固體顆粒侵蝕(Solid Particle Erosion簡稱SPE，也稱硬質顆粒侵蝕)是超臨界汽輪機面臨的主要問題之一。是一種發生在鍋爐啟動或長期低負荷運行情況下，其過熱器管和再熱器管因熱衝擊引起管子汽側氧化鐵剝離形成固體顆粒而造成的對汽輪機高中壓缸第一級葉片的侵蝕。
基本介紹
- 中文名：固體顆粒侵蝕
- 外文名：Solid particle erosion
- 別稱：硬質顆粒侵蝕
- 套用學科：環境工程
- 適用領域範圍：環境生態
- 簡稱：SPE
簡介,產生機理,危害,防治措施,
在高速撞擊和磨削的聯合作用下侵蝕噴嘴、動葉片及其圍帶、阻汽片等通流部件金屬材料。由於大容量機組的鍋爐過熱器、再熱器系統十分龐大，只要其中一部分受熱面積發生的氧化鐵垢層剝落下來，其每年形成的固體粒子的重量可達數百千克至上千千克。在固體顆粒當中不僅有高溫氧化鐵的剝落物，而且還有停機時產生的腐蝕產物。這些堅硬的粒子以高速源源不斷地撞擊、磨削通流部件，使噴嘴和動葉片的汽道失去金屬材料或產生變形。
簡介
超臨界機組採用的是直流鍋爐，相對亞臨界機組的汽包鍋爐，由於沒有汽包，給水品質要求比較高。若凝結水處理設備發生故障時，雜質和污染物將進入鍋爐後由於不能進行定期排污，給水中的雜質將進入到汽輪機，有可能對汽輪機的高溫葉片等部件造成固體顆粒侵蝕。超臨界機組溫度較高，鍋爐高溫受熱面管內易產生氧化垢(Fe2O3、Fe3O4)。試驗結果表明，當蒸汽溫度高於600℃時，鍋爐受熱面管子高溫腐蝕和汽側氧化問題十分顯著；奧氏體管材最大腐蝕(汽側腐蝕)出現在640～700℃。超臨界鍋爐的過熱器、再熱器、主蒸汽和再熱蒸汽管道內表面剝離的微型固體顆粒，隨著蒸汽進入汽輪機內。固體顆粒以蒸汽的流速通過汽輪機的流通部分時，會造成噴嘴和動葉損傷。特別是對於超臨界汽輪機調節級、高壓缸和中壓缸第一級噴嘴和動葉，其固體顆粒侵蝕比較嚴重。
高速運動的氧化物產生的金屬顆粒侵蝕不但會使汽輪機級效率迅速下降，而且影響了汽輪機的可靠性。美、日等國在這方面都有很多經驗教訓，有的機組運行3～4年就要進行焊接修補，有的機組運行40000～70000h後，受損傷的葉片必須予以更換。因此對機組的安全性和經濟性均有不利影響。
產生機理
固體顆粒侵蝕損傷的程度與粒子的撞擊角度、撞擊速度、粒子的大小和多少及葉片材料的耐侵蝕性能等因素有關。其中粒子的撞擊角度對侵蝕速度有極大的影響，汽輪機通流部分常含有12Cr的馬氏體族不鏽鋼，其材料的韌性高，但它遭遇的粒子硬度極高，其莫氏硬度為5.5～6.6級，所以目前普遍認為噴嘴、動葉片受到侵蝕最可能是“韌性模式”。通過侵蝕模擬試驗證實，常用噴嘴和動葉片的材料在粒子撞擊角度較小(如20。～30。)時侵蝕最嚴重。然而，這種規律對於硬度很大的材料如陶瓷的侵蝕規律則完全不同，陶瓷材料在衝擊角度較小時所受的侵蝕損傷最小。
固體顆粒侵蝕率與其固體顆粒的撞擊速度和入射角、汽輪機的型式、材料耐腐蝕性、機組的運行方式以及鍋爐的啟動系統等因素有關。
固體顆粒侵蝕有兩種機理，固體顆粒入射角等於90。時為變形侵蝕，小於90。時為切削侵蝕。固體顆粒侵蝕率主要與汽流速度(撞擊速度)和固體顆粒人射角有關。在相同的固體顆粒入射角下，汽流速度愈大，固體顆粒侵蝕愈嚴重。在相同汽流速度下，不同的固體顆粒入射角對應不同的侵蝕率。試驗研究表明，當固體顆粒入射角等於20。～25。時，葉片侵蝕率達到最大值。
