Dampfturbinen sind Kernkraftwerke, und ihre stabile und effiziente Leistung steht in direktem Zusammenhang mit der Betriebseffizienz und den wirtschaftlichen Vorteilen von Kraftwerken. Als Schlüsselkomponente für die Energieumwandlung sind die Auswahl, das Design und die Optimierung von Dampfturbinenschaufelmaterialien umso wichtiger. Die Schaufeln müssen nicht nur hohen Temperaturen und Drücken, Hochgeschwindigkeitsrotationen und komplexen Strömungsfeldern standhalten, sondern auch eine gute Korrosionsbeständigkeit, Ermüdungsbeständigkeit und ausreichende Festigkeit aufweisen, um einen stabilen Betrieb in rauen Umgebungen zu gewährleisten. Dieser Artikel beginnt mit den häufigen Problemen und Lösungen für die Auswahl und Optimierung von Schaufelmaterialien und stellt kurz die Auswahl und Optimierung von Dampfturbinenschaufeln vor.
1. Was sind Dampfturbinen?
Die Dampfturbine ist ein Schlüsselelement in thermischen Kraftwerken. Sie treibt den Generator zur Rotation an und erzeugt Strom, indem sie hochtemperierten, hochdruckdampf expandiert. Sie ist eine wichtige Brücke zur effektiven Umwandlung von Dampfwärmeenergie in mechanische Energie, die direkt die Energieumwandlungseffizienz und Betriebsstabilität von Kraftwerken bestimmt.
Die Dampfturbine besteht aus komplexen rotierenden und festen Teilen. Die rotierenden Teile umfassen hauptsächlich die Hauptwelle, das Laufrad und die Schaufeln, die zusammen die lineare Bewegung des Dampfes in eine Drehbewegung umwandeln. Die festen Teile umfassen Zylinder, Düsen, Dampfdichtungen, Trennwände usw., die die notwendigen Kanäle und Bedingungen für den Dampffluss und die Energieumwandlung bereitstellen.
2. Bedeutung der Dampfturbinenschaufeln
Kernumwandlungskomponenten: Dampfturbinenschaufeln sind die Kernkomponenten im Energieumwandlungsprozess. Ihre Form, ihr Material und ihre Leistung bestimmen direkt die Effizienz und Qualität der Umwandlung von Dampfenenergie in mechanische Energie.
Komplexe Betriebsumgebung: Die Betriebsumgebung für Schaufeln ist rau. Sie müssen den Auswirkungen von hochtemperiertem, hochdruckdampf sowie der Erosion durch Verunreinigungen, Feuchtigkeit und korrosive Substanzen im Dampf standhalten. Darüber hinaus müssen die Schaufeln der Zentrifugalkraft und den Vibrationen standhalten, die durch die Hochgeschwindigkeitsrotation erzeugt werden. Diese Faktoren stellen hohe Anforderungen an das Material, die Struktur und den Herstellungsprozess der Schaufeln.
3. Was sind die häufigen Probleme bei Dampfturbinen?
Häufige Probleme bei Dampfturbinenschaufeln sind Schäden und Brüche, Korrosion und Rost sowie Wassererosion. Diese Probleme beeinträchtigen nicht nur den normalen Betrieb der Dampfturbine, sondern können auch die Sicherheit der Ausrüstung und des Produktionsprozesses ernsthaft beeinträchtigen. Daher müssen während des Designs, der Herstellung, der Installation, des Betriebs und der Wartung der Dampfturbine eine Reihe von Maßnahmen ergriffen werden, um diese Probleme zu verhindern und zu bewältigen, um den sicheren und stabilen Betrieb der Dampfturbine zu gewährleisten.
4. Analyse der Ursachen von Schaufelkorrosion oder -erosion.
4.1 Säurekorrosion
Im Anfangskondensationsbereich des Niederdruckzylinders reichern sich saure Substanzen im Dampf (wie Kohlendioxid, Schwefeldioxid usw.) im Kondensat an, was zu einem pH-Abfall und zur Korrosion von Metallteilen führt. Diese Korrosion verringert nicht nur die Festigkeit und Lebensdauer der Schaufeln, sondern beeinträchtigt auch die Gesamtleistung und Sicherheit der Einheit.
4.2 Sauerstoffkorrosion
Gelöster Sauerstoff ist einer der Hauptfaktoren, die Sauerstoffkorrosion verursachen. Wenn der Schutzfilm auf der Oberfläche der Schaufel (wie der Eisenoxidfilm) beschädigt ist, reagiert gelöster Sauerstoff elektrochemisch mit der Metallmatrix, wodurch Eisenionen ausfallen und das Material korrodieren. Darüber hinaus beeinflussen Faktoren wie pH-Wert, Temperatur, Last und Durchflussrate die Geschwindigkeit und das Ausmaß der Sauerstoffkorrosion.
