CN110926988A - 一种汽轮机叶片材料抗水蚀性能测试及评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽轮机叶片材料抗水蚀性能测试及评价方法，首先采集特定汽轮机叶实际运行条件参数，采用数值模拟方法计算得到叶片表面不同位置不同时刻的水蚀工况参数；基于数值计算结果确定水蚀特性加速测试方案，通过材料失重数据采集、材料局部缺陷显微观察和水蚀试样力学性能测试，获得材料水蚀特性曲线、水蚀缺陷尺寸扩展规律及材料性能变化规律，若水蚀特性曲线不满足要求，则需要调整方案重复实验；之后通过定量分析方法，计算得到材料水蚀特性系数并对材料失效过程中的不同水蚀阶段进行定量划分；最后，以特定汽轮机叶片常用材料测试结果作为基准，对待测材料的水蚀性能系数进行无量纲化，从而为汽轮机叶片设计与选材提供技术支撑。

Description

一种汽轮机叶片材料抗水蚀性能测试及评价方法

技术领域

本发明属于实验测试技术领域，尤其是一种汽轮机叶片材料抗水蚀性能测试及评价方法。

背景技术

21世纪初，超超临界发电技术被确定为我国洁净煤技术领域战略性的关键技术，经过十余年的公关研发与应用，我国的超超临界发电技术已快速达到世界先进水平。目前，超临界、超超临界火电汽轮机和百万等级的核电汽轮机仍是我国主要的发电机组。在全球经济的高速发展和电能需求的日益增加的大背景下，汽轮机作为电厂发电主力，其热经济性必须尽可能提高，而随着汽轮机单机功率的增加，采用更长的末级叶片则是提高汽轮机效率的必然手段。更高的圆周速度必然导致更大的液滴相对撞击速度，从而对叶片的振动特性与机组的安全运行造成更大的威胁。随着大功率汽轮机的发展，末级叶片水蚀防护方法的研究受到了国内外电力工作人员的广泛重视。目前，末级叶片的水蚀仍然是影响大机组运行热经济性和安全可靠性的首要问题之一。因此研究材料抗水蚀性能影响因素及其变化规律，对提出有效的叶片防水蚀措施和设计研发新型叶片都具有十分重要的工程应用价值。

汽轮机末级叶片在湿蒸汽区工作，排气湿度高达12％～14％。当蒸汽在叶栅中膨胀越过饱和线到达Wilson线时，会出现0.01μm～1μm直径的微小水滴，然后逐渐凝聚长大。水滴中的大部分随蒸汽流一起通过叶栅，只有不到10％附着在静叶表面上形成水膜，被蒸汽推向静叶出口边。当水膜发展到一定厚度时，受蒸汽剪切力撕裂为直径20μm～200μm的大水滴，由于水滴的惯性较大，其绝对速度远小于汽流速度，使得水滴以很大的相对速度撞击动叶进汽边背弧侧，从而直接导致了汽轮机叶片的水蚀现象。

汽轮机叶片水蚀过程涉及多种现象耦合作用，其中包括激波扩展、介质相变、空穴现象以及疲劳失效，采用数值计算和理论推导很难对材料水蚀过程进行精确描述，进而对材料水蚀寿命进行准确评估；另一方面，很多国内外学者采用了实验方法对材料的抗水蚀性能进行研究，但由于实验系统及测试方法的差异，不同平台得到的实验数据很难进行对比分析，这就对材料水蚀过程的系统性研究带来了极大的困难。汽轮机长叶片，作为动力设备的关键部件，一旦产生水蚀现象，轻则破坏叶片型线，造成级效率降低，重则会使得叶片断裂，进而导致整机停运。因此，提出一套基于现有实验系统且有效可行的材料抗水蚀性能测试及评估方法是相当必要的。虽然美国材料与实验协会(ASTM)在2010年提出了一套“液体冲击腐蚀测试规程”(G73)，其中涵盖了大部分循环离散液滴及射流对固体材料水蚀实验的注意事项，但并未对具体实验步骤及数据处理方法进行限定，同时其中有些描述并不适用于汽轮机叶片材料的水蚀实验侧料，这就给实验人员的操作以及不同实验结果的评估带来了极大的困难。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种汽轮机叶片材料抗水蚀性能测试及评价方法，具体给出了一套标准化材料抗水蚀性能测试步骤及数据分析方法，可对材料的水蚀特性进行加速实验测试，将原本上万小时的叶片水蚀过程缩短为几十分钟，极大节约金钱和时间成本，同时可对材料水蚀特性进行定量化分析，对其抗水蚀能力进行综合评估。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种汽轮机叶片材料抗水蚀性能测试及评价方法，包括以下步骤：

