夏際先, 王萬里, 周盈濤, 何 泳, 劉秀田

(1.大唐蘇州熱電有限責(zé)任公司,江蘇 蘇州 215214; 2.大唐鍋爐壓力容器檢測中心有限公司, 安徽 合肥 230088; 3.深圳大唐寶昌燃?xì)獍l(fā)電有限公司, 廣東 深圳 518110)

0 引言

燃?xì)廨啓C(jī)具有污染物排放低、熱效率高及啟停時間短等優(yōu)點(diǎn)，在“雙碳”背景下將逐步發(fā)展為參與調(diào)峰的重要組成部分。隨著高等級重型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的發(fā)展，目前燃?xì)廨啓C(jī)透平進(jìn)氣溫度(TIT)可達(dá)1 600 ℃，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組熱效率高達(dá)65%。我國在役重型燃機(jī)，尤其是先進(jìn)高等級燃機(jī)主要依賴進(jìn)口，在相關(guān)部件檢修時存在工期長、費(fèi)用大的問題。此外，等級較高的燃?xì)廨啓C(jī)均產(chǎn)自通用電氣、西門子、阿爾斯通及三菱重工等國外大型集團(tuán)，熱端關(guān)鍵部件的檢修技術(shù)被嚴(yán)格封鎖。

燃機(jī)熱端部件運(yùn)行溫度高、服役環(huán)境惡劣，在失效事故中占據(jù)很大比例[1-3]。本文介紹了目前國內(nèi)外常見的燃?xì)廨啓C(jī)熱端關(guān)鍵部件的檢修技術(shù)及燃機(jī)健康狀態(tài)評價手段，并對未來國內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)檢修技術(shù)進(jìn)行展望。

1 無損檢測技術(shù)

無損檢測(Non-destructive testing, NDT)具有便捷、準(zhǔn)確度高以及不影響被檢測對象的使用性能等特點(diǎn)，在熱端部件檢修過程中得到廣泛的應(yīng)用。

1.1 透平葉片

透平葉片曲面較為復(fù)雜，目前應(yīng)用較為廣泛的無損檢測手段主要有超聲檢測(Ultrasonic testing, UT)、磁粉檢測(Magnetic particle testing,MT)、滲透檢測(Penetrant testing,PT)、渦流檢測(Eddy current testing, ECT)及射線檢測(Radio graphic testing,RT)等，其特點(diǎn)及局限性如表1所示。

表1 透平葉片無損檢測技術(shù)特點(diǎn)及局限性

經(jīng)過多年的發(fā)展，上述葉片無損檢測技術(shù)在國內(nèi)發(fā)展較為成熟，如唐建朝等[4]通過熒光滲透技術(shù)對發(fā)動機(jī)葉片進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)葉片存在制造拋修裂紋。董瑞琴等[5]通過超聲波技術(shù)對葉片根部深處裂紋進(jìn)行探測，解決了低壓一級轉(zhuǎn)子原位超聲檢測葉片深根部位裂紋的技術(shù)難題。孔凡琴等[6]對發(fā)動機(jī)渦輪葉片通過數(shù)字射線成像技術(shù)進(jìn)行了缺陷尺寸的測定。在先進(jìn)無損檢測技術(shù)在透平葉片上的應(yīng)用方面，如弱磁檢測技術(shù)對渦輪葉片裂紋缺陷檢測的可行性研究，也取得了較大進(jìn)展[7]。

1.2 熱障涂層

熱障涂層(Thermal barrier coatings, TBCs)具有特殊的微結(jié)構(gòu)、多界面和多相特點(diǎn)，在惡劣的環(huán)境下服役時存在組織結(jié)構(gòu)退化、熱物性和力學(xué)性能退化、微裂紋萌生擴(kuò)展、涂層減薄、熱生長氧化物(Thermally grown oxide, TGO)生長、CaO-MgO-Al2O3-SiO2(CMAS)腐蝕及應(yīng)力水平變化等現(xiàn)象[8]。

