水滴特征对汽轮机叶片司太立合金 水蚀的影响

薛 翔，李 勇，刘福广，黄其洲，刘 刚

（1.海南核电公司，海南 海口 572700；2.西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710054）

蒸汽在推动汽轮机做功时，温度逐步降低，产生的凝结水对高速旋转的汽轮机造成水蚀[1]。水蚀在叶片表面形成锯齿形缺陷，会造成应力集中和减小叶型根部截面积，对叶片的可靠性造成巨大危害甚至使叶片断裂；同时汽轮机叶片水蚀损伤会 改变叶片的振动特性，降低蒸汽的做功效率及机 组运行经济性[2-5]。随着大容量火电机组和核电机 组的建设，水蚀现象变得越来越突出。某核电站投运18个月，汽轮机叶片司太立合金水蚀深度达到1.05 mm，超过了司太立合金厚度的80%，危及汽轮机的安全运行。

水蚀是汽轮机的固有现象，大量文献资料[6-11]研究了水蚀的产生过程、水滴对材料的作用过程及水蚀机理等，获得了水滴撞击理论，从水滴碰撞、扁平、破碎及射流过程，揭示了引起材料水蚀损伤的力学因素。研究了水滴碰撞速度和水滴大小对水蚀性能的影响，数值计算研究认为当水滴直径大于1 mm，水滴尺寸的变化对水蚀的影响不明显，当水滴直径小于1 mm，随着水滴尺寸的减少水蚀减轻；同时水蚀受水滴碰撞速度的影响较大。对材料的抗水蚀性能进行了研究，初步建立了水蚀性能与材料力学性能的关系[12]，对典型材料，计算了其水蚀门槛速度[2,13-14]，测试了叶片本体材料如12Cr钢、17-4PH和Ti6Al4V等的水蚀性能。目前针对水蚀的主要防护手段是钎焊镶嵌司太立合金[15]，这使得水蚀主要发生在叶片表面司太立合金上，在司太立合金完全损伤前，基体叶片基本不受水蚀损伤。大量的研究[16-19]对各种工艺制备的司太立合金抗水蚀表面涂层的性能进行了测试。虽然有文献[6]初步报道了水蚀性能与金属材料硬度正相关，但发现司太立合金例外。研究水滴与司太立合金间的碰撞过程对研究司太立合金的水蚀机理具有重要意义，但目前缺乏对水滴与司太立合金碰撞过程应力演变的研究报道。本文通过数值模拟计算研究水滴特征对司太立合金水蚀的影响，揭示司太立合金水蚀过程水滴碰撞应力演变规律。

1 水滴撞击叶片的数值模型

建立水滴垂直撞击叶片表面的几何模型如图1所示。水滴与叶片模型及具体边界条件如下：叶片基体材料为17-4PH，尺寸为8 mm×8 mm×3 mm，叶片防护层材料为司太立合金，尺寸为8.0 mm×8.0 mm×1.2 mm；假设水滴为球形。在研究不同水滴撞击速度下司太立合金层内等效应力及变形时，采用的碰撞速度分别为：174、229、293及330 m/s；水滴半径为250 μm；对比分析水滴尺寸对司太立合金内应力及变形的影响时，水滴半径为250、500、750与1 000 μm，速度为293 m/s。获取水滴碰撞过程中最大等效应力及残余应力，模拟总时间为2×10-5s。

