超超超临界机组固体颗粒冲蚀的机理及防治

第２３卷第５期 ２００７年９月
文章编号：ｌ００５－００６Ｘ（２００７）０５舢ｌ－０４
电站系统工程 Ｐｏｗ盯 Ｓｙｓ钯ｍ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
ＶｒｏＪ．２３ Ｎｏ。５
Ｓ印．，２００７
超（超超）临界机组固体颗粒冲蚀的机理及防治
北京国华电力技术研究中心 徐亚涛
摘 要：通过研究超超临界汽轮机固体颗粒侵蚀产生的原因．在制造和运行中采取通流部分优化及喷涂硬化、灵活运用旁路系统等防 治措施，可有效降低固体颗粒侵蚀现象的发生． 关键词：固体颗粒；冲蚀；机理 中图分类号：ｎ（２４５ 文献标识码：Ｂ
圈３苓同材震下，；枣击角度对磨蚀率魄彰晌 矗——璇铜彝——硬纯钢Ｙ——御瓷６——聚合物 氧化铁固体颗粒撞击喷嘴壁面的冲蚀率ｆ妁网体颗粒 的碰撞角夕ｌ和碰撞速度蜘ｌ霄关。在５∞℃下，氧化铁粒子 对１２ｅｒ的骂氏体材料冲镰实验结果表明，在磋撞筠为３０。左 右时冲蚀率达到最大值，并且冲蚀量姆碰撞速度的３次方到４ 次方成正比，典型的冲蚀察与碰撞角的关系如图４所示。根 摆嵝鳙材辩的抗掉蚀缝憩霹知，裴嘴觞气动设诗波镬霾俸鬏
Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｏｌｉｄ ＰａｎｉｃＩｅ Ｅｒｏｓｉｏｎ ｉｎ ＣｒｉｔｉｃａＩ（Ｓｕｐｅｒ℃ｒｉｔｉｃａｌ）Ｕｎｉｔ
ＸＵＹ｜ａ－ｔａｏ
．
ｉＩｌ跚ｐ涮ｔｉｃａｌ Ａｂｓｔｒ曩ｃｔ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｔｕｄｙｉｎｇ ｔｌｌｅ托鹳ｏｎｓ ｔｌＩａｔ∞Ｉｉｄ ｐａｎｉｃｌｅ ｃｒｏｓｉｏｎ ｉｓ ｇｃｎｅｒ砷ｃｄ
４汽轮机制造中采取的预防措施
毒。ｌ嚷嚷升冀表嚣强纯
固体颗粒侵蚀损伤的程度与粒予撞击角度、撞击速度、 敉予大小和多少及叶片材料的耐侵蚀性能等因素有关，其中 敉子撞击角度对侵蚀速度有极大影响（图９）．汽轮机通流 部分常含煮１２ｃｆ舄氏馋不锈钢，其搴孝料韧性高，但它道遁 的被子硬度极高，必奠氏硬度５。５～６．６缀。所缢可戳认必喷 嘴、动叶片受到的侵蚀最可能是“韧性模式”．侵蚀试验证 实，常用喷嘴和动叶片材料在粒子撞街角度较小（如２０。～ ３０９左右）时侵蚀最严重。然而，这种规律对于硬度很大的 誊｜辩翔陶瓷等侵蚀瓣律嬲完全不露，趱瓷豺料在冲击熊发小 时所受的侵蚀损伤最小。这就是汽轮移ｌｌ遥流部分荔受後镳酶 菜些喷嘴和叶片表灏可以采用硬质涂层预防固体颗粒侵蚀 的道理。
等离子喷涂工艺凡乎可以用予逶流部分需要徽辩侵蚀 涂层的所有部件，饭由于某些喷嘴室和使用螺栓固定的喷嘴 弧段受结构的限制。等离子喷涂工艺不能用于喷涂喷嘴出汽 边的内弧面。
ｔＩＩｒｂｉｎｅ ｄｕｒｉｎｇ
ｍａｎｕｆ缸ｔｕｒｃ锄ｄ ｏｐｅｍｔｉｏＩｌ＇ｔａｋｃ ｍｅ弱ｕｒ鹤ｂｙ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ锄ｄ ｓｐｒａｙ ｈａｒｄｅｎ ｍ ｎｏｗｉｎｇ ｐａｒｔ锄ｄ ｎｅｘｉｂｌｅ印ｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ
ｂｙ．ｐ髂ｓ ＳｙｓｔｅＩＩｌ’ａｖｏｉｄｉｎｇ ｔｏ ｈａｐｐｃｎ∞Ｉｉｄ ｇｒａｉｎ ｃｏｎ．ｏｄｉｎｇ ｐｈ饥ｏｍ饥ｏｎ ｃ丘．ｃｃｔｉＶｃｌｙ．
２影响冲蚀的主要因素
２．１冲击角度 冲击角度对磨蚀率的影响会因靶材性质不同而有显著
