石聯(lián)峰 武彥榮 曾 成 王 虹 梁 鋼 梁小林

(東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000)

超超臨界汽輪機噴嘴導(dǎo)葉片固體粒子沖蝕及對策分析應(yīng)用

石聯(lián)峰 武彥榮 曾 成 王 虹 梁 鋼 梁小林

(東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000)

文章對超超臨界汽輪機噴嘴導(dǎo)葉片的固體粒子沖蝕現(xiàn)象和對策進行了分析討論，重點介紹了噴嘴導(dǎo)葉的滲碳、滲鉻和真空熱處理試驗研究，得出了合理的滲碳、滲鉻和真空熱處理工藝參數(shù)，對葉片的生產(chǎn)具有指導(dǎo)作用。

超超臨界；滲碳；滲鉻；真空熱處理；工藝參數(shù)

0 引言

超超臨界汽輪機由于蒸汽壓力和溫度采用了更高的參數(shù)以提高機組熱效率，其蒸汽溫度接近600℃， 盡管蒸汽管道使用了 10Cr9Mo1VNb（F91 P91）、 1Cr9W2MoVNbNB （F92 P92）等耐熱鋼， 閥殼 采 用 了 ZG1Cr10MoNiVNbN 、 ZG1Cr10Mo1Ni-WVNbN 等耐熱鑄鋼， 在蒸汽接觸表面仍不可避免地產(chǎn)生氧化現(xiàn)象，剝落后的氧化鐵顆粒隨高溫、高壓汽流進入汽輪機通流部位，并首先對噴嘴葉片或再熱第一級葉片產(chǎn)生沖蝕，為有效防止噴嘴葉片的沖蝕損傷， 材料為 1Cr11Co3W3NiMoVNbNB的噴嘴葉片出汽邊 21mm 范圍需進行滲碳、 滲鉻和真空熱處理，以加強葉片出汽邊的防沖蝕特性。

1 固體粒子沖蝕現(xiàn)象

1.1 沖蝕

超臨界汽輪機噴嘴導(dǎo)葉片和再熱第一級葉片往往受到氧化鐵顆粒的沖擊侵蝕，并導(dǎo)致葉片損傷，侵蝕損傷情況如圖1所示。氧化鐵顆粒來自鍋爐蒸汽管道和閥殼內(nèi)壁，大小不同的固體顆粒對葉片表面產(chǎn)生切削侵蝕和變形侵蝕 （如圖2所示）， 并與入射角有關(guān)， 在 20°～25°時達到最大值，沖蝕率入射角之間的關(guān)系如圖3所示。

圖1 再熱第1級噴嘴的侵蝕損傷情況對照

圖2 切削侵蝕和變形侵蝕

圖3 沖蝕率與入射角之間的關(guān)系

1.2 影響因素

1.2.1 固體顆粒性質(zhì)及改進途徑

根據(jù)國內(nèi)研究機構(gòu)的試驗結(jié)果可以看出，固體顆粒的增大及蒸汽流量增加會加劇葉片侵蝕，侵蝕部位處在葉片的出汽側(cè)，所以鍋爐管道材料應(yīng)有足夠的抗氧化性，從而減少氧化鐵顆粒產(chǎn)生。已有電廠將 T91 材料改為 TP347H， 也有定期酸洗蒸汽管道來清理管內(nèi)氧化物的報道。

圖4 理想工況下的固體粒子運動軌跡（dp為粒徑）

圖5 10%工況下的固體離子運動軌跡（dp為粒徑）

1.2.2 材料及硬化處理

通過圖4和圖5可以看出導(dǎo)葉片出汽側(cè)內(nèi)弧面是沖蝕現(xiàn)象最容易發(fā)生的部位，因此需要對這部分進行抗沖蝕處理，從而緩解沖蝕對導(dǎo)葉片造成的損傷。而從圖6不難看出提高其硬度，可以大幅度降低固體顆粒沖蝕率。

