核电汽轮机低压末级叶片水蚀研究及处理

王志松

摘要：核电汽轮机属于饱和形态下的蒸汽型汽轮机，所以设备低压末级叶片在长期运转过程中极易产生水蚀问题，如果不能及时对其进行有效处理，则会造成设备故障，对于核电站运转安全性、经济性以及稳定性产生了严重的安全威胁。本文根据核电汽轮机低压末级叶片水蚀问题开展全面探索，同时以此作为基础条件，总结出核电汽轮机低压末级叶片水蚀优化策略。

关键词：核电汽轮机；低压末级叶片；水蚀问题；缺陷位置

当核电汽轮机长期在潮湿环境下运转和操作，设备内部结构饱和，一旦超过饱和极限范围之后，会产生水滴。因此如果汽轮机内部湿度参数过大，核电汽轮机低压末级叶片也会产生严重的水滴侵蚀问题，又被成为水蚀。现阶段核电汽轮机低压末级叶片水蚀问题成为了世界范围内的主要难题之一，其设备叶片产生水蚀问题之后，会严重影响叶片结构振动，降低叶片使用强度，致使其自身气动性能恶化，严重甚至会造成叶片破坏、断裂。

一、核电汽轮机低压末级叶片水蚀问题

我国某核能源生产企业主要承担自主方案设计、建造、管理以及运转等，根据国家能源发展趋势以及方案规划，我国以自主技术研究为主，并且与西方技术相联合制造和设计出我国首台运转功率为650MW的等级汽轮设备。

核电汽轮机在实际运转过程中，设备机组运行功率一般在670MW左右、高压缸进汽数据为6.41 MPa、设备运转温度为280度、干湿程度为99%。而低压缸设备的基础进汽压力参数为0.87MPa、设备运转温度为270度，湿度数据为11.9%。

核电汽轮机内部结构包含高压转子、低压转子等，其中高压转子想要正常操作，周边需要安装运转等级为1-7级别的正、反方向保护叶片，而低压转子周边应安装运转等级为1-4级的正、反方向保护叶片。由于核电汽轮机转子零部件是核电汽轮机的核心零部件之一，因此该零部件经常需要在恶劣环境下作业，比如：高温、高压以及潮湿等[1]。

由于核电汽轮机对于核电基础要求极高，以此设备组装模式以及低压末级叶片锁紧方式也各不相同，为了保证设备能够正常运转，核电汽轮机低压末级叶片材料需选择型号为17-4PH的沉淀硬化不锈钢材料，其中设备每根转子端头所选择的末级叶片一般为反动式自由叶片，其中每根叶片宽度参数为381毫米，长度为970毫米，并且叶片外部结构需要镶嵌合金防止产生水蚀问题。

与普通火电汽轮机相比较，该设备主要蒸汽参数相对于内部运转效率来说普遍较低，所以该设备汽体消耗率、设备比容以及设备外部体积较大，加上设备一般需要在潮湿区域使用，所以设备内部结构的选择上，与常规火电汽轮机具有显著区别，设备流通零部件尺寸数据比普通火电汽轮机大。

对核电汽轮机运转现状进行详细研究，发现低压末级叶片区域产生大面积水蚀损伤问题，由于核电汽轮机低压末级叶片水蚀情况和具体位置比较特殊，所产生的缺陷位置并不在叶片顶端，而叶片顶部30-70毫米位置的水蚀现象十分严重。为此技术人员从受损坏叶片边缘位置切下金相样品，使用电子扫描显微镜设备详细观察叶片水蚀区域横截面，从而进一步观察出疏松表面产生许多孔洞，并且以上孔洞深度一般为150-200μm。

二、核电汽轮机低压末级叶片水蚀优化策略

由于核电汽轮机低压末级叶片需要经常工作在潮湿蒸汽区域，随着蒸汽范围不断增加，其基础湿度参数也随之提升，最终产生水滴。而水滴运动则需要依靠蒸汽带动，因此需要消耗蒸汽能量，当水滴增加不断撞击叶片边缘位置时，会阻碍叶片运动，增加叶片结构损坏。除此之外，由于蒸汽以及水滴运动速度并不相同，长期以往不仅导致蒸汽产生旋涡，还会严重破坏叶片形态，大幅度下降叶片运转效率 [2]。

由此可见，核电汽轮机低压末级叶片所处蒸汽环境中，一旦产生大量水滴不仅减少设备运转效率，还会严重侵蚀叶片表面，极大缩小叶片工作寿命，增加设备机组运行安全隐患产生几率。由于目前所使用的核电汽轮机由于在饱和或者蒸汽热度大环境下作业，因此叶片一般在潮湿蒸汽区域工作，长期以往对表面影响不断加剧。为此对在潮湿区域工作的叶片设备，必须使用去湿技术或者防湿措施，有效减少设备湿气接触面积，保证叶片的安全性。

对于叶片腐蚀性来说，想要保证实验结果的精准程度，应根据水蚀率、叶片运转模式计算出数据和信息，针对此种现状技术人员通过实践操作现状能够详细分析出：随着核电汽轮机低压末级叶片进口位置的湿度参数分布逐渐增加，叶片高度在0.5区域中水滴密度随之增加，虽然水滴在总体湿度占据比例较小，但是由于叶片外部形态和运动圆周率速度极大，因此对于叶片的腐蚀性也相对较大。

根据核电汽轮机水蚀情况能够得到相关结论：由于叶片水蚀问题随着设备运转负荷降低而提高，以上影响因素要求技术人员实际开展叶片机组方案设计时，充分考虑核电汽轮机低压负荷情况下叶片结构抗水蚀性能，加上叶片所产生的水蚀问题经常出现在根部位置，针对此种现状，解决叶片水蚀问题主要从两个方面因素综合考虑和分析。其一，减少叶片破坏因素。其二，增加叶片防御能力

[3]。

技术人员首先应在核电汽轮机低压末级位置上安装太立金属片，次级叶片顶部位置应安装蜂窝密封结构，同时在动态叶片顶部位置设定去湿孔洞，有效将水分及时从设备内部做功中有效去除，通过对设备凹槽内有效去湿，将水分从叶片表面结构引导出设备，从而增加设备动态、静态下的叶片间隙参数，从根本上保证设备能够正常运行。

结束语：

由此可见，核电汽轮机低压末级叶片使用寿命与水蚀程度具有极大的关系和作用，由于设备叶片主要在潮湿区域工作，长期以往叶片会在顶部约三分之一位置上受到严重腐蚀，此种现状不仅造成叶片气动性能下降,而且容易在锯齿形的尖角处形成裂纹源直至叶片断裂,造成重大安全事故及经济损失。

参考文献：

[1]贾国庆,姚福军,赵伯安,刘良玉.某半速核电汽轮机低压转子末级叶片装配方法探究[J].机电信息,2020(03):52-53.

[2]黄祥君,纪道辉,郑华兵,谢诞梅.大型核电汽轮机汽缸变形控制研究[J].热能动力工程,2022,37(04):39-46.

[3]陈星玥,高原,林御臣.CPR1000核电汽轮机出力下降的原因分析及缓解措施[J].电工技术,2022(07):159-160+163.