黃耀文， 薛志敏

(中山嘉明電力有限公司， 廣東 中山 528400)

燃?xì)馔钙绞菍⒏邷厝細(xì)鈨?nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的主要部件，在機(jī)組檢修中常常出現(xiàn)部分葉片損傷超標(biāo)且無法維修而報(bào)廢。眾所周知，燃?xì)廨啓C(jī)透平葉片制造技術(shù)掌握在少數(shù)外國廠家手中，維修采購成本較為昂貴。為節(jié)省企業(yè)經(jīng)營成本，透平葉片壽命全過程管理一直是燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)人員關(guān)注的重點(diǎn)。韓建清[1]分析了燃?xì)廨啓C(jī)高溫部件熱疲勞、蠕變和氧化腐蝕的損傷機(jī)理與故障類型，以降低運(yùn)行維護(hù)成本為目的，提出了針對性的運(yùn)行維護(hù)策略。蘇大為等[2]通過對某一6B型燃?xì)廨啓C(jī)的一級靜葉整級燒蝕事故進(jìn)行調(diào)查和失效分析，結(jié)果表明是天然氣重?zé)N組分過高析出液烴造成的過熱燒損。王司光[3]以Solar Taurus 70燃?xì)廨啓C(jī)葉片損傷為實(shí)例，梳理出可能導(dǎo)致葉片損傷的5個方面并提出了相關(guān)運(yùn)行建議。以上研究中葉片出現(xiàn)損傷都是發(fā)生在透平入口最高溫處，符合常規(guī)理解，但在某F級重型燃?xì)廨啓C(jī)現(xiàn)場檢修中發(fā)現(xiàn)，該透平渦輪僅有中段部分二級靜葉燒蝕較為嚴(yán)重，上、下游無明顯異常損傷。本文以此為例，系統(tǒng)分析二級靜葉燒蝕嚴(yán)重的根本原因。

1 燃?xì)廨啓C(jī)概況

該F級燃?xì)廨啓C(jī)主要由一個帶有進(jìn)口可調(diào)導(dǎo)葉(IGV)的17級高效軸流式壓氣機(jī)、20只繞壓氣機(jī)軸線環(huán)形布置的分管型燃燒器、4級反動式葉片的透平段組成，燃?xì)廨啓C(jī)透平葉片配置先進(jìn)的冷卻系統(tǒng)，葉片表面涂裝熱障涂層。按照原制造商運(yùn)行維護(hù)說明書，燃?xì)廨啓C(jī)每間隔等效運(yùn)行小時(EOH)24 000 h應(yīng)進(jìn)行一次熱通道部件檢查，更換透平部件。截至檢修時機(jī)組運(yùn)行概況如表1，本次為裝機(jī)后的第一次熱通道檢修。

表1 燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行概況

2 損傷情況及特征

燃?xì)廨啓C(jī)解體后檢查發(fā)現(xiàn)透平部件有異常損傷，具體情況如表2所示。透平一級動靜葉和靠后的三級動葉、四級動靜葉都沒有明顯損傷，而中間部分二級動靜葉、三級靜葉都有不同程度的熱障涂層脫落，其中二級靜葉的損傷最為嚴(yán)重，部分葉片甚至出現(xiàn)燒蝕穿孔現(xiàn)象，如圖1所示。