圖6 硬化層對沖蝕率的影響

2 硬化處理

由于易受固體顆粒侵蝕的葉片工作溫度接近600℃， 適合在這種高溫下工作的硬化處理工藝有氮化處理、堆焊司太立合金、滲鉻處理、等離子噴涂和滲硼處理。 圖7 給出了 500℃時原材料和幾種硬化處理沖蝕試驗結(jié)果，可以看出滲硼處理對防止葉片沖蝕效果最好，其次是滲鉻、等離子噴涂 CrC 化合物、 氧化鉻涂層。

圖7 沖蝕率對照

2.1 滲硼處理

國外研究單位研究了侵蝕特性和耐腐蝕性能，提出了在噴嘴葉片表面進行硼化處理的解決措施，這是在表面處理中耐蝕性最好的一種方法。所謂硼化處理就是在高溫下將硼擴散滲入到金屬表面，滲入的硼形成一種 FeB、 Fe2B 等硼化物， 其硬度HV 達 1500 左右。 硼化處理的方法有氣體法、 固體法、熔融法。用于噴嘴的硼化處理選擇了熔融法， 在無水硼砂（Na2Be4O7）中進行處理。 經(jīng)過硼化處理的高壓噴嘴葉片已在 500MW機組上安裝， 運行 15 個月（9869 小時）， 起停 19 次， 使用效果好。

東汽研究人員發(fā)明專利（CN 15548564）的工藝為： 在 900～1100℃滲硼 3～20 小時空冷至室溫， 滲硼深度 0.01～0.15mm， 滲硼后在 600～750℃回火 2～15小時空冷至室溫。

2.2 等離子噴涂 CrC 化合物

美國和日本的公司對 600MW 汽輪機組的噴嘴葉片采用等離子噴涂 Cr3C2+NiCr， 噴涂厚度 0.2～0.8mm， 硬度 HV730～1000， 機組投運后硬化膜沒有發(fā)生任何問題。

2.3 滲鉻

滲鉻處理采用先滲碳再滲鉻的方案，并經(jīng)過真空熱處理，從而保證了葉片基體的室溫和高溫性能， 同時得到了硬度為 HV1200 的防沖蝕硬化層。

3 滲鉻處理及應(yīng)用

3.1 滲碳和滲鉻化學(xué)熱處理

噴嘴葉片處于高溫、高壓條件下運行，通常采用 Cr12 型不銹鋼， 以保證耐高溫性和抗腐蝕性能， 同時加入 Ni、 Mo、 W、 Co、 B、 N、 Nb 等合金元素進行強化，以改善其熱處理工藝性、抗回火性和高溫性能。超超臨界壓力汽輪機噴嘴葉片采 用 1Cr10Co3W3NiMoVNbNB、 12Cr10Co3W2Mo NiVNbNB 鋼， 使用溫度可達 630℃。 中壓一級采用 2Cr11MoVNbN 鋼 ， 由 于 調(diào) 質(zhì) 后 硬 度 上 限 為HB321， 所以要采用局部硬化方法， 對沖蝕區(qū)進行強化并提高硬度，達到抗固體顆粒沖蝕能力。

3.1.1 噴嘴葉片材料及力學(xué)性能舉例（見表1 和表2）

表1 1Cr10Co3W 3NiMoVNbNB 材料的化學(xué)成分 (w t%)

表2 力學(xué)性能要求

3.1.2 滲碳工藝試驗

3.1.2.1 固體滲碳試驗

用顆粒度為 3～8mm 木炭制成滲劑， 將滲劑和滲碳件裝入特制的滲碳箱中進行加熱， 在 1060℃± 10℃的工藝溫度范圍內(nèi)保溫一定時間完成滲碳。結(jié) 果 為 ： 1# （ 96851）： 0.7 ～1.7mm 不 等 ； 2#（ 96852）： 0.7 ～2.2mm 不 等 。 層 深 大 于 0.35mm 的滲碳層深上限要求，且滲碳層厚度不均勻，呈現(xiàn)鋸齒形，碳化物級別均為8級。不能滿足工藝要求，金相照片如圖8所示。

