發電機內冷水濾芯異常診斷

慕曉煒,潘娟琴,蔣春曉,陳 皓,張達光,劉俊建,張 哲,賀明鵬

(1.中國大唐集團科學技術研究總院有限公司華東電力試驗研究院，安徽 合肥 230022;2.國網安徽省電力有限公司電力科學研究院，安徽 合肥 230001;3.大唐鍋爐壓力容器檢驗中心有限公司，安徽 合肥 230022)

0 引言

大型發電機定子通常采用水冷、氫冷和空冷等冷卻方式[1],采用水冷的發電機定子線圈空心導線孔徑較小,顆粒雜質在導線表面沉積會導致傳熱惡化,造成溫升增加,嚴重會引發線圈燒損或機組非停[2],因此需要對發電機內冷水進行過濾凈化處理。DL/T 801—2010《大型發電機內冷卻水質及系統技術要求》中明確要求“內冷卻水系統的進水端應設置有5～10 μm的濾網”[3],以防止顆粒雜質在定子線圈內部沉積,目前發電機組內冷水系統過濾型式主要有不銹鋼激光打孔濾網和高分子聚合物濾芯等。

現場內冷水過濾器運行過程中,其濾芯表面容易出現異常的淺綠色附著物。濾芯表面出現異常,表明內冷水系統存在明顯的腐蝕問題,必須針對異常濾芯進行診斷,確認附著物來源,并進行相應檢修工作,保障發電機安全運行。

1 材料和方法

現場獲取的異常濾芯和正常濾芯如圖1所示,正常濾芯表面為白色,表面較為平整規則;異常濾芯表面呈綠色,并出現不規則的絮狀附著物。

圖1 異常濾芯(左)與正常濾芯(右)

為探究濾芯表面附著物性質和種類,對附著物進行預處理后,分別開展灼燒、掃描電鏡(Scanning Electron Microscope,簡稱SEM)、能譜(Energy Dispersive Spectroscopy,簡稱EDS)、熱裂解-氣相色譜-質譜聯用檢測(Pyrolysis-gas chromatography-mass spectrometry combined detection,簡稱PyGC/MS)和紅外光譜檢測(Infrared Spectroscopy,簡稱IR)。

1.1 濾芯附著物預處理

參照DL/T 1151.4—2012《火力發電廠垢和腐蝕產物分析方法》對內冷水濾芯表面附著物進行處理。為避免內在水分的減重,刮取表面糊狀物質在45 ℃條件下進行烘干,至恒重后縮分取樣,并在瑪瑙研缽中研磨,制備好的試樣呈草綠色粉末。

DL/T 1151.4—2012《火力發電廠垢和腐蝕產物分析方法》中規定灼燒減(增)量測定在450 ℃和900 ℃開展,其中450 ℃灼燒主要目的是去處水分、有機物;900 ℃灼燒目的是分解氧化金屬、低價元素及碳酸鹽等化合物[4]。

1.2 SEM和EDS

對烘干研磨后附著物及濾芯纖維進行SEM分析,并對濾芯附著物和濾芯纖維開展EDS分析。

1.3 PyGC/MS

為進一步分析及確定附著物成分及來源,開展熱裂解-氣相色譜-質譜聯用分析,該方法無需對樣品進行預處理,方法靈敏度高[5-6]。

1.4 IR

為研究濾芯及附著物的分子結構及化學鍵的類型,進而判斷其組成和性質,對濾芯和附著物開展傅里葉IR。

2 分析

2.1 濾芯預處理結果

濾芯表面附著物灼燒后,在150 ℃后即由之前的綠色粉末逐漸軟化,呈液態化,同時顏色變為黑色,冷卻后呈固態。

根據灼燒減量試驗可以看到,灼燒減(增)量數據見表1,200 ℃和450 ℃灼燒減量分別為6.80%和7.10%。經過850 ℃灼燒灰化后,所得灰分占比約2.70%。

表1 灼燒減(增)量試驗結果

2.2 SEM及EDS分析結果

灼燒檢測顯示附著物受熱后軟化,并在高溫條件下呈黑色,冷卻后硬化,對烘干研磨后附著物及濾芯纖維進行SEM分析,分別見圖2和圖3。

(a)放大200倍 (b)放大1 500倍

圖3 濾芯纖維微觀形態

從圖2可以看出濾芯附著物微觀呈圓柱狀,長度分布約為20～140 μm,直徑均約為30 μm。從圖2(b)中可以看出,放大1 500倍后,圓柱體呈片狀分層結構,表面有微小顆粒物質附著。

濾芯纖維為非導電材質,放大200倍后可以看到纖維呈連續柱狀,直徑約為30 μm,與附著物直徑基本一致。

對濾芯附著物和濾芯纖維開展EDS分析,附著物測點見圖2中的標注,檢測結果如表2所示。

表2 附著物EDS檢測結果(元素含量占比)

分析表2數據,測點3～測點7均為附著物表面的微小顆粒,結果中均含有碳元素和銅元素,且碳元素占比超過88.80%,最高達到98.22%,銅元素含量占比僅為1.48%～3.42%,其中測點3和測點5均檢測到氧含量。測點8為圓柱斷面,只檢測到碳和氧元素。

對濾芯附著物開展元素分布掃描,見圖4,該區域物質主要含有碳、氧和銅元素,且元素分布較為均勻。

圖4 濾芯附著物元素分布圖

濾芯纖維的EDS結果見圖5。在對濾芯纖維三個測點開展EDS檢測發現,其元素組成基本一致,都為碳和氧,結合附著物及纖維材料不導電特性,可初步判斷為有機物,濾芯外層附著物表面有微小顆粒,為銅化合物。

