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1、燃气轮机热部件检测和寿命管理docx燃气轮机热端部件状态检测和寿命管理（文献综述）蒋洪德清华大学燃气轮机研究中心2005-10-17 杭州主要内容刖S1.影响燃气轮机热端部件可靠性的主要因素2 .燃气轮机热端部件材料性能降低与损坏的一般 规律3.热端部件状态检测的技术手段4.热端部件的性能恢复5.热端部件寿命管理技术、八in b四年来通过打捆招标我国新建F/E级燃气轮机联 合循环(GTCC)电站2060万千瓦2020年全国GTCC将达6000万千瓦(6%)热端部件价格昂贵，其状态对燃机可靠性和电 站运行成本有重大影响国外在热端部件的状态检测和寿命管理技术方 面的丰富经验值得我们学习借鉴热端部件

2、设计、制造与安装质量热端部件气动热力、冷却传热、结构强度设计水平与经验基体材料与涂层材料性能加工工艺与质量（精密铸造、焊接、热处理、激光与电加工、喷涂）安装质量（冷却流道尺寸、叶根与叶顶间隙、动平衡等）燃气轮机运行条件正常运行工况：累计运行小吋、起停次数、负荷特点、燃料特性、 注蒸汽/水等，折算为等效运行小时数ECH非正常运行工况与事故：超温、超速、外物损伤等表1不同运行方式对燃气轮机运行维修费用的影响250次起停/年350次起停/年500次起停/年运行维修总费用（英镑）370万600万800万总费用的组成固定费用15%15%15%可变费用40%20%15%热端部件费用45%65%70%热端部

3、件费用占电站运行维修总费用的比例随着年起停次数增多而大幅度增加热电站检修与维护能力检修与维护设备能力检修与维护人员能力与经验检修维护策略与质量管理热端部件修理与备件质量正确选择热端部件修理厂商正确选购热端部件备品备件（CBV仔替代品）表NGE. Siemens., HI的F/E级燃汽轮机透平叶片棊体材料与涂层材料3厂家机翌静叫动町徐层GE9EAFSX-414 （各级GTD-111DS （1 级）IN-738 （2 级）U-500 （3 级）GT29- 1 1 动9FA-FSX-I14 （1-2 级）GTD222 （3 皺GTD-11LDS（12 级）IN-738 （3GT33* 1 静 1 动

4、）GT33 或 2A（2 饰 2 訪海徒3动）SiansV94.2（各级IN-738 （ 1-3 级）792 2 级）CoNiCrAlY$i（$C2231）（1-2）V943ASC-PWA1483 （12 级IN439 37 级，SC-PWA14S3 门2 级IN-738 C37 级）TBCNioCrAiYReMGAL400 （丄4级TBC （L2 舲 1-2 At）NiCoCrAlY （3 动）讶II超级合金（基材）老化：强化丫札I增人、晶界加粗，咼 温强度与抗蠕变性能下降图1. GTD-l 11合金的金相组织（XI0000）,（左）新材料（右）运行24000小时后4基体材料裂纹*由交变机械

5、热应力引起，产生裂纹几乎不 可避免*关键是裂纹所在部位、裂纹尺寸与扩展速 度、裂纹可否及何时修复*首先按照燃机运行手册进行处理*积累裂纹数据、总结运行经验、延长使用寿 命日本E级燃机一级静叶裂纹扩展统计规律51 2 3 4 5hormalized number of starts I-J结论：裂纹扩展速度与 运行小时和起停 次数成正比三菱公司F/G燃机一级静叶裂纹扩展统计规律6结论：裂纹扩展速度与 运彳亍小时和起停 次数基本成正比 GE公司F级燃机一级双连静叶裂纹扩展统计规律7叶片根部及内端壁裂纹 GE公司F级燃机一级双连静叶裂纹扩展统计规律7归纳为8种典型裂纹模式总结出安全准则端壁裂纹长之和

