1、1,第五章 燃气轮机高温热部件,透平叶片的氧化与腐蚀高温合金及涂层燃气轮机寿命,一、燃机透平的氧化与腐蚀,高温热腐蚀低温热腐蚀 高温氧化,3,腐蚀会导致重型燃气轮机中的叶片和导向叶片发生毁坏，其缘由主要是由于燃料和空气的杂质（碱金属硫酸盐等）在表面上的凝聚。重型燃气轮机遭受的腐蚀氧化通常有三种类型，即低温热腐蚀、高温热腐蚀及高温氧化。,4,1，高温热腐蚀（I型热腐蚀）,高温热腐蚀是一种急速产生的破坏形式，高温热腐蚀发生在816927的温度范围内，与钠和钾等碱金属杂质有关。在燃烧过程中，碱金属同在燃料中含有的硫和氧化合形成Na2SO4和K2S04，当这些碱金属盐类在叶型表面凝结为液体时，它们就破
2、坏了通常的保护性氧化膜，并阻止这种膜重新形成，这样会使硫渗入金属基体，引起硫化和金属的快速腐蚀。这种腐蚀形式的特征是形成毫无保护作用的疏松的表面膜，引起叶片基体材料中铝和铬等元素的贫化。,5,2、低温热腐蚀（型热腐蚀）,低温热腐蚀在一定条件下是有很强的侵蚀性的，它发生在593760的温度范围内，并需要有很大的SO3分压。低温热腐蚀是由硫酸钠和一些合金成分如镍与钴组成的混合物形成低熔点共晶体引起的。这种腐蚀破坏速率较其他腐蚀形式大。经受过这种腐蚀的特征是有一个多孔状的结膜层，表现为不均匀的点状腐蚀，在形式上与其他腐蚀形式有明显的区别。在基体材料上很少甚至没有可见的金属损耗现象，形成的硫化物也很少
3、。,6,3、高温氧化,金属的氧化是在当氧原子同金属原子化合形成氧化膜时发生的，温度愈高，这个过程反应愈急速，如果在氧化物的形成过程中消耗掉了太多的基体材料就有可能导致损坏。在高于900的温度下，如果金属表面没有阻止氧扩散的隔膜，则某些材料会发生相当快速的氧化破坏。若高温合金中铝含量足够高，则在高温卞将在合金表面形成氧化铝，这样，合金在氧化的初期自身产生一个致密的附着力强的氧化铝保护膜。但是，为获得高强度和金属稳定性等优良性能的合金，其成分要求不一定能满足使合金自身抗腐蚀和抗氧化的最佳条件，所以现在使用的很多高强度高温合金不能形成完好的保护膜，因此，大多数高温合金都必须靠特殊的工程涂料来实现其氧
4、化保护。,防氧化与腐蚀的措施,在燃料和空气质量方面，各公司都做了许多限制和规定。天然气在这方面问题不很突出；在材料和涂层方面，积极地试验与研究，但余地不多；部件设计方面，比如冷却等方面。,二、高温合金及涂层,高温合金材料高温合金部件制造工艺 高温合金保护涂层及工艺 燃气轮机中高温涂层的使用,1、高温合金材料,在650度以上温度时，具有一定的力学性能和抗氧化、耐腐蚀性能；较高的高温强度；抗疲劳性能、断裂韧性、塑性主要有铁基、镍基、钴基高温合金,2、高温合金部件制造工艺,高温合金的冶金工艺冶炼的主要手段：电弧炉、真空感应炉和非真空感应炉；真空感应炉的采用是为了进一步降低夹杂物的含量；,高温合金的制
5、造工艺 含铝、钛、高熔点金属较少，热强度较低的合金锭可采用锻轧工艺； 高熔点金属较多，热强度较高时，不适合锻轧，而选择铸造；通过精密铸造工艺可以制作成空心或多孔形叶片。 需要融入大量高熔点的金属（钼，钨等） 可采用粉末冶金工艺，合金化程度超过铸造合金,高温合金的铸造工艺-普通铸造 熔融的合金在铸型中逐渐冷却； 晶粒不断长大，最后充满整个零件；晶粒间的界面称为晶界，往往存在较多杂质和缺陷，成为最薄弱的易破坏区； 在一般条件下的铸造为普通铸造。,高温合金的铸造工艺-定向铸造 定向铸造的目的就是形成并列的柱状晶，消除横向晶界，使透平叶片工作时最大的离心力与柱晶之间的纵向晶界平行，减少了晶界断裂的可能
