国内燃气－蒸汽联合循环机组金属监督应用及研究

石岩，王甲安，朱海宝

（华电电力科学研究院有限公司，浙江 杭州 310030）

燃气-蒸汽联合循环机组因建设周期短、热效率高、启动快速、排放污染小等特点，在我国得到迅速发展。同时，国内燃气—蒸汽联合循环机组多为调峰运行，启停频繁、负荷变化快的运行模式大大降低了机组的安全可靠性，造成设备隐患、异常事件增多，甚至发生一些影响较大、较为严重的事故。目前，燃气-蒸汽联合循环机组金属监督尚未系统性深入开展，参考燃煤机组执行但没有专属标准引用，而金属部件的失效形式及监督重点与燃煤机组又有显著差异，本文结合近年来燃气－蒸汽联合循环机组金属监督应用情况进行研究，为行业标准的发展提供参考。

1 燃气-蒸汽联合循环机组选材特性

燃气-蒸汽联合循环机组金属监督重点在燃机本体，相关设备主要由GE、西门子、三菱等国外公司制造或提供核心部件，材质及工艺情况国内并未能详细掌握。以GE公司9FA燃气轮机为例，为使材料的耐高温和高强度特性更符合机组高参数大功率要求，热端部件采用称为超级合金的镍钴基奥氏体合金钢DS GTD-111，并在热负荷较高部位采用高温抗氧化涂层(MCrAlY)、热障涂层(TBC)和抗腐蚀涂层(Al-Cr,Al-Si)等。其强化手段、金相组织、高温性能、使用中的损坏失效方式、使用涂层情况、无损检测方法都不同于汽轮机所用的普通耐热钢。

余热锅炉及蒸汽轮机的结构与燃煤机组锅炉及蒸汽轮机有显著的不同，因运行环境、工况、条件等工作不同，金属部件的选材及运行损坏失效方式有其独特性。9F机组选用的部分高温端钢材与超临界机组所用高合金钢相同，其他如汽缸、轴、转子、叶片、发电机护环、汽包等部件的选材都会有所提高。

2 燃气-蒸汽联合循环机组金属部件典型失效问题

2.1 压气机叶片断裂

章褆等对国外、国内燃气-蒸汽联合循环机组压气机叶片断裂情况进行了详细的数据统计，分析表明，国外机组压气机叶片晃动、叶根槽磨损、叶台凸起问题大多发生在机组运行16000小时以后，而国内出现相同问题的机组运行时数最短的仅为4900小时。文献[4-6]分别介绍了十余起国内燃气轮机压气机叶片断裂事件。数据统计显示，燃气轮机压气机叶片断裂故障占比达60%，且多为高周疲劳开（断）裂，主要原因是由于叶片某阶固有频率未能有效避开 kn、zn共振，导致压气机叶片发生疲劳开（断）裂，严重威胁机组安全运行，给电厂带来巨大损失。

实际运行过程中，除了一些影响较大和较为严重的事故和设备隐患之外，国内燃气-蒸汽联合循环机组的日常异常事件也明显增多，这些事故和隐患经事后分析发现都和频繁调峰或日起停有关。图1、2分别为某S109FA燃气-蒸汽联合循环机组压气机S1断口形貌及损坏程度，断口形貌呈现明显的高周疲劳开（断）裂。分析认为：由于压气机静叶片较低的共振裕度，在机组升速时，轴系的1、2、3阶临界转速附近振动逐渐变大，与某阶固有频率发生共振，发生金属疲劳断裂。国内燃气-蒸汽联合循环机组多参与调峰，长期频繁日启停运行，机组每启停一次，压气机在转速变化时都有可能发生共振，压气机叶片在多次的共振下发生金属疲劳、动静摩擦，叶片断裂的可能性增大，最终诱发了叶片的断裂。

图1 压气机静叶片断面分析

图2 压气机静叶片损坏程度

2.2 主汽联合阀阀体疲劳裂纹

某S109FA燃气-蒸汽联合循环机组，系GE公司生产的D10标准型蒸汽轮机，单轴、三压、再热、两缸、冲动凝汽式联合循环汽轮机。截至2018年11月检修时，机组累计运行42528小时，启停1561次。内窥镜检查发现高压主汽联合阀阀体存在裂纹，该阀体材质为GE牌号B50A224B，相当于ASTM A356 Gr9级，成分为1¼Cr1Mo¼V，即ZG15Cr1Mo1V。对高压主汽联合阀阀壳底部结合面着色渗透检测，发现多处裂纹，如图3所示。对裂纹周边氧化皮进行打磨后再次着色渗透检测，清晰发现裂纹围绕阀壳一周，长度达到阀壳内周长的4/5左右，进一步检查，裂纹起点位于疏水孔，如图4所示。后续利用内窥镜对疏水孔内部的裂纹进行检测，发现裂纹沿疏水孔口往里延伸4mm长度。