6、不得大于 端壁轴向长度静叶片表面与根部裂纹长之和不得大于叶片弦长采用CFD和FEM法计算：三维流场、叶片温度 场、叶片应力与变形分 布、预测裂纹产生部位流场计算温度场与应力计算裂纹产生点预测叶片裂纹预测方法举例8：计算预测结果与实际相符计算预测裂纹首先 实际动叶片根部尾ssssr 缘冷却射流孔裂纹 _涂层性能老化、磨蚀、烧损、裂纹、局部脱落2 燃气轮机热端部件材料性能降低与损坏的IZ 一般规律i V94.2叶片TBC涂层厚度与EOH的关系0 WOOD 20000 30000 40000Operating Hours I EOHOOOOOOOO4 2 0 8 6 4 21- 1 1-V)匸 ol

7、u-sU 一MSC1JUP=上一6 三aoofflnpw(r涂层厚度与EOH成反比 9FA级动叶涂层磨蚀预测举例818000小吋运行后动叶 动叶前缘涂层磨蚀前缘涂层照片 预测计算结果非破坏性检测（NDI）目测（窥镜）萤光与磁粉检查超声波探伤、刈寸线、工业CT破坏性检测（试样）材料成分与力学性能试验金相试验ECI原理：根据不同频率下被测物体内阻抗特性 确定涂层厚度、孔隙率、裂纹等2.C0 4.0 E.4D . B.00 1D.0DFrequency MHz-4.00 1(.04不同频率下典型阻抗特性ECI检测叶片表面涂层及叶根图&用电涡流仪检查7尸人+第_级动叶】图9.配有叶根专用探头的电涡流担

8、测仪口刀ECI检测叶片表面涂层厚度及叶片基材缺陷涂层厚度测量精度2% 可测基材缺陷、裂纹尺寸05mni4.热端部件的性能恢复热等静压处理（HIP，Hot Isostatic Pressing） 可在很大程度上恢复超级合金金相组织典型H 哆数：100M, 1100-1200Q 24小时图10.IN738合金使用前（左）*老化后（中）和HIP处理后（右）的金相照片18=4.热端部件的性能恢复HIP可消除超级合金材料缺陷(IN738LC)CiHtrni! defectsCasting defectsCreep voidsI lfred bucket蠕变损伤精密铸造缺陷4热端部件的性能恢复9IN738

9、LC经HIP处理后材料力学性能优于HIPZ前HP -,=二%JJa7blKlviNRet lied bucketsiHlFedIwkels,1 nL.卓0New Retired HIPed Ra-opwaiedhxkets buckets tuidtets buckets冲击韧性蠕变性能4.热端部件的性能恢复日本Chubu电站燃机一级动叶HIP处理后成功运行两年热端部件寿命管理系统LMS（Life ManagementS y stem）的研制过程：了解热端部件设计参数、结构特点、材料性能搜集热端部件运行数据、缺陷产生与失效原因分析流场、温度场、应力与变形分析计算分析部件破坏机理，建立超级合金热

10、疲劳断裂仃许）、 蠕变和TBC涂层材料氧化模型等建立部件预期寿命（最终寿命或大修间隔）判断准则编写LW软件并在同类燃机应用中反复修正事例一：意大利中央电力研究所LMS20适用于MS9001E和TG50D5燃机一级动叶四台燃机应用情况表3.四台燃气轮机的运行工况机组透平进口温度起动次数紧急停机次数累计点火小时平均每次点火运行小时1仗汁值1805198001102设计值4801014200293设计值6501015500244设计值十5(rc450408800191#：基本负荷 2-4#：日起停调峰普.怛件寿啓理技木表4.四台燃气轮机透平第一级动叶寿命损耗计算结果机组寿命损耗程度()热疲劳蠕变涂层

11、氧化124188024312743541484459881涂层氧化将是失效主因素日起停调峰燃机(2-4#)热疲劳寿命损耗为基本负荷燃机(1#) 一倍以上，4#因超温虽运行吋间最少但热疲劳寿命损耗最多 LMS预测一级动叶涂层氧化与实际情况吻合matsrw too? of cib*twom2Awv ta. w动叶涂层氧化计算结果 ECI与叶片试样检测结果4#机一级动叶超温后金相分析：超温区粒度增人FtgLre 10 -Cbm hiaciMV X i&inMQt mi ntounodhFt vtage 吳去*Uemilng wk动叶超温后照片叶片试样金相检测结果LMS预测一级动叶裂纹与实际情况吻合左

