1、超超臨界汽輪機(jī)固體顆粒物沖蝕問題,王鵬宇,名字好聽，壓力大呀！,超臨界帶來的問題,固體顆粒物沖蝕（SPE） 噴嘴和葉片 的固體顆粒物沖蝕（SPE）是超臨界參數(shù)汽輪機(jī)問世以來就面臨的嚴(yán)重問題。 最要發(fā)生在 主蒸汽調(diào)節(jié)閥、主蒸汽旁路門、再熱蒸汽調(diào)節(jié)閥、高壓第一級(jí)、再熱第一級(jí)。 原因是 鍋爐過熱、再熱器管壁Fe2O3和Fe3O4 剝離形成的微粒進(jìn)入汽輪機(jī)。,時(shí)髦稱號(hào),固體顆粒沖蝕（SPE),固體顆粒的來源： 固體顆粒主要是 鍋爐過熱器及主蒸汽管道內(nèi)氧化垢層剝落所形成。 過熱蒸汽管道內(nèi)氧化膜形成分為 制造加工和運(yùn)行中 兩個(gè)階段。 新鍋爐投產(chǎn)前，一定要進(jìn)行 酸洗、鈍化及吹掃 （穩(wěn)壓法或不熄火降壓法蒸汽吹

2、掃）以利在機(jī)組運(yùn)行時(shí)形成良好的抗腐蝕氧化層。 過熱蒸汽管道內(nèi)壁在運(yùn)行后所形成的氧化膜是由 水蒸汽和鐵形成的氧化膜， 該膜分為二層，稱為雙層膜。外層稱為延伸膜，是由于鐵離子向外擴(kuò)散和水中的氧離子向里擴(kuò)散而形成的。內(nèi)層的原生膜是水的氧離子對(duì)鐵直接氧化的結(jié)果。,根源,固體顆粒沖蝕,固體顆粒的來源： 蒸汽中氧化膜的生成過程：開始時(shí)，氧化膜形成很快，一旦形成后，進(jìn)一步的氧化便慢了下來，與時(shí)間呈拋物線關(guān)系。但在某些不利的運(yùn)行條件下，如 超溫、溫度、壓力波動(dòng)條件下，金屬表面雙層膜就會(huì)變成多層膜的結(jié)構(gòu)，這時(shí)氧化和時(shí)間變成直線關(guān)系。起初的雙層膜進(jìn)一步發(fā)展成為多個(gè)雙層膜的多層氧化層結(jié)構(gòu)，然后便會(huì)發(fā)生剝離。剝離是因

3、氧化膜與基體之間膨脹系數(shù)不同產(chǎn)生的應(yīng)力作用而發(fā)生的。在負(fù)荷、溫度和壓力變化較大時(shí)，氧化層剝離特別容易發(fā)生。,類比“搪瓷”,固體顆粒沖蝕,固體顆粒的來源： 氧化層剝離條件：1、氧化層達(dá)到一定厚度 ；2、溫度變化幅度、速度大。 由于熱膨脹系數(shù)的差異，當(dāng)垢層達(dá)到一定厚度后，溫度發(fā)生變化，尤其是發(fā)生反復(fù)的或劇烈變化時(shí)，氧化層即很容易從金屬本體剝離。 從過熱器和再熱器管剝離的氧化層，經(jīng)過調(diào)門和噴嘴后，獲得很大的速度和動(dòng)能，撞擊汽輪機(jī)葉片使高壓級(jí)和中壓前幾級(jí)葉片受到很大的損傷。,固體顆粒物沖蝕現(xiàn)象,定義： 在超(超)臨界參數(shù)條件下，主、再蒸汽在特定的工況下，攜帶了一定濃度的固體顆粒物，蒸汽在汽輪機(jī)膨脹加速