分析认为：疏水从阀座的疏水口倒流入阀门，沉积在阀门疏水孔侧。机组启动时，蒸汽流经阀座，阀座受热膨胀，由于阀座疏水孔侧存有积水，相对密封面侧，阀座疏水孔侧温升明显较慢、膨胀小，导致密封面侧受到附加拉应力；机组停机时，情况相反，密封面侧膨胀收缩较快，疏水孔侧收缩较慢，密封面侧受到附加的压应力，这种交替的应力变化最终导致密封面发生开裂。如果阀座的疏水管道布置不合理或疏水排放不及时，机组启停过程中阀座的合金嵌体易于受到交变应力的作用，最终导致发生开裂。

图3 阀壳底部结合面裂纹

图4 疏水口位置缺陷裂纹

2.3 四大管道及集箱裂纹

某9F燃气-蒸汽联合循环发电机组，机组2013年投产，采用单轴联合循环型式，由PG9351FA型燃气轮机、D10型三压再热系统的双缸双流式汽轮机、390H型氢冷发电机、和三压再热但带冷凝器除氧的自然循环余热锅炉组成。2019年4月检修期间，对8号机组高压旁路阀出口减温器管道（材料10CrMo910；规格φ660.4×14.27mm）对接环焊缝进行金属监督检验，发现管道焊缝融合线处存在一条长约150mm裂纹缺陷，深度约10mm，典型缺陷见图5。

据调查资料显示该机组累计运行约10500小时，机组累计启停675次，频繁参与调峰变负荷运行，另此处减温器常喷水用于调节高压蒸汽参数，温度的频繁剧烈变化，给机组服役材料带来极大考验，导致管道在此处多次发生高参数蒸汽泄漏，给机组的安全稳定运行带来极大危害。

图6是某西门子公司V94.2（SGT5-2000E）热电联产机组，运行期间发现高压供热减温减压器管道出现蒸汽泄漏现象，管道材质12Cr1MoVG，规格φ273×14mm。停机检查发现管道母材存在周向开裂贯穿裂纹，裂纹位于减温水喷嘴头汽水流向后端150mm。可见，针对燃气机组频繁启停参与调峰运行特点，对高参数管道复杂受力部件，如弯头焊缝、三通、减温器、管座角焊缝等重点位置要缩短金属检验周期，进行高温、高压蒸汽管道专项检查。

3 重要金属部件监督检验内容及标准

金属监督是通过各种检测方法对受监在役金属部件进行检测和诊断，掌握金属部件性能变化及失效规律，对金属部件及设备进行寿命分析及评估，为机组运行维护提供指导依据。燃气—蒸汽联合循环机组的金属监督范围涵盖燃气轮机、汽轮机、发电机、余热锅炉、压力容器及公共系统的高温、高压、高转速部件以及相关的金属部件。

图5 高压旁路减温器焊缝熔合线裂纹

图6 供热减温减压器管道母材周向开裂

监督对象包括：压气机动静叶片、燃烧室喷嘴、联焰管、透平及其缸体、导流套、入口可调导叶、合金钢螺栓；承压管道及阀门、汽包、受热面管、联箱、疏水管路；发电机大轴和护环、发电机风扇叶片、轴瓦、隔板、汽缸、油管路；燃气轮机和蒸汽轮机大轴、叶片、拉筋、轴瓦；加热器、除氧器、连续排污扩容器和储气罐等压力容器以及钢架结构等。

余热锅炉、汽轮机、发电机、压力容器部件及附属设备的性能、材料质量、焊接质量等的监督，可按照厂商提供的最小揭缸检修周期，参照DL/T 438-2016《火力发电厂金属技术监督规程》的要求开展相关检验检测及监督工作。对燃气轮机的压气机、燃烧室、透平及其缸体等重要受监部件应按照厂商提供的最小揭缸检修周期进行检查，要求无裂纹、重皮、焊瘤、铸砂等缺陷，且每年应至少进行1次孔窥检查。具体监督检验内容及标准见表1。进气安全隔离网钢丝、负荷齿轮箱和辅助齿轮箱的轮齿等其他部件每次检修时应进行宏观检查和表面检测，检查磨损情况及是否有变形、断裂。

4 结语

国内燃气—蒸汽联合循环机组频繁启停的运行模式加速了受监金属部件疲劳、裂纹、组织劣化等缺陷产生，结合多起压气机叶片疲劳断裂、主汽联合阀阀体疲劳裂纹、管道及压力容器焊缝疲劳开裂等失效案例的分析，总结了燃气—蒸汽联合循环机组重要受监金属部件的监督、检验和诊断内容及标准。建议后续结合国内燃气—蒸汽联合循环机组金属监督的应用，逐步掌握金属部件性能变化及失效规律，完善相关标准，超前预测受监金属部件的缺陷和隐患，避免重大设备异常事件造成的社会财产损失。

表1 燃气轮机的压气机、燃烧室、透平及其缸体等重要受监部件的监督检验