CGT25D國產管道燃氣輪機事故分析及隱患處理

郭 剛，高仕玉

(中國石油西氣東輸管道公司，上海 200122)

燃氣輪機被譽為動力裝備制造領域皇冠上的明珠，以其重量輕、體積小、單機功率大、維修方便等優點，作為當今最高端的技術動力裝備，已經在石油天然氣管道輸送方面得到普遍應用。由于燃氣輪機技術的高端性，涉及到的學科太多，目前世界上只有少數發達國家全面掌握了先進燃氣輪機的關鍵設計制造技術，全球燃氣輪機市場基本被這些國家壟斷。盡管國家已經在開展自主研發，但是由于歷史原因，我們與發達國家相比還存在較大差距，研發難度較大，還有很長的路要走[1]。

1 天然氣管道燃氣輪機現狀

目前國內外用于長輸天然氣管道的燃氣輪機基本被GE、西門子和Solar三家公司壟斷。美國GE公司用于管道驅動LM1600、LM2500+兩種航改型燃氣輪機，用于干線壓縮機組的驅動。德國西門子收購RR能源公司RB211航改型燃氣輪機，彌補了在天然氣管道驅動領域的短板。美國Solar公司的土星60/70、金牛60/70、大力神130、半人馬、騎士等多種型號燃氣輪機用于天然氣管道領域的驅動。俄羅斯、烏克蘭等國借助前蘇聯強大的航空工業基礎，在燃氣輪機研制方面獨樹一幟。俄羅斯、烏克蘭也有部分燃氣輪機用于管道驅動，主要集中在前蘇聯地區和中東地區天然氣管道壓縮機驅動。

國內天然氣管道約70%集中在中國石油。目前，中國石油在役天然氣管道燃氣輪機約140余臺，幾乎都被GE、西門子和Solar三家公司包攬。其中，GE公司的LM2500+燃氣輪機約70余臺，RB211燃氣輪機約40余臺，Solar公司的各型號燃氣輪機約25臺，CGT25D國產化成套管道燃氣輪機3臺，完全國產化試制燃氣輪機3臺。

此外，在南北美洲、歐洲、中東、東南亞等地區的長輸天然氣管道也大量使用了燃氣輪機，但基本上都是被GE、西門子和索拉這三家所壟斷。

2 CGT25D國產管道燃氣輪機

2009年國家決定開展天然氣長輸管道燃氣輪機國產化研制，以提高國家能源戰略輸送通道的安全保障，擺脫長輸天然氣管道燃氣輪機的國外壟斷。通過參與各方的共同努力并取得了階段性成果。

首臺試制燃氣輪機于2014年9月通過了出廠鑒定，于2016年8月在西氣東輸管道三線煙墩壓氣站現場投產并運行了3 577 h后因制造原因出現故障損壞。第二臺試制燃氣輪機于2018年12月在西氣東輸衢州站正式投入運行。

CGT25D國產管道燃氣輪機是充分借鑒了進口UGT25000船用燃氣輪機成熟技術和基本結構的基礎上，根據長輸天然氣管道增壓用燃氣輪機的使用條件和技術要求進行試制的。上個世紀90年代初期，國家從烏克蘭全套引進UGT25000船用燃氣輪機技術，經過多年消化，于1998年開始國產化試制，經過多次改進設計，全面提高了機組可靠性，2011年開始正式裝船使用，已經在海上艦船的應用方面取得了突破性進展，目前該機型的國產化率達到98%以上，目前已經批量使用在海軍作為軍艦的驅動，運行情況良好[3]。