4、做功的過程中，對(duì)汽輪機(jī)產(chǎn)生沖擊磨損的現(xiàn)象。,固體顆粒沖蝕,當(dāng)蒸汽溫度高于600 （580)時(shí)， 鍋爐受熱面管子高溫腐蝕和汽側(cè)氧化問題十分顯著。 高壓第一級(jí)噴嘴和動(dòng)葉（13級(jí)）、中壓第一級(jí)噴嘴和動(dòng)葉（13級(jí)）的固體顆粒侵蝕比較嚴(yán)重。 1、噴嘴的加速過程，汽固兩相流顆粒撞擊破壞 噴嘴出汽邊的內(nèi)弧損 損害較大。 2、動(dòng)葉進(jìn)口處（顆粒速度蒸汽流速）動(dòng)葉進(jìn)氣邊背弧 損害較大。 3、顆粒與固體壁面碰撞動(dòng)葉片反彈回來的固體顆粒沖擊產(chǎn)生， 噴嘴的出汽邊背弧 損害較大。,速度三角形,噴嘴腹背受敵,慣性定律,固體顆粒沖蝕,固體顆粒沖蝕,固體顆粒沖蝕的危害性 固體顆粒沖蝕損害調(diào)節(jié)級(jí)噴嘴葉片和動(dòng)葉片的型線，使汽輪機(jī)組

5、熱效率下降，降低機(jī)組可用率，增加機(jī)組的維修費(fèi)用。,固體顆粒物沖蝕,顆粒物的基本形態(tài) 顆粒屬性：金屬氧化物顆粒，以磁性四氧化三鐵為主（Fe3O4），具有較高的硬度。 粒徑分布：0.2mm左右 粒子形態(tài)：以片狀扁平形態(tài)為主 顆粒源頭及基本形成：鍋爐受熱面汽水側(cè)（內(nèi)表面） 鈍化膜：加氧方式下，形成的致密金屬氧化物鈍化膜，覆蓋于金屬表面，對(duì)金屬基材具有保護(hù)作用 氧化皮：鈍化膜脫落，形成所謂的氧化皮，可能堆積于受熱面內(nèi)，或隨蒸汽攜帶 顆粒物：被蒸汽攜帶的過程中，不斷撞擊、破碎，最后隨主、再蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī),現(xiàn)原形,固體顆粒物沖蝕,固體顆粒物沖蝕損傷部位 汽輪機(jī)的主、再蒸汽閥門 損傷原因 1、閥門開度較小時(shí)

6、，蒸汽節(jié)流，固體顆粒沖刷嚴(yán)重。 2、閥門蒸汽轉(zhuǎn)向，口徑變化蒸汽加速（攜帶顆粒物）固體顆粒加速?zèng)_擊。 高壓缸 第一級(jí)（相對(duì)嚴(yán)重），（特別是調(diào)節(jié)級(jí)） 其他高溫通流段 中壓缸 第一級(jí)（相對(duì)嚴(yán)重） 其他高溫通流段 旁路閥門（高/低壓旁路閥）,可憐的汽機(jī)妹妹,固體顆粒物沖蝕,固體顆粒物沖蝕的危害 主、再蒸汽閥嚴(yán)密性下降 極端情況跳閘、甩負(fù)荷工況下易超速 甚至?xí)淖冮y門型線（閥芯、閥座）控制過程流量曲線變化 影響惰走進(jìn)程及盤車投運(yùn) 預(yù)防措施 進(jìn)行閥門嚴(yán)密性試驗(yàn) 對(duì)閥體進(jìn)行檢修 旁路閥嚴(yán)密性下降 工質(zhì)內(nèi)漏、損耗，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性下降 （益處：使旁路處于“熱備用”狀態(tài)）,比股票 還要命,固體顆粒物沖蝕,汽輪機(jī)葉片速