差异，图３显承７不同净浓角度下，碳镪、硬化镧、陶瓷、 聚合物等４种性质运异豹材辩磨蚀率受冲击煮痰酶影响情 况．其中塑性材料如碳钢，在冲击角为３０。时有最大磨蚀率， 因为塑性材料在低角度、高速度冲击下，有利于切削或挤伸 等鎏牲瘗蚀方式酶送行；对脆瞧誊｜籽翔陶瓷，因必是由予撞 击应力引发徽裂纹所至，故最大磨蚀攀发生在具有最大冲击 能时，即当冲谢角度为９０。时的情况下．而在低角度冲击时， 耪辩耗豢耋较繇。至手弹援模数较低熬蒙含物翔蠢凌与蕤性 材料完全相反的结果，在９０。冲击下几乎不发生损耗．
稻确箍ｆｄｓ鞠警辩粒子硬度对磨蚀率豹影响徽凄翔下结 论：当ｊ晓子硬度超过被磨蚀基材的表面硬度时。粒子硬度变 化对靶材磨蚀率的影响不大，仪当粒子硬度低予表面硬度 酵，粒予嫒凌对蠹镶率鹃影嚷考羧显著。另辩，疆废较低的
万方数据
第５期
徐亚涛：超（越超）临界机组固体颗粒冲蚀的机理及防治
３
粒子，舞暴凌褰速；孛壹嚣重其有蒜动戆，对硬质基毒｜一群会造 成严重的蘑蚀攒耗． ３汽轮机设计中防止固体颗粒冲蚀的对策
２．２冲击速度 不论塑性材料绫脆性材料，颥粒｛孛击速度的提毫垮会使
磨蚀羹增匀玎，一般认为，两者阍存在着以下的关系式：
Ｆ《矿
式中，零——磨蚀攀；卜—．ｉ巾击速度；爱。一豢数。撑俊剿
与材料性质有关，在塑性材辩巾，一奔予２～２．５之间：褥脆 性材料对冲击速度较为敏感，摊值可高达６．
冲潦速度与材料对冲蚀率的影响如图５所示。
１固体颗粒对材料壁面冲蚀的理
固体颗粒冲蚀（也称为磨蚀）对材料所造成的损害，多 半为颗粒冲击所致，其冲击行为如图ｌ所示，结果会在材料 表面造成弧状凹痕。影响磨蚀的因素很多，诸如：冲击颗粒 的形状、尺寸、速度、流量及受冲击材料本身的性质等。
固体颗粒磨蚀可归纳为塑性磨蚀及脆性磨蚀两种模式。 一般而言，若磨蚀颗粒是以微切削、铲挖等塑性变形的方式 对固体壁面进行磨损，叫做塑性磨蚀，一般金属工业材料的 磨蚀多为这种型式；若耗损是由撞击应力引起的微裂纹，并 伴随裂纹的延伸过程所造成的。则属于脆性磨蚀。陶瓷、碳 化物、氧化物等硬脆材料的磨蚀通常属于这种情况。
服设计
图６减轻固体颗粒冲饿的调节级改进设计
＾
ｌ
Ｖ 嫠 麓 爨 豢
＾麓ｖ斌撩搿 翘辩秧秘瓣凑
圈８改透裁爱霞髂鬏粒疆攘速痉秘角袭 通过叶溅气动设计提高喷嘴抗冲蚀性能的童要途径是 减少固体颗粒的碰撞速度和碰撞角度，从而避开材料的高冲 蚀区。图７为农芝公司改进后喷嘴曲线。改进叶越的特点是 压力瑟型线角警壹，没有大的掰转霆，因此固体颗粒碰撞角
粒撞击麓避开２０＋～３５’豹高冲蚀区，同时还应该尽羹降低 固体颗粒的撞击速度和减少撞击颗粒的数擞．
皇 ’譬＿ 簧 曩 蠢
园 ｌｌ曲圈目剧因
圆●■＿●Ｉ■ｌ●ｆ｛ｌ●Ｌ
圈
图２数种常见的颗粒冲击形态 国徽协粼《妨袭瑟裂纹◇菸ｌ枣移锻撩 《ｄ）徽裂纹国疲劳詹片∞挤伸突起璃靖
圈４固体材料冲蚀率与碰撞角的关系
万方数据
２
电站系统工程
２００７年第２３卷
影响材料磨蚀率的因索ｊ＃常多盛复杂，在实际情况下， 磨蚀率取决于各因素的综合效应，一般可将这些因素归纳为 ３大类：
（１）狰斑型式：魏冲壶角度、ｉ孛击速度。 （２）颗粒性质：包括形状、大小、密度及浓度． （３）靶材性质：材料显微结构、硬度、塑性、加工硬化 饿、残鍪瘦力、表瑟状魏等。
由于喷嘴蹴汽边内弧萄被撞击造成调节级喷嘴的冲蚀 接坯，箨么霹笺减少这静；孛镶鹃方法：一是减少喷嘴数蒌、 增大其横截鬣积；二是改进喷嘴静叶的叶型、减小汽流的转 向折转角、增大折转半径，使颗粒较容易地通过。这样撞击 在喷嘴出汽边内弧面的固体颗粒数目将减少，从丽减轻冲蚀 量。
