冶金企业超临界汽轮机组腐蚀结垢原因及检修策略

2020-03-29宋燕生

中国金属通报 2020年18期

宋燕生

（河钢唐钢新区设备管理部，河北唐山 063000）

叶片锈蚀和水蚀后，如不及时处理，长期操作将导致叶片膨胀损坏，叶片损坏，机组轻微振动加剧，强制关闭，更换转盘叶片或转盘回厂治疗造成重大经济损失。特别是在电力供需失衡的情况下，由于设计、制造、安装、维护和操作的各种，涡轮机长期偏离了设计模式，即长期低负荷模式或多次启动-停止刀片损坏故障导致的原因将暴露。

1 汽轮机概况

多级汽轮机是由同一轴上的若干级串联组合而成的，常见的1000MW 机组由4 个缸体共48 级组成，其中高压缸为12 级，中压缸2×8 级，低压缸2×5×5 级。汽轮机级由喷嘴阵列和相应的活动叶片阵列组成，是汽轮机运行的基本单元。当处于特定温度和压力的蒸汽通过蒸汽轮机的级时，其动能在级联的动叶片中转换为机械能，从而完成操作蒸汽轮机的任务。

1000MW 汽轮机一般为超超临界、一次中间再热、单轴、四缸四排汽、双背压、九级回热抽汽、凝汽式汽轮机NJK1100-28/600/620，主蒸汽的设计公称压力为28 MPa，主蒸汽的温度为600℃，再热蒸汽的设计设计压力为5.613 MPa，温度为620℃，叶片的最终高度为863.6 mm。蒸汽轮机发电机组的设计额定输出功率为1,100 MW，TMCR 蒸汽轮机的热功率（正偏差为零）保证为7,217 kJ/kWh。汽轮机的热耗率第二保证值（75%THA工况热耗率保证值，正偏差为零）7351kJ/kWh；TMCR 功率为1090.1MW；VWO 功率为1118.6MW。

这种类型的蒸汽轮机的整个流动路径包括四个气缸，即高压气缸，中压双流量气缸和两个低压双流量气缸，对应于四个气缸的转子由八个径向轴承支撑，四个转子通过刚性联轴器连接到一个壳体中，蒸汽轮机的低压B 转子通过刚性联轴器连接到发电机转子当中，汽轮机长度约为37.688m，高度约为11.42m，宽度约为8.9m。蒸汽轮机的流路由三部分组成：高压，中压和低压，共有48 个级。高压部分有12 个电平，中压部分是双向分流器，每个分流器有8 个电平，总共16 个电平。而低压单元为两缸双向分体式，每个单元由5 级组成，总共20 级。

2 汽轮机解体检修检查情况

2.1 高压缸

高压缸解体检查所有级别的动叶和静叶都有更严重的积盐，前9 级叶片和分区沉积更多，每个级别的叶片，分区后部沉积，积盐颜色黄土中的灰色，湿PH 测试条测试PH 值为13，叶片轻微均匀腐蚀，检查情况见图1、图2。

图1 高压调节级隔板积盐

图2 反向汽封装置腐蚀

2.2 低压缸

低压缸的前五段叶片和隔板都有少量的盐积累，湿PH 测试带测试PH 约为10，沉积部位全部在叶片的前缘，分布较长，最终叶片的尾部有较严重的冲刷和机械损伤，前五段叶片和隔板有更严重的停（制备）腐蚀现象，检查情况见图3、图4。

图3 低压缸第1 级叶片腐蚀

图4 低压缸第2 级隔板腐蚀及汽封损坏

3 汽轮机结垢原因分析

高压汽轮机对蒸汽品质的要求尤为严格，据《汽轮机蒸汽动力设备水汽质量》（GB/T12145—2016），蒸汽质量标准要求SiO2含量＜15ug/L、Na＋含量＜5ug/L。列如有2台220t/h锅炉（一开一备），主要是空气分离装置和氨合成系统2台高压蒸汽轮机；整个生产系统几乎有10 个冷凝水，冷凝水系统比较复杂。蒸汽在液体通过脱气器脱酸后，将其用作锅炉给水，同时添加了少量的淡化水。但是，即使处理了凝结水，盐类物质也仍然析出较少。在产生过热蒸汽的过程中，必须除去这些盐分物质（含硅盐和钠盐），过热蒸汽进入汽轮机后，由于压力和温度的降低，压力降低，钠盐和硅酸盐在蒸汽中的溶解度降低。当特定物质的溶解度降至其蒸气含量以下时，该物质的盐将以固体形式沉淀并沉积在一部分蒸气流中。当然，如果蒸汽的SiO2含量和Na含量在可接受的范围内，则转子结垢对蒸汽轮机的运行的影响是可接受的。可以确定锅炉给水中的SiO2含量为197μg/L，Na含量为195μg/L，主水蒸气中的SiO2含量为1575μg/L，Na 含量为10μg/L。可以看出，主蒸汽中SiO2和Na 的含量超过了标准，高压蒸汽轮机无法与蒸汽的质量相匹配，从而导致其无法满足机械运行。

