“雙碳”背景下F級(jí)燃機(jī)熱通道部件的維修關(guān)鍵技術(shù)自主化研究

謝 凡，王建梁，周 曄

（華瑞（江蘇）燃機(jī)服務(wù)有限公司，江蘇 南通 226333）

0 引言

國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略的提出，對(duì)高效能源轉(zhuǎn)換方式提出了清晰的發(fā)展目標(biāo)，建立高效、低碳安全的現(xiàn)代化能源體系是實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略目標(biāo)的關(guān)鍵核心，而重型燃機(jī)是保證電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)安全、實(shí)現(xiàn)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的重要基石。掌握重型燃機(jī)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)維各環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高效、低碳能源體系的重要支撐。2001年，從國(guó)家發(fā)改委發(fā)布《燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和技術(shù)引進(jìn)工作實(shí)施意見(jiàn)》開(kāi)始，我國(guó)開(kāi)啟了艱難的重型燃機(jī)國(guó)產(chǎn)化之路。2011年，國(guó)家“十三五”期間設(shè)立了《航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)兩機(jī)重大專項(xiàng)攻關(guān)》，到“十四五”末，中國(guó)初步建立了燃?xì)廨啓C(jī)自主創(chuàng)新的研究基礎(chǔ)、產(chǎn)品技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)體系。經(jīng)過(guò)近20年的自主化發(fā)展，已經(jīng)掌握小型燃機(jī)的國(guó)產(chǎn)化自主設(shè)計(jì)制造和試運(yùn)，但是重型燃機(jī)的整機(jī)設(shè)計(jì)、核心部件的設(shè)計(jì)制造、核心部件的維護(hù)修理技術(shù)仍然在國(guó)產(chǎn)自主化之路上艱難前行。重型燃機(jī)的維護(hù)修理是燃機(jī)產(chǎn)業(yè)體系中的重要一環(huán)，2019年，華電電力科學(xué)研究院有限公司聯(lián)合華瑞燃機(jī)主導(dǎo)承擔(dān)了國(guó)家能源局批復(fù)的《第一批燃?xì)廨啓C(jī)創(chuàng)新發(fā)展示范項(xiàng)目》中燃?xì)廨啓C(jī)監(jiān)測(cè)診斷及運(yùn)維服務(wù)技術(shù)中心建設(shè)的示范項(xiàng)目，合力攻關(guān)重型燃機(jī)運(yùn)維國(guó)產(chǎn)化的關(guān)鍵核心技術(shù)，加快推進(jìn)燃機(jī)國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)業(yè)體系建設(shè)。本文將重點(diǎn)介紹F級(jí)重型燃機(jī)熱通道部件維修關(guān)鍵技術(shù)的自主化研發(fā)、維修技術(shù)工藝標(biāo)準(zhǔn)等。

1 重型燃機(jī)維修服務(wù)現(xiàn)狀

1.1 原始設(shè)備制造商維修

國(guó)內(nèi)燃機(jī)服務(wù)市場(chǎng)多年來(lái)一直被通用電氣公司（即美國(guó)通用電氣公司GE）、西門子和三菱等原始設(shè)備制造商OEM（original equipment manufacturer）壟斷，大多數(shù)燃機(jī)企業(yè)通過(guò)與OEM簽訂各種類型的服務(wù)合同來(lái)保障機(jī)組的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)[1-2]，燃機(jī)發(fā)電企業(yè)與OEM簽訂檢修維護(hù)合同中，檢修范圍、檢修周期的確定，以及故障診斷、備件提供等，嚴(yán)重依賴于OEM，造成檢修維護(hù)費(fèi)用高昂。OEM各自都采用成熟的燃機(jī)檢修標(biāo)準(zhǔn)體系，日本三菱公司引入了“等效運(yùn)行小時(shí)數(shù)”EOH的概念[3]。西門子提出反映燃機(jī)運(yùn)行健康狀況的等效運(yùn)行小時(shí)計(jì)算公式，由啟動(dòng)次數(shù)、快速加載次數(shù)、快速溫度變化次數(shù)、基本負(fù)荷運(yùn)行小時(shí)數(shù)、基本負(fù)荷至尖峰負(fù)荷運(yùn)行小時(shí)數(shù)及燃料加權(quán)影響因子修正計(jì)算得出[4]。GE公司的燃機(jī)檢修周期也采用類似的判斷體系，以累計(jì)運(yùn)行小時(shí)和累計(jì)啟動(dòng)次數(shù)為基準(zhǔn)，通過(guò)各種偏離理想運(yùn)行條件的維修修正系數(shù)，來(lái)確定維修周期[5]。

