人们已普遍认识到海洋大气中的盐雾对燃气轮机会带来一系列的问题。其中主要是压气机积盐和冷腐蚀以及热腐蚀——硫化腐蚀。压气机积盐影响发动机性能,腐蚀直接影响燃气轮机的寿命和可靠性。
即使存在进气过滤,燃气轮机也会吸入一定比例的直径为5μm左右的气溶胶大颗粒,而压气机叶片黏附能力正比于颗粒密度与颗粒平均半径的乘积,因此,压气机前几级叶片很容易积盐。由于气溶胶液滴的碰撞和扩散引起盐液滴表面积的增大以及随压气机中空气温度的升高而加速汽化,结果在通流部分的叶片和其他零件上会出现积盐,这将会导致叶片型面改变,降低压气机效率和通流能力,使性能恶化。压气机效率每降低1%,装置效率将降低3%左右。严重的甚至会引起压气机喘振。如美国JEFF(B)气垫船在海上试验运行仅50min,其TF40型燃气轮机的压气机积盐就引起发动机喘振而不能工作。
当燃气轮机吸入直径大于10μm的盐雾气溶胶颗粒时,将导致压气机叶片磨损,尤其是叶片较薄的前后缘磨损更加突出,同时压气机轴承也会磨损。
燃气轮机腐蚀分为冷腐蚀和热腐蚀。冷腐蚀指高温区以外的零件的腐蚀,热腐蚀主要指燃烧室和涡轮的零件的硫腐蚀。我们知道进气吸入的盐雾是含有多种盐类的强电解质,在其水分蒸发以前,只要有两种不同的金属联结在一起,或金属中含有杂质,甚至在同一合金的晶粒和晶界之间都会发生原电池性质的电化学腐蚀。早在20世纪50年代初就发现用镁合金材料制造的零件最易遭受腐蚀的破坏作用,在海洋大气中很快地受盐雾腐蚀,因此,船用燃气轮机用铝合金和钛合金材料来代替镁合金,目前部分也用不锈钢来代替。
1.热腐蚀——硫化腐蚀
硫化腐蚀是一个很复杂的问题。但有一点是可以肯定的,即叶片材料上的金属盐沉积是发生腐蚀的必要条件,它直接影响发动机的寿命和可靠性。据美国军事运输船“卡拉汗”号上LM2500燃气轮机运行经验,盐分的吸入使LM2500燃气轮机热部件寿命从10000h减少到3500h。四艘“欧罗莱因奈”级集装箱船的燃气轮机使用经验也表明:FT4A-1Z型燃气轮机的燃气发生器翻修寿命从原来指标6000h降为2500h左右,11次更换燃气发生器中有7次是因为硫化腐蚀的原因。
燃气轮机在海上工作吸入的空气中含有盐分,同时它燃烧具有较多硫分(最高可达1%)的海军柴油。硫和盐的存在造成了高温零件的硫化腐蚀。硫化腐蚀产生的机理非常复杂,一般认为可以简单地用下列反应式来描述:
硫酸钠与金属表面的氧化层作用:
4Na 2 SO 4 +2Cr 2 O 3 +O 2 —→4Na 2 CrO 4 +4SO 2
伴随氧化层散裂,Na 2 SO 4 又进一步腐蚀暴露的表面,与Cr、Ni基体反应生成稳定的硫化物:
上述反应不断进行,基体合金不断被氧化,这就是所谓的硫化腐蚀问题。
2.工作环境对硫化腐蚀的影响
影响硫化腐蚀的主要因素为盐分、含硫量和工作温度。
(1)盐分、含硫量对硫化腐蚀的影响 盐和硫是产生硫化腐蚀的必要成分,但在空气和燃油中的含盐量与燃油中的含硫量对硫化腐蚀的影响是不一样的,前者影响大,后者影响较小。
以尼莫尼克90合金为材料的涡轮第一级导叶为例,英国海军燃气轮机试验室对海神型燃气轮机进行了硫化腐蚀试验,试验结果见表2-2。