7、度系數(shù)降低，流動(dòng)效率下降 表面粗糙度變大，噴嘴損失、動(dòng)葉損失增大相對(duì)內(nèi)效率 葉片型線變化，蒸汽加速能力 汽流方向角變化速度三角形畸變 嚴(yán)重情況下，導(dǎo)致葉片事故 葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降葉片事故斷裂 葉片振動(dòng)特性偏離設(shè)計(jì)（減?。┱T發(fā)葉片振動(dòng)機(jī)組安全性下降,影響錢！,罷工,固體顆粒沖蝕及預(yù)防對(duì)策,固體顆粒對(duì)壁面沖蝕的機(jī)理,武功再高 也怕飛刀,固體顆粒沖蝕,數(shù)種常見的顆粒沖擊型態(tài) (a)微切削 (b)表面裂紋 (c)擠伸和鍛壓 (d)微裂紋 (e)疲勞屑片 (f)擠伸突起屑片,小李飛刀,“王麻子”,固體顆粒沖蝕,固體顆粒對(duì)壁面沖蝕的機(jī)理 影響材料磨蝕率的因素復(fù)雜多樣，在實(shí)際中，磨蝕率取決于各因素的綜合效應(yīng)，

8、一般可將歸納為三大類： 1、 沖擊型式：沖擊角度、沖擊速度。 2、 顆粒性質(zhì)：形狀、大小、密度及濃度。 3、 靶材性質(zhì)：材料結(jié)構(gòu)、硬度、塑性、加工硬化性、殘留應(yīng)力、表面狀況等。,準(zhǔn)、狠,自身原因,固體顆粒沖蝕,防止固體顆粒沖蝕的對(duì)策 對(duì)于噴嘴出汽邊內(nèi)弧面被撞擊造成高壓級(jí)噴嘴的沖蝕損壞，減少這種沖蝕的方法 1、減少噴嘴數(shù)目、增大其橫截面積；2、改進(jìn)噴嘴靜葉的葉型、減小汽流的轉(zhuǎn)向折轉(zhuǎn)角、增大折轉(zhuǎn)半徑，使顆粒較容易地通過。 1、通過采用傾斜高壓級(jí)噴嘴，可顯著減少撞擊在噴嘴出口邊表面上的固體顆粒數(shù)量。 2、使固體顆粒入射角減少到侵蝕率比較小的角度。 3、采用保護(hù)涂層等措施。,改變自己,加裝備 打鐵也要

9、自身硬,固體顆粒沖蝕,防止固體顆粒沖蝕的對(duì)策 良好的噴嘴曲線。改進(jìn)葉型使壓力面型線角平直，沒有大的折轉(zhuǎn)角，因此固體顆粒碰撞角比較小。通過葉型氣動(dòng)設(shè)計(jì)提高噴嘴抗沖蝕性能的主要途徑是減少固體顆粒的碰撞速度和碰撞角度。改進(jìn)噴嘴的固體顆粒碰撞速度及碰撞角度都有較大幅度的下降。 設(shè)計(jì)噴嘴時(shí)，適當(dāng)?shù)脑龃髺啪嗫梢詼p少碰撞顆粒的數(shù)量，因而也能減少對(duì)葉片的沖蝕。 調(diào)節(jié)級(jí)作為大焓降沖動(dòng)式設(shè)計(jì)，是SPE損傷最嚴(yán)重的部位，盡量采用無調(diào)節(jié)級(jí)設(shè)計(jì)。,變形態(tài),拉開距離,全周進(jìn)汽,汽輪機(jī)葉片蒸汽的流動(dòng)及顆粒的攜帶,顆粒在噴嘴葉柵中的流場(chǎng),斜置式葉柵中顆粒流動(dòng)分離,再熱第一級(jí)防范措施 再熱第一級(jí)沖蝕主要表現(xiàn)在導(dǎo)葉出口背弧上，其

10、機(jī)理是靜/動(dòng)葉片之間固體顆粒物復(fù)雜的多重反射沖擊現(xiàn)象。來自導(dǎo)葉出口的粒子首先打在動(dòng)葉進(jìn)汽邊背弧上，粒子在動(dòng)葉上獲得巨大切向速度，并以小角度沖擊導(dǎo)葉出口背弧表面，對(duì)導(dǎo)葉形成嚴(yán)重的沖蝕。 因此，防止再熱第一級(jí)的SPE的有效措施是 合理加大動(dòng)/靜葉片的軸向間隙，使從動(dòng)葉反射的固體顆粒物被主流吹回動(dòng)葉流道而不能打在靜葉出口背弧上，切斷固體顆粒物粒子多重反射的途徑。,距離產(chǎn)生“沒”,固體顆粒沖蝕,汽輪機(jī)制造中采取的預(yù)防措施 通過表面強(qiáng)化的方法來改善噴嘴抗沖蝕性能的 主要途徑是提高表層材料的硬度。 目前表面涂層技術(shù)主要有 表面等離子噴涂工藝和擴(kuò)散滲層工藝。 等離子噴涂工藝形成的涂層非常耐侵蝕，幾乎可以用于

