謝 凡，王建梁，周 曄

（華瑞（江蘇）燃機服務有限公司，江蘇 南通 226333）

0 引言

國家“雙碳”戰(zhàn)略的提出，對高效能源轉換方式提出了清晰的發(fā)展目標，建立高效、低碳安全的現(xiàn)代化能源體系是實現(xiàn)戰(zhàn)略目標的關鍵核心，而重型燃機是保證電網(wǎng)系統(tǒng)調節(jié)安全、實現(xiàn)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的重要基石。掌握重型燃機產(chǎn)業(yè)結構中設計、制造和運維各環(huán)節(jié)中的關鍵技術是實現(xiàn)高效、低碳能源體系的重要支撐。2001年，從國家發(fā)改委發(fā)布《燃氣輪機產(chǎn)業(yè)發(fā)展和技術引進工作實施意見》開始，我國開啟了艱難的重型燃機國產(chǎn)化之路。2011年，國家“十三五”期間設立了《航空發(fā)動機和燃氣輪機兩機重大專項攻關》，到“十四五”末，中國初步建立了燃氣輪機自主創(chuàng)新的研究基礎、產(chǎn)品技術研發(fā)和產(chǎn)業(yè)體系。經(jīng)過近20年的自主化發(fā)展，已經(jīng)掌握小型燃機的國產(chǎn)化自主設計制造和試運，但是重型燃機的整機設計、核心部件的設計制造、核心部件的維護修理技術仍然在國產(chǎn)自主化之路上艱難前行。重型燃機的維護修理是燃機產(chǎn)業(yè)體系中的重要一環(huán)，2019年，華電電力科學研究院有限公司聯(lián)合華瑞燃機主導承擔了國家能源局批復的《第一批燃氣輪機創(chuàng)新發(fā)展示范項目》中燃氣輪機監(jiān)測診斷及運維服務技術中心建設的示范項目，合力攻關重型燃機運維國產(chǎn)化的關鍵核心技術，加快推進燃機國產(chǎn)化產(chǎn)業(yè)體系建設。本文將重點介紹F級重型燃機熱通道部件維修關鍵技術的自主化研發(fā)、維修技術工藝標準等。

1 重型燃機維修服務現(xiàn)狀

1.1 原始設備制造商維修

國內燃機服務市場多年來一直被通用電氣公司（即美國通用電氣公司GE）、西門子和三菱等原始設備制造商OEM（original equipment manufacturer）壟斷，大多數(shù)燃機企業(yè)通過與OEM簽訂各種類型的服務合同來保障機組的生產(chǎn)運營[1-2]，燃機發(fā)電企業(yè)與OEM簽訂檢修維護合同中，檢修范圍、檢修周期的確定，以及故障診斷、備件提供等，嚴重依賴于OEM，造成檢修維護費用高昂。OEM各自都采用成熟的燃機檢修標準體系，日本三菱公司引入了“等效運行小時數(shù)”EOH的概念[3]。西門子提出反映燃機運行健康狀況的等效運行小時計算公式，由啟動次數(shù)、快速加載次數(shù)、快速溫度變化次數(shù)、基本負荷運行小時數(shù)、基本負荷至尖峰負荷運行小時數(shù)及燃料加權影響因子修正計算得出[4]。GE公司的燃機檢修周期也采用類似的判斷體系，以累計運行小時和累計啟動次數(shù)為基準，通過各種偏離理想運行條件的維修修正系數(shù)，來確定維修周期[5]。

1.2 第三方服務商維修

國內燃機服務市場的結構和國外有所不同，基本由主機生產(chǎn)廠商OEM所控制，獨立的燃氣輪機服務商幾乎不存在。但就全球來說，OEM提供的服務占57%，獨立燃氣輪機服務提供商的市場份額占43%，兩者之間的市場份額結構差異說明中國市場并沒有像國外一樣有著充分的競爭。為了打破國內燃機服務市場的壟斷結構，促進燃機部件修理和制造的國產(chǎn)化能力建設，2012年開始，華電江蘇公司經(jīng)集團公司同意后開始在全球尋找合作伙伴，先后與多家公司開展合作洽談，2014年3月，與蘇爾壽公司簽署了合資合同。