步骤1，通过现场数据采集方法，获得汽轮机动叶片实际运行的工况参数，包括进口总压P_in，进口总温T_in，进口湿度H_in，以及出口压力P_out；

步骤2，根据步骤1得到的工况参数，结合具体的叶片型线和离散液滴流动模型，通过数值模拟方法计算得到叶片表面不同位置液滴撞击工况参数，包括撞击角度α，相对撞击速度V，以及液滴直径D；

步骤3，根据步骤2得到的液滴撞击工况参数，调节实验台各部件参数及尺寸以适应目标水蚀研究工况；

步骤4，通过材料抗水蚀性能测试，每经过一段时间间隔Δt对射流冲击的样本进行称重拍照、显微形貌分析以及材料力学性能测试，实验时间间隔Δt根据材料性能和实验工况参数计算得到，采集得到样本水蚀质量损失随时间变化的数据；

步骤5，采用逻辑回归方程对离散数据点进行拟合，获得材料水蚀特性曲线；若获得的曲线趋势不合理，则修改水蚀实验方案，并重复步骤3-步骤5；

步骤6，在得到合理的材料水蚀特性曲线的基础上，绘制材料水蚀特性曲线最大侵蚀率切线和稳定侵蚀率切线，从而对材料水蚀阶段进行定量划分，同时获得最大侵蚀率、等效潜伏期时长以及稳定侵蚀率水蚀性能参数；

步骤7，针对基准材料，对待测材料的水蚀性能参数进行无量纲计算，用于不同实验平台之间以及不同实验批次的测试结果的对比分析；同时定量化分析水蚀工况对不同待测材料水蚀性能系数的影响规律。

本发明进一步的改进在于，步骤3的具体实现方法如下：

更换尺寸d的射流喷嘴以满足液滴直径D，加工倾斜角β的材料试样以满足撞击角度α，调节高速射流泵油压P₀以满足相对撞击速度V，油压P₀按照如下公式进行调节：

P₀＝500V²

射流喷嘴按照如下公式进行计算尺寸d并选择相应喷嘴型号：

其中r_c是射流核半径，ζ是射流衰减系数，L是射流喷口到达实验靶材的距离，ρ是水蚀工质的密度，η是水蚀工质的动力粘滞系数；

试样加工倾斜角β按如下公式进行计算并加工：

β＝α-arctan(u_R/V)

其中u_R为撞击点处试验件旋转线速度。

本发明进一步的改进在于，步骤7中，水蚀工况为相对撞击速度V、撞击角度α或液滴尺寸D；水蚀性能系数为等效潜伏期时长、最大侵蚀率或稳定侵蚀率。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

本发明汽轮机叶片材料抗水蚀性能评价方法，可针对汽轮机叶片实际运行过程中受到的水蚀工况，为其他材料及其他实验系统的水蚀性能测试实验提供了方案参考；通过提出一种以汽轮机常用材料作为基准进行无量纲化的数据处理方法，有利于不同实验系统测试结果的对比分析；另外提出了多种评价指标下材料抗水蚀性能对比研究方法，并对材料不同阶段的抗水蚀性能进行量化处理，可对材料的水蚀特性进行综合评估；最终实验测试结果可以对材料水蚀寿命的预估提供数据支持，有利于汽轮机叶片的设计选材以及大修替换周期的确定。