6、性； 与普通铸造相比，定向柱晶组织更耐高温腐蚀，可使工作温度提高约50度，还使疲劳寿命提高10倍以上。,高温合金的铸造工艺-单晶铸造 单晶铸造的透平叶片只有一个晶粒，完全消除了晶界的有害作用； 单晶铸造过程的特点是控制熔融金属在铸型内的散热条件，只允许一个优选的柱晶长大； 单晶叶片相比前两种有最佳的性能。,三菱M701F 透平叶片材料,3、高温合金保护涂层及工艺,三种类型的高温合金保护涂层（1）扩散涂层用于较高温度下需要抗氧化、抗腐蚀的部件.主要有氧化铝涂层和改进型氧化铝涂层.,3、高温合金保护涂层及工艺,（2）包覆涂层用于极高温度下需要抗氧化的部件，用作独立涂层或热障涂层的底层.一般为MCr
7、AlY，其中M是基体元素，可以是Ni或Co（钴）或合用；Al是生成Al2O3的必需元素；Y质量分数一般在1%以下，起到细化晶粒、改善Al2O3膜与基体结合力的作用。,3、高温合金保护涂层及工艺,（3）热障涂层隔热作用，包含4个部分：基体，及被保护的零件金属结合层：通常为MCrAlY热生长氧化物层：致密的Al2O3薄膜，保护基体陶瓷顶层：低的热导率，优越的热障和耐热冲击性能,3、高温合金保护涂层及工艺,高温合金保护涂层的施加工艺（1）热喷涂工艺高速氧燃料火焰喷涂等离子体喷涂（2）电子束-物理气相沉淀工艺,20,目前，经冷却的透平叶片在很高燃气温度运行时，表面需要沉积一层热屏障涂层（TBC）。它至
8、少由两层组成，底层为粘接层，其主要作用是使面层与基体相连，并保护基体不受氧化。面层为陶瓷材料，常用材料为ZrO2（氧化锆），因为它的热胀系数与金属差不多，并使用氧化钇作为稳定剂。,4、燃气轮机中高温涂层的使用,21,由于陶瓷材料低的热传导率可以减少燃气对叶片的传热量，它有效地增加了高温气流与金属底层之间的温差。研究表明，采用0.25mm厚涂层就可以使衬底合金温度降低170左右。热障涂层的第二个好处是可以防止部件在受到热冲击时发生龟裂。此外，热障涂层表面的光亮颜色能抑制辐射传热，使热量返回到气流中，从而使设备热效益提高。,22,在运行中，TBC有开裂和剥落两个主要损坏机理必须考虑：（1）开裂是由
9、于陶瓷内外表面之间受到热冲击，产生不一致的瞬变应力引起。这主要发生在燃气轮机跳闸时。（2）剥落是由于与金属结合层处产生氧化物。该结合层的氧化是由于氧通过氧化锆的晶格扩散而形成的。这种情况主要发生在长期使用后。,25,三、燃气轮机寿命,疲劳、失效、寿命寿命/等效运行时间 检修间隔期及检修策略 热部件寿命及管理,1、疲劳、失效、寿命,国际标准化组织（ISO）对疲劳的定义： 金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化叫做疲劳。一般情况下，疲劳特指那些导致开裂或破坏的性能变化。失效：零部件失去原有设计所规定的功能，通常伴有损伤和破坏。（疲劳）寿命： 部件（材料）在疲劳破坏前所经历的应力循环次数称