3.1.2.2 滴注式氣體滲碳試驗

圖8 固體滲碳金相組織

首先采用了已有的井式氣體滲碳爐 RJJ-105-9T 和成熟的 920～940℃滲碳工藝進行試驗， 經(jīng)驗證后確定了適合該設(shè)備的滲碳工藝方案。

具體工藝參數(shù)為： 強滲時間 0.5h， 煤油滴速為 150 滴/min； 正常滲碳時間 1h， 煤油滴速為 120滴/min 左右； 溫度提升至 930℃進行擴散， 時間為0.5h， 酒精滴速為 70 滴/min。

按照上述參數(shù)結(jié)果如下：

5#： 0.30mm； 6#： 0.27mm； 7#： 0.25mm；8#： 0.30mm。

此結(jié)果達到工藝要求值，且層深均勻。如圖9所示。

圖9 7#試樣檢驗結(jié)果

根據(jù)井式爐試驗結(jié)果， 曾對 RJJ-105-9T 進行了可控氣氛滲碳改造，以滿足噴嘴葉片滲碳要求，并完成了氣體滲碳技術(shù)改進。

碳勢控制精度： ≤±0.05%C；

碳化物級別控制精度：≤1級；

滲碳層深度控制范圍： ≥0.15mm；

有效硬化層深度控制精度： ≤±0.01mm；

氣氛： 酒精+煤油。

設(shè)備改造后通過三爐試驗采用 1.3%碳勢， 層深 設(shè) 定 為 0.3mm， 930℃ 約 滲 5h， 滲 層 深 度0.35mm， 碳化物級別為 1 級。

3.1.2.3 可控氣氛多用爐氣體滲碳試驗

RM9-120/180/85-TL 的熱處理多用爐生產(chǎn)線兼具調(diào)質(zhì)和滲碳生產(chǎn)功能，可完成在可控氣氛下的工件滲碳、碳氮共滲及可控氣氛保護下的熱處理。 設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)為主爐最高溫度 1100℃。

可控氣氛氣體滲碳的主要工藝過程可分為，在 760～850℃階段采用氮加甲醇氣氛保護加熱，850℃以后直到滲碳溫度通入丙烷， 調(diào)控整碳熱勢。溫度和碳勢達到設(shè)定值后，將工件從前室推入后室開始滲碳，滲碳工藝結(jié)束后在后室內(nèi)降溫，溫度降到 600℃時轉(zhuǎn)入前室在氮氣保護下冷卻， 以減少滲碳層氧化脫碳。 工藝過程曲線見圖10。

圖10 噴嘴靜葉滲碳溫度及碳勢曲線

該爐隨爐放置 2Cr11Mo1VNbN （4-1#、 4-2#、4-3#）、 1Cr11Co3W3MoNiVNbNB （ 5#、 6#、 7#、8#、 9#）兩種材料的試樣， 送檢試樣為 4-1#、 4-2#、 4-3#； 6#、 7#、 8#。

滲碳層深如下：4-1#：0.36mm、 4-2#：0.36mm、4-3#：0.35mm；6#：0.36mm、7#：0.25mm、8#：0.27mm。葉片實物見圖11。

圖11 滲碳后的噴嘴靜葉

3.1.3 滲鉻處理

滲鉻使用的固體滲劑是鉻鐵粉，填充物質(zhì)是耐火粘土和氧化鋁粉，用以防止?jié)B劑與零件粘結(jié)，催化劑是氯化銨。在滲鉻溫度下，催化劑分解，并與鉻反應(yīng)生成氯化亞鉻，氯化亞鉻與零件表面接觸，產(chǎn)生活性鉻原子滲入工件，反應(yīng)式為：

3.1.3.1 固體滲劑

滲鉻滲劑比例按有關(guān)資料介紹為鉻粉 55%，剛玉 44%， 氯化氨 1%。 為驗證滲鉻滲劑的可用性，按上述比例配制了試驗滲劑，具體所采用質(zhì)量為鉻粉 550g， Cr粉純度不低于 99.95%， 粒度200 目； 剛玉 440g； 氯化氨 10g。 由于滲鉻溫度高達 1135℃， 粉狀鉻粉將被完全氧化， 為了實現(xiàn)滲鉻配備了保護氣氛裝置，保護氣氛采用氬氣，試驗工藝及結(jié)果如下：

