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“命門火衰”,重型燃氣輪機的葉片之殇

時間:2019-07-13 09:24來源:網絡整理 作者:華南資訊網 點擊:
“命門火衰”,重型燃氣輪機的葉片之殇---重型燃氣輪機(以下簡稱重燃),名副其實的大國重器。作為迄今為止熱

  重型燃氣輪機(以下簡稱重燃),名副其實的大國重器。作為迄今為止熱/功轉換效率最高的動力機械,廣泛應用于機械驅動(如艦船、火車)和大型電站。我國現已具備輕型燃機(功率5萬千瓦以下)自主化能力;但重燃(功率5萬千瓦以上)仍基本依賴引進。據悉,重燃發電機組目前占全國發電裝機總量的3%左右,雖不是一大塊,卻是不可或缺的一塊——啟停快捷、熱效率更高、污染更少的燃機機組,作為大電網調峰容量的最佳選擇,在國家能源安全中扮演着無可替代的全局性角色。沒有自主化能力,意味着我國能源安全的重要一環,仍然受制于人,存在被“卡脖子”的風險。

  極緻技術:對質量和性能近乎變态的追求

  把熔化的液态金屬澆入模具,等它凝固;在顯微鏡下看其金相,會呈現形似“幹裂農田”狀的縫隙,專業術語稱之為“晶界”。

  “晶界是金屬的薄弱環節。”國家科技重大專項“重型燃氣輪機”技術負責人表示。為提高金屬材料在高溫下的強度,就要想辦法消除晶界。

  這是一個極其複雜、漫長的過程,包括精确的溫度控制,以及精密鑄造、定向/拉單晶等工藝。其核心部件的毛坯“都是來自國外”;核心設備單晶爐,也須從國外進口。

  該技術負責人解釋,作為一種旋轉葉輪式熱力發動機,燃氣輪機的葉片是最重要的核心部件之一。它要在1400℃—1600℃的高溫下長期穩定地工作,目前沒有任何金屬可以做到。怎麼辦?

  極限工況催生出極緻技術,一種對質量和性能瘋狂到近乎變态的追求。除了消除晶界、提高所用材料本身的強度之外,“隻有靠冷卻”:葉片是中空的,以便通冷卻空氣;表面有陶瓷塗層、冷卻氣膜,使它跟高溫燃氣隔離,等等。

  更關鍵一點,在以上複雜流程的所有環節,任何一項技術參數都不能有絲毫偏差,“這是它跟常規制造流程最大的不同”。他強調,常規制造中還有一個安全系數,即一定的容錯裕量;而“極限制造完全是另一概念”:葉片是空心的、又很薄,除了精鑄,目前沒有其他工藝手段可以做出來,未來3D打印能不能解決還不清楚;鑄造過程中,材料的夾渣、裂紋、疏松、氣孔以及變形等,都會影響葉片的強度和性能。因為“它本身是不可能的,要靠好多極限手段硬讓它變得可能”,所有技術必須做到極緻。所以,一就是一,二就是二,偏差根本不能容忍、不被允許。

  體系差距:即使有錢也不知從哪下手

  美國GE公司高層曾聲稱,要買重燃成套技術,除非買下整個GE。

  “重型燃氣輪機”重大專項總設計師顧春偉教授和上述技術負責人都談到,國際上大的重燃廠家,主要就是美國GE、日本三菱、德國西門子、意大利安薩爾多4家,與國内三大動力合作的也是這4家。但他們都附帶苛刻條件:首先,設計技術不轉讓;其次,核心的熱端部件制造技術也不轉讓,僅以許可證方式許可本土制造非核心部件。

  這兩條注定了,沒有自主設計能力,我們需要什麼樣的重燃、能要到什麼樣的重燃,隻能聽從人家的意志。核心制造技術不轉讓,國内上了那麼多重燃發電機組,設備運維、備件提供完全受制于人,長期安全穩定運行堪憂;本土制造的許可證又都有期限,到期之後能否付錢再延,還須看他人眼色。所謂“卡脖子”,莫此為甚。

  跨國公司秘不示人、惜之如命的設計技術,是真正的核心技術。顧春偉表示,重燃三大部件(壓氣機、燃燒室、燃氣透平)的設計都是難上加難,因為它們需要“大量基礎研究支撐”和“長期試驗驗證及經驗積累”,沒有長期積累,“即使有錢你也不知從哪兒下手”。

  仍以葉片為例。即使分毫不差做足各種極緻功課,葉片材料仍是有壽命期限的:重燃葉片,壽命在5萬小時、3萬小時不等,到期必須報廢。

  怎麼證明5萬小時安全運行沒問題?極限工況下、5萬小時連續不斷的材料試驗必不可少。試想,一年8000多小時,5萬小時要做将近6年,“這還隻是做一輪配方、一輪工藝所需時間”,所以“一個人一輩子都做不了幾個母合金”。它意味着巨量的投資、巨量的耗時和巨量的數據采集,而且每一步都必須親曆親為,否則就“不知其所以然”。

  “盡早建立起我國完整的設計體系、試驗驗證體系,才是重燃自主化的關鍵所在”,中國聯合重型燃氣輪機技術有限公司負責人如是說。

  三位一體:工匠的經驗仍不可或缺

  葉片精鑄過程中,“拉單晶”工藝很有畫面感。

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