1.2 第三方服務(wù)商維修

國(guó)內(nèi)燃機(jī)服務(wù)市場(chǎng)的結(jié)構(gòu)和國(guó)外有所不同，基本由主機(jī)生產(chǎn)廠商OEM所控制，獨(dú)立的燃?xì)廨啓C(jī)服務(wù)商幾乎不存在。但就全球來(lái)說(shuō)，OEM提供的服務(wù)占57%，獨(dú)立燃?xì)廨啓C(jī)服務(wù)提供商的市場(chǎng)份額占43%，兩者之間的市場(chǎng)份額結(jié)構(gòu)差異說(shuō)明中國(guó)市場(chǎng)并沒(méi)有像國(guó)外一樣有著充分的競(jìng)爭(zhēng)。為了打破國(guó)內(nèi)燃機(jī)服務(wù)市場(chǎng)的壟斷結(jié)構(gòu)，促進(jìn)燃機(jī)部件修理和制造的國(guó)產(chǎn)化能力建設(shè)，2012年開(kāi)始，華電江蘇公司經(jīng)集團(tuán)公司同意后開(kāi)始在全球?qū)ふ液献骰锇?，先后與多家公司開(kāi)展合作洽談，2014年3月，與蘇爾壽公司簽署了合資合同。

1.3 華瑞燃機(jī)維修技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用

2014年，華瑞（江蘇）燃機(jī)服務(wù)有限公司成立，由中國(guó)華電集團(tuán)（控股51%）與瑞士蘇爾壽集團(tuán)共同出資，主要為國(guó)內(nèi)的工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)（航改機(jī)除外）提供現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)、熱通道部件修理、新件制造與供應(yīng)以及燃機(jī)技術(shù)的升級(jí)改造、咨詢支持等服務(wù)，同時(shí)也為中國(guó)華電集團(tuán)公司在境外的燃?xì)廨啓C(jī)提供服務(wù)。

通過(guò)蘇爾壽的修理技術(shù)轉(zhuǎn)移、消化吸收，人才的培養(yǎng)，配置全套設(shè)備設(shè)施，開(kāi)展本地化的工藝認(rèn)證，并結(jié)合修理實(shí)際自主創(chuàng)新優(yōu)化工藝、設(shè)計(jì)制作專用工裝夾具、開(kāi)發(fā)噴涂工藝參數(shù)并編制噴涂程序，成功地形成了9E燃機(jī)熱通道部件修理技術(shù)能力并于2016年底首次在吳江熱電的部件修理項(xiàng)目實(shí)施應(yīng)用，隨后又陸續(xù)在武昌熱電、天津福源、東莞中電、南山熱電等集團(tuán)內(nèi)外客戶實(shí)施應(yīng)用。

9E燃機(jī)熱通道修理工藝體系的形成和應(yīng)用，是華瑞燃機(jī)成立以來(lái)首個(gè)重點(diǎn)機(jī)型全套熱通道部件本地化修理能力的形成，結(jié)合市場(chǎng)需求，在6B、V94.2等機(jī)型扎實(shí)開(kāi)展了修理技術(shù)服務(wù)能力的形成與應(yīng)用，為F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)熱通道部件自主修理技術(shù)體系的形成打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.3.1 燃機(jī)現(xiàn)場(chǎng)檢修能力

燃?xì)廨啓C(jī)熱通道部件的檢修分別在燃燒室檢修（C檢）、透平檢修（T檢）和大修（M檢）進(jìn)行[6]。其中C檢包括檢修燃燒室部件及相關(guān)組件；T檢主要進(jìn)行的是透平部分的檢修，包括C檢的部件；M檢是指將燃機(jī)轉(zhuǎn)子吊出后對(duì)所有部件進(jìn)行檢修。