設(shè)備： RX-20-12 箱式電爐， 功率 20kW 爐；試樣規(guī)格： φ20×15， 材料 2Cr11MoVNbN；工藝參數(shù)： 1135℃×4h。

爐溫升至 980℃裝入試樣， 升至 1135℃保溫4h， 保溫結(jié)束斷電打開爐門緩冷至 650～750℃保溫半小時；保溫結(jié)束出爐冷至室溫。設(shè)備運行全過程通入氬氣進行保護， 流量為 0.4～0.5mL/min。

結(jié) 果： 1#： 0.16mm， HV 187； 2#： 0.15mm，HV 189。

當(dāng)滲鉻工藝參數(shù)為 1050℃×1h 時試驗結(jié)果為：36#：0.0175mm；37#：0.0175mm；38#：0.025mm；39#：0.025mm

根據(jù)以上數(shù)據(jù)進行進一步驗證性試驗，采用1135℃×4h 工藝， 滲鉻層深較深， 范圍在 0.15mm～0.16mm 之間。 因此滲劑是可用的， 同時此結(jié)果為在試樣不滲碳時的滲層深度，和后期經(jīng)滲碳后的試樣在相同工藝參數(shù)下取得的層深差別較大，后續(xù)進一步進行了滲碳后再滲鉻試驗。

3.1.3.2 滲碳后滲鉻試驗

模擬噴嘴靜葉滲碳后滲鉻復(fù)合熱處理試驗時使 用 12Cr10Co3W2MoNiVNbNB 鋼 棒 分 別 制 作Φ15×25 規(guī)格的滲碳、 滲鉻試樣， Φ25×300 規(guī)格的真空調(diào)質(zhì)試樣。并按前期試驗的工藝參數(shù)進行試驗，選取四組試樣進行檢驗。

按圖10噴嘴靜葉滲碳溫度及碳勢曲線， 滲碳后檢驗結(jié)果見表3。

表3 滲碳試驗檢驗結(jié)果

可以看出， 對 12Cr10Co3W 2MoNiVNbNB 制作的試樣按照噴嘴靜葉滲碳工藝進行滲碳，其層深滿足要求。 對上述試樣按圖12進行了滲碳后滲鉻。在室溫將試樣裝入專用的滲鉻箱中，并采用充氣法對進行空氣置換，保證箱內(nèi)處于氬氣保護狀態(tài)。 在爐溫升到 950℃后將連續(xù)通入保護氣的滲鉻箱裝入爐內(nèi)開始滲鉻。 滲鉻檢驗結(jié)果見表4， 試樣外觀如圖13所示。

圖12 滲鉻溫度曲線圖

圖13 12Cr10Co3W2MoNiVNbNB 試樣滲鉻后外觀

表4 滲鉻試驗檢驗結(jié)果

12Cr10Co3W2MoNiVNbNB 制作的試樣按照噴嘴靜葉滲鉻工藝進行滲碳，其層深滿足技術(shù)要求。

3.1.3.3 滲層分析

通過電子顯微鏡能譜分析 （見圖14、 圖15），得出了滲層鉻、 碳、 鐵的點掃結(jié)果， 含量見表5，說明了碳和鉻明顯高于噴嘴葉片基體材料含量。

圖14 滲層金相組織及點掃位置

圖15 滲層能譜分析

表5 滲層點掃描化學(xué)成分

通過線掃描可以看出滲層成分變化情況，如圖16 和 17 所示。

圖16 滲層線掃描圖像

圖17 滲層內(nèi)鐵、 鉻、 碳連續(xù)分布曲線

3.2 真空調(diào)質(zhì)

在滲鉻后調(diào)質(zhì)是為了提高噴嘴葉片的整體強韌性， 但在高于 850℃時將強烈氧化， 這樣就會破壞需要局部硬化的滲鉻層，所以必須采用表面無氧化的真空熱處理工藝加以保證。真空熱處理是一種附加壓力的多參數(shù)熱處理。它具有無氧化、無脫碳、工件表面光亮、變形小、無污染、節(jié)能、自動化程度高、可以保證基體調(diào)質(zhì)和滲鉻層組織改善的要求。

