深度调峰状态下汽轮机末级叶片出汽侧水蚀事故分析

王政先，杨林峰

（1.华电电力科学研究院有限公司，辽宁 沈阳 110000；2.华电能源股份有限公司富拉尔基发电厂，黑龙江 齐齐哈尔 161000）

1 前言

电力行业是煤炭消耗的主要行业之一，是国家节能减排工作重点管控行业。进一步降低煤电机组能耗，提升灵活性和调节能力，提高清洁高效水平，促进电力行业清洁低碳转型，助力全国碳达峰、碳中和目标如期实现是电力行业的总体目标。目前国家要求存量煤电机组灵活性改造应改尽改，“十四五”期间完成2 亿千瓦，增加系统调节能力3000 ～4000 万千瓦，促进清洁能源消纳。“十四五”期间，实现煤电机组灵活制造规模1.5 亿千瓦。目前越来越多的火电厂正积极开展灵活性改造，随着机组深度调峰的开展、冬季供热热负荷的增加，汽轮机在深度调峰工况下运行时，排汽压力降低，导致排汽湿度增加，汽轮机末级叶片水蚀现象越来越多。

叶片是汽轮机的关键零部件，承受巨大的离心力、蒸汽力和蒸汽激振力的作用。蒸汽品质不佳对叶片的腐蚀作用和湿蒸汽区的水蚀作用，会导致叶片通流面积减小和叶片表面的损伤。叶片的严重水蚀不但使机组的级效率大幅下降，而且可能会引起叶片的断裂破坏等重大事故，目前汽轮机末级、次末级叶片断裂的事故时有发生。

总而言之，水蚀对汽轮机运行的热经济性和安全可靠性影响较大。目前国内学者田瑞峰、刘志江等在文献[1]、[2]中简要介绍了末级长叶片冲蚀损伤的机理及其严重危害性，着重指出近年来随着新出现的大机组长期带低负荷参与调峰运行，相当普遍地发生了末级长叶片出汽侧的冲蚀损伤，在北方地区某些机组上叶片进汽侧也发生大范围的冲蚀损伤，提出了相应的防范措施以及大机组调峰运行应综合考虑末级叶片的强度和寿命的观点。

鄢宇鹏论述了有关汽轮机动叶片金属材料水蚀的几个重要方面：高速液固撞击理论、水蚀破坏机理、材料的水蚀性能及其试验研究。介绍了国内外的研究现状和成果及研究手段和发展方向。

但目前所有相关文献研究的水蚀主要集中在动叶进汽侧叶顶和出汽侧叶根处，鲜有在其他部位的介绍。本文通过在某一机组末级叶片出汽侧中部发现的水蚀为例，分析了其产生的具体原因并给出了相关的一些建议。

2 事件描述

2.1 机组概况

某汽轮机为哈尔滨汽轮机厂生产的N200-130/535/535型超高压一次中间再热、三缸三排汽、凝汽式汽轮机。高压缸为双层缸结构，中压缸为单层缸汽缸由三段组成，27 级后设有排汽口，低压缸采用三分流设计，共有3 级末级动叶片，分别是27、32、37 级，各112 片动叶，其中37 级是反向布置，叶顶部之间采用的是拱型围带连接，动叶出汽边高度668 mm。1997 年7 月第三次大修中进行了三缸通流改造，末级动叶片更换为三元流可控涡方法设计的自带冠围带新型叶片，叶片进汽边焊司太立合金，以防冲刷，至2013 年10 月第七次大修，末级叶片无异常。2016 年5 月，5 号汽轮机进行了打孔抽汽改造。

2.2 检查情况

因机组深度调峰时间增加，对汽轮机开展相应的检查，揭低压缸后发现其中一侧末级叶片（37 级）叶片背部出汽边水蚀破损严重，距叶顶160MM 处冲刷出三角形豁口，向叶顶和叶根两方向损坏逐渐减轻，叶根处未见明显回流，见图1。而两外两个排汽（27、32 级）末级动叶片未见明显水蚀痕迹。