目前國際主流的熱障涂層無損檢測技術(shù)包括超聲檢測(Ultrasonic testing, UT)、聲發(fā)射(Acoustic emission, AE)、紅外熱成像(Infrared thermography, IRT)、阻抗譜(Impedance spectroscopy, IS)、光激發(fā)熒光壓電光譜(Photoluminescence piezo spectroscopy, PLPS)以及太赫茲時域光譜無損檢測(Terahertz time domain spectroscopy, THz-TDS)等。其中THz-TDS的原理如圖1所示，將樣品通過THz反射或透射獲得THz脈沖的振幅和相位信息，經(jīng)頻域變換后獲取折射率和吸收系數(shù)等與樣本本質(zhì)相關(guān)的光譜信息[9]。

各檢測技術(shù)的適用范圍如表2所示。

圖1 太赫茲時域光譜無損檢測技術(shù)原理

表2 熱障涂層無損檢測技術(shù)適用范圍

國內(nèi)的涂層無損檢測技術(shù)近年來取得了較大的進(jìn)步，如林祺[10]通過底面回波反射法對人工制造的涂層結(jié)合界面缺陷進(jìn)行了表征，并結(jié)合非線性超聲技術(shù)測量對涂層結(jié)合強(qiáng)度敏感的超聲特征參數(shù)，測量了涂層的結(jié)合強(qiáng)度。楊麗等[11]通過AE技術(shù)對熱障涂層在高溫CMAS腐蝕環(huán)境下的失效模式進(jìn)行了研究，得到涂層損傷行為與聲發(fā)射信號之間的聯(lián)系。何箐等[12]采用IRT技術(shù)對模擬服役環(huán)境過程中(燃?xì)饧訜?、高溫度梯度及冷熱交替循環(huán))熱障涂層的損傷趨勢進(jìn)行了監(jiān)測，并提出利用紅外熱輻射差異水平參數(shù)(ΔTR)對缺陷在熱障涂層內(nèi)部擴(kuò)展的趨勢進(jìn)行預(yù)測的方法。趙乃義等[13]通過IS技術(shù)研究了復(fù)雜型面航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片表面熱障涂層在熱循環(huán)過程中微觀結(jié)構(gòu)和界面結(jié)合強(qiáng)度的演變規(guī)律。葉東東等[14]從頂層陶瓷厚度測量、TGO厚度、沖蝕監(jiān)測、孔隙監(jiān)測及裂紋監(jiān)測等方面，對THz-TDS技術(shù)在熱障涂層的應(yīng)用現(xiàn)狀、存在的問題及未來發(fā)展方向進(jìn)行了歸納。

熱障涂層的表征受其制備方法、工藝參數(shù)等多種條件影響，單一的無損檢測方法難以實(shí)現(xiàn)對其準(zhǔn)全面的檢測，對熱障涂層的全面評估還需結(jié)合多種檢測方法在其檢測范圍內(nèi)的特有優(yōu)勢。對此，國外相關(guān)檢驗(yàn)人員進(jìn)行了研究并取得了一定的進(jìn)展，如進(jìn)行熱障涂層缺陷、涂層厚度的檢測時采用不同熱激勵的紅外熱成像方式測量，且部分較為成熟的檢測方法得到了工業(yè)化應(yīng)用。我國在先進(jìn)無損檢測技術(shù)以及多種檢測技術(shù)結(jié)合以達(dá)到更高的精度等方面，還有較大提升空間。

2 部件修復(fù)工藝

2.1 熱障涂層修復(fù)及再制造

熱障涂層服役環(huán)境非常惡劣，在工質(zhì)及外物(如機(jī)體磨損產(chǎn)生的粒子)的沖蝕作用、TGO生長、涂層燒結(jié)引起的體積變化等多方面因素的交叉作用下，易引發(fā)陶瓷頂層剝落并導(dǎo)致涂層失效。熱障涂層的檢修過程中若要在保障質(zhì)量的同時節(jié)約成本，涂層的修復(fù)和再制造無疑是其中的重要環(huán)節(jié)。