4.3 Wassererosion
Unter Niedriglastbedingungen schlagen flüssige Wassertropfen im Dampfstrom auf die Schaufeloberfläche und verursachen Wassererosion. Wassererosion zerstört nicht nur die Oberflächenstruktur der Schaufel, sondern verringert auch ihre Verschleißfestigkeit, wodurch der Schaufelschadenprozess beschleunigt wird.
5. Vorteile von Kobaltlegierungen
5.1 Hochtemperaturfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit
Kobaltlegierungen haben eine hervorragende Hochtemperaturfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit. Diese Eigenschaft ermöglicht es Kobaltlegierungsschaufeln, den Auswirkungen von hochtemperiertem, hochdruckdampf in Dampfturbinen ohne Verformung oder Beschädigung standzuhalten. Dieser Vorteil ist entscheidend für die Verbesserung der Betriebseffizienz und Betriebsstabilität von Dampfturbinen.
5.2 Korrosions- und Ermüdungsbeständigkeit
Kobaltlegierungen haben eine gute Korrosions- und Ermüdungsbeständigkeit. In der rauen Arbeitsumgebung von Dampfturbinenschaufeln können Kobaltlegierungen die Erosion durch korrosive Substanzen im Dampf effektiv widerstehen und die Lebensdauer der Schaufeln verlängern. Gleichzeitig kann ihre hohe Ermüdungsbeständigkeit auch sicherstellen, dass die Schaufeln während des langfristigen Hochlastbetriebs eine stabile Leistung beibehalten.
5.3 Hervorragende Schweißeigenschaften
Kobaltlegierungen haben gute Schweißeigenschaften, sodass es einfach ist, Schweißtechnologie bei der Herstellung und Wartung von Schaufeln zu verwenden. Die Festigkeit und Dichtheit der Schweißnaht kann gewährleistet werden, wodurch die Gesamtleistung und Lebensdauer der Schaufel verbessert wird.
5.4 Verschleißfestigkeit
Kobaltlegierungen haben auch eine hervorragende Verschleißfestigkeit. Während des Betriebs von Dampfturbinenschaufeln müssen sie der Abrasion und dem Verschleiß durch Verunreinigungen und Partikel im Dampfstrom standhalten. Die hohe Verschleißfestigkeit von Kobaltlegierungen kann den Schaufelverschleiß reduzieren und die Lebensdauer der Schaufeln verlängern.
6. Spezifische Anwendung von Kobaltlegierungen in Turbinenschaufeln
6.1 Schaufelmaterial
Kobaltlegierung kann direkt als Herstellungswerkstoff für Turbinenschaufeln und -hülsen verwendet werden und ist besonders geeignet für die Herstellung von Schaufeln in Hochtemperatur-, Hochdruck- und Hochkorrosionsumgebungen. Kobaltlegierungsschaufeln mit komplexen Formen und hoher Präzision können durch Präzisionsguss, Schmieden, CNC-Bearbeitung und andere Prozesse hergestellt werden.
Feste Kobaltlegierungsbleche oder -streifen werden durch Induktionslöten an SUS410Cb-Turbinenschaufeln angebracht, um die Verschleiß- und Erosionsbeständigkeit der Schaufeln zu verbessern. Die Erosionsstreifen bestehen normalerweise aus Co 6 und Co 6B.
6.2 Beschichtungsmaterial
Neben der Verwendung als feste Schaufel kann Kobaltlegierung auch als Beschichtungsmaterial auf der Oberfläche von Turbinenschaufeln verwendet werden. Das Beschichten einer Kobaltlegierungsschicht auf der Schaufeloberfläche verbessert deren Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit und verlängert die Lebensdauer. Diese Beschichtungstechnologie wurde in vielen Kraftwerken erfolgreich angewendet.
- STP 6 Chemische Zusammensetzungen
C: 0,9-1,4%, Mn: ≤1,0%, Si: ≤1,5%, Cr: 27,0-31,0%, Ni: ≤3,0%, Mo: ≤1,5%, W: 3,5-5,5%, Co: Rest
Dichte: ≥8,35g/cm3
Härte: 38-44HRC
- STP 6B Chemische Zusammensetzungen
C: 0,9-1,4%, Mn: ≤2,0%, Si: ≤2,0%, Cr: 28,0-32,0%, Ni: ≤3,0%, Mo: ≤1,5%, W: 3,5-5,5%, Co: Rest
Dichte: ≥8,38g/cm3
Härte: 36-40HRC
7. Prinzipien für die Auswahl von Turbinenschaufeln
7.1 Materialauswahl
Wählen Sie entsprechend den Arbeitsumgebungsmerkmalen der Schaufel Materialien mit hervorragender Korrosions- und Verschleißfestigkeit aus. Zum Beispiel kann das Induktionslöten von Kobaltlegierungsstreifen an SUS410Cb-Schaufeln die Verschleiß- und Erosionsbeständigkeit der Schaufeln erheblich verbessern. Gleichzeitig müssen Faktoren wie Materialfestigkeit, Zähigkeit, thermische Stabilität und Verarbeitungsleistung berücksichtigt werden.