表2 透平各級葉片損傷情況

圖1 二級靜葉葉片穿孔

針對二級靜葉損傷程度不均的情況，對整級按照位置分布和損傷程度作示意圖，如圖2，發(fā)生龜裂或以上損傷的葉片大概呈等間距均勻分布。

圖2 二級靜葉損傷分布

3 原因分析

3.1 高溫氧化腐蝕異常原因

從經(jīng)驗(yàn)來說，導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)透平葉片在壽命期內(nèi)燒蝕的常見原因主要有三個：一是透平入口初溫過高；二是透平葉片冷卻孔有異物堵塞或冷卻空氣量不足，冷卻效果降低；三是缸內(nèi)物體脫落擊傷。對照表2損傷情況發(fā)現(xiàn)與以上原因明顯不符。若是燃?xì)鉁囟雀邔?dǎo)致葉片燒蝕，損傷最嚴(yán)重的應(yīng)該是透平入口一級靜葉，該處工況最為惡劣；若是冷卻空氣干凈度或者流量不夠，在對葉片冷卻孔檢查時卻未發(fā)現(xiàn)有異物堵塞，而且損傷分布不應(yīng)該有那么強(qiáng)的規(guī)律性；若是受到物體擊傷，則下游部件也應(yīng)當(dāng)同樣存在打擊損傷，而不僅僅是TBC脫落。根據(jù)以上分析，對燒蝕穿孔和裂紋處進(jìn)行了切片微觀組織觀察，在電鏡下顯示如圖3所示，明顯發(fā)現(xiàn)母材不再平滑，外表面TBC局部已被沖蝕干凈，金屬母材也受到高溫氧化腐蝕，因此可以斷定二級靜葉的TBC和母材都受到長時間沖蝕磨損導(dǎo)致?lián)p傷異常嚴(yán)重。

圖3 裂紋處切面圖

3.2 TBC脫落原理

根據(jù)沖蝕磨損原理，影響磨損量的因素有以下幾個方面：沖擊角度、沖擊速度、固體粒子形狀、沖刷時間、溫度和材料性能。其中溫度和材料性能是相對而言的，對不同的材料在不同的溫度下會有截然不同的沖蝕效果，因?yàn)闆]有相關(guān)材料的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文暫不做討論。

從沖擊速度分析，按照塑性材料的微切削沖蝕理論，固體粒子以低角度沖擊材料表面時會導(dǎo)致材料表面產(chǎn)生凹陷并在材料表面發(fā)生滑躍。該凹陷會引起材料因塑性變形而剝落，滑躍會對材料產(chǎn)生切削作用從而發(fā)生剝落現(xiàn)象，如圖4(a)所示。但是，隨著固體粒子沖擊速度的下降，該粒子逐漸不在材料表面發(fā)生滑躍，切削所導(dǎo)致的損傷會逐漸消失，只會出現(xiàn)因塑性變形導(dǎo)致的損傷，如圖4(b)所示。

(a) 粒子發(fā)生滑躍

(b) 粒子發(fā)生滾動圖4 不同速度沖刷下粒子的運(yùn)動狀態(tài)

在檢修現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)透平一級動靜葉TBC都幾乎沒有脫落，涂層脫落自二級靜葉開始出現(xiàn)且沿氣流方向下游的沖蝕程度在減弱。正常情況高溫燃?xì)馔ㄟ^透平一級靜葉膨脹后加速到最大向一級動葉沖刷，該處TBC本該更容易脫落，但是由于一級動葉迎風(fēng)側(cè)有冷卻氣孔，運(yùn)行中冷卻空氣形成保護(hù)氣膜，避免了固體粒子的直接沖刷，因而實(shí)際并沒有受到?jīng)_蝕。燃?xì)庵袏A雜的固體粒子經(jīng)過一級動葉的導(dǎo)流后以低角度高速入射二級靜葉產(chǎn)生如圖4(a)形式的沖蝕磨損，導(dǎo)致TBC脫落嚴(yán)重，母材損傷。往后隨著透平級截面積的擴(kuò)大，粒子速度減少形成圖4(b)形式的沖蝕磨損，切削導(dǎo)致的損傷減少，因此越往后損傷程度在減少。

其他影響因素對于燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)各透平級而言，燃?xì)鉀_擊角度都是低角度，固體粒子形狀相同，沖刷時間本應(yīng)該也是一樣，但是隨著透平級越往下游截面積越大，粒子濃度實(shí)際被稀釋，若按濃度一樣反向折算，透平上游的沖刷時間相對較長，因此上游部件受沖蝕更為嚴(yán)重，與實(shí)際結(jié)果相符。