2.1.1 熱障涂層的修復(fù)方法

溶液注入等離子噴涂技術(shù)(Solution precursor plasma spray, SPPS)的工作原理是將溶液霧化后送入等離子體中發(fā)生理化反應(yīng)，前驅(qū)體以液態(tài)形式?jīng)_擊基體，沉積到金屬基體上，最終形成涂層[15]。F.Rousseau等[16]在SPPS的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種新的注射裝置，生產(chǎn)出一種相當(dāng)均勻和可重復(fù)的噴霧劑，用來修復(fù)沉積在小平片上的大氣等離子噴涂(Air plasma spray, APS)與電子束物理氣相沉積(Electron beam-physical vapor deposition, EB-PVD)涂層，如圖2所示。該裝置通過低功率等離子體反應(yīng)器(Low-power plasma reactor, LPPR)工藝將硝酸鹽水溶液轉(zhuǎn)化為微/納米結(jié)構(gòu)的熱障涂層，以修復(fù)受損試樣上的部分裂紋和孔隙。

圖2 用于TBC局部修復(fù)的LPPR裝置

溶膠凝膠法由于其工藝靈活、操作簡單且價格低廉，不僅可以用來制備熱障涂層，近年來還被研究作為失效熱障涂層的修復(fù)手段。L.Pin等[17]通過對經(jīng)過適當(dāng)熱處理后的溶膠-凝膠熱障涂層進(jìn)行后處理，成功地填充了加工后的誘導(dǎo)裂紋，顯著提高了熱障涂層的循環(huán)氧化壽命。

國內(nèi)目前尚未發(fā)現(xiàn)對熱障涂層修復(fù)方法進(jìn)行研究的相關(guān)報道。

2.1.2 失效涂層去除技術(shù)

熱障涂層經(jīng)過一定時間的服役后，若陶瓷頂層厚度減薄至使用下限或產(chǎn)生難以修復(fù)的破損時，需要將原有的陶瓷頂層進(jìn)行去除并重新噴涂。在去除原有陶瓷層的同時金屬粘結(jié)層需保持完整，而陶瓷頂層與金屬粘結(jié)層之間的界面結(jié)合力較強(qiáng)且陶瓷頂層本身硬度較高，采用傳統(tǒng)的噴砂法、高壓水射流法以及鹵氣反應(yīng)法去除陶瓷層時，均易對金屬粘結(jié)層產(chǎn)生損傷。

加壓堿煮工藝是目前應(yīng)用較為廣泛的熱障涂層陶瓷頂層去除工藝，該工藝的原理為將堿性溶液和陶瓷類物質(zhì)放置到高壓反應(yīng)釜中，在一定的脈沖壓力和溫度條件下處理一定時間，使堿性溶液與陶瓷類物質(zhì)進(jìn)行接觸反應(yīng)，以達(dá)到將陶瓷類物質(zhì)去除的目的。王玉峰等[18]通過加壓堿煮工藝，將熱障涂層的陶瓷層去除干凈的同時保證了金屬粘結(jié)層的完整，并且對基體材料性能無衰減作用。

激光清洗技術(shù)具有可控性好、無機(jī)械接觸、基底損傷小、材料適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)，是一種綠色清潔的清洗方式[19]。目前國內(nèi)已有相關(guān)研究人員對激光清洗技術(shù)進(jìn)行介紹并對其在熱障涂層中的應(yīng)用前景及未來發(fā)展趨勢進(jìn)行了探討[20,21]，但是在試驗(yàn)研究階段尚未發(fā)現(xiàn)相關(guān)研究進(jìn)展的報道。

2.2 合金部件修復(fù)