4 结垢处理对策

4.1 停机揭缸处理

当蒸汽轮机清洁空气分离装置时，在转盘叶片返回工厂后采用化学清洁方法。叶轮首先浸有化学物质，然后通过手工研磨和清洁进行处理；固定刀片经过喷砂处理。化学清洁的主要原因：垢分析的主要成分是硅酸盐层，该硅酸盐层难溶于水且难以用蒸汽冲洗。该维修解决了转子跳动大和分度大的问题，其持续时间约为14d。在220 MW 汽轮机通风流程的现代化过程中，由于动叶片和固定叶片的严重污染，在制造工厂进行了特殊清洁，所有动叶片和固定叶片均通过物理喷砂清理，其余部分则进行了手动清洁。

4.2 不停机在线处理

（1）该系统减少了负荷和蒸汽冷却阶段。在此期间，空气分离系统保持低负荷运行并调节冷却速度为2°C ～3℃/min。将目标降低到操作涡轮所需的最低压力，温度比相应的饱和温度高20°C ～30°C。在工作场所打开管线上的蒸汽以使其能够排出。中央控制器密切监视蒸汽涡轮参数的变化。如果发现任何异常，请立即停止制冷。

（2）当蒸汽降到预定压力和温度时，蒸汽进入清洁阶段，并动态分析冷凝水，钠离子，二氧化硅和其他结垢成分的电导率。当前正在减少到正常索引值，并且清理结束。

（3）清洁后，与主管人员进行联系，以将蒸汽压力和温度逐渐恢复到正常过程值，将压缩机和分馏系统恢复到原始负荷，然后恢复正常运行。整个清洗过程约需5 个小时，清洗效果明显。

5 常见腐蚀种类

5.1 氧腐蚀

金属的氧腐蚀是电化学腐蚀。原理是金属壁上的氧化铁保护膜由于诸如水降解和加热等因素而被部分破坏，并且在机械设备表面的暴露水与保护膜表面之间形成局部电池。铁从阳极沉淀，引起腐蚀。钢的氧腐蚀的特征是在腐蚀的表面上形成许多不同大小的鼓包，凸起表面的颜色范围从黄褐色到砖红色。表面层下面的腐蚀产物是黑色粉末，如果去除黑色粉末，金属表面会出现腐蚀坑，形成腐蚀坑的主要原因是在腐蚀产物膜下形成了一个缺氧的活化阳极区域，而外部富氧阴极区域构成了电池并形成了电化学腐蚀。蒸汽轮机气缸的氧气腐蚀主要是由于在等待或检修时未采取防止停机的保护措施而导致的，这导致空气泄漏到气缸中。此外，空气泄漏到气缸中还会在单元运行期间引起氧气腐蚀。

5.2 点腐蚀

在蒸汽轮机运行和停机期间会发生点蚀。冷凝水中的盐类物质，特别是含有CL 和SO4 的阴离子，是点蚀的腐蚀性介质。在汽轮机运行过程中，由于负荷的变化，初始冷凝区将发生变化，初始冷凝水将浓缩，如果该区域中有盐分附着，则会加剧点蚀。当蒸汽轮机由于真空故障而关闭时，空气中的氧气和二氧化碳进入蒸汽轮机，在潮湿的气氛中，点蚀增加。

6 腐蚀产生的机理

在正常运行期间，高压缸的中部是过热的干蒸汽，在高温下，每个缸的金属表面都会形成保护膜，通常不会生锈。但是，当装置启动和停止时，热系统不及时结束疏水性或存在疏水性死，每个单元的金属表面将形成一层水膜；电化学反应发生在水环境中的金属表面：

阳极反应：Fe-2e →Fe2+。

阴极反应：2H2O+O2+4e →4OH-。

电化学反应的生成物之间也会发生反应：

上述电化学反应就是腐蚀发生的过程。

7 汽轮机低压缸腐蚀原因分析

其中，切口主要发生在机组运行中，由氯化离子等腐蚀性离子腐蚀引起，在低压缸相变区形成的原冷凝水中，氯化离子浓度高，达到整个蒸汽水平的几十倍甚至上百倍，是初始蒸汽冷凝区应力锈裂、腐蚀疲劳和粘接风险的重要诱发因素。同时，由于氨分散系数高，初期冷凝水pH 酸度高，导致叶片表面形成点坑。在该装置的日常操作过程中，蒸汽中氯离子的含量超过3ug/l，而低压缸相变化区域的局部浓度超过300ug/l，导致低压气缸叶片的渗漏。机组关闭后，叶片表面有低温氧腐蚀，冷凝器真空损坏，汽轮机和冷凝器汽侧未进行保护，低压缸金属在湿蒸汽、氧气和氯化物中，锈蚀较为明显。