“双碳”背景下F级燃机热通道部件的维修关键技术自主化研究

谢 凡，王建梁，周 晔

（华瑞（江苏）燃机服务有限公司，江苏 南通 226333）

0 引言

国家“双碳”战略的提出，对高效能源转换方式提出了清晰的发展目标，建立高效、低碳安全的现代化能源体系是实现战略目标的关键核心，而重型燃机是保证电网系统调节安全、实现以新能源为主体的新型电力系统的重要基石。掌握重型燃机产业结构中设计、制造和运维各环节中的关键技术是实现高效、低碳能源体系的重要支撑。2001年，从国家发改委发布《燃气轮机产业发展和技术引进工作实施意见》开始，我国开启了艰难的重型燃机国产化之路。2011年，国家“十三五”期间设立了《航空发动机和燃气轮机两机重大专项攻关》，到“十四五”末，中国初步建立了燃气轮机自主创新的研究基础、产品技术研发和产业体系。经过近20年的自主化发展，已经掌握小型燃机的国产化自主设计制造和试运，但是重型燃机的整机设计、核心部件的设计制造、核心部件的维护修理技术仍然在国产自主化之路上艰难前行。重型燃机的维护修理是燃机产业体系中的重要一环，2019年，华电电力科学研究院有限公司联合华瑞燃机主导承担了国家能源局批复的《第一批燃气轮机创新发展示范项目》中燃气轮机监测诊断及运维服务技术中心建设的示范项目，合力攻关重型燃机运维国产化的关键核心技术，加快推进燃机国产化产业体系建设。本文将重点介绍F级重型燃机热通道部件维修关键技术的自主化研发、维修技术工艺标准等。

1 重型燃机维修服务现状

1.1 原始设备制造商维修

国内燃机服务市场多年来一直被通用电气公司（即美国通用电气公司GE）、西门子和三菱等原始设备制造商OEM（original equipment manufacturer）垄断，大多数燃机企业通过与OEM签订各种类型的服务合同来保障机组的生产运营[1-2]，燃机发电企业与OEM签订检修维护合同中，检修范围、检修周期的确定，以及故障诊断、备件提供等，严重依赖于OEM，造成检修维护费用高昂。OEM各自都采用成熟的燃机检修标准体系，日本三菱公司引入了“等效运行小时数”EOH的概念[3]。西门子提出反映燃机运行健康状况的等效运行小时计算公式，由启动次数、快速加载次数、快速温度变化次数、基本负荷运行小时数、基本负荷至尖峰负荷运行小时数及燃料加权影响因子修正计算得出[4]。GE公司的燃机检修周期也采用类似的判断体系，以累计运行小时和累计启动次数为基准，通过各种偏离理想运行条件的维修修正系数，来确定维修周期[5]。

1.2 第三方服务商维修

国内燃机服务市场的结构和国外有所不同，基本由主机生产厂商OEM所控制，独立的燃气轮机服务商几乎不存在。但就全球来说，OEM提供的服务占57%，独立燃气轮机服务提供商的市场份额占43%，两者之间的市场份额结构差异说明中国市场并没有像国外一样有着充分的竞争。为了打破国内燃机服务市场的垄断结构，促进燃机部件修理和制造的国产化能力建设，2012年开始，华电江苏公司经集团公司同意后开始在全球寻找合作伙伴，先后与多家公司开展合作洽谈，2014年3月，与苏尔寿公司签署了合资合同。

1.3 华瑞燃机维修技术研发与应用

2014年，华瑞（江苏）燃机服务有限公司成立，由中国华电集团（控股51%）与瑞士苏尔寿集团共同出资，主要为国内的工业燃气轮机（航改机除外）提供现场服务、热通道部件修理、新件制造与供应以及燃机技术的升级改造、咨询支持等服务，同时也为中国华电集团公司在境外的燃气轮机提供服务。

通过苏尔寿的修理技术转移、消化吸收，人才的培养，配置全套设备设施，开展本地化的工艺认证，并结合修理实际自主创新优化工艺、设计制作专用工装夹具、开发喷涂工艺参数并编制喷涂程序，成功地形成了9E燃机热通道部件修理技术能力并于2016年底首次在吴江热电的部件修理项目实施应用，随后又陆续在武昌热电、天津福源、东莞中电、南山热电等集团内外客户实施应用。