1.3 華瑞燃機維修技術研發(fā)與應用

2014年，華瑞（江蘇）燃機服務有限公司成立，由中國華電集團（控股51%）與瑞士蘇爾壽集團共同出資，主要為國內的工業(yè)燃氣輪機（航改機除外）提供現(xiàn)場服務、熱通道部件修理、新件制造與供應以及燃機技術的升級改造、咨詢支持等服務，同時也為中國華電集團公司在境外的燃氣輪機提供服務。

通過蘇爾壽的修理技術轉移、消化吸收，人才的培養(yǎng)，配置全套設備設施，開展本地化的工藝認證，并結合修理實際自主創(chuàng)新優(yōu)化工藝、設計制作專用工裝夾具、開發(fā)噴涂工藝參數(shù)并編制噴涂程序，成功地形成了9E燃機熱通道部件修理技術能力并于2016年底首次在吳江熱電的部件修理項目實施應用，隨后又陸續(xù)在武昌熱電、天津福源、東莞中電、南山熱電等集團內外客戶實施應用。

9E燃機熱通道修理工藝體系的形成和應用，是華瑞燃機成立以來首個重點機型全套熱通道部件本地化修理能力的形成，結合市場需求，在6B、V94.2等機型扎實開展了修理技術服務能力的形成與應用，為F級燃氣輪機熱通道部件自主修理技術體系的形成打下了堅實的基礎。

1.3.1 燃機現(xiàn)場檢修能力

燃氣輪機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）進行[6]。其中C檢包括檢修燃燒室部件及相關組件；T檢主要進行的是透平部分的檢修，包括C檢的部件；M檢是指將燃機轉子吊出后對所有部件進行檢修。

華瑞燃機以現(xiàn)場檢修項目為依托，通過與蘇爾壽團隊的合作，國內TA和專業(yè)技術團隊的建立，在項目實踐的基礎上吸收形成了涵蓋主流機型的現(xiàn)場檢修技術規(guī)范，并首次在國內自主開展了9E擴大型中修、V94.2中修、9FA大修等重大檢修作業(yè)，同時在AE94.2、701F、6FA、9FB等多個機型開展檢修服務業(yè)務，累計實施內窺鏡檢查20余次、小修20余次、中修6次、大修1次，其他臨時性檢修12次。通過大量現(xiàn)場檢修服務項目的實施，進一步促進了華瑞公司優(yōu)化大中小修技術工藝規(guī)范、形成專業(yè)可靠的現(xiàn)場服務技術團隊。

1.3.2 燃機熱通道部件供應及制造

公司成立初期依托蘇爾壽集團，實現(xiàn)了E、F燃機的熱通道基本部件及檢修耗材的替代供應。通過逆向設計、優(yōu)化改進和國內供應商的聯(lián)合開發(fā)，華瑞公司主導完成了130 MW級燃機部分透平部件的優(yōu)化設計和本地化的鑄鍛造、機械加工（含冷卻通路）、涂層和熱處理作業(yè)。

2 F級燃機熱通道部件修理技術研發(fā)

2.1 技術轉化與吸收

在E級燃機熱通道部件修理技術體系、實踐經(jīng)驗和F級相關技術轉移文件基礎上，開展F級熱通道部件的修理技術文件消化吸收和自主化改進工作，形成了F級燃機全套修理技術工藝規(guī)范文件。

2.2 燃機熱通道部件預處理與損傷評估技術研究

a）采樣燃機損傷部件進行現(xiàn)場檢測和分析，基于燃機損傷部件的金相組織對比分析獲取燃機材料在不同時間的演變規(guī)律，探測燃機損傷部件的結構損傷位置分布和損傷模式。

b）實施涂層去除工藝研究，去除損傷部件的表面涂層，試驗研究介質材質、時間參數(shù)等對去除效果的影響，并對部件的材料表面進行表征和測試，研究燃機部件損傷前后材料特性的變化。

c）通過對熱通道部件的再熱處理試驗，結合高溫材料損傷規(guī)律和機理，建立燃機部件在極端環(huán)境下的損傷評價機制，為基材修復提供指導。

d）通過微觀組織分析與宏觀目視、尺寸結構、無損檢測相結合的方式，對熱通道部件失效情況和缺陷分布進行檢測分析。熱通道部件的損壞，通常是由多種因素共同作用的結果，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 燃機熱通道部件基材修復研究