表2-2 燃气轮机硫化腐蚀试验
① 连续喷盐1400h,2400h后还未出现腐蚀。
由于腐蚀速度似乎是非线性的,我们不能认为含盐量为0.5ppm下350h后的腐蚀程度相当于含盐量0.05ppm下3500h后的腐蚀程度,因为前者是破坏性的,后者却是微不足道的。表2-2也表明腐蚀是非线性的。另外,实际上经气水分离器后进入的空气中,总盐量中的一部分盐粒沉积在进气道本身管壁及进气消声器的消声片上,还有相当部分盐粒沉积在压气机叶片上,只有极少部分盐粒能在燃烧室中与燃油中的硫发生反应。
美国海军工程实验室的研究报告指出,燃油中的含硫量从0.04%增加到0.4%的过程中,同样存在氯化钠的情况下,发现腐蚀没有明显的差别。也就是说燃油中的硫是促成腐蚀的因素,但其量的多少不是影响腐蚀严重性的原因。腐蚀的关键因素在于燃油中的硫与空气中的氯化钠的反应物的大小,并且破坏性腐蚀是反应物硫酸钠在叶片周围沉积的结果。上述试验结果说明,空气中盐分浓度对腐蚀有重要影响。
(2)工作温度对硫化腐蚀的影响 工作温度对硫化腐蚀的影响也相当复杂,它与合金材料的种类和燃料中含硫量有关。国外曾在650~1210℃范围内,用两种不同含硫量的燃料进行了研究。研究表明,工作温度在985℃以上时,没有发现硫酸钠的沉积物,在该温度下硫酸钠达到了汽化点,硫酸钠的加速氧化转为一般性氧化,所以不能造成零件严重腐蚀,但对某些超级合金来说,工作温度在872℃以下时却增加了零件的腐蚀。这给解决船用燃气轮机的硫化腐蚀问题带来了困难。虽然腐蚀是金属盐沉积的结果,只要温度高到足以阻止这种沉积出现,就不会发生破坏性腐蚀。然而这又出现合金材料耐高温问题,即高温下材料的强度是否满足设计要求。另外,假如我们把涡轮第一级叶片设计的工作温度定为1095℃,那么涡轮的后面几级叶片的工作温度正好在842~985℃范围内,严重的腐蚀将转移到这个区域。
(3)对硫化腐蚀影响的其他因素 在对压气机进行带负荷清洗时,最容易将大量的盐从压气机带到发动机热端,引起硫化腐蚀。
燃油系统积炭引起的局部化学还原气氛是初始腐蚀的主要因素,因而要尽量避免有烟燃烧及燃烧室积炭。
硫化腐蚀与时间有密切关系。当合金在硫化环境中以低速腐蚀时,一旦氧化膜因慢慢地腐蚀而破裂,则硫化腐蚀会突然加快。
3.提高抗硫化腐蚀能力的方法
(1)改变合金成分
铬是增加高温合金抗硫化腐蚀能力的最重要元素。随着合金材料中铬含量的增加,其抗硫化腐蚀能力增加,但铬含量超过25%时不再加强保护作用。在镍基合金中增加钴的成分有益于提高抗硫化腐蚀能力。另外加一些微量元素(如铝、钛等)也能提高抗硫化腐蚀能力。
(2)在高温零件上涂抗硫化腐蚀涂层
镍基合金常用铝-铬扩散涂层,钴基合金常用铝扩散涂层。这两种涂层有较长的抗硫化腐蚀寿命而不会脱落或腐蚀。如果零件表面的涂层不脱落,其具有很好抗硫化腐蚀性能,这时燃油含硫量、盐分和工作温度对高温零件热腐蚀不产生影响。如果涂层脱落或被燃烧过程所产生的炭粒冲击损坏,抗硫化腐蚀性能就只能依靠基体合金,因此,涂层脱落的地方经常出现腐蚀。