附图说明

图1是材料水蚀性能分析流程示意图；

图2为美国材料与实验协会(ASTM)提供水蚀数据采集判别曲线；

图3是材料水蚀特性曲线及数据处理过程示意图；

图4是材料水蚀截面面积损失即特征尺寸采集示意图；

图5是材料水蚀区域显微金相分析结果图；

图6是材料水蚀区域扫描电镜分析结果图；

图7是材料无量纲抗水蚀性能系数对比示意图；

图8是不同冲击角度下材料水蚀特性系数对比示意图；

图9是材料水蚀速度系数示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

参见图1，本发明提供的一种汽轮机叶片材料抗水蚀性能测试及评价方法，包括以下步骤：

步骤1，通过现场数据采集方法，获得汽轮机动叶片实际运行的工况参数，包括进口总压P_in(Pa)，进口总温T_in(℃)，进口湿度H_in(％)，出口压力P_out(Pa)；

步骤2，根据步骤1得到的工况参数，结合具体的叶片型线和离散液滴流动模型，通过数值模拟方法计算得到叶片表面不同位置液滴撞击工况参数，包括撞击角度α(°)，相对撞击速度V(m/s)，以及液滴直径D(m)；这样做的目的是将叶片水蚀过程进行简化，在数值过程中不考虑固体变形和材料性能参数的影响，将不方便数值和理论分析的材料失效过程放在后续的实验测试中进行研究；

步骤3，根据步骤2得到的液滴撞击工况参数，调节实验台各部件参数及尺寸以适应目标水蚀研究工况；具体来说，更换尺寸d的射流喷嘴以满足液滴直径D，加工倾斜角β的材料试样以满足撞击角度α，调节高速射流泵油压P₀以满足相对撞击速度V，油压P₀按照如下公式进行调节：

P₀＝500V²

射流喷嘴按照如下公式进行计算尺寸d并选择相应喷嘴型号：

其中r_c是射流核半径，ζ是射流衰减系数，L是射流喷口到达实验靶材的距离，ρ是水蚀工质的密度，η是水蚀工质的动力粘滞系数；

试样加工倾斜角β按如下公式进行计算并加工：

β＝α-arctan(u_R/V)

其中u_R为撞击点处试验件旋转线速度；

步骤4，通过材料抗水蚀性能测试，每经过一段时间间隔Δt对射流冲击的样本进行称重拍照、显微形貌分析以及材料力学性能测试，实验时间间隔Δt根据材料性能和实验工况参数计算得到，采集得到样本水蚀质量损失随时间变化的数据；

步骤5，采用逻辑回归方程对离散数据点进行拟合，获得材料水蚀特性曲线；若获得的曲线趋势不合理，则修改水蚀实验方案，并重复步骤3-步骤5；

步骤6，在得到合理的材料水蚀特性曲线的基础上，绘制材料水蚀特性曲线最大侵蚀率切线和稳定侵蚀率切线，从而对材料水蚀阶段进行定量划分，同时获得最大侵蚀率、等效潜伏期时长以及稳定侵蚀率水蚀性能参数；

步骤7，针对基准材料，对待测材料的水蚀性能参数进行无量纲计算，用于不同实验平台之间以及不同实验批次的测试结果的对比分析；同时定量化分析水蚀工况(相对撞击速度V、撞击角度α或液滴尺寸D)对不同待测材料水蚀性能系数(等效潜伏期时长、最大侵蚀率或稳定侵蚀率)的影响规律，为新型汽轮机叶片设计的选材提供数据参考和技术支持。