11、通流部分的所有部件。但會(huì)受部件結(jié)構(gòu)限制，不能用于噴涂噴嘴出汽邊的內(nèi)弧面。,金屬材料學(xué),硬碰硬,固體顆粒沖蝕,汽輪機(jī)制造中采取的預(yù)防措施 鍍耐沖蝕涂層，厚度為0.050.10mm的涂層可維持2年。等離子噴耐沖蝕涂層將材料抗沖蝕能力可提高9倍。 采用合金擴(kuò)散滲層工藝能解決受結(jié)構(gòu)限制而無法用等離子噴涂的問題，滲層的最大厚度小于等于0.076mm。擴(kuò)散滲層技術(shù)可解決已投運(yùn)機(jī)組第一級(jí)噴嘴室和用螺栓固定的噴嘴弧段的耐沖蝕問題。主要是硼化物擴(kuò)散滲層。 在各種硬化處理的涂層中，硼化處理被認(rèn)為是最好的一種。常用12Cr鋼噴嘴施以硼化處理,濃縮的精華,至高心法,固體顆粒沖蝕,鍋爐應(yīng)采取的預(yù)防措施 1、在爐管內(nèi)壁滲

12、鉻以防止產(chǎn)生金屬氧化物是一種解決固體顆粒沖蝕的十分有效辦法。 2、對(duì)過熱器和再熱器進(jìn)行酸洗，清除管壁上的金屬氧化物，但該工藝的費(fèi)用很高。 3、在鍋爐酸洗后對(duì)爐管進(jìn)行酸洗鈍化處理，以改善磁性氧化鐵的粘附力。從而使之具有長(zhǎng)期抗剝落的能力，這樣減少了金屬氧化物的形成和剝落，減少固體顆粒物的生成。,鉻、鎳 super304H HR3C,固體顆粒沖蝕,機(jī)組運(yùn)行中應(yīng)采取的預(yù)防措施 1、充分利用機(jī)組旁路系統(tǒng)，較好的控制溫度偏差，減少氧化皮產(chǎn)生和剝落，并通過高低旁的配合對(duì)爐內(nèi)氧化皮進(jìn)行沖洗。 2、要充分重視機(jī)組調(diào)試階段防止?fàn)t內(nèi)固體顆粒進(jìn)入汽輪機(jī)，調(diào)試啟動(dòng)時(shí)可延長(zhǎng)使用旁路的時(shí)間，或設(shè)置臨時(shí)細(xì)目濾網(wǎng)。 3、低負(fù)荷

13、工況下固體顆粒更易反彈至噴嘴背弧，引起噴嘴出汽背弧嚴(yán)重沖蝕，因此應(yīng)盡量避免汽輪機(jī)在低負(fù)荷下長(zhǎng)期運(yùn)行。 4、氧化皮的剝離主要發(fā)生在降溫時(shí)，而當(dāng)機(jī)組重新啟動(dòng)時(shí)，剝離的碎片被帶入汽輪機(jī)?？刂坪谜羝麉?shù)，防止蒸汽溫度大幅波動(dòng)。 5、降低壓力可以減小蒸汽流速，變壓運(yùn)行優(yōu)于定壓運(yùn)行。,固體顆粒物沖蝕的綜合影響因素,顆粒物源頭鍋爐 爐型 型布置 熱偏差大，易堆積氧化皮，爆管幾率高，顆粒物難以處理 塔式布置 熱偏差小，氧化皮易攜帶，爆管幾率低，顆粒物易處理 受熱面材質(zhì) 局部熱偏差 鈍化膜的生長(zhǎng)及脫落 材質(zhì)，奧氏體鋼（560度以上）氧化皮易剝落（0.1mm） 化學(xué)工況，水質(zhì)影響、加氧處理 工作溫度，超溫 溫度變

