浅谈600MW超临界机组高中压缸氧化皮的产生及处理

俞卫刚

【摘  要】本文主要介绍600MW超临界机组汽轮机在提效节能改造后的检修中发现高中压缸存在大面积氧化皮剥落问题，针对各项原因进行分析并指出处理的办法。

【关键词】高中压缸;氧化皮剥落

1 概述

华润电力（常熟）有限公司汽轮机由东方汽轮机厂引进日立技术制造的超临界压力首改型机组，超临界、一次中间再热、单轴、三缸四排汽、双背压、纯凝汽式汽轮机，汽轮机型号：CLN600-24.2/566/566。高压缸11级，中压缸6个级，低压缸2X2X7级[1]。

206A修期间，2机组进行提效节能改造。208C修期再次对2机高中压缸揭缸检修，发现2汽轮机的高中压转子、隔板、汽封、内缸等部位存在氧化皮剥落。

2检查情况

2.1高压缸转子检查

高压缸转子共11级：

（1）高压缸转子1-5级的叶轮盘、转轴部位，氧化皮有明显剥落。

（2）高、中压缸间汽封有氧化皮脱落。

（3）第1-3级叶片有氧化皮剥落后的花纹。第1级较明显，第2级轻微，第3级不明显。

（4）第5-11级叶轮盘、转轴、叶片等各部位的氧化皮无剥落。

（5）第4-11叶片的正面光滑无积盐，背面少量积盐，积盐评价为一类。第9级叶片背面积盐最多，积盐量为2.8mg/cm2，积盐速率约0.3mg/（cm2.a）。

（6）高压缸第1-3级、中压缸第1-2级的氧化皮厚度测量，高压缸1级的氧化皮约0.2mm，其他各处约0.07～0.12mm。

高压内缸进汽口附近有氧化皮脱落现象。高、中压缸叶片无明显固体颗粒磨蚀（SPE）。中压缸内受第2级叶片断裂影响，第3-4级叶片有明显变形、损坏现象。

2.2中压缸转子检查情况

中压缸转子共6级：

（1）第1-2级的叶轮盘、转轴部位有氧化皮脱落，其他各级氧化皮无明显脱落。

（2）第1-2级围带内侧光滑，无氧化皮粉末沉积。第3-5级围带内侧，有硬块状金属沉积物，应为第2级两处叶片脱落所致。

3氧化皮脱落影响分析

206A检修期间，2机组提效节能改造。高中压缸转子积盐与腐蚀评价为一类，无氧化皮脱落。此次检查高、中压缸转子叶片积盐与腐蚀评价为一类，但进汽口附近汽温较高部位存在氧化皮脱落。对比两次大修检查情况。

（1）两次大修期间，2机水汽品质控制良好，水汽带入汽轮机的杂质含量较低。本次检查发现的氧化皮问题与水汽中的杂质含量无关。

（2）氧化皮脱落发生在进汽口附近汽温较高部位，故温度对氧化皮脱落有直接影响。

研究表明，金属表面氧化皮脱落不仅涉及合金本身的氧化生长动力学、氧化皮厚度、温变幅度与速度、更与氧化皮形貌结构、合金机械性能等因素，是一个多因素共同作用的复杂过程。针对2机组高中压缸氧化皮脱落问题，结合提效节能改造前后大修檢查情况，从温度、蒸汽溶解氧量、氧化皮厚度、热瞬变等方面进行分析。

3.1温度

2机组提效节能改造后，主蒸汽温度从538℃提高至566℃，高中压缸转子与隔板整体更换，高压缸转子从调速级+7级冲动级，改为11级冲动级。转子与隔板的材质无变化，转子轮毂材质30Cr1Mo1V，叶片材质2Cr11Mo1VNbN。研究表明高温下水蒸气氧化是一种特殊形式，金属失去电子被氧化，吸附脱去2个氢质子的水分子变成氧离子，再和金属离子反应生成氧化铁，氢质子获得电子还原为氢气[2]。相同的金属材料，蒸汽温度越高，氧化钢材的速度越快，氧化皮厚度增加越快。因此，提效改造后，主蒸汽温度提高，加大了高温部位氧化皮的生成与脱落的风险。对再热蒸汽温度进行检查发现超570℃现象较多，强化了水蒸汽与钢材发生氧化反应，加速氧化皮生成[3]。