2 模拟结果

2.1 水滴速度对司太立合金层最大等效应力的影响

1）最大等效应力

根据单个水滴的碰撞模拟，水滴撞击速度对司太立合金最大等效应力的影响如图2所示。

由图2可见，随着水滴撞击速度的增加，司太立合金最大等效应力不断增加。当碰撞速度从174 m/s增加到229 m/s时，最大等效应力增加了114%。当速度为174 m/s时，其最大应力仅有241 MPa，这一应力值显著低于司太立合金的屈服强度，不会在碰撞过程中对材料产生永久性损伤。而当水滴碰撞速度达到229 m/s及以上时，司太立合金表面的最大等效应力大幅度提升，达到了518 MPa以上，接近司太立合金的屈服强度541 MPa；当速度达到293 m/s 时，最大等效应力值达到552 MPa；当碰撞速度达到330 m/s时，碰撞最大等效应力达到628 MPa。可见当速度足够高，碰撞最大等效应力可达到或超过司太立合金的屈服强度。此时，单个水滴的碰撞就会使司太立合金表面发生塑性变形。文献[6]报道了水蚀失重与碰撞速度的关系，当水滴碰撞速度与材料的损伤门槛速度差异大小不同，水蚀失重分别遵循不同的规律，本文研究结果与其报道类似。司太立合金的水蚀门槛速度为215 m/s[2]，293 m/s和330 m/s的速度远大于司太立的门槛速度，其损伤程度远高于较低碰撞速度引起的水蚀损伤。事实上，文献[2]计算了660 MW机组汽轮机在3 000 r/min的转速下，汽轮机叶片司太立合金与水滴碰撞的相对速度约307 m/s，根据图2所示结果，在如此高速度下，水滴与司太立合金碰撞产生的应力将超过其屈服强度，对司太立合金产生明显的破坏作用。连续不断的打击，将导致司太立合金发生塑性变形，形成水蚀损伤。

2）应力的演变

撞击区域中心处的等效应力在整个碰撞过程中的连续变化曲线如图3所示。由图3可见，当碰撞速度增加，液滴与基体碰撞所需时间也越来越短，第一次碰撞产生高应力的时间也越来越短。碰撞后的应力-时间谱线图表现出振荡现象，并随着时间的延长逐步衰减最终保持稳定。当速度达到293 m/s后，司太立合金表面在碰撞应力之后的数微秒内会出现较高的应力峰。这个二次应力峰值高达300 MPa以上，这一应力值超过了司太立合金的疲劳极限[20]，因此在研究水蚀的过程中这一应力峰不可忽略。由于该应力峰出现在首次碰撞主应力峰之后，作者将其称为次生应力峰。当初始碰撞速度足够高，次生应力峰值较高，甚至超过司太立的疲劳强度。该应力峰值的存在，意味着当水滴的碰撞应力足够高，其某个特定位置发生水蚀所需要的水滴碰撞次数可能大大低于传统理论要求的碰撞水滴碰撞次数，大幅缩短发生水蚀所需的碰撞次数。事实上，次生应力峰不仅在高速度碰撞过程产生，也会在低速碰撞过程产生，但因其应力值低，对碰撞应力的影响较小。

3）残余应力分布

不同水滴速度下撞击过程完成后司太立合金内部的残余应力分布如图4所示。由图4可知：当水滴速度为174 m/s时，司太立合金层内最终残余应力为98 MPa，随着速度增加，涂层内残余应力不断增加，另外，残余应力分布区域也有所增加。总体来说，水滴的撞击速度越大，涂层内的残余应力也会随之增加，当水滴速度达到330 m/s时，单个水滴碰撞造成的残余应力达到了228 MPa。当大量大尺寸水滴反复碰撞司太立合金，将引起司太立合金水蚀。

进一步分析了模型内部沿着叶片厚度方向，即路径BB1的残余应力分布。从图4可看出，水滴的撞击速度越大，涂层内部的最大残余应力越大。在深度方向，残余应力很快降低，残余应力的影响深度较小，并随着深度的增加，快速降低，更深处的残余应力均非常小，不到10 MPa，也就是说，水滴撞击之后，基体不会发生破坏，而破坏发生在司太立合金浅表面。