3.3 固體粒子來源分析

高溫燃?xì)庵械墓腆w粒子有多個來源，結(jié)合機(jī)組檢修按照系統(tǒng)逐一排除。首先燃料系統(tǒng)在前置模塊裝有過濾等級為5μ的過濾器，濾芯檢查無異常，排除燃料系統(tǒng)中的硫化物、鐵銹等雜質(zhì)。其次排除透平冷卻系統(tǒng)、進(jìn)氣通道和缸體、壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的鐵銹，因?yàn)橐陨舷到y(tǒng)部件產(chǎn)生的銹灰對透平葉片的影響應(yīng)該是均勻分布的，不會出現(xiàn)等間隔的現(xiàn)象。最后經(jīng)深入分析發(fā)現(xiàn)是值班噴嘴燃燒產(chǎn)生的碳粒子造成本次損傷，因?yàn)橹蛋鄧娮觳贾迷谌紵鲊娮熘胁?，機(jī)組長時間在某一負(fù)荷段運(yùn)行，旋扭角相對固定，碳粒子沖刷的位置基本呈現(xiàn)等間距，與損傷分布吻合。

3.4 碳粒子的形成

值班燃料從噴孔流出后與周邊的空氣摻混燃燒，燃燒方式主要是擴(kuò)散燃燒。根據(jù)低氮燃燒原理，當(dāng)機(jī)組高負(fù)荷運(yùn)行時，值班燃料比例低、空氣壓比大，因此值班噴嘴處燃空動量比處于整個運(yùn)行過程的低位[6]，此處高燃空比區(qū)域燃燒會析出碳化附著物，積聚在噴嘴頭部，形成固體碳粒子，如圖5所示。某現(xiàn)場在一次高負(fù)荷跳機(jī)后發(fā)現(xiàn)值班噴嘴表面積聚了大量的碳粒子也驗(yàn)證了該理論，見圖6。

圖5 原值班噴嘴示意圖

圖6 值班噴嘴積碳

4 應(yīng)對措施

為消除值班噴嘴燃燒過程產(chǎn)生的碳粒子沖刷葉片TBC，對它進(jìn)行局部改造，在原值班噴嘴前端增加氣孔，其作用一是強(qiáng)化噴嘴的冷卻避免出現(xiàn)金屬氧化，二是空氣流能將碳素附著物吹離，減少積聚形成固體碳粒子，從源頭上減少碳顆粒物的產(chǎn)生，如圖7。除碳粒子之外，為盡量減少其他固體粒子對TBC的沖蝕，檢修期間分別對燃料前置模塊及透平冷卻空氣系統(tǒng)的慣性過濾器按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢查清理，保證過濾器正常使用。在應(yīng)用冷卻強(qiáng)化型值班噴嘴后，經(jīng)過20 000 h(AOH)的運(yùn)行驗(yàn)證，對透平葉片孔探檢查未發(fā)現(xiàn)涂層有沖蝕痕跡。為能收集更多的數(shù)據(jù)，后續(xù)也將定期孔探檢查、記錄。

圖7 改造后值班噴嘴示意圖

5 結(jié)語

本次二級靜葉的燒蝕是碳粒子長期沖刷造成的一個不良結(jié)果，為了更好的防范，應(yīng)當(dāng)在有條件的時候就對透平葉片進(jìn)行檢查，運(yùn)行中也要注意運(yùn)行參數(shù)的變化。

更換冷卻強(qiáng)化型值班噴嘴后成效是顯著的，能徹底解決燒蝕問題。二級靜葉燒蝕造成哪些運(yùn)行參數(shù)的變化可能在接下來的運(yùn)行中再也收集不到，但是定期的孔探檢查工作將會持續(xù)執(zhí)行，保證設(shè)備安全、健康運(yùn)行。