圖5 濾芯纖維EDS結果

2.3 PyGC/MS結果

對濾芯纖維和附著物開展PyGC/MS分析,結果如圖6所示。

(a)濾芯纖維PyGC/MS檢測結果

(b)附著物PyGC/MS檢測結果

根據質譜檢測結果可知,兩者熱裂解產物較為復雜,得到的小分子主要以不同長度的烯烴、烷烴為主,還有少量硅氧烷成分,硅氧烷可能為硅烷偶聯劑類物質[7-9]。從譜圖可以看到,兩者小分子產物的出峰時間基本吻合,濾芯纖維和附著物熱裂解產物中均檢測出聚丙烯相關特征產物,見表3,符合聚丙烯熱裂解產物特征。

表3 附著物PyGC/MS檢測結果

由于高聚物的分解產物種類繁多,表3中只列舉了聚丙烯的特征分解產物,未對所有產物進行列舉。將濾芯纖維和附著物熱裂解產物的出峰時間與聚丙烯熱裂解特征產物的保留時間比對,發現兩者時間基本吻合,同時纖維和附著物均檢測出聚丙烯的特征分解產物,可以初步判斷兩者材料均為聚丙烯。

2.4 IR結果

對濾芯和附著物開展傅里葉IR,結果見圖7所示。

(a)濾芯纖維紅外譜圖

(b)附著物紅外譜圖

從圖7可以看出,濾芯附著物及濾芯纖維的出峰波長基本一致,且與譜圖庫中標準物質譜圖比對,兩者與聚丙烯標準譜圖相似度分別為87.42%和88.57%。

聚丙烯(-[CH2-CH(CH3)]n-)為線型結構,約1 450 cm-1波數處的-CH2-存在彎曲振動;由于在主鏈上每隔一個碳原子有一個甲基側基(-CH3)存在,因此在約1 378 cm-1波數處存在很強的甲基彎曲振動譜帶。由于CH3和CH的伸縮振動與-CH2-的伸縮振動疊加在一起,出現了2 800～3 000 cm-1多重峰。聚丙烯紅外譜圖的另外一個主要特點是在972 cm-1和1 166 cm-1波數附近處出現的[CH2CH(CH3)]特征峰。均聚聚丙烯與無規聚丙烯的主要區別是,均聚聚丙烯除了以上5條譜帶外,在840 cm-1和997 cm-1等波數處還存在一系列與結晶有關的譜帶,而無規聚丙烯的非晶型結構導致不存在這些譜帶[10]。

聚丙烯老化會產生烷基自由基,其氧化生成氫過氧化物并進一步降解生成烷氧自由基,烷氧自由基結合聚合物鏈上的氫原子發生β斷裂,最后生成含有羰基基團的不同種類的產物,從而使聚丙烯基體發生降解。因此可利用IR聚丙烯的羰基含量來表征聚丙烯降解的程度,經紫外老化后的聚丙烯在1 713 cm-1處會出現明顯的吸收峰,圖7(a)中濾芯內部纖維在此波長的吸收峰面積較小,而圖7(b)濾芯表面附著物則出現了明顯的吸收峰,說明該濾芯受到紫外老化[11]。

3 討論

經過以上分析確定內冷水濾芯表面附著物材質為聚丙烯,與濾芯纖維材質一致,可推斷其為濾芯纖維老化產物,濾芯纖維老化產物上有少量銅氧化物附著,導致顏色呈淺綠色。

聚丙烯具有優異的機械、加工成型以及耐化學藥品性能[12],是一種性能優良的熱塑性合成樹脂,相較聚乙烯等材料,聚丙烯剛性、強度和耐熱性能更佳[13],因此在發電企業中作為過濾材料被廣泛使用。最常見的膜處理系統過濾器濾芯、精處理前置過濾器濾芯等都廣泛采用聚丙烯材質,型式以噴熔式、折疊式和線繞式為主。

聚丙烯材料性能較為穩定,但均聚聚丙烯的螺旋狀分子結構以及分子鏈上存在大量不穩定的叔碳結構,在紫外線和熱的作用下會發生老化分解[14-15]。研究表明其在無氧化性的酸、堿、鹽中是穩定的。在強氧化性介質中,聚丙烯發生氧化降解,會發生明顯的老化現象。在自然環境下,氧氣對聚丙烯的老化影響不大,紫外線和劇烈溫差變化是引起聚丙烯老化的主要因素,且光照作用更強。

在發電企業中,聚丙烯濾芯的使用環境基本都為避光環境下的pH值為7～10的弱堿性水中。內冷水系統內也不添加氧化性物質,運行溫度約60 ℃,因此不存在運行期間導致聚丙烯濾芯老化的條件。結合濾芯理化分析結果,判斷此次濾芯表面異常是由于使用前保存不當(光照)或產品質量不佳,在安裝至系統前已經發生老化。

4 結論

通過對濾芯及附著物表面進行SEM、EDS、PyGC/MS和IR,研究分析得到如下結論:

(1)內冷水系統濾芯纖維和濾芯附著物都為聚丙烯,附著物為濾芯纖維老化產物;濾芯表面附著物銅化合物僅占比1.48%～3.42%,導致顏色呈淺綠色。

(2)鑒于內冷水系統不存在導致聚丙烯老化的特殊條件,判斷此次使用濾芯由于紫外線照射或產品質量等原因,在安裝至系統前已經發生老化。

建議:

(1)機組運行期間應定期或結合機組檢修對內冷水過濾器濾芯進行檢查,如發現濾芯材質有老化現象,應立即更換。

(2)建議從正規渠道采購品牌濾芯,防止因產品質量不佳導致濾芯材料快速老化。

(3)備品應在常溫條件下避光存放,防止因保存不當導致材料老化。