2.2 水滴尺寸对司太立合金层最大等效应力的影响

1）最大等效应力

进一步计算了不同半径的水滴以293 m/s的速度撞击司太立合金后的最大等效应力，不同半径的水滴对试样内最大等效应力的影响如图5所示。由图5可见，随着水滴半径的增加，司太立合金内的最大等效应力增加。当水滴半径从250 μm增加到750 μm的过程中，水滴碰撞过程最大应力增加约11%；而当水滴半径大于750 μm后，司太立合金内部的应力基本保持相当的水平。文献[6]报道了当水滴直径大于1 mm，水滴尺寸对水蚀的性能影响不大，当水滴直径小于1 mm，水蚀程度随着水滴尺寸的增加而增加。本研究的结果与此类似，当水滴半径大于750 μm，即直径大于1.5 mm时，水滴大小的变化对于水蚀损伤没有显著影响，当水滴半径小于750 μm时，水蚀程度随着水滴尺寸的减少而减少。这种水滴尺寸的差异可能与碰撞材料有关。

2）应力的演变

不同尺寸水滴碰撞司太立合金过程中的碰撞应力-时间谱线如图6所示。

与前述相同，由图6可见，在碰撞整个过程中，碰撞应力-时间谱线中都出现了次生应力峰，可见水滴尺寸对次生应力峰的影响程度要大于水滴速度。不同尺寸水滴碰撞时，这些次生应力峰值都超过了司太立合金的疲劳强度。碰撞过程中的次生应力峰的数量和应力值在速度一定的情况下，主要取决于碰撞过程中的液滴尺寸。随着碰撞水滴尺寸的增加，这种多次应力峰变得更多，当液滴半径达到750 μm后，高于司太立合金疲劳强度的应力波峰数达到了4个以上。这有可能是水滴在碰撞过程中发生了多次反弹。当水滴直径变得足够大，单个水滴碰撞后会产生多次超司太立合金材料疲劳强度的碰撞，加剧其水蚀损伤。

3）残余应力

不同水滴尺寸下，司太立合金内部的残余应力分布对比如图7所示。由图7可知，随着水滴尺寸的增加，撞击后的最大残余应力基本呈现不断增加趋势。值得注意的是，当水滴半径小于等于500 μm时，撞击后的残余应力增幅非常小，基本稳定在 172 MPa；而当水滴半径大于等于750 μm时，最大残余应力随水滴尺寸增加呈现较大幅度增加；当半径增加至1 000 μm时，最大残余应力增加至230 MPa，试样表面受水滴冲击影响的面积也不断增大。

对于基体，水滴的尺寸越大，撞击后试样内部的最大残余应力越大，应力波往基体的传递也越深，但不论对哪种情况，基体内部的应力都非常小，不到10 MPa，也就是说，水滴撞击之后，基体不会发生破坏，破坏仅发生在基体表面的司太立合金处。

3 分析讨论

3.1 应力-时间谱线分析

如图3和图6所示，当水滴速度或尺寸足够大，在碰撞过程中金属材料内部的应力-时间谱线中出现了振荡现象和多个次生应力峰。

文献[21]对振荡现象进行了研究分析，分析认为这种现象与碰撞过程中的水锤效应有关。水滴在碰撞过程中，碰撞产生的水锤冲击应力波在金属材料/水滴界面和水滴上部的水滴/空气界面间不断反射和传输，司太立合金不断受到应力波的作用，从而应力随时间的变化规律上表现为如图3和图7所示的振荡现象。

文献[22-23]报道了次生应力峰现象，与本文具有类似结论。水滴与固体表面碰撞时会发生压缩、扁平扩展、表面张力作用下液滴收缩、反弹、再次形成新的小水滴并再次碰撞固体[24]。水滴碰撞过程分裂示意如图8所示，这一过程如同分裂一般，速度足够的情况下，会发生多次分裂。每次分裂产生的小水滴都会对司太立合金表面产生碰撞作用，但这种分裂可能不会持续进行下去，液滴的动能在多次碰撞铺展过程中消耗后不足以形成反弹时，这种分裂过程将不再发生。水滴的分裂、反弹是引起司太立合金表面出现次生峰的主要因素。这种现象主要发生在大尺寸水滴高速碰撞过程中。