華瑞燃機(jī)以現(xiàn)場(chǎng)檢修項(xiàng)目為依托，通過(guò)與蘇爾壽團(tuán)隊(duì)的合作，國(guó)內(nèi)TA和專業(yè)技術(shù)團(tuán)隊(duì)的建立，在項(xiàng)目實(shí)踐的基礎(chǔ)上吸收形成了涵蓋主流機(jī)型的現(xiàn)場(chǎng)檢修技術(shù)規(guī)范，并首次在國(guó)內(nèi)自主開(kāi)展了9E擴(kuò)大型中修、V94.2中修、9FA大修等重大檢修作業(yè)，同時(shí)在AE94.2、701F、6FA、9FB等多個(gè)機(jī)型開(kāi)展檢修服務(wù)業(yè)務(wù)，累計(jì)實(shí)施內(nèi)窺鏡檢查20余次、小修20余次、中修6次、大修1次，其他臨時(shí)性檢修12次。通過(guò)大量現(xiàn)場(chǎng)檢修服務(wù)項(xiàng)目的實(shí)施，進(jìn)一步促進(jìn)了華瑞公司優(yōu)化大中小修技術(shù)工藝規(guī)范、形成專業(yè)可靠的現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)技術(shù)團(tuán)隊(duì)。

1.3.2 燃機(jī)熱通道部件供應(yīng)及制造

公司成立初期依托蘇爾壽集團(tuán)，實(shí)現(xiàn)了E、F燃機(jī)的熱通道基本部件及檢修耗材的替代供應(yīng)。通過(guò)逆向設(shè)計(jì)、優(yōu)化改進(jìn)和國(guó)內(nèi)供應(yīng)商的聯(lián)合開(kāi)發(fā)，華瑞公司主導(dǎo)完成了130 MW級(jí)燃機(jī)部分透平部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)和本地化的鑄鍛造、機(jī)械加工（含冷卻通路）、涂層和熱處理作業(yè)。

2 F級(jí)燃機(jī)熱通道部件修理技術(shù)研發(fā)

2.1 技術(shù)轉(zhuǎn)化與吸收

在E級(jí)燃機(jī)熱通道部件修理技術(shù)體系、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和F級(jí)相關(guān)技術(shù)轉(zhuǎn)移文件基礎(chǔ)上，開(kāi)展F級(jí)熱通道部件的修理技術(shù)文件消化吸收和自主化改進(jìn)工作，形成了F級(jí)燃機(jī)全套修理技術(shù)工藝規(guī)范文件。

2.2 燃機(jī)熱通道部件預(yù)處理與損傷評(píng)估技術(shù)研究

a）采樣燃機(jī)損傷部件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和分析，基于燃機(jī)損傷部件的金相組織對(duì)比分析獲取燃機(jī)材料在不同時(shí)間的演變規(guī)律，探測(cè)燃機(jī)損傷部件的結(jié)構(gòu)損傷位置分布和損傷模式。

b）實(shí)施涂層去除工藝研究，去除損傷部件的表面涂層，試驗(yàn)研究介質(zhì)材質(zhì)、時(shí)間參數(shù)等對(duì)去除效果的影響，并對(duì)部件的材料表面進(jìn)行表征和測(cè)試，研究燃機(jī)部件損傷前后材料特性的變化。

c）通過(guò)對(duì)熱通道部件的再熱處理試驗(yàn)，結(jié)合高溫材料損傷規(guī)律和機(jī)理，建立燃機(jī)部件在極端環(huán)境下的損傷評(píng)價(jià)機(jī)制，為基材修復(fù)提供指導(dǎo)。

d）通過(guò)微觀組織分析與宏觀目視、尺寸結(jié)構(gòu)、無(wú)損檢測(cè)相結(jié)合的方式，對(duì)熱通道部件失效情況和缺陷分布進(jìn)行檢測(cè)分析。熱通道部件的損壞，通常是由多種因素共同作用的結(jié)果，損壞的現(xiàn)象也可能是綜合了金屬材料的多種損壞形式。