12、图：有限元计算结杲右團： 裂纹離片例二：印度GPEC电站3XV94.2透平叶片延寿经验运行手册规定一、二级动叶大修间隔33000EOHI T L大修步骤一：1#燃机运行18319EOH. 164次起停后，聘 请专业公司对一动、二动进行破坏性检验，结论是：*一动基材最高工作温度815C10,比设计值低35C *二动基材最高工作温度795C10,合格*一、二级动叶大修寿命可达36000EOHU 大修步骤二：2#燃机运行33460EOH. 226次起停后，聘 请专业公司对一静、一动、二动进行破坏性检验，结 论是：* 一静TBC涂层达到最大使用寿命、基材有裂纹，但 仍可用至41000EOH*一动基材最

13、高工作温度805C10,比设计值低 45C,TBC涂层寿命为38000EOH*二动基材最高工作温度795C10,与设计值相 近，TBC涂层寿命可达60000EQH大修步骤三：3#燃机运行33460EOH. 226次起停后，聘 请专业公司对三动进行NDI检验，结论是：头Cr扩散涂层已达到最大使用寿命*叶片表面0.1 mm基材金相组织老化，但仍可恢复*三动大修寿命可达38000EOH*据此电站作出决定：在维修时采用IVDAIY涂层替 代原设计C扩散涂层例三：英国Didcot B电站维修服务与管理系统设备情况：两套2+2+1 , 2X680MW 共4台V94.3, 1 996- 97并网发电 e问题

14、的提出：头原设计为基本负荷运行，50次起停/年*2001年英国电力市场开放后电价下降、发电侧竞争 加剧，改为两班制起停调峰运行，EOH大幅度增 加，燃机可靠性下降，维修成本上升*为达到英国NOx排放标准进一步增加维修成本问题的提出（续）：9500EOH后透平一动检查照片Sil 问题的提出（续）：9500EOH后透平一静检查照片Figure 15 Didcot B OEM Stage 1 Carrier Vane Damage MCrALY Spallation 9500 EOHFigure 17 Didcot B OEM Stage 1 Carrier Vane Damage 9500 EOH

15、 措施：与I nnogyOne公司合作开发两班制调峰运行条件下热端部件维修技术与服务体系、电站财务管理体系实施内容： *建立了热端部件状态检测技术手段和寿命管理系 统：燃机运行参数与性能在线监测热端部件ECI检测分析热端部件剩余寿命预测*对余热锅炉进行改造，减轻热疲劳损伤、防止过热管束出现凝结水、改造水化学处理系统等.5.热端部件寿命管理技术U _实施内容(续):*对余热锅炉进行改造，减轻热疲劳损伤、防止过热 管束中出现凝结水、改造水化学处理系统保持调峰 时水质稳定 E*建立了电站大修计划决策管理系统*釆用反设计方法(Re-engi neeri ng)自行设计制造一 级静叶备件，2002年9月

16、投运*大修间隔延长( 1 996. 12投运)第一次大修间隔：8个月(1997.8) , 6000EOH 第二次大修间隔：24个月( 1 999. 8), 1 7000EOH 第三次大修间隔：36不月( 2002. 8), 26000EOH 自制一级静叶节省M0万英镑/台保险公司没有提高保险费用*电站适应了两班制调峰运行，在英国竞争性电力市 场环境中得以生存(与此相反，同期内英国有四个 GTCC电站1629MV、发电设备被迫停产)结束语;燃气轮机热端部件的状态监测与寿命管 理技术对提高GTCC电站可靠性、降低成本 有重要意义，我国GTCC产业界科技界应予 高度重视 -我国GTCC产业界科技界应在认真学国外 先进经验的基础上，结合我国GTCC产业具 体情况加大研究开发力度谢谢