发电机内冷水滤芯异常诊断

慕晓炜,潘娟琴,蒋春晓,陈 皓,张达光,刘俊建,张 哲,贺明鹏

(1.中国大唐集团科学技术研究总院有限公司华东电力试验研究院，安徽 合肥 230022;2.国网安徽省电力有限公司电力科学研究院，安徽 合肥 230001;3.大唐锅炉压力容器检验中心有限公司，安徽 合肥 230022)

0 引言

大型发电机定子通常采用水冷、氢冷和空冷等冷却方式[1],采用水冷的发电机定子线圈空心导线孔径较小,颗粒杂质在导线表面沉积会导致传热恶化,造成温升增加,严重会引发线圈烧损或机组非停[2],因此需要对发电机内冷水进行过滤净化处理。DL/T 801—2010《大型发电机内冷却水质及系统技术要求》中明确要求“内冷却水系统的进水端应设置有5～10 μm的滤网”[3],以防止颗粒杂质在定子线圈内部沉积,目前发电机组内冷水系统过滤型式主要有不锈钢激光打孔滤网和高分子聚合物滤芯等。

现场内冷水过滤器运行过程中,其滤芯表面容易出现异常的浅绿色附着物。滤芯表面出现异常,表明内冷水系统存在明显的腐蚀问题,必须针对异常滤芯进行诊断,确认附着物来源,并进行相应检修工作,保障发电机安全运行。

1 材料和方法

现场获取的异常滤芯和正常滤芯如图1所示,正常滤芯表面为白色,表面较为平整规则;异常滤芯表面呈绿色,并出现不规则的絮状附着物。

图1 异常滤芯(左)与正常滤芯(右)

为探究滤芯表面附着物性质和种类,对附着物进行预处理后,分别开展灼烧、扫描电镜(Scanning Electron Microscope,简称SEM)、能谱(Energy Dispersive Spectroscopy,简称EDS)、热裂解-气相色谱-质谱联用检测(Pyrolysis-gas chromatography-mass spectrometry combined detection,简称PyGC/MS)和红外光谱检测(Infrared Spectroscopy,简称IR)。

1.1 滤芯附着物预处理

参照DL/T 1151.4—2012《火力发电厂垢和腐蚀产物分析方法》对内冷水滤芯表面附着物进行处理。为避免内在水分的减重,刮取表面糊状物质在45 ℃条件下进行烘干,至恒重后缩分取样,并在玛瑙研钵中研磨,制备好的试样呈草绿色粉末。

DL/T 1151.4—2012《火力发电厂垢和腐蚀产物分析方法》中规定灼烧减(增)量测定在450 ℃和900 ℃开展,其中450 ℃灼烧主要目的是去处水分、有机物;900 ℃灼烧目的是分解氧化金属、低价元素及碳酸盐等化合物[4]。

1.2 SEM和EDS

对烘干研磨后附着物及滤芯纤维进行SEM分析,并对滤芯附着物和滤芯纤维开展EDS分析。

1.3 PyGC/MS

为进一步分析及确定附着物成分及来源,开展热裂解-气相色谱-质谱联用分析,该方法无需对样品进行预处理,方法灵敏度高[5-6]。

1.4 IR

为研究滤芯及附着物的分子结构及化学键的类型,进而判断其组成和性质,对滤芯和附着物开展傅里叶IR。

2 分析

2.1 滤芯预处理结果

滤芯表面附着物灼烧后,在150 ℃后即由之前的绿色粉末逐渐软化,呈液态化,同时颜色变为黑色,冷却后呈固态。

根据灼烧减量试验可以看到,灼烧减(增)量数据见表1,200 ℃和450 ℃灼烧减量分别为6.80%和7.10%。经过850 ℃灼烧灰化后,所得灰分占比约2.70%。

表1 灼烧减(增)量试验结果

2.2 SEM及EDS分析结果

灼烧检测显示附着物受热后软化,并在高温条件下呈黑色,冷却后硬化,对烘干研磨后附着物及滤芯纤维进行SEM分析,分别见图2和图3。

(a)放大200倍 (b)放大1 500倍

图3 滤芯纤维微观形态

从图2可以看出滤芯附着物微观呈圆柱状,长度分布约为20～140 μm,直径均约为30 μm。从图2(b)中可以看出,放大1 500倍后,圆柱体呈片状分层结构,表面有微小颗粒物质附着。

滤芯纤维为非导电材质,放大200倍后可以看到纤维呈连续柱状,直径约为30 μm,与附着物直径基本一致。

对滤芯附着物和滤芯纤维开展EDS分析,附着物测点见图2中的标注,检测结果如表2所示。

表2 附着物EDS检测结果(元素含量占比)

分析表2数据,测点3～测点7均为附着物表面的微小颗粒,结果中均含有碳元素和铜元素,且碳元素占比超过88.80%,最高达到98.22%,铜元素含量占比仅为1.48%～3.42%,其中测点3和测点5均检测到氧含量。测点8为圆柱断面,只检测到碳和氧元素。

对滤芯附着物开展元素分布扫描,见图4,该区域物质主要含有碳、氧和铜元素,且元素分布较为均匀。

图4 滤芯附着物元素分布图

滤芯纤维的EDS结果见图5。在对滤芯纤维三个测点开展EDS检测发现,其元素组成基本一致,都为碳和氧,结合附着物及纤维材料不导电特性,可初步判断为有机物,滤芯外层附着物表面有微小颗粒,为铜化合物。