2.3 燃機(jī)熱通道部件基材修復(fù)研究

對(duì)損傷的母體材料進(jìn)行基材修復(fù)，并對(duì)修復(fù)部位進(jìn)行必要處理和熱處理，測(cè)試增材部分與母體材料的界面結(jié)合強(qiáng)度?？紤]基材修復(fù)過(guò)程中的功率、路徑、速度等工藝參數(shù)影響下增材部分表面形貌，研究其微觀結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度之間的關(guān)系，進(jìn)而揭示工藝參數(shù)對(duì)基材修復(fù)強(qiáng)度及微觀構(gòu)型的影響規(guī)律，改進(jìn)、優(yōu)化修復(fù)方案，獲取優(yōu)化修復(fù)工藝。

2.4 涂層制備與綜合性能表征研究

利用物理學(xué)、材料學(xué)、電化學(xué)等基礎(chǔ)理論知識(shí)，研究超音速和等離子噴涂功率、材料配比、噴涂時(shí)間、環(huán)境等對(duì)涂層性能的影響規(guī)律，獲得評(píng)價(jià)參數(shù)，編制相應(yīng)的程序在燃機(jī)部件材料表面制備一系列不同性能的熱障涂層。

2.5 燃機(jī)熱通道部件動(dòng)平衡試驗(yàn)研究

根據(jù)靜態(tài)不平衡力矩對(duì)單個(gè)葉片進(jìn)行測(cè)量和排序，可以大大簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)子的平衡工作，在轉(zhuǎn)子盤中以補(bǔ)償不平衡的方式裝配，從而使裝配近似平衡。本項(xiàng)目化繁為簡(jiǎn)，撇開(kāi)其他因素，利用理論力矩平衡公式，通過(guò)設(shè)計(jì)工裝轉(zhuǎn)換計(jì)算公式的參數(shù)而達(dá)到高效的力矩平衡檢測(cè)，通過(guò)稱重轉(zhuǎn)換力矩的方式，完成線下剛性轉(zhuǎn)子平衡。

2.6 燃機(jī)熱通道部件修理工藝認(rèn)證

基于技術(shù)轉(zhuǎn)化文件和重點(diǎn)關(guān)鍵工藝的研究開(kāi)發(fā)，以部件為單位開(kāi)展修理工藝首件工藝認(rèn)證，結(jié)合實(shí)際對(duì)工藝流程進(jìn)行優(yōu)化，調(diào)整設(shè)備工藝參數(shù)，打通修理工藝路線，形成F級(jí)熱通道部件的修理能力。

3 熱通道部件修理關(guān)鍵技術(shù)

3.1 損傷評(píng)估技術(shù)

燃機(jī)熱通道高溫部件的熱障涂層由陶瓷層和黏結(jié)層組成，隔熱層通常采用釔鋯一元氧化物YSZ陶瓷材質(zhì)；陶瓷層與母材基層之間是黏結(jié)層，黏結(jié)層主要材料為MCrAlY，Ni+Co合金具備抗氧化和腐蝕能力，Al元素在高溫下可以形成Al2O3，提高抗氧化性能，Cr元素高溫下氧化為Cr2O3，可提高黏結(jié)層的抗腐蝕性能，Ni元素可以提高固溶強(qiáng)化，Y元素可以細(xì)化晶粒提高材料微觀晶體間結(jié)合力，黏結(jié)層主要晶體結(jié)構(gòu)為γ相（Ni+Co固溶體）和β相（NiAl）金屬化合物[7]。熱通道高溫部件的失效和損傷主要由沖蝕、燒結(jié)氧化和腐蝕3種方式引起[8]，涂層的失效形式主要是涂層厚度減薄、涂層局部剝落和熱生長(zhǎng)氧化層TGO（thermal growth oxidation）損傷。國(guó)外早期主要采用渦流和超聲等無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)陶瓷層的厚度和孔隙率進(jìn)行檢測(cè)[9]，對(duì)于TGO厚度主要采用電化學(xué)阻抗光譜EIS（electrochemical impedance spectroscopy）檢測(cè)[10]，熱疲勞損傷定性評(píng)價(jià)主要采用Raman光譜和X射線衍射技術(shù)，美國(guó)TWI（thermal wave imaging）公司開(kāi)發(fā)的thermascope主動(dòng)紅外熱像檢測(cè)產(chǎn)品已經(jīng)在國(guó)外的航空發(fā)動(dòng)機(jī)和重型燃機(jī)檢修中得到了應(yīng)用。