下面结合附图及实验系统和已有实验结果对本发明作进一步的说明。

参见图1，步骤4中的材料水蚀性能分析的主要流程为：通过材料抗水蚀性能测试，一方面对经过一段时间射流冲击的样本进行称重，采集得到样本水蚀质量损失随时间变化的数据，并绘制成材料水蚀特性曲线。参见图2，将该曲线与美国材料与实验协会(ASTM)提供的四种水蚀数据采集判别曲线相比较，若形如A和B曲线，则说明采集数据符合水蚀特性，其中A型曲线最为理想，若得到B型曲线，可考虑适当缩短实验初期的采样时间间隔Δt，之后继续对数据进一步分析，采集得到等效潜伏期、最大侵蚀率和稳定侵蚀率等抗水蚀性能系数；若曲线形如C和D曲线，表明采集的实验数据不满足水蚀特性，需调整实验方案重新进行抗水蚀性能实验测试。

本实施例采用目标待测材料制作方形的实验试样，采用目前汽轮机叶片常用材料1Cr12Mo或0Cr17Ni4Cu4Nb(17-4PH)制作扇形的基准材料，用于进行实验数据的无量纲化处理以计算无量纲的抗水蚀性能系数，同时也有利于不同批次实验、不同工况以及不同实验平台的测试结果对比。实验之前需要对基准材料的牌号、元素构成、热处理工艺及力学参数进行确认，尽量保持不同实验批次的基准材料性能基本一致。实验初始时间间隔Δt(s)参照ASTM-G73种的相关描述通过下式计算得到

Δt＝10(H_v)²K_m/[f_i(V/100)^4.9]

式中，H_v为待测材料的维氏硬度，HV；V为撞击速度，m/s；f_i为撞击频率，s^-1；K_m为与材料硬度相关的抗水蚀因子，变化范围为0.3～3.0。在实验过程中根据材料的实际水蚀情况和水蚀速率进行调整，水蚀初期由于材料损失极小，为了准确捕捉材料水蚀潜伏期时长，故采用较短的时间间隔Δt，之后随着材料水蚀速率的增大可适当增加时间间隔Δt，当到达水蚀稳定阶段，水蚀损失保持线性变化后，可采用更长的时间间隔以提高实验效率。对于某种待测材料，应至少选择三片材料试样进行测试之后求平均以避免加工和实验误差对结果带来的影响。经过每个时间间隔Δt，将基准材料与实验试样拆卸之后采用丙酮或酒精反复清洗去除表面粉末与油污，之后使用烘干设备对其进行干燥，之后在固定温度湿度的环境里放置一段时间后进行多次失重测量，当两次测量结果误差小于1％即可继续试验，否则需要重复进行清洗烘干测量等操作。

另一方面，观察水蚀后样本的宏观形貌，为质量损失提供数据佐证。进一步对水蚀局部进行力学性能分析，得到残余应力分布和力学性能分布情况。通过金相分析、扫面电子显微镜(SEM)分析和三维表面形貌分析，从微观上对样本水蚀局部展开机理剖析，并由显微分析采集得到截面面积损失、水蚀凹坑宽深等水蚀缺陷特征尺寸，同上述抗水蚀性能参数一起对实验样本进行无量纲抗水蚀性能比较，定量给出不同样本材料之间的水蚀性能差异对比。

下面结合ASTM-G73相关描述对步骤5中的实验数据处理方法进行说明，参见图3，图中所示为某种汽轮机叶片材料水蚀测试质量损失特性曲线，通过对不同时间间隔Δt下水蚀质量损失数据进行采集，在累积质量损失-累计时间图中标记出采集散点，通过逻辑回归(Logistic)方程对曲线进行拟合得到材料水蚀性能曲线，如图中蓝色曲线所示，其逻辑回归(Logistic)方程统一表示成下式的形式。选取逻辑回归(Logistic)方程作为拟合曲线是因为其变化趋势与材料水蚀率变化过程基本一致。