图5 滤芯纤维EDS结果

2.3 PyGC/MS结果

对滤芯纤维和附着物开展PyGC/MS分析,结果如图6所示。

(a)滤芯纤维PyGC/MS检测结果

(b)附着物PyGC/MS检测结果

根据质谱检测结果可知,两者热裂解产物较为复杂,得到的小分子主要以不同长度的烯烃、烷烃为主,还有少量硅氧烷成分,硅氧烷可能为硅烷偶联剂类物质[7-9]。从谱图可以看到,两者小分子产物的出峰时间基本吻合,滤芯纤维和附着物热裂解产物中均检测出聚丙烯相关特征产物,见表3,符合聚丙烯热裂解产物特征。

表3 附着物PyGC/MS检测结果

由于高聚物的分解产物种类繁多,表3中只列举了聚丙烯的特征分解产物,未对所有产物进行列举。将滤芯纤维和附着物热裂解产物的出峰时间与聚丙烯热裂解特征产物的保留时间比对,发现两者时间基本吻合,同时纤维和附着物均检测出聚丙烯的特征分解产物,可以初步判断两者材料均为聚丙烯。

2.4 IR结果

对滤芯和附着物开展傅里叶IR,结果见图7所示。

(a)滤芯纤维红外谱图

(b)附着物红外谱图

从图7可以看出,滤芯附着物及滤芯纤维的出峰波长基本一致,且与谱图库中标准物质谱图比对,两者与聚丙烯标准谱图相似度分别为87.42%和88.57%。

聚丙烯(-[CH2-CH(CH3)]n-)为线型结构,约1 450 cm-1波数处的-CH2-存在弯曲振动;由于在主链上每隔一个碳原子有一个甲基侧基(-CH3)存在,因此在约1 378 cm-1波数处存在很强的甲基弯曲振动谱带。由于CH3和CH的伸缩振动与-CH2-的伸缩振动叠加在一起,出现了2 800～3 000 cm-1多重峰。聚丙烯红外谱图的另外一个主要特点是在972 cm-1和1 166 cm-1波数附近处出现的[CH2CH(CH3)]特征峰。均聚聚丙烯与无规聚丙烯的主要区别是,均聚聚丙烯除了以上5条谱带外,在840 cm-1和997 cm-1等波数处还存在一系列与结晶有关的谱带,而无规聚丙烯的非晶型结构导致不存在这些谱带[10]。

聚丙烯老化会产生烷基自由基,其氧化生成氢过氧化物并进一步降解生成烷氧自由基,烷氧自由基结合聚合物链上的氢原子发生β断裂,最后生成含有羰基基团的不同种类的产物,从而使聚丙烯基体发生降解。因此可利用IR聚丙烯的羰基含量来表征聚丙烯降解的程度,经紫外老化后的聚丙烯在1 713 cm-1处会出现明显的吸收峰,图7(a)中滤芯内部纤维在此波长的吸收峰面积较小,而图7(b)滤芯表面附着物则出现了明显的吸收峰,说明该滤芯受到紫外老化[11]。

3 讨论

经过以上分析确定内冷水滤芯表面附着物材质为聚丙烯,与滤芯纤维材质一致,可推断其为滤芯纤维老化产物,滤芯纤维老化产物上有少量铜氧化物附着,导致颜色呈浅绿色。

聚丙烯具有优异的机械、加工成型以及耐化学药品性能[12],是一种性能优良的热塑性合成树脂,相较聚乙烯等材料,聚丙烯刚性、强度和耐热性能更佳[13],因此在发电企业中作为过滤材料被广泛使用。最常见的膜处理系统过滤器滤芯、精处理前置过滤器滤芯等都广泛采用聚丙烯材质,型式以喷熔式、折叠式和线绕式为主。

聚丙烯材料性能较为稳定,但均聚聚丙烯的螺旋状分子结构以及分子链上存在大量不稳定的叔碳结构,在紫外线和热的作用下会发生老化分解[14-15]。研究表明其在无氧化性的酸、碱、盐中是稳定的。在强氧化性介质中,聚丙烯发生氧化降解,会发生明显的老化现象。在自然环境下,氧气对聚丙烯的老化影响不大,紫外线和剧烈温差变化是引起聚丙烯老化的主要因素,且光照作用更强。

在发电企业中,聚丙烯滤芯的使用环境基本都为避光环境下的pH值为7～10的弱碱性水中。内冷水系统内也不添加氧化性物质,运行温度约60 ℃,因此不存在运行期间导致聚丙烯滤芯老化的条件。结合滤芯理化分析结果,判断此次滤芯表面异常是由于使用前保存不当(光照)或产品质量不佳,在安装至系统前已经发生老化。

4 结论

通过对滤芯及附着物表面进行SEM、EDS、PyGC/MS和IR,研究分析得到如下结论:

(1)内冷水系统滤芯纤维和滤芯附着物都为聚丙烯,附着物为滤芯纤维老化产物;滤芯表面附着物铜化合物仅占比1.48%～3.42%,导致颜色呈浅绿色。

(2)鉴于内冷水系统不存在导致聚丙烯老化的特殊条件,判断此次使用滤芯由于紫外线照射或产品质量等原因,在安装至系统前已经发生老化。

建议:

(1)机组运行期间应定期或结合机组检修对内冷水过滤器滤芯进行检查,如发现滤芯材质有老化现象,应立即更换。

(2)建议从正规渠道采购品牌滤芯,防止因产品质量不佳导致滤芯材料快速老化。

(3)备品应在常温条件下避光存放,防止因保存不当导致材料老化。