图1 37 级末级叶片出汽侧水蚀图

通过对三组末级动叶进行观察，发现进汽侧钎焊司太立合金处状态一致，仅发生了轻微水蚀。如图2 所示，表明三组末级动叶进汽状态基本一次。

图2 进汽侧水蚀情况

3 问题分析

3.1 水蚀发生的机理

工作在湿蒸汽区的动叶片，与汽流中夹带的二次水滴高速撞击，从静叶栅出来的水滴与高速转动的动叶片发生冲击，水滴与动叶片接触部位产生了很高的压力，其压力超过了材料的屈服极限，使叶片材料产生局部的塑性变形和表面硬化。这种压力反复作用于叶片，叶片材料达到疲劳极限时，局部即开始产生疲劳裂纹。水滴冲击到这种裂纹时，产生的压力将加剧裂纹向更深处发展，致使叶片材料从叶片表面脱离形成水蚀。

在汽轮机湿蒸汽区部分凝结后经静叶表面沉积，之后汇聚为水洼或水流，当水从静叶表明脱离后，形成的水滴与动叶撞击最终导致了水蚀的形成。

因为水滴的绝对流速较蒸汽较慢，在周向速度u 不变的情况下，绝对速度c1 越慢，水滴相对进入动叶的方向w1 就会发生变化，击打在动叶背弧处，如图3 所示。当前比较常见的集中减轻水蚀的方法有两大类，第一类是对动叶顶部吸力侧前缘附近采用电火花强化或钎焊司太立合金或者局部火焰淬硬等工艺处理来提高叶片抗水蚀能力；第二类是在静叶表面设计径向除湿槽、采用空心静叶除湿等减少水滴的措施。除上述两类水蚀防护措施还可以通过提高水滴速度，比如加大静动间隙、静叶顶部前掠等，减轻水滴对动叶的直接撞击，减轻叶片水蚀。

图3 进汽侧速度三角形

3.2 水蚀原因查找

本次汽轮机末级叶片水蚀发生在出汽侧与正常水蚀在进汽侧现象不一致。从水蚀发生机理可以判断出该级末级叶片属于特殊情况。考虑到末级叶片离低压缸喷水减温较近，怀疑喷水减温管道有故障。

通过试投5 号机排汽缸喷水装置，发现2 号排汽缸（炉侧）垂直安装的冷却水管喷水口喷射方向正对37级叶片，但喷射位置与叶片损坏豁口处相差约15cm，如图4 所示。

图4 静态时投低压缸喷水减温状态图

考虑到现场试投5 号机排汽缸喷水装置时汽轮机转子为静态，若机组在运行状态，根据“伯努利效应”，流体的流速越大,压强越小；流体的流速越小,压强越大。汽轮机转子叶顶汽流较叶根汽流速大很多，产生一个向叶顶的一个压力梯度，也即运行时冷却水喷水位置会向叶顶处偏移。该喷水管为机组原始安装。

3.3 以往未发生该问题原因分析

该机组至1988 年投产至今已经历过七次大修，期间检查并未发现末级叶片有异常现象。

运行方式上由于近年来为满足电网辅助调峰需要，减少辅助调峰考核，需要进行深度调峰。深调期间机组负荷降至50%以下。在关闭导汽管蝶阀时，没有足够的蒸汽量将低压缸内摩擦鼓风产生的热量带走，排气缸温度升高，为控制排汽室温度，深调期间排汽缸喷水装置投入运行。

统计近半年时间运行数据发现该机组深调时间约为1800 小时，投入排汽室冷却水时间累计约800h。

4 结语

（1）叶片水蚀的主要原因是冷却水管喷水口安装方向不正确，使水流直接喷向叶片，水流与高速运动的叶片发生撞击，导致叶片水蚀发生。

（2）以往未发生叶片水蚀的主要原因是以往机组未进行深度调峰，运行时未投入喷水减温，仅在启停机时短暂投入。

（3）对于进行供热改造、深度调峰机组建议对低压缸喷水减温一并改造，更改为雾化喷嘴，避免喷水减温高速射出的水柱冲蚀汽轮机后缸缸壁或者末级叶片造成损坏。