可以看到该曲线变化趋势与ASTM-G73提供的四种水蚀数据采集判别曲线中的A型曲线相同，符合水蚀特性系数采集条件。将该曲线上最大侵蚀率点处切线l₁斜率定义为最大侵蚀率ER_max，将曲线上稳定侵蚀率点处切线l₂定义为稳定侵蚀率ER_t，同时对应切线在时间轴的截距定义为等效潜伏期时长Ip。进一步的，将最大侵蚀率切线与时间轴交点横坐标定义为t₁，将稳定侵蚀率切线与最大侵蚀率切线横坐标定义为t₂，则根据ASTM-G73中的描述，通过本方法可对材料的水蚀阶段进行定量划分，即[0,t₁]为材料水蚀潜伏期(Incubation Period,Ip)，[t₁,t₂]为材料发展期(Deceleration Period,Dp)，[t₁,+∞]为水蚀稳定期(Terminal Period,Tp)，该结果可为汽轮机叶片水蚀状态提供数据参考，有利于制定机组大修时叶片的维修与更换方案。

下面结合图4、图5和图6对步骤4中的显微形貌分析以及材料力学性能测试进行说明：

参见图4，为三维超景深显微镜下观察到的材料水蚀区域三维样貌，进行水蚀区域形貌数据采集时需要至少选取视野中三个特征截面以尽量避免测量误差对实验结果造成的影响，中间一列为特征截面在二维水蚀照片上的位置分布，左侧一列显示的为特征截面在三维形貌照片上的位置分布，右侧一列为不同特征截面的截面损失面积及水蚀凹坑宽深的测量示意图，之后计算多截面采集得到的尺寸数据求平均数，以得到该时刻下材料的水蚀特征形貌数据，从而分析不同材料水蚀缺陷的生成、扩展及相互连接，最终导致材料剥落的全过程。

参见图5，为不同特征时刻下金相显微镜下材料试样水蚀断面显微形貌，选取的三个特征时刻分别对应材料水蚀的三个阶段：潜伏期、发展期以及稳定期，具体研究不同阶段材料水蚀率变化的显微机理。冲蚀3min，材料表面样貌放大至500倍没有明显变化，撞击点位置材料金相形貌并未发生明显变化，可以说明水蚀初期高速射流的应力传播并未对材料组织产生明显的影响，而此时的水蚀质量损失主要是由于高速射流在表面引起塑性变形后，侧向射流对表面不光滑区域产生的冲刷抛光效应；冲蚀25min时，100倍显微观察下已有明显损失变化，可以看出明显的水蚀凹坑，而在蚀坑周围局部可以发现，凹坑顶部的金相组织在射流正向冲击挤压作用下产生了大量的水蚀微尺度裂纹，微尺度裂纹相互重叠形成较大尺度的裂纹，当这些裂纹相互交错连接之后，在侧向射流的冲刷作用下，造成的材料切削剥落则是造成该时刻较大水蚀率的主要原因；冲蚀至60min时，凹陷继续向材料内部加深并向多处扩展，放大至500倍可以看出，撞击点处已形成大尺度水蚀凹坑，而观察蚀坑周围局部区域可以看出，相比于25分钟时的水蚀形貌，蚀坑边界在正向射流撞击和侧向射流冲刷作用下，已变得十分光滑，同时水蚀裂纹也逐渐消失，这也正是水蚀率逐渐降低，向稳定期过渡的主要原因。

参见图6，为材料水蚀区域局部显微形貌的扫描电镜(SEM)拍摄照片，从图中可以看出在高速射流侧向剪切作用下撞击点位置处出现了材料塑性流动堆积和边缘蚀唇结构，且蚀唇出现位置大多为材料表面已有萌生裂纹和显微损伤的局部位置，随着射流冲刷及剪切作用的继续累积，蚀唇结构会进一步扩大导致大片材料撕裂及剥落，从而在宏观上表现为材料水蚀质量损失即水蚀凹槽深度及宽度的进一步扩大。

下面结合图7对步骤7中的无量纲水蚀性能参数计算方法进行说明：

参见图7，以1Cr12Mo材料样本为基准，对其他材料样本的抗水蚀性能系数进行归一化处理，得到了不同样本的无量纲最大侵蚀率相对大小比较结果，可反映出不同材料之间的抗水蚀性能差异，同时有利用不同实验批次、不同实验工况及不同实验平台测试数据的对比分析，图中结果说明在无量纲最大侵蚀率的判定标准下，3#材料的抗水蚀性能为基准材料的3.5倍，能够为实际汽轮机叶片选材及设计提供有力的数据支持和参考。具体无量纲计算公式如下：