10、为疲劳寿命。,27,燃烧室热部件失效方式,低周疲劳失效：部件在机组启停过程时经历温度的突然变化。高周疲劳失效：火焰燃烧和气膜冷却会使部件产生高频振动。高温蠕变破裂：部件内外压力引起高温蠕变破裂和变形。热机械疲劳：稳定运行时，燃烧过程及筒壁冷却产生的热应力。高温氧化、烧蚀和磨损,28,透平热部件失效方式,外物打击损伤：何物所伤？涂层消耗： 使用期限？可修复吗？高温氧化： 合金材料相关，差异较大高温腐蚀/侵蚀：受燃气环境决定基体组织退化：长期高温热暴露是主要原因燃气颗粒冲刷：取决与燃气中颗粒的密度和硬度过热和烧蚀： 冷却孔堵塞、燃烧不均、冷气不足、火焰后移等热疲劳裂纹： 部件结构复杂+长期运行+热
11、冷循环,29,燃气轮机热部件失效示例（M701F）,30,燃气轮机热部件失效示例（M701F）,31,燃气轮机热部件失效示例（M701F）,燃气轮机热部件失效示例（M701F）,2、寿命/等效运行时间,如何计算？主旨相同，各大公司各有方法,GE：维修因子 西屋：检查系数Alstom：等效运行时间三菱:等效运行时间,35,GE公司,36,西屋公司,37,ABB / ALstom,寿命/等效运行时间EOH计算（M701F）,AOH:燃气轮机实际运行时间（1）/（2）：较高一类/较低二类部件 A，修正系数：A(1)=20，A(2)=10E，等效时间：正常停机、甩负荷、跳机及快速变负荷情况下的等效时间
12、。F，燃料系数：气体=1.0，液体=1.25,38,EOH(1)或EOH(2)=（AOH+A x E) x F,3、检修间隔期及检修策略,（1）M701F型燃机检修间隔期,40,（2）M701F型燃机检修策略,41,42,（3）计划检修与视情维修,43,耗尽式与计划式检修方式,多次适时维修可有效延长零部件寿命。不能完全依赖制造厂家提供的维修建议。实施计划维修有益多多。耗尽式的检修模式不能确保机组的安全。紧急采购的配件质量更差，达不到机组的设计和使用要求。,44,45,4、热部件寿命及管理,（1）热部件设计寿命,46,4、热部件寿命及管理,（2）热部件寿命管理简介,47,部分高温热部件的损坏失效
13、周期远小于厂家推荐的更换周期，为了提高热部件运行可靠性、降低成本，进行部件寿命管理非常重要。热部件寿命管理是运用各种先进的方法对热部件的使用状态和寿命进行连续有效的监测和评估的一种动态管理模式。主要有备件优化、状态监测和寿命预估三方面,（3）热部件寿命管理备件优化,48,我国运行的F级燃机电厂多采用昼启夜停的调峰运行方式，相比带基本负荷的长期运行，对热部件的损伤尤为严重。热部件备件优化是建立档案、总结数据、制定策略，从而实现热部件全寿命周期的优化管理。机组投运前要制定优化配置方案，投运后进行状态跟踪，优化配置方案。,（4）热部件寿命管理状态监测,49,可分为运行期间监测和检修期间监测。运行期间监测可以通过定期的内窥镜检查、实时状态监测等手段进行；检修监测是在小修、中修和大修期间运用破坏性检测及非破坏性检测方法对热部件进行检测。破坏性检测：金相分析、涂层成分分析等。非破坏性检测：超声波检测、射线检测、红外检测等。,（5）热部件寿命管理预测与评估,52,（1）电力设备寿命评估的方法及理论解析法： 常规做法，间接评估，多局限性破坏性检测法： 数据准确性较高非破坏性检测法： 无损检测，有一定的局限性 （2）国外研究机构预测和评估研究热部件寿命管理平台HSLMP：美国电力研究所热端部件寿命管理系统LMS：意大利中央电力研究所,END,53,
