火电机组汽轮机末级叶片修复技术应用与分析

火电机组汽轮机末级叶片修复技术应用与分析

焦远昭

大唐七台河发电有限责任公司七台河154600

摘要：结合GE350MW机组汽轮机低压缸末级叶片水蚀的处理情况，介绍低压缸末级叶片冲蚀、损伤部位修复与防护技术在大唐七台河发电有限责任公司（以下简称七台河公司）GE350MW机组的研究与应用，为今后同类型及其他类型机组提高低压缸末级叶片耐水蚀、耐固体颗粒侵蚀性能、延长叶片使用寿命进而提高机组运行安全性和效率提供参考案例分析。

关键词：汽轮机；末级叶片水蚀；整形修复；熔射制备涂层；安全运行

0前言

七台河公司一期工程2×350MW机组采用的是美国GE公司生产的型号为D5TC2F42的亚临界、一次中间再热、单轴、双缸、双排汽、冲动凝汽式汽轮机，末级叶片单侧94片，两侧共计188片，叶片长1067mm，叶顶用拱型围带连接并在叶片中部安装松拉金和减振套，全部叶片材质为含铬量12%的合金（材质元素见表1）。两台机组已投入运行多年，末级叶片均已出现严重水蚀，表面原有的特制合金的防护层已经冲蚀消失，严重威胁机组的安全运行。七台河公司分别在2018和2019两年间利用机组A修机会，采用汽轮机通流部件冲蚀损伤的焊接修复与防护技术对低压末级叶片进行修复，恢复了叶片原有做功能力，满足了机组运行的经济、安全要求。本文结合七台河公司GE350MW机组末级叶片修复工程的实际情况，探讨汽轮机末级叶片修复技术在火力发电企业的应用与分析。

表1末级叶片材质元素含量

1七台河公司GE350MW机组末级叶片修复前现状及分析

1.1末级叶片水蚀原因分析

为满足北方城市冬季供热需求，七台河公司一期两台GE350MW机组采用中排打孔抽汽至热网方式供热，改变机组纯凝运行方式，增大了低压缸末级排汽湿度，加之近年来350MW机组也大量参与电网深度调峰，机组长期在调峰低负荷状态下运行，加速了末级叶片在湿蒸汽作用下的水蚀冲刷，汽轮机末级叶片在湿蒸汽工况下蒸汽中的水滴作用下，产生水蚀损伤。另外，在锅炉侧受热面及主蒸汽管道内部脱落的固体颗粒的冲刷作用下，汽轮机叶片极易产生固体颗粒侵蚀损伤，汽轮机叶片在温度、水蚀、固体颗粒侵蚀、应力和疲劳等交互作用下，极易出现叶片型线缺损、冲蚀问题，降低热效率甚至危及机组的正常安全运行。

1.2七台河公司GE350MW机组末级叶片水蚀现状

七台河公司每年利用停机检修机会进入低压缸内部监测末级叶片水蚀情况，并对逐年数据进行比对分析，两台GE350MW机组在监测期内年平均最高水蚀1.633mm，六年累计水蚀值近4mm，叶顶进汽侧水蚀宽度最大值达到15mm左右，水蚀区域长度达到700mm左右，其外观为蜂窝状，边缘呈锯齿形，接近叶顶位置出现缺口现象（见图2）。如此严重的水蚀，降低了通流效率，改变了叶片的振动特性及强度，给机组的安全稳定运行带来极大隐患。

1.3国内外处理叶片水蚀方案

国内外多家单位常采用切除冲蚀部分镶焊叶片合金片、堆焊司太立合金、金属喷涂修复及电子束表面处理等方法修复冲蚀叶片［1］，但从运行结果来看，叶片修复后存在强化效果差、硬质合金易脱落、修复范围小、无有效防护措施等问题，修复区域经短期运行后就出现了裂纹、孔洞、麻坑等缺陷，致使叶片修复部位的使用寿命较短。

2末级叶片修复技术创新与应用

2.1核心技术与创新

受机组大修工期及费用所限，七台河公司采用的叶片修复技术，是以国内外的传统修复技术及国内汽轮机厂的用材特点调研为基础，通过汽轮机叶片用钢焊接性能试验、高频爆震熔射工艺试验、激光熔覆试验和模拟现场试验等方式，开发出的一套适合于现场实施的叶片水蚀及固体颗粒侵蚀损伤的修复与大面积防护方法和工艺，可以在线解决和改善现役电站汽轮机叶片普遍存在的水蚀及固体颗粒侵蚀问题，延长叶片使用寿命，提高机组运行安全性和效率。激光熔覆是在基体材料表面添加有耐磨性、抗蚀性等特殊性能的合金粉末或陶瓷粉末，利用激光束使之与基体表面薄层一起溶凝形成无气孔和裂纹等缺陷、且具有完全不同于基体成分和性能的冶金结合强化层［2］。