9E燃机热通道修理工艺体系的形成和应用，是华瑞燃机成立以来首个重点机型全套热通道部件本地化修理能力的形成，结合市场需求，在6B、V94.2等机型扎实开展了修理技术服务能力的形成与应用，为F级燃气轮机热通道部件自主修理技术体系的形成打下了坚实的基础。

1.3.1 燃机现场检修能力

燃气轮机热通道部件的检修分别在燃烧室检修（C检）、透平检修（T检）和大修（M检）进行[6]。其中C检包括检修燃烧室部件及相关组件；T检主要进行的是透平部分的检修，包括C检的部件；M检是指将燃机转子吊出后对所有部件进行检修。

华瑞燃机以现场检修项目为依托，通过与苏尔寿团队的合作，国内TA和专业技术团队的建立，在项目实践的基础上吸收形成了涵盖主流机型的现场检修技术规范，并首次在国内自主开展了9E扩大型中修、V94.2中修、9FA大修等重大检修作业，同时在AE94.2、701F、6FA、9FB等多个机型开展检修服务业务，累计实施内窥镜检查20余次、小修20余次、中修6次、大修1次，其他临时性检修12次。通过大量现场检修服务项目的实施，进一步促进了华瑞公司优化大中小修技术工艺规范、形成专业可靠的现场服务技术团队。

1.3.2 燃机热通道部件供应及制造

公司成立初期依托苏尔寿集团，实现了E、F燃机的热通道基本部件及检修耗材的替代供应。通过逆向设计、优化改进和国内供应商的联合开发，华瑞公司主导完成了130 MW级燃机部分透平部件的优化设计和本地化的铸锻造、机械加工（含冷却通路）、涂层和热处理作业。

2 F级燃机热通道部件修理技术研发

2.1 技术转化与吸收

在E级燃机热通道部件修理技术体系、实践经验和F级相关技术转移文件基础上，开展F级热通道部件的修理技术文件消化吸收和自主化改进工作，形成了F级燃机全套修理技术工艺规范文件。

2.2 燃机热通道部件预处理与损伤评估技术研究

a）采样燃机损伤部件进行现场检测和分析，基于燃机损伤部件的金相组织对比分析获取燃机材料在不同时间的演变规律，探测燃机损伤部件的结构损伤位置分布和损伤模式。

b）实施涂层去除工艺研究，去除损伤部件的表面涂层，试验研究介质材质、时间参数等对去除效果的影响，并对部件的材料表面进行表征和测试，研究燃机部件损伤前后材料特性的变化。

c）通过对热通道部件的再热处理试验，结合高温材料损伤规律和机理，建立燃机部件在极端环境下的损伤评价机制，为基材修复提供指导。

d）通过微观组织分析与宏观目视、尺寸结构、无损检测相结合的方式，对热通道部件失效情况和缺陷分布进行检测分析。热通道部件的损坏，通常是由多种因素共同作用的结果，损坏的现象也可能是综合了金属材料的多种损坏形式。

2.3 燃机热通道部件基材修复研究

对损伤的母体材料进行基材修复，并对修复部位进行必要处理和热处理，测试增材部分与母体材料的界面结合强度。考虑基材修复过程中的功率、路径、速度等工艺参数影响下增材部分表面形貌，研究其微观结构与强度之间的关系，进而揭示工艺参数对基材修复强度及微观构型的影响规律，改进、优化修复方案，获取优化修复工艺。

2.4 涂层制备与综合性能表征研究

利用物理学、材料学、电化学等基础理论知识，研究超音速和等离子喷涂功率、材料配比、喷涂时间、环境等对涂层性能的影响规律，获得评价参数，编制相应的程序在燃机部件材料表面制备一系列不同性能的热障涂层。

2.5 燃机热通道部件动平衡试验研究

根据静态不平衡力矩对单个叶片进行测量和排序，可以大大简化转子的平衡工作，在转子盘中以补偿不平衡的方式装配，从而使装配近似平衡。本项目化繁为简，撇开其他因素，利用理论力矩平衡公式，通过设计工装转换计算公式的参数而达到高效的力矩平衡检测，通过称重转换力矩的方式，完成线下刚性转子平衡。

2.6 燃机热通道部件修理工艺认证

基于技术转化文件和重点关键工艺的研究开发，以部件为单位开展修理工艺首件工艺认证，结合实际对工艺流程进行优化，调整设备工艺参数，打通修理工艺路线，形成F级热通道部件的修理能力。