逶过改交喷嘴熬足｛毒影状羧及调节级与荐热第一级静 喷嘴和动叶的距离，明显地降低固体颗粒的侵蚀攀．设计方 面通过采用倾斜调节级喷嘴（图６）。可显著减少撞击在喷 嘴出口边表灏上的固体颗粒数避、降低撞击速度，减少固体 颗粒入射兔，便喷嘴出汽边熬裰体颗粒侵蚀率躜显减小。采 震诱苓缀喷黉豹改进设诗翻傺护涂层等接施，霹使箕王终寿 命延长为原设计工作寿命的３倍。
叼ｐ＼ 一一密戈多 图ｌ 固体颗粒冲击材料表面示意图 在连续撞击下，材料表层因金属疲劳而出现薄板状屑片 是造成材料磨蚀的另一原因，见图２（ｃ）．球状颗粒的高角 度磨蚀下最明显，并与材料性质有较大关系。一般说来，由 于加工硬化的效果而使其变得硬脆，高塑性材料在颗粒撞击 下，加速疲劳裂纹及屑片的形成，提高断裂剥离的速率． 脆性磨蚀一般发生在硬度较高的脆性材料中，冲击颗粒 的硬度可能相对低于靶材。在这种情况下，材料的磨蚀不再 以切削或大量塑性变形的方式进行，而是在颗粒高速撞击靶 材表面时，因能量转移而形成高冲击应力场，使硬脆靶材在 冲击点附近形成微裂纹，如图２（ｂ）所示．即使在撞击能量 较低时．因受连续性冲击，也一样会在材料表面形成疲劳裂 纹，如图２（ｄ）。这两种裂纹的形成是脆性磨蚀的主要原因。 上述裂纹在重复应力作用下，向四方延伸并彼此交错，最后 导致材料的剥离．
一ｌ氆ｐ鼯￡Ｖｅ｜ｏｅｉ每一 ｌＩ－●Ｑ瓮Ｚ寒荔２日－ｌ
图５憋性材料与脆性材料的廉蚀率与冲裔速度问的美系
２．３颗粒大小 一般情况下，基耪之磨蚀逮攀与矮粒大小成正毙关系，
但当颗粒大于某一愉界粒径时，煲Ｉｊ对磨蚀影哺不大．宥学者 曾针对浆性材料做过系列研究，发现这一临界值约为１２０～ １３０ ｐ ｍ。此外，不阅颗粒粒径下的磨蚀，会改变脆性材糙 的蘑镰梳理，镶魏以较大粒经静颗粒冲击玻璃或全硬化钢 时。会出现脆性磨蚀形式；但以较小粒径颗粒冲击时，则耗 损型态转变成塑性磨蚀。因此，脆性材料磨蚀率对微颗粒大 零懿敏感度远高予燮性耪籽。 ２．４粒子形状
收稿日期：２００７－０３－０６ 徐亚涛（１９６６＿），男，高级工程师．北京，０６５２０ｌ
度的斜向剪切应力为主的形式，逐渐转变成反复作用的正向 压应力形式，这时磨蚀是以局部塑性变形的方式而产生所谓 的变形磨耗．在以钢珠对铝质靶材进行单击磨蚀试验时，归 纳出挤伸与锻压是变形磨耗的主要原因。当高速颗粒以某倾 斜角度冲击材料表面时，若冲击点所承受的应力超过材料的 变形强度，将迫使冲击点四周发生塑性变形，形成弧状凹痕， 并因压挤作用而形成突起的屑片，如图２（ｃ）、（ｆ）所示， 此屑片受到后续颗粒不断地撞击时，将因硬化而脆断或被颗 粒直接切除，造成材料的磨损．故塑性材料受颗粒磨蚀主要 为切削与塑性变形两种方式．
通过表面强化方法来改善喷嘴抗冲蚀性能的主要途径 楚挺毫表层毒｜搴萼的嫒凌。
美国ＧＥ公司予２０氆纪６０年代就对喷嘴稻ｌ砖靖涂蘑迸 行了试验和研究，如采用等离子喷陶瓷、碳化钨及其它材料 的涂层，机组试验ｉ雉实，碳化钨及其像一些涂层在机缀运行 中能提高动叶片的耐侵蚀性能，且没京发生疲劳断裂。魏前 表囊涂屡技寒主要骞表藩等离子喷涂芝艺蠢扩教渗矮薹芑。
粒予形状对磨蚀的影响与冲击角度有关．在相同颗粒半 羟、质豢、速度熬馕凝下，球狭鬏粒在粥。舞度下熬瓣镶 强度比不规则多角彤颗粒大．同样地，多角形颗粒在低角度 下的磨蚀强度则较为明显。这种现象往往对膳蚀结果有很大 的影响。碳纯物食囊较多的自疆铸铁，虽然硬度较高，其对 球狄颗粒的抗磨蚀饿反弱予碳化物含量较低的自日铸铁，但 面对多角状颗粒磨蚀时，则出现完全相反的结果． ２。５颗救硬度