鎳基及鈷基合金由于其高溫性能優(yōu)異，常用來制作燃機(jī)葉片、噴嘴等熱端部件。由于熱部件惡劣的服役環(huán)境，在運(yùn)行過程中易發(fā)生部件的損傷。隨著再制造技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外對多種再制造技術(shù)在高溫合金部件修復(fù)領(lǐng)域開展了大量研究，表3展示了幾種典型高溫合金部件修復(fù)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)及不足。

激光增材制造技術(shù)作為一種先進(jìn)的修復(fù)技術(shù)，已被驗(yàn)證可用于燃機(jī)熱部件修復(fù)，經(jīng)過修復(fù)后部件的性能得到恢復(fù)，甚至超過新品，經(jīng)濟(jì)效益顯著。夏國俊等[22]通過激光熔覆成形工藝采用IN939粉體對IN939合金進(jìn)行了修復(fù)，結(jié)果表明IN939合金修復(fù)區(qū)的機(jī)械性能與結(jié)合性能良好。張杰[23]以燃機(jī)常用材料IN718合金為對象，研究了其激光增材再制造修復(fù)成形規(guī)律、熱處理機(jī)制、界面熱影響區(qū)控制以及后續(xù)熱腐蝕機(jī)制，取得了一定的成果。

表3 合金部件修復(fù)方法比較

3 燃機(jī)剩余壽命評估

一般來說，燃?xì)廨啓C(jī)關(guān)鍵熱端部件都會有一個大修周期設(shè)計(jì)推薦值，但由于燃?xì)廨啓C(jī)不總是運(yùn)行在設(shè)計(jì)條件下，實(shí)際大修時間間隔理論上會比推薦值短。且隨著國內(nèi)燃機(jī)數(shù)量的快速增長，重型燃機(jī)作為未來調(diào)峰的重要組成部分，在參與調(diào)峰過程中隨著機(jī)組的頻繁啟停，熱端部件將承受反復(fù)的熱應(yīng)力及沖擊載荷，熱端部件老化速度勢必遠(yuǎn)高于正常狀態(tài)下運(yùn)行的機(jī)組，將為檢修工作帶來很大的挑戰(zhàn)。此外，為了達(dá)到更高水平的維修，對燃機(jī)進(jìn)行健康狀態(tài)評價尤其是剩余壽命評估研究是必然的趨勢。

國外燃機(jī)壽命評估及健康狀態(tài)評價起步較早且投入巨大，目前已達(dá)到較高的水平[24,25]。而國內(nèi)長期以來各大發(fā)電集團(tuán)的在役重型燃機(jī)機(jī)組主要依賴進(jìn)口，健康狀態(tài)評價的研究起步較晚且相關(guān)資料較為匱乏，導(dǎo)致研究工作難以進(jìn)行。但隨著國產(chǎn)重型燃機(jī)機(jī)組研制成功，以及國內(nèi)的電廠、設(shè)備廠商和國外主要的燃?xì)廨啓C(jī)生產(chǎn)廠商的合作越來越深入，燃機(jī)的剩余壽命評估研究在國內(nèi)也在逐漸開展。

王浩[26]通過輸入燃機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，采用正交局部保持投影(Orthogonal locality preserving projection, OLPP)方法提取特征值，并輸出燃?xì)廨啓C(jī)各部件的健康狀態(tài)，之后基于自組織特征映射(Self-organizing feature map, SOM)對燃機(jī)的整體健康狀態(tài)進(jìn)行了評價，最后通過實(shí)例分析對燃機(jī)早期故障預(yù)警的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。蒲正清[27]通過結(jié)合啟停次數(shù)、尖峰負(fù)荷啟停數(shù)和快速升負(fù)荷啟動數(shù)等參數(shù)計(jì)算燃機(jī)等效啟停次數(shù)，構(gòu)建了燃機(jī)剩余壽命計(jì)算模型，并根據(jù)該模型對M701F型燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行了剩余壽命及健康狀態(tài)評價的實(shí)例分析。模型計(jì)算公式如下：

lifetimeH=Trmc-(T0+NE×TE)