3 热通道部件修理关键技术

3.1 损伤评估技术

燃机热通道高温部件的热障涂层由陶瓷层和黏结层组成，隔热层通常采用钇锆一元氧化物YSZ陶瓷材质；陶瓷层与母材基层之间是黏结层，黏结层主要材料为MCrAlY，Ni+Co合金具备抗氧化和腐蚀能力，Al元素在高温下可以形成Al2O3，提高抗氧化性能，Cr元素高温下氧化为Cr2O3，可提高黏结层的抗腐蚀性能，Ni元素可以提高固溶强化，Y元素可以细化晶粒提高材料微观晶体间结合力，黏结层主要晶体结构为γ相（Ni+Co固溶体）和β相（NiAl）金属化合物[7]。热通道高温部件的失效和损伤主要由冲蚀、烧结氧化和腐蚀3种方式引起[8]，涂层的失效形式主要是涂层厚度减薄、涂层局部剥落和热生长氧化层TGO（thermal growth oxidation）损伤。国外早期主要采用涡流和超声等无损检测技术对陶瓷层的厚度和孔隙率进行检测[9]，对于TGO厚度主要采用电化学阻抗光谱EIS（electrochemical impedance spectroscopy）检测[10]，热疲劳损伤定性评价主要采用Raman光谱和X射线衍射技术，美国TWI（thermal wave imaging）公司开发的thermascope主动红外热像检测产品已经在国外的航空发动机和重型燃机检修中得到了应用。

3.2 失效涂层的剥离和清洗技术

失效的热通道高温部件涂层修复分为两类，自修复涂层材料应用和涂层修复再制造。自修复涂层材料是应用材料在涂层产生裂纹或晶相缺陷时，利用材料氧化产生移动相，填充晶界裂纹，修复提高材料机械性能。当涂层失效破损超过临界厚度或难以通过原涂层修复时，需要对原涂层进行剥离去除，通过等离子喷涂或电子束物理气相沉积方法进行新的涂层制备。国外燃机检修主要采用喷砂法、高压水射流法和卤气反应法等技术[11]，现阶段开始采用熔融碱法和激光烧蚀清洗技术，结合湿吹砂处理工艺实现陶瓷层的剥离。

3.3 热部件涂层工艺的开发与认证

热通道部件的涂层制备工艺方法主要有低压等离子喷涂LPPS、超音速火焰喷涂HVOF、电子束物理气相沉积EB-PVD、等离子强化化学气相沉积PE-CVD[12]。目前，热通道部件的陶瓷涂层制备主要采用等离子喷涂和电子束物理气相沉积，黏结层主要采用等离子喷涂、超声速火焰喷涂和电子束物理气相沉积。F级重型燃机的MCrAlY黏结层主要采用LPPS制备，涂层虽然致密性高、抗氧化性好，但是成本较高，目前主要在透平一级静叶的黏结层采用HVOF制备；黏结层采用双层结构，内层靠近基体侧氧化后形成致密晶格，外层形成粗糙的表面提高与陶瓷层结合程度。热通道透平一级动叶陶瓷层主要成分为8YSZ，采用APS或EB-PVD涂层制备工艺方法。

热通道部件苛刻的运行环境对热障涂层的性能质量要求极高，必须通过调整喷涂轨迹、喷涂参数、喷涂工艺才能解决界面污染、氧化物不合格、孔隙率过高、显微裂纹、宏观裂纹、表面颗粒等各种工艺难点[13-15]，保证喷涂精度和重复性。

4 结论

华瑞燃机在重型燃机维修关键技术自主化过程中，形成自主修理工艺标准和修理技术能力，为高效、低碳能源结构中的重型燃机产业技术体系做出了重要贡献。一是建立起燃气轮机热通道部件修理生产线，创建了非原始设备制造商的修理工艺，形成重型燃气轮机热通道部件全流程的修理技术能力；二是创建了完整的E、F级重型燃气轮机热通道部件非OEM的检修标准，具备了燃机热通道部件的检查判定能力；三是在工艺研究开发、首件认证的基础上实施量产作业，实现了F级全套热通道部件的首次国产化修理。随着国际形势的变化，华瑞燃机将持续开展修理、检测技术升级，重点突破零部件国产化制造的难题。