由於衝動級噴嘴出口汽流速度比反動級高，故衝動級動葉固體顆粒侵蝕比反動級動葉更為嚴重。
危害
根據超臨界汽輪機的運行經驗，汽輪機尤其是超臨界壓力汽輪機通流部分的高、中壓級的噴嘴、動葉片及主蒸汽閥、旁路閥經常會發生固體顆粒侵蝕(SPE)損傷。固體顆粒(粒子)侵蝕是指由於鍋爐過、再熱器及主蒸汽管道內剝落下來的氧化垢層形成的堅硬固體顆粒隨蒸汽一起進入汽輪機，侵蝕通流部分的噴嘴、動葉片的現象。固體顆粒的侵蝕使汽輪機通流效率降低，功率下降，檢修周期縮短，維修費用上升。為此，採用葉片的氣動抗侵蝕設計與表面強化兩種方法來改善葉片的抗侵蝕性能。
固體顆粒侵蝕較多發生在鍋爐啟動階段，由鍋爐受熱面受熱衝擊引起管子汽側氧化鐵剝離，剝離的氧化物根據其質量、形狀的不同及該處蒸汽動量的大小，或在管內沉積，或隨蒸汽運動並形成固體顆粒，使汽輪機調節級和高、中壓缸第l級葉片產生侵蝕。另外，機組長期低負荷運行也會出現固體顆粒侵蝕問題。沉積的氧化物會危及爐管的安全運行，嚴重的將導致過熱器、再熱器管爆破。
防治措施
根據對固體顆粒的產生、流動及最後對汽輪機葉片的侵蝕過程的分析，防治其侵蝕措施應體現在防止和減緩高溫蒸汽金屬氧化物的生成，對已生成的金屬氧化物應避免其脫落，對已脫落的金屬氧化物應儘快予以清除；對未能清除的金屬氧化物應儘量減輕其對汽輪機葉片的破壞等環節。除了在鍋爐方面應儘可能選用抗氧化性能好的材料，選用利於減小傳熱偏差、降低氧化速率及有利於氧化皮及固體顆粒的流動的塔式鍋爐外，在汽輪機方面，需要在結構和運行上採取必要的措施。
在超超臨界汽輪機結構設計上的防治措施包括：
(1) 改進調節級噴嘴端壁面的幾何形狀，噴嘴採用子午面型線，既可以減少二次流損失，也可起到減少固體顆粒侵蝕的效果。
(2) 衝動級噴嘴出口汽流速度比反動級高，衝動級靜葉出口和動葉受到的固體顆粒侵蝕比反動級嚴重。衝動式調節級存在的主要問題是高速蒸汽流出噴嘴和進入動葉，極易受到固體顆粒的侵蝕。儘可能把衝動式葉片的使用局限在調節級，其餘高中壓級採用反動式葉片。由於反動式葉片固體顆粒衝擊角較大，固體顆粒侵蝕的影響不是很大。
(3) 採用傾斜噴嘴可減少撞擊在噴嘴出口表面上的固體顆粒數量，並使撞擊速度降低，撞出角減小，使第一級噴嘴出汽邊固體顆粒侵蝕的損傷率大為減小。
(4) 通過改變噴嘴的幾何形狀以及調節級與再熱第一級的噴嘴和動葉的距離，可明顯地降低固體顆粒的侵蝕率。
(5) 啟動時，在20%負荷以下採用全周進汽方式，可以減少蒸汽流速，有利於防止固體顆粒侵蝕。與定壓運行相比，變壓運行超超臨界汽輪機由於蒸汽流速緩慢等原因，有利於減輕固體顆粒侵蝕。
(6) 調節級和再熱第一級噴嘴和動葉的設計，應選用蠕變強度高和耐固體顆粒侵蝕能力強的高溫葉片材料。
(7) 調節級和再熱第一級噴嘴和動葉採用防固體顆粒侵蝕的保護鍍層或塗層，如採用等離子噴塗鉻碳化物(或碳化鎢)或表面硼化處理(高溫下將硼擴散滲透到金屬表面，形成硼化物)等技術，對提高葉片表面耐固體顆粒侵蝕性能有一定效果。一般要求保護層性能穩定，硬度需在1000HV以上，同時不應降低葉片母材的基本力學性能和不使葉片變形。
