摘要：随着我国汽轮机向大容量、高参数方向发展，叶片的安全可靠性显得尤为重要。叶片水蚀对汽轮机运行的经济性和安全可靠性有很大影响。特别是在电力供需不平衡的情况下，汽轮机会长期处于低负荷运行状态或反复启停，也会由于设计、制造、安装等各种原因造成的叶片损坏和故障。因此，有必要制定有针对性的预防措施，对指导汽轮发电机组安全经济运行，防止运行事故的发生具有重要意义。
关键词：汽轮机动；叶片；水蚀防护
引言
末级叶片的水蚀会使动、静叶栅的气动性能恶化，级效率降低，水蚀形成的锯齿状毛刺造成应力集中和叶型根部截面积减小，影响叶片的振动特性，削弱叶片的强度，增加末级叶片断裂的危险性，对汽轮机的安全运行造成威胁。叶片发生水蚀后，若不及时采取措施进行处理，长期运行导致损伤扩大、叶片断裂，轻则机组振动加剧，强迫停机，更换转子叶片或对转子进行返厂处理；重则机组动、静部件摩擦，产生不平衡振动，导致事故扩大，甚至整台机组损坏，造成重大经济损失。
1汽轮机叶片喷涂防护
超音速火焰喷涂是20世纪80年代出现并发展起来的一种先进的高速火焰喷涂法，它是利用丙烷、丙烯等碳氢系燃气或氢气与高压氧气在燃烧室或喷嘴中燃烧，经过拉阀尔喷嘴后产生高速、高温焰流。将喷涂粉末送进高温高速焰流中，产生熔化或半熔化的粒子并高速撞击基体，在基体表面形成涂层。采用超音速火焰喷涂和超音速电弧喷涂方法，制备不同的抗水蚀涂层，通过组织结构、力学性能、热震性能、磨粒磨损及冲蚀磨损性能对比分析试验，为汽轮机动叶片抗水蚀涂层材料及制备工艺选择提供理论依据。
在前期热喷涂试验基础上分析认为，与超音速电弧喷涂粉芯NiCr金属陶瓷相比，超音速火焰喷涂制备的NiCr金属陶瓷涂层结合强度高，硬度高，抗热疲劳性能良好，具有更加优异的耐磨及耐冲蚀性能。
1.1现场喷涂方法及材料
采用超音速火焰喷涂技术，在汽轮机末级动叶片表面制备抗水蚀涂层，喷涂区域为叶顶入汽边，长度为300mm，宽度为35mm。喷涂设备为JP5000超音速火焰喷涂系统，喷涂材料为高镍铬金属陶瓷粉末，粉末粒度分布范围46～60μm，涂层设计厚度0.1～0.25mm。
1.2喷涂前准备
喷涂粉末使用前进行烘焙，烘焙温度120℃，保温1.5～2.0h。喷涂粉末使用前应摇匀，使用前用200目精细筛过滤去除杂物；宏观检查叶片表面是否存在缺陷并记录；采用清洗剂清洗叶片表面，除去叶片表面污垢；采用专用夹具对叶片不喷涂区域进行精确遮蔽保护；正式喷涂叶片前进行折弯试片喷涂，喷涂范围和喷砂范围一致，喷涂工艺严格按照工艺评定合格的工艺进行，折弯试验后涂层无脱落现象，方可进行现场叶片喷涂。
1.3现场超音速火焰喷涂
（1）叶片表面预处理使用压力式喷砂法对叶片喷涂区域进行粗糙、活化处理，使基体表面粗糙度达到3～6μm，彻底清除叶片表面氧化物、油脂、污物等附着物，均匀粗化并露出金属光泽。喷砂磨料为优质棕刚玉砂，粒度为16目，磨料清洁、干燥。喷砂范围为：末级叶片叶顶入汽边，长度为300mm，宽度为35mm。喷砂完成后30min内，必须进行喷涂作业，否则必须进行二次喷砂处理。（2）喷涂叶片采用喷枪将待喷涂叶片表面预热至100℃，而后进行喷涂，喷涂过程中采用红外线测温仪严格控制叶片表面温度，防止叶片过热。
1.4涂层质量现场检测
在现场对涂层进行外观检查、厚度检查、硬度检查、静频率测试等，检查结果表明，涂层表面平整，色泽一致，无起皮、鼓泡、脱落等缺陷，叶片无变形；涂层厚度为0.15～0.25mm，符合设计要求；涂层显微硬度为800～900HV，能对叶片基材起到良好抗冲蚀防护作用；修复前后汽轮机末级动叶片静频率变化为0.1～0.3Hz，修复与防护对汽轮机动叶片振动频率没有影响。