3.2蒸汽中溶解氧

（1）2005年～2015年：给水溶解氧设定为100μg/L。主蒸汽含氧量不低于20μg/L。

（2）2016年2月～2018年7月：给水溶解氧设定为50μg/L。主蒸汽含氧量10～20μg/L。

（3）2018年8月～现今：给水采用质溶机液态加氧，控制稳定，溶解氧设定为20μg/L。主蒸汽溶解氧≤10μg/L。

自2016年提效节能改造后，给水加氧量不断下调，主蒸汽的加氧量降低，仅前期蒸汽中存在外加溶氧。

两次揭缸检查显示：更换前，在蒸汽溶解氧含量较高的情况下，运行10年，高中压缸氧化皮并未发生脱落;更换后，溶解氧明显降低，在材质未发生变化的情况下，运行3年，反而发生了氧化皮脱落问题现象。说明氧化皮脱落是多重因素综合作用。

以600MW机组为例，受热面约4.6万M2，若金属表面生成0.001mm Fe3O4膜需66kg溶解氧，依照给水20μg/L需通过给水659万吨，锅炉运行4个半月才能形成氧化膜保护。蒸汽含氢量表明，金属表面氧化膜20～30小时即可形成。

研究表明在无溶解氧的水中，铁和水可以反应生成Fe3O4并放出氢，确定了铁水反应的就位氧化过程[4]。根据05年至今加氧值递减情况，以及历年的开缸检查，给水加氧对高中压缸氧化皮影响甚微。

3.3线膨胀系数

氧化皮与金属基体的热膨胀系数存在差异。600℃时，高压转子与氧化皮的线膨胀系数（与20℃间，×10-6℃-1）分别是：基体30Cr1Mo1V：14.15，氧化皮Fe2O3 胀系：12.9，氧化皮Fe3O4胀系：16.5。蒸汽中的氧与钢反应生成氧化皮（包括Fe2O3、Fe3O4），其热膨胀系数存在差异，在启停机与负荷变化时，氧化皮受到较大的挤压应力，可能发生破裂与脱落。按国网要求参与到深度调峰，负荷最低至227.5MW，对氧化皮的脱落有影响。

3.4氧化皮厚度

氧化皮在生长过程中会产生生长应力，而且随氧化皮厚度增加应力增加，逐渐逼近应力（厚度）临界值。现场对高压第1-3级、中压第1-2级的氧化皮厚度进行测量，其中高压1级的氧化皮最厚，约0.2mm，其他各处大致0.07～0.12mm，氧化皮厚度较厚。厚度是否达到临界值还与管材、温降幅度和速度有关。

3.5热瞬变

温度变化时，合金和氧化皮都会发生相应的应变，即氧化皮与母材间的线膨胀系数不同产生的热应力，尤其是当机组停机过程中，此热应力达最大。不同降温速率对氧化皮破裂脱落和产生裂缝的大小都有影响。

4 结论

2机高中压缸内氧化皮大面积脱落，主要集中在内缸进汽口附近、高压缸第1-4级叶轮盘、中压缸第1-2级叶轮盘、高压缸第1-2级叶片等蒸汽温度较高的部位。

（1）提效节能改造后，主蒸汽温度提高了28℃，加大了高温部位氧化皮生成与脱落的风险，而且运行中存在超温现象，此为氧化皮剥落主因。建议运行中严格控制主蒸汽、再热蒸汽超温现象。

（2）蒸汽中的外加溶氧是影响氧化皮生长与脱落的因素之一，从规避氧化皮脱落风险的角度，建议给水保持微氧处理，避免蒸汽存在外加溶氧。

（3）氧化皮发生脱落，为温度升高、蒸汽存在外加溶氧、氧化皮厚度增加、线膨胀系数差异、负荷波动时热瞬变应力增加等因素综合作用的结过果。

参考文献：

[1]华润电力常熟有限公司《汽轮机运行规程》2018版

[2]王金宝.《超（超）临界机组氧化皮优化对策》，600/1000MW超超临界机组技术交流2009年会.2019.11

[3]徐传堂.《650MW超临界机组#2号机汽轮机内部氧化皮脱落的原因分析及对策》，内燃机与配件.2019（20）

[4]于学斌、贺桂林、王海鸥、耿兆龙《超临界机组加氧对氧化皮生成和剥离的影响》，热力发电.2010

（作者单位：华润电力（常熟）有限公司）