7.2 Strukturdesign
Optimieren Sie die Form- und Größenkonstruktion der Schaufeln, um Spannungs- und Vibrationskonzentrationen zu reduzieren. Die aerodynamische Leistung und Ermüdungsfestigkeit der Schaufeln kann durch eine geeignete stromlinienförmige Gestaltung und Dickenverteilung verbessert werden. Darüber hinaus müssen Faktoren wie die Verbindungsmethode und die Befestigungsmethode zwischen den Schaufeln und der Laufscheibe berücksichtigt werden.
7.3 Fertigungsprozess
Verwenden Sie fortschrittliche Fertigungsprozesse und technische Mittel, um die Fertigungsgenauigkeit und Qualität der Schaufeln sicherzustellen. Zum Beispiel können Präzisionsguss, Schmieden oder CNC-Bearbeitung verwendet werden, um Schaufeln mit komplexen Formen und hoher Präzision herzustellen. Gleichzeitig sollten die Qualitätsprüfungs- und Kontrollschritte verstärkt werden, um sicherzustellen, dass jede Schaufel den Designanforderungen und Nutzungsstandards entspricht.
8. Wartungs- und Optimierungsstrategie für die Schaufeln
8.1 Regelmäßige Inspektion und Wartung
Richten Sie ein regelmäßiges Inspektions- und Wartungssystem ein, um eine umfassende Inspektion und Bewertung der Schaufeln durchzuführen. Probleme wie Salzablagerungen, Schmutz und Schäden an der Schaufeloberfläche rechtzeitig erkennen und beheben, um eine Ausweitung des Problems zu verhindern. Gleichzeitig sollten der Verschleiß und die Korrosion der Schaufeln aufgezeichnet und analysiert werden, um eine Referenz für nachfolgende Wartungs- und Ersatzarbeiten zu bieten.
8.2 Betriebsmanagement
Optimieren Sie die Betriebsbedingungen und Parametereinstellungen der Einheit, um die Betriebszeit und -häufigkeit bei niedriger Last zu reduzieren. Reduzieren Sie das Risiko von Korrosion und Schaufelverschleiß durch geeignete Lastverteilung und Anpassungsmethoden. Gleichzeitig ist es notwendig, die Überwachung und Diagnose der Ausrüstung zu verstärken, um anormale Bedingungen rechtzeitig zu erkennen und zu beheben.
8.3 Technologische Innovation
Führen Sie aktiv neue Materialien, neue Technologien und neue Prozessmethoden ein und wenden Sie diese an, um die Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit sowie die Fertigungsqualität der Schaufeln kontinuierlich zu verbessern. Zum Beispiel die Entwicklung neuer Materialien mit höherer Korrosions- und Verschleißbeständigkeit; die Verwendung fortschrittlicher Oberflächenbehandlungstechnologien (wie Spritzen, Galvanisieren usw.), um die Schutzleistung der Schaufeln zu verbessern; die Verwendung digitaler Technologien und intelligenter Mittel, um eine Echtzeitüberwachung und Frühwarnung des Schaufelzustands zu erreichen usw.
9. Schlussfolgerung
Als Schlüsselkomponente eines Kraftwerks ist die Materialauswahl der Turbinenschaufeln entscheidend, um die Stromerzeugungseffizienz und die Sicherheit der Anlage zu gewährleisten. Unter den Materialien für Dampfturbinenschaufeln haben Kobaltlegierungen eine hervorragende Hochtemperaturfestigkeit, Oxidationsbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Ermüdungsbeständigkeit, gute Plastizität und Zähigkeit, hervorragende Schweißleistung und hohe Verschleißfestigkeit. Durch die Verwendung hochwertiger Materialien wie Kobaltlegierungen, fortschrittlicher Fertigungsprozesse und Betriebsmanagementstrategien werden die Leistung und Lebensdauer der Schaufeln verbessert, was eine solide Grundlage für den langfristigen stabilen Betrieb und die effiziente Stromerzeugung von Kraftwerken schafft. Daher ist es bei der Auswahl von Materialien für Dampfturbinenschaufeln am besten, die Vorteile von Kobaltlegierungen zu berücksichtigen, um die Stromerzeugungseffizienz und die Sicherheit der Anlage zu maximieren.