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1.5涂层挂片实验室检测
在现场环境下，采用超音速火焰喷涂制备涂层挂片试样，对涂层挂片试样进行实验室检测。结果表明，现场喷涂条件下获得的涂层结合强度高达70MPa，涂层与基体结合良好，经540℃、80次热震试验，涂层无剥离、翘起或脱落，抗热震性能优异，孔隙率低至0.5%，涂层致密均匀。涂层显微硬度高达900HV0.3，能起到良好的抗水蚀性能，涂层综合性能优异，能满足汽轮机叶片运行工况条件要求。
2提高排汽干度
2.1设置除湿装置
主蒸汽处于过热状态的汽轮机在系统设计中不需要设置除湿装置，只需在启停过程中容易积水的低点和湿排汽区的最后几个阶段设置疏水孔。对于饱和汽轮机，整个流道都在湿蒸汽区。在每一阶段的工作之后，蒸汽湿度会增加，水的比例也会相应增加。叶片承受的水锤越严重，如何及时合理地除湿排水是饱和汽轮机需要解决的基本问题。下面介绍几种常用的除湿方法。
2.1.1在汽源入口处设置汽水分离器
饱和蒸汽大多来源于余热锅炉或工艺的下游管网，一般传送距离较远，热量损失较大，管道设计难以实现彻底疏水。导致蒸汽干度无法保证。因此，在用饱和蒸汽作为主蒸汽或补汽的场合，在靠近汽轮机入口处设置汽水分离器，使进入汽轮机的蒸汽干度理论上达到99.5％以上，尽可能地减少进入汽轮机的水分。
2.1.2汽轮机内部及时疏水
蒸汽每经过一级做功干度都会下降，水分如果不能及时排出，将会跟随汽流冲击叶片，流入下一级导致含水量越来越大，越往后水冲击越严重。常规做法为：在汽缸适当位置开疏水孔，以及时排出水分；在隔板底部开疏水孔，让未能排出汽缸的水分从底部流入下一级，避免冲击叶片；在隔板汽道前后位置还装有甩水环，尽可能地收集排出水分。
2.2设置再热装置设置
除湿装置是为了将水分从湿蒸汽中分离出来，以提高湿蒸汽的干度，但并不能使湿蒸汽变成饱和蒸汽甚至过热蒸汽，因此对最终排汽干度的提升效果有限。为了进一步提高排汽干度，同时提高汽轮机内效率，引入了中间再热的概念，但需与电站再热汽轮机加以区分。电站再热汽轮机是将汽轮机高压缸的排汽送入锅炉再热器，加热成与主蒸汽温度相当的再热蒸汽，再送入低压缸继续做功，以提高电站循环效率。而饱和蒸汽大部分是由工艺过程产生，不由锅炉产生，因此需设置独立的再热器，利用主蒸汽或外部汽源来加热高压缸排出的湿蒸汽，使其成为有一定过热度的过热蒸汽后，进入低压缸继续做功。要想取得较好的再热效果，湿蒸汽在进入再热器之前需经过除湿，使湿蒸汽尽量接近饱和状态，因此设置除湿装置是采取中间再热方式的前提。
结束语
总的来说，在运行过程中，汽轮机叶片在含有水滴的湿蒸汽中工作，工作条件相当恶劣。汽轮机叶片在离心力、蒸汽力、激振力和湿蒸汽携带的水滴冲刷的共同作用下，易受水蚀的影响。水蚀的存在不仅降低了水轮机的热效率，而且在水蚀区造成了应力。如果裂纹萌生强烈，如果不及时防护，叶片的水蚀损伤和生长可能导致叶片断裂失效，机组设备损坏事故严重。因此，必须采取有效的表面防护措施，防止和减缓水轮机过流部件的水蚀破坏。
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论文作者:盛显伟
论文发表刊物:《电力设备》2019年第20期
论文发表时间:2020/3/3
标签：叶片论文; 汽轮机论文; 蒸汽论文; 涂层论文; 疏水论文; 超音速论文; 汽轮论文; 《电力设备》2019年第20期论文;