14、化，變化速率,鉻鉬鋼540度以下 （0.20.5mm),從割管中表現(xiàn)的氧化皮、固體顆粒,飛刀,我國(guó)1000MW汽輪機(jī)的防SPE措施,固體顆粒物沖蝕的綜合影響因素,其他相關(guān)因素 旁路 旁路的形式、容量（與造價(jià)相關(guān)） 小容量（10%）單級(jí)大旁路（早期東汽，對(duì)鍋爐氧化皮、汽機(jī)固體顆粒防范很不利） （3040）%、級(jí)串聯(lián)旁路 （現(xiàn)多應(yīng)用） 100% 級(jí)、65%級(jí)串聯(lián)旁路 （上汽） 化學(xué)水工況（參照電廠化學(xué)） 水質(zhì)，要求嚴(yán)格 化學(xué)水工況，加氧處理,化學(xué)也很重要,固體顆粒物沖蝕的綜合影響因素,采取嚴(yán)格的給水水質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)和有效措施： 對(duì)銅、氧離子、含氧量、鈉及氯離子、pH值的控制應(yīng)更嚴(yán)格。 設(shè)置完善的補(bǔ)給水

15、處理系統(tǒng)，100凝結(jié)水的精處理系統(tǒng)，腐蝕產(chǎn)物對(duì)給水的污染。 整個(gè)汽水系統(tǒng)必須為無銅，消除銅沉積物的危害?；瘜W(xué)清洗設(shè)備定期清除水汽系統(tǒng)聚集的沉積物，避免在停運(yùn)時(shí)的腐蝕。 嚴(yán)格防止凝汽器泄漏，采用抗腐蝕性能好的鈦管/不銹鋼管，采用脹接后再焊接密封的工藝等技術(shù)措施。,固體顆粒物沖蝕有效防范措施,（1）系統(tǒng)工程 主體受損部位在汽輪機(jī)本體及系統(tǒng)內(nèi) 汽輪機(jī)內(nèi)已采取了一定的防范措施，但并不是汽輪機(jī)本身能全部解決完成的 整體涉及到單元機(jī)組的各個(gè)主體設(shè)備 是系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、材質(zhì)、施工工藝、實(shí)際運(yùn)行的綜合系統(tǒng)工程,全局意識(shí),全民抗戰(zhàn),固體顆粒物沖蝕有效防范措施,（2）設(shè)備配置 鍋爐 塔式爐：相對(duì)占優(yōu) 型爐：相對(duì)較差

16、 汽輪機(jī) 宜采用節(jié)流方式運(yùn)行，壓力級(jí)方式運(yùn)行 旁路 建議采用、級(jí)串聯(lián)旁路 容量不但要滿足鍋爐的基本穩(wěn)燃需求，還應(yīng)滿足防范氧化皮脫落的要求 給水泵組 對(duì)于純汽泵模式，應(yīng)充分保證其可靠性 化學(xué)工況 適時(shí)轉(zhuǎn)入加氧方式運(yùn)行,有錢才能來,固體顆粒物沖蝕有效防范措施,（3）實(shí)際運(yùn)行 新機(jī)組 嚴(yán)格的酸洗、沖管，保障汽水品質(zhì) 保證主、再蒸汽清潔 啟動(dòng)進(jìn)程中，利用旁路系統(tǒng)潔凈蒸汽 防范高顆粒物濃度蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)做功 汽輪機(jī) 新機(jī)組612個(gè)月宜節(jié)流方式運(yùn)行 啟動(dòng)進(jìn)程及2472小時(shí)內(nèi)宜節(jié)流方式運(yùn)行 鍋爐平穩(wěn)運(yùn)行，防范氧化皮脫落,固體顆粒物沖蝕有效防范措施,單元機(jī)組平穩(wěn)運(yùn)行，防范氧化皮脫落 機(jī)組大幅度變負(fù)荷 AGC負(fù)荷需求 RB工況 甩負(fù)荷工況（停線不停電、停電不