2.2末级叶片修复工艺技术流程及应用

2.2.1末级动叶片缺陷清理

（1）对叶片叶顶部位进行打磨，去除冲蚀痕迹，露出金属光泽；

（2）用丙酮清洗干净水蚀区域，去除油、锈等污物；

（3）用放大镜检查清理后的部位是否还存在缺陷，重复以上步骤直至缺陷消除。

2.2.2焊接修复及修型

根据GE350MW机组汽轮机低压末级动叶片的材质特点及缺陷情况，技术人员选用稀土增强铁基非晶合金焊丝在叶片顶部冲蚀部位进行堆焊修复。在焊接过程中，专业焊工依据叶片型线严格控制焊接区域尺寸，采用分段、分道、交叉焊接方式控制焊接变形，并采用适当措施消除应力。

2.2.3叶片修型及焊接质量检验

焊接修复完成后，经验丰富的钳工对焊接叶片进行修型，恢复其原始型线。下一步工序前，对补焊区域进行表面渗透探伤，若发现超标缺陷，消缺处理后按工艺要求进行返修；同时对补焊区域或同材质试片补焊区域进行硬度测试和现场金相组织检验。

2.3低压末级动叶片防冲蚀涂层制备

2.3.1耐蚀涂层材料选择与使用

七台河公司采用涂层材料是一种等离子球化工艺制成的WNiTiCrCoMo碳化物金属复合固溶体非晶体粉末，熔射后的涂层抗汽蚀、水蚀能力是司太立合金的2倍以上，非晶金属-陶瓷涂层硬度HRC70-80和钴碳化钨相当，但它有着更好的非晶特有的强度、弹性、抗腐蚀性，并且不存在过程相变、晶粒长大、晶界腐蚀及宏观应力释放开裂等“晶体缺陷”。本工程设计涂层每层厚度为0.01～0.02mm，共需熔射15～20层，总厚度为0.15～0.25mm。该涂层与基体结合强度可达到70Mpa以上，偶尔的大颗粒异物的打击冲蚀很难使涂层从基体剥落掉块，极大地增加了强度。

2.3.2末级叶片表面喷砂

叶片熔射前，技术人员利用压缩空气借助压力式喷砂装置，对叶片表面实施清洁及粗化处理，使叶片表面呈灰白色的金属外观和均匀粗化面。喷砂处理后，叶片基体表面粗糙度达到Rz40～80μm，满足清洁要求。根据基体金属的种类和涂层的厚度，技术人员选择有棱角、粒度在0.5～2.0mm之间、清洁干燥的刚玉和石英砂对表面进行仔细的喷砂清理，达到提高熔射结合强度的目的。喷砂的范围是：长度不小于整个叶高的三分之一，宽度为30mm，并对不需要熔射的区域采取措施进行防护。

2.3.3熔射制备防冲蚀水蚀涂层及现场检测

为避免停留时间过长导致叶片基体表面发生变质，喷砂后，技术人员立即采用高频爆震熔射装置对叶片叶顶部位熔射镍基非晶金属陶瓷粉末，制备防蚀涂层，熔射范围等同喷砂的范围。施工的过程中，技术人员随时检测涂层的质量，防止出现过热、起皮、脱层等问题。在涂层厚度接近要求时，使用磁性涂层测厚仪在有代表性的位置测量涂层厚度，对未达到厚度要求的部份，立即进行补喷，直到厚度满足要求。涂层制备微观流程如图1。

图1：非晶金属-陶瓷复合球化粉末涂层形成过程

2.3.4熔射后检验与处理

熔射完成后，技术人员再对整个涂层进行外观检查，并对厚度进行现场实测、记录，对于发现的缺陷，重新进行喷砂和熔射处理，保证全部叶片涂层表面致密、均匀、颗粒细小，无起皮、鼓泡、大熔滴、裂纹、掉块及其他影响涂层使用的缺陷。一般情况下不合格测点数低于30%，整个涂层的厚度即合乎要求。涂层熔射完成合格后，在熔射层上AMTech-渗透封孔剂，至此叶片全部修复工作结束，修复后的叶片见图3。

图2：七台河公司GE350MW机组低压转子末级叶片水蚀情况图3：修复后的GE350MW机组低压转子末级叶片

3结论

七台河发电公司GE350MW单台机组末级叶片修复工程工期仅用时18天，极大地降低了修复成本缩短工期。机组投入运行后，汽轮机转子动平衡效果良好，各轴承振动优良，机组运行正常，各项经济指标达到预期效果。技术人员利用机组停运机会检查叶片，未发现水蚀等异常情况。七台河公司GE350MW机组末级叶片水蚀整级焊接修复的成功，证明了所采用的的工艺技术的可靠性与先进性，为同类型机及更高参数机组在线修复叶片提供了实例参考。

参考文献：

[1]吕品正.某型汽轮机低压末级叶片焊接修复工艺研宄.西安理工大学，2017，6，5～7

[2]余冬梅.激光熔覆Stellite6/TiCN复合涂层的组织及性能研究.兰州理工大学，2014，4，3～6

作者简介：

焦远昭（1992-），男，助理工程师，毕业于东北电力大学热能与动力工程专业，主要从事汽轮机系统设备管理检修及维护工作，通讯地址：黑龙江省七台河市茄子河区大唐七台河发电有限责任公司检修部154600。