归一化抗冲蚀系数S_ex/r＝ER_r/ER_x

归一化潜伏系数S_0x/r＝Ip_x/Ip_r

下面结合图8和图9对步骤7中水蚀工况对不同待测材料水蚀性能系数影响规律的分析方法进行说明：

参见图8和图9，本发明还可以对材料水蚀特性的影响因素及作用规律进行探究，其中纵坐标为单位面积下材料的水蚀体积损失，可通过质量损失除以材料密度和投影面积得到。图8为不同材料在不同水蚀冲击角度下最大侵蚀率ER_max的对比示意图。根据文献调研结果，材料水蚀率ER与水蚀速度V会形成如下关系式：

ER＝aVⁿ

图9为材料在不同水蚀冲击速度下的速度系数(n)拟合结果，该研究结果可以为大范围变工况及深度调峰工况下的汽轮机叶片表面强化及修复工艺提供技术支撑。

以上内容是对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的保护范围。

Claims (3)

1.一种汽轮机叶片材料抗水蚀性能测试及评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，通过现场数据采集方法，获得汽轮机动叶片实际运行的工况参数，包括进口总压P_in，进口总温T_in，进口湿度H_in，以及出口压力P_out；

步骤2，根据步骤1得到的工况参数，结合具体的叶片型线和离散液滴流动模型，通过数值模拟方法计算得到叶片表面不同位置液滴撞击工况参数，包括撞击角度α，相对撞击速度V，以及液滴直径D；

步骤3，根据步骤2得到的液滴撞击工况参数，调节实验台各部件参数及尺寸以适应目标水蚀研究工况；

步骤4，通过材料抗水蚀性能测试，每经过一段时间间隔Δt对射流冲击的样本进行称重拍照、显微形貌分析以及材料力学性能测试，实验时间间隔Δt根据材料性能和实验工况参数计算得到，采集得到样本水蚀质量损失随时间变化的数据；

步骤5，采用逻辑回归方程对离散数据点进行拟合，获得材料水蚀特性曲线；若获得的曲线趋势不合理，则修改水蚀实验方案，并重复步骤3-步骤5；

步骤6，在得到合理的材料水蚀特性曲线的基础上，绘制材料水蚀特性曲线最大侵蚀率切线和稳定侵蚀率切线，从而对材料水蚀阶段进行定量划分，同时获得最大侵蚀率、等效潜伏期时长以及稳定侵蚀率水蚀性能参数；

步骤7，针对基准材料，对待测材料的水蚀性能参数进行无量纲计算，用于不同实验平台之间以及不同实验批次的测试结果的对比分析；同时定量化分析水蚀工况对不同待测材料水蚀性能系数的影响规律。

2.根据权利要求1所述的一种汽轮机叶片材料抗水蚀性能测试及评价方法，其特征在于，步骤3的具体实现方法如下：

更换尺寸d的射流喷嘴以满足液滴直径D，加工倾斜角β的材料试样以满足撞击角度α，调节高速射流泵油压P₀以满足相对撞击速度V，油压P₀按照如下公式进行调节：

P₀＝500V²

射流喷嘴按照如下公式进行计算尺寸d并选择相应喷嘴型号：

其中r_c是射流核半径，ζ是射流衰减系数，L是射流喷口到达实验靶材的距离，ρ是水蚀工质的密度，η是水蚀工质的动力粘滞系数；

试样加工倾斜角β按如下公式进行计算并加工：

β＝α-arctan(u_R/V)

其中u_R为撞击点处试验件旋转线速度。

3.根据权利要求1所述的一种汽轮机叶片材料抗水蚀性能测试及评价方法，其特征在于，步骤7中，水蚀工况为相对撞击速度V、撞击角度α或液滴尺寸D；水蚀性能系数为等效潜伏期时长、最大侵蚀率或稳定侵蚀率。

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