(1)

式中Trmc為設(shè)計(jì)推薦大修周期，T0為試運(yùn)行時間，TE為一次正常啟停等效運(yùn)行時間，NE為等效啟停次數(shù)。

NE的計(jì)算公式如下:

NE=Nn+Nb×Fb+Nt×Ft+Np×Fp+Nd×Fd+Ne×Fe+Ne×Fc+Nt+Nf

(2)

式中相關(guān)參數(shù)如表4所示。

表4 等效啟停次數(shù)計(jì)算相關(guān)參數(shù)

4 總結(jié)與展望

近年來，國內(nèi)燃機(jī)相關(guān)檢修技術(shù)得到較快發(fā)展，在較多領(lǐng)域已達(dá)到國際先進(jìn)水平，但是仍存在以下問題：

(1)許多檢測方法的研究仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，對于某些國際先進(jìn)的檢測方法只有少量文獻(xiàn)進(jìn)行介紹，要進(jìn)行實(shí)際工業(yè)化應(yīng)用還需要較長時間，且大部分檢測手段均存在不足之處，若要對部件進(jìn)行全面而精確的檢測，需要多種檢測方法配合使用，目前國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域還有所欠缺。

(2)對于燃機(jī)熱端部件尤其是精密部件的鑄造及加工工藝的研究，與國際先進(jìn)水平還存在一定差距。

(3)燃機(jī)作為調(diào)峰的重要參與部分，通過科學(xué)方法對其健康狀態(tài)進(jìn)行精確評估以確定檢修周期，對于保證燃機(jī)長期穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，這其中燃機(jī)壽命計(jì)算模型的建立以及先進(jìn)重型燃機(jī)的健康狀態(tài)評估方法仍有較大提升空間。

(4)隨著國內(nèi)燃機(jī)檢修需求的增加，如何開發(fā)相關(guān)專業(yè)人員的培訓(xùn)模式，以提升檢修人員的技術(shù)水平，確保燃機(jī)部件拆得下、測得準(zhǔn)、修得好、裝得上，也需要一定時間的發(fā)展。

總體而言，國內(nèi)關(guān)于燃?xì)廨啓C(jī)檢修技術(shù)的研究還不夠深入，在某些領(lǐng)域如熱障涂層修復(fù)技術(shù)還存在“盲點(diǎn)”，實(shí)驗(yàn)研究手段還不夠先進(jìn)，理論模型還未完善。這些問題是近年來我國燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)發(fā)展緩慢以及重視程度不足所造成的?！半p碳”指標(biāo)下，我國燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組飛速增加，檢修需求也在同步提升，為了進(jìn)一步加快燃?xì)廨啓C(jī)檢修國產(chǎn)化進(jìn)程、擺脫國外技術(shù)依賴，在未來的發(fā)展中需要對以下幾方面進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注：

(1)先進(jìn)無損檢測方法如太赫茲時域光譜無損檢測技術(shù)的進(jìn)一步研究，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室研究成果向?qū)嶋H應(yīng)用的轉(zhuǎn)化，并就不同部件制定多種針對性檢測手段相結(jié)合的模式，確保檢測精度。

(2)對于熱障涂層等易損傷部件，根據(jù)部件損傷模式開發(fā)修復(fù)工藝，節(jié)省資金及時間成本。

(3)基于更準(zhǔn)確的動態(tài)演化規(guī)律來建立更為全面的燃機(jī)健康狀態(tài)評價及壽命評估模型，根據(jù)預(yù)測結(jié)果制定檢修計(jì)劃，避免過修及欠修。

(4)制定檢修人員培訓(xùn)計(jì)劃，提高檢修人員數(shù)量及專業(yè)檢修水平。