對損傷的母體材料進行基材修復，并對修復部位進行必要處理和熱處理，測試增材部分與母體材料的界面結合強度?？紤]基材修復過程中的功率、路徑、速度等工藝參數(shù)影響下增材部分表面形貌，研究其微觀結構與強度之間的關系，進而揭示工藝參數(shù)對基材修復強度及微觀構型的影響規(guī)律，改進、優(yōu)化修復方案，獲取優(yōu)化修復工藝。

2.4 涂層制備與綜合性能表征研究

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

2.5 燃機熱通道部件動平衡試驗研究

根據(jù)靜態(tài)不平衡力矩對單個葉片進行測量和排序，可以大大簡化轉子的平衡工作，在轉子盤中以補償不平衡的方式裝配，從而使裝配近似平衡。本項目化繁為簡，撇開其他因素，利用理論力矩平衡公式，通過設計工裝轉換計算公式的參數(shù)而達到高效的力矩平衡檢測，通過稱重轉換力矩的方式，完成線下剛性轉子平衡。

2.6 燃機熱通道部件修理工藝認證

基于技術轉化文件和重點關鍵工藝的研究開發(fā)，以部件為單位開展修理工藝首件工藝認證，結合實際對工藝流程進行優(yōu)化，調整設備工藝參數(shù)，打通修理工藝路線，形成F級熱通道部件的修理能力。

3 熱通道部件修理關鍵技術

3.1 損傷評估技術

燃機熱通道高溫部件的熱障涂層由陶瓷層和黏結層組成，隔熱層通常采用釔鋯一元氧化物YSZ陶瓷材質；陶瓷層與母材基層之間是黏結層，黏結層主要材料為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，可提高黏結層的抗腐蝕性能，Ni元素可以提高固溶強化，Y元素可以細化晶粒提高材料微觀晶體間結合力，黏結層主要晶體結構為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氧化層TGO（thermal growth oxidation）損傷。國外早期主要采用渦流和超聲等無損檢測技術對陶瓷層的厚度和孔隙率進行檢測[9]，對于TGO厚度主要采用電化學阻抗光譜EIS（electrochemical impedance spectroscopy）檢測[10]，熱疲勞損傷定性評價主要采用Raman光譜和X射線衍射技術，美國TWI（thermal wave imaging）公司開發(fā)的thermascope主動紅外熱像檢測產(chǎn)品已經(jīng)在國外的航空發(fā)動機和重型燃機檢修中得到了應用。

3.2 失效涂層的剝離和清洗技術

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

3.3 熱部件涂層工藝的開發(fā)與認證

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、等離子強化化學氣相沉積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級重型燃機的MCrAlY黏結層主要采用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靜葉的黏結層采用HVOF制備；黏結層采用雙層結構，內層靠近基體側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合程度。熱通道透平一級動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行環(huán)境對熱障涂層的性能質量要求極高，必須通過調整噴涂軌跡、噴涂參數(shù)、噴涂工藝才能解決界面污染、氧化物不合格、孔隙率過高、顯微裂紋、宏觀裂紋、表面顆粒等各種工藝難點[13-15]，保證噴涂精度和重復性。

4 結論

華瑞燃機在重型燃機維修關鍵技術自主化過程中，形成自主修理工藝標準和修理技術能力，為高效、低碳能源結構中的重型燃機產(chǎn)業(yè)技術體系做出了重要貢獻。一是建立起燃氣輪機熱通道部件修理生產(chǎn)線，創(chuàng)建了非原始設備制造商的修理工藝，形成重型燃氣輪機熱通道部件全流程的修理技術能力；二是創(chuàng)建了完整的E、F級重型燃氣輪機熱通道部件非OEM的檢修標準，具備了燃機熱通道部件的檢查判定能力；三是在工藝研究開發(fā)、首件認證的基礎上實施量產(chǎn)作業(yè)，實現(xiàn)了F級全套熱通道部件的首次國產(chǎn)化修理。隨著國際形勢的變化，華瑞燃機將持續(xù)開展修理、檢測技術升級，重點突破零部件國產(chǎn)化制造的難題。