3.2 司太立合金的损伤

汽轮机叶片在运行过程中，蒸汽是主要的动力来源，蒸汽由高压向低压运行过程中，压力急剧下降，蒸汽温度也会显著降低，通常蒸汽到了末级前，蒸汽温度低于100 ℃，这促使其发生凝结，产生湿蒸汽，蒸汽湿度升高，通常末级的湿度可达9%～14%。蒸汽中的水分增加导致其在流通过程中对汽轮机叶片产生水蚀，这是水蚀损伤介质的来源，是水蚀发生的第一个必要条件。

对超（超）临界火电机组或核电机组常用汽轮机而言，汽轮机在全速运行过程中，叶片尖端的速度接近600 m/s，由于蒸汽的喷射角度，水滴与叶片的碰撞相对速度约307 m/s[2]。这一速度显然是远大于司太立合金的门槛速度215 m/s[6]，因此易导致汽轮机叶片司太立合金发生水蚀损伤。

根据本项目研究，当相对碰撞速度达到229 m/s左右时，碰撞过程中的应力超过司太立合金的屈服强度，同时，该应力也超过了司太立合金的疲劳极限强度。尽管单个水滴不易对司太立合金产生破坏，但在反复的水滴碰撞作用下，司太立合金会形成疲劳，促进司太立合金的水蚀。事实上，汽轮机中的水滴尺寸分布非常复杂，与其运行工况有较大关系，蒸汽中水滴尺寸从数十微米到数毫米不等。根据本文研究结果，不同水滴产生的应力水平不同，司太立合金并非从机组开始运行就发生可见的水蚀损伤现象，只有在长期的运行过程中，不同速度、不同粒径的水滴碰撞效果才会体现出来。正如文献[6]报道，水蚀过程存在潜伏期和加速期，其中潜伏期就是各种速度、粒径的水滴对司太立合金的反复作用过程。当潜伏期内的碰撞疲劳累计效应达到一定程度后，材料发生可见的破坏，并进入水蚀加速期。

如前所述，大尺寸水滴在高速碰撞过程中发生“分裂”，并反弹再次与金属表面碰撞，从而形成次生应力峰，这一应力峰的值大多高于司太立合金材料的疲劳强度。当然，汽轮机高速旋转时分裂水滴的碰撞位置并不一定与第一次碰撞位置相同。基于分裂水滴的碰撞应力峰时间间隔和液滴与叶片相对速度进行计算，这种位置偏差约500～700 μm。尽管不在同一碰撞位置，但在大量水滴分裂并再次碰撞的情况下，同一位置可能会被其余部位分裂水滴造成次生应力，会加剧该部位的材料疲劳损伤。这种现象与水滴首次碰撞的高应力相结合，一方面首次碰撞产生的高应力引起材料发生屈服变形，另一方面分裂水滴对司太立合金产生疲劳作用，屈服和疲劳共同作用引起司太立合金发生水蚀损伤。由于司太立合金具有一定厚度，这种应力的作用范围有限，因此不会对叶片本体材料产生影响。

4 结 论

本文旨在揭示镶嵌司太立合金汽轮机叶片的完整水蚀过程，探究水滴特征对汽轮机叶片司太立合金损伤行为的影响。得到以下主要结论：

1）随着水滴速度的增加，碰撞过程的最大等效应力不断增加，当碰撞速度为293 m/s时，最大等效应力超过司太立合金的屈服强度，速度的进一步提高，碰撞应力显著提升。

2）当水滴半径大于750 μm时，碰撞最大等效应力变化并不显著；水滴半径小于750 μm时，随着水滴尺寸的减少，最大等效应力不断减少。

3）水滴碰撞过程中，应力-时间谱线具有振荡特性，大尺寸水滴高速碰撞过程中产生的分裂水滴对司太立合金产生高于疲劳强度的次生碰撞应力，加速司太立合金的损伤。机组实际运行过程中应尽可能降低凝结水滴的尺寸。

4）水滴碰撞产生的残余应力较低，且作用深度远小于司太立合金厚度，对叶片本体无影响。