3.2 失效涂層的剝離和清洗技術(shù)

失效的熱通道高溫部件涂層修復(fù)分為兩類，自修復(fù)涂層材料應(yīng)用和涂層修復(fù)再制造。自修復(fù)涂層材料是應(yīng)用材料在涂層產(chǎn)生裂紋或晶相缺陷時(shí)，利用材料氧化產(chǎn)生移動(dòng)相，填充晶界裂紋，修復(fù)提高材料機(jī)械性能。當(dāng)涂層失效破損超過(guò)臨界厚度或難以通過(guò)原涂層修復(fù)時(shí)，需要對(duì)原涂層進(jìn)行剝離去除，通過(guò)等離子噴涂或電子束物理氣相沉積方法進(jìn)行新的涂層制備。國(guó)外燃機(jī)檢修主要采用噴砂法、高壓水射流法和鹵氣反應(yīng)法等技術(shù)[11]，現(xiàn)階段開(kāi)始采用熔融堿法和激光燒蝕清洗技術(shù)，結(jié)合濕吹砂處理工藝實(shí)現(xiàn)陶瓷層的剝離。

3.3 熱部件涂層工藝的開(kāi)發(fā)與認(rèn)證

熱通道部件的涂層制備工藝方法主要有低壓等離子噴涂LPPS、超音速火焰噴涂HVOF、電子束物理氣相沉積EB-PVD、等離子強(qiáng)化化學(xué)氣相沉積PE-CVD[12]。目前，熱通道部件的陶瓷涂層制備主要采用等離子噴涂和電子束物理氣相沉積，黏結(jié)層主要采用等離子噴涂、超聲速火焰噴涂和電子束物理氣相沉積。F級(jí)重型燃機(jī)的MCrAlY黏結(jié)層主要采用LPPS制備，涂層雖然致密性高、抗氧化性好，但是成本較高，目前主要在透平一級(jí)靜葉的黏結(jié)層采用HVOF制備；黏結(jié)層采用雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層靠近基體側(cè)氧化后形成致密晶格，外層形成粗糙的表面提高與陶瓷層結(jié)合程度。熱通道透平一級(jí)動(dòng)葉陶瓷層主要成分為8YSZ，采用APS或EB-PVD涂層制備工藝方法。

熱通道部件苛刻的運(yùn)行環(huán)境對(duì)熱障涂層的性能質(zhì)量要求極高，必須通過(guò)調(diào)整噴涂軌跡、噴涂參數(shù)、噴涂工藝才能解決界面污染、氧化物不合格、孔隙率過(guò)高、顯微裂紋、宏觀裂紋、表面顆粒等各種工藝難點(diǎn)[13-15]，保證噴涂精度和重復(fù)性。

4 結(jié)論

華瑞燃機(jī)在重型燃機(jī)維修關(guān)鍵技術(shù)自主化過(guò)程中，形成自主修理工藝標(biāo)準(zhǔn)和修理技術(shù)能力，為高效、低碳能源結(jié)構(gòu)中的重型燃機(jī)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系做出了重要貢獻(xiàn)。一是建立起燃?xì)廨啓C(jī)熱通道部件修理生產(chǎn)線，創(chuàng)建了非原始設(shè)備制造商的修理工藝，形成重型燃?xì)廨啓C(jī)熱通道部件全流程的修理技術(shù)能力；二是創(chuàng)建了完整的E、F級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)熱通道部件非OEM的檢修標(biāo)準(zhǔn)，具備了燃機(jī)熱通道部件的檢查判定能力；三是在工藝研究開(kāi)發(fā)、首件認(rèn)證的基礎(chǔ)上實(shí)施量產(chǎn)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了F級(jí)全套熱通道部件的首次國(guó)產(chǎn)化修理。隨著國(guó)際形勢(shì)的變化，華瑞燃機(jī)將持續(xù)開(kāi)展修理、檢測(cè)技術(shù)升級(jí)，重點(diǎn)突破零部件國(guó)產(chǎn)化制造的難題。