采用高壓氣淬，就是加熱結(jié)束后立即向加熱室充高純氮氣，并強迫循環(huán)達到淬火的目的。從Φ40mm 鋼各種氣體及壓力心部冷卻曲線 （見圖18）可以看出， 當(dāng)氣淬壓力達到 10×105Pa 時其冷卻能力接近油中淬火，這點可以作為確定氣淬壓力的重要依據(jù)， 通過試驗確認氣淬壓力選用 （5～10）×105Pa 時可滿足噴嘴葉片真空調(diào)質(zhì)要求。 氣淬后真空回火使用的氮氣介質(zhì)氣壓為 100～150kPa，所以溫度和保溫時間與常規(guī)加熱設(shè)備中回火相同，只是冷卻過程有其特殊性。因為回火后的冷卻過程仍在真空爐中，如隨爐自然冷卻將造成葉片出現(xiàn)第二類回火脆性，解決辦法是采用與真空氣淬相同的高壓氮氣快速冷卻方式，以消除由于冷卻速度慢造成的第二類回火脆性。 1Cr11Co3W3NiMo -VNbNB 淬火后外觀見圖19。

目前噴嘴葉片和中壓一級導(dǎo)葉片所使用的材料 有 2Cr11MoVNbN、 1Cr11Co3W 3NiMoVNbNB 以及 12Cr10Co3W2MoNiVNbNB， 滲鉻后經(jīng)真空調(diào)質(zhì)達到室溫及高溫機械性能要求。真空熱處理工藝見圖20， 2Cr11Mo1VNbN 鋼真空熱處理常溫力學(xué)性能和高溫持久性能見表6和表 7。

圖18 Φ40mm 鋼各種氣體及壓力心部冷卻曲線

圖19 1Cr11Co3W 3NiMoVNbNB 淬火后外觀

圖20 葉片真空熱處理工藝

表 6 2Cr11Mo1VNbN 真空熱處理常溫力學(xué)性能

表 7 2Cr11Mo1VNbN 鋼高溫持久性能

4 結(jié)論

（1）固體粒子沖蝕現(xiàn)象解決對策為局部硬化， 具體方法有氮化、 滲硼、 噴涂 Cr3C2+NiCr 和滲碳滲鉻復(fù)合熱處理；

（2）采用不同的滲碳設(shè)備進行滲碳處理， 工藝參數(shù)有所不同， 有效滲碳層深度可保證 100～500μm；

（3）采用鉻粉、 剛玉和氯化氨混合物作滲鉻固體滲劑， 經(jīng) 1135℃滲 鉻， 滲鉻 層層深度 20～50μm， 滲鉻層的硬度≥HV1200；

（4）滲鉻后采用真空調(diào)質(zhì)， 可在保證基體室溫機械性能和同時不損壞滲鉻層，并對滲層組織有改善。

（5）滲碳、 滲鉻和真空調(diào)質(zhì)復(fù)合熱處理可作為超超臨界汽輪機噴嘴葉片出汽側(cè)防固體粒子沖刷的一種對策，并已用于汽輪機產(chǎn)品。

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Solid Particle Erosion(SPE)of the Nozzles in Ultra-supercritical Steam Turbine and Anti-erosion Methods Application

Shi Lianfeng， Wu Yanrong， Zeng Cheng， Wang Hong， Liang Gang， Liang Xiaolin
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.Deyang Sichuan 618000）

The article discussed SPE of the Nozzles in ultra-supercritical steam turbine and focused on the carburization, chromizing ard vacdum heat treatment test,obtained the reasonable parameterswhich was useful for the blade production.

ultra-supercritical,carburization,chromizing,vacaum heat treatment,process parameters

石聯(lián)峰 （1963-）， 男， 高級工程師， 主要從事汽輪機零部件熱處理工藝開發(fā)及應(yīng)用工作。