善叶片的抗侵蚀性能。

固体颗粒侵蚀较多发生在锅炉启动阶段，由锅炉受热面受热冲击引起管子汽侧氧化铁剥离，剥离的氧化物根据其质量、形状的不同及该处蒸汽动量的大小，或在管内沉积，或随蒸汽运动并形成固体颗粒，使汽轮机调节级和高、中压缸第l级叶片产生侵蚀。另外，机组长期低负荷运行也会出现固体颗粒侵蚀问题。沉积的氧化物会危及炉管的安全运行，严重的将导致过热器、再热器管爆破。

防治措施根据对固体颗粒的产生、流动及最后对汽轮机叶片的侵蚀过程的分析，防治其侵蚀措施应体现在防止和减缓高温蒸汽金属氧化物的生成，对已生成的金属氧化物应避免其脱落，对已脱落的金属氧化物应尽快予以清除；对未能清除的金属氧化物应尽量减轻其对汽轮机叶片的破坏等环节。除了在锅炉方面应尽可能选用抗氧化性能好的材料，选用利于减小传热偏差、降低氧化速率及有利于氧化皮及固体颗粒的流动的塔式锅炉外，在汽轮机方面，需要在结构和运行上采取必要的措施。

在超超临界汽轮机结构设计上的防治措施包括：

(1) 改进调节级喷嘴端壁面的几何形状，喷嘴采用子午面型线，既可以减少二次流损失，也可起到减少固体颗粒侵蚀的效果。

(2) 冲动级喷嘴出口汽流速度比反动级高，冲动级静叶出口和动叶受到的固体颗粒侵蚀比反动级严重。冲动式调节级存在的主要问题是高速蒸汽流出喷嘴和进入动叶，极易受到固体颗粒的侵蚀。尽可能把冲动式叶片的使用局限在调节级，其余高中压级采用反动式叶片。由于反动式叶片固体颗粒冲击角较大，固体颗粒侵蚀的影响不是很大。

(3) 采用倾斜喷嘴可减少撞击在喷嘴出口表面上的固体颗粒数量，并使撞击速度降低，撞出角减小，使第一级喷嘴出汽边固体颗粒侵蚀的损伤率大为减小。

(4) 通过改变喷嘴的几何形状以及调节级与再热第一级的喷嘴和动叶的距离，可明显地降低固体颗粒的侵蚀率。

(5) 启动时，在20%负荷以下采用全周进汽方式，可以减少蒸汽流速，有利于防止固体颗粒侵蚀。与定压运行相比，变压运行超超临界汽轮机由于蒸汽流速缓慢等原因，有利于减轻固体颗粒侵蚀。

(6) 调节级和再热第一级喷嘴和动叶的设计，应选用蠕变强度高和耐固体颗粒侵蚀能力强的高温叶片材料。

(7) 调节级和再热第一级喷嘴和动叶采用防固体颗粒侵蚀的保护镀层或涂层，如采用等离子喷涂铬碳化物(或碳化钨)或表面硼化处理(高温下将硼扩散渗透到金属表面，形成硼化物)等技术，对提高叶片表面耐固体颗粒侵蚀性能有一定效果。一般要求保护层性能稳定，硬度需在1000HV以上，同时不应降低叶片母材的基本力学性能和不使叶片变形。2