該機型改陸上管道燃氣輪機后，改用天然氣作為燃料，輸出轉速5 000 r/min。CGT25D燃氣輪機本體由燃氣發生器和動力渦輪組成，燃氣發生器由軸流式高、低壓壓氣機，高、低壓渦輪和16個環狀布置的單管燃燒室組成，是雙轉子結構形式。軸流式高、低壓壓氣機各9級；高、低壓燃氣渦輪各1級，分別驅動高、低壓壓氣機；采用干式低排放燃燒室設計，回流環管式結構，由罩殼、16個火焰筒、2個等離子點火器、16個燃料噴嘴等組成；動力渦輪為2級軸流式結構，順著氣流方向看轉子的轉向為順時針旋轉[4]。

在ISO標準條件下，CGT25D燃氣輪機的額定功率為26.7 MW，效率為36.5%；動力渦輪額定轉速5 000 r/min，根據管道負荷情況設計為變轉速運行，最大連續輸出轉速5 250 r/min；0.8～1.0工況下燃氣輪機的NOx排放體積分數不超過39×10-6。在滿足燃燒室性能要求的前提下，最大程度繼承艦船用型燃氣輪機燃燒室原有結構型式及相關連接方式，保證了燃燒室工作可靠性[4]。

事實證明，國產化自主試制的CGT25D燃氣輪機，配套國產化成套的離心壓縮機及其輔助系統及設備，再配套全面自主研發的燃氣輪機控制系統，實現了天然氣管道燃驅壓縮機組的全面監控和穩定運行。除首臺CGT25D燃氣輪機因壓氣機葉片加工細節問題出現故障之外，另外兩臺機組吸取教訓，進行了故障排查和處理，后兩臺機組目前運行比較平穩，在運行穩定性方面和進口機組相當。

3 首臺CGT25D管道燃氣輪機的事故分析

2014年10月底，首臺試制完成CGT25D國產燃氣輪機通過了國家能源局和中國機械聯合會組織的出廠鑒定并發送到西氣東輸三線煙墩壓氣站，于2016年8月完成了72 h帶負荷測試并投入生產運行，總體運行比較平穩。由于我們在進行國產化試制期間，已經充分地考慮了進口燃氣輪機運行過程中出現的問題。因此，國產的CGT25D燃氣輪機在運行期間的運行穩定性略優于進口燃氣輪機。直到2018年3月，首臺出現了低壓壓氣機一級葉片葉根的疲勞斷裂，導致整個壓氣機葉片打壞，壓氣機報廢，教訓深刻，首臺CGT25D燃氣輪機共計運行了3 577 h。

事故燃氣輪機的拆卸檢查發現了一級壓氣機動葉片葉根部位局部斷裂，取樣分析發現是由于高速旋轉的葉片葉根與鎖定槽之間長期疲勞觸碰，導致葉片葉根端部邊緣的應力集中區域疲勞斷裂，斷裂的一級葉片掉在高速旋轉的壓氣機中，造成高、低壓氣機的其余葉片全部損壞。如圖1～圖4。

壓氣機葉片葉根與轉子輪盤上鎖定槽之間的裝配是間隙配合，安裝完畢后葉片在鎖定槽里可以輕微活動。葉片葉根部端面邊緣有倒圓角設計，以防止安裝后葉根端部邊緣與鎖定槽外側相互接觸。然而在實際加工過程中，低壓0～2級壓氣機葉片葉根端部邊緣就根本沒有進行圓倒角加工，如圖5～圖6。加工過程中沒有嚴格按照圖紙設計進行加工，忽略了這個細節。

斷裂的第一級葉片尺寸、質量都較大，在高速旋轉的壓氣機里攪動，直接造成了整個高、低壓壓氣機轉子葉片和靜子葉片全部報廢，部分輪盤鎖定槽敲擊變形，部分損壞的葉片在輪盤鎖定槽上還很難拆卸，目前還在工廠里等在處理。

葉根端面邊緣設計適當的圓倒角，在一定程度上防止出現葉片局部的應力集中，確保葉片根部的應力均勻分布，同時避免因為加工精度誤差造成局部的接觸，消除機組運行期間隨著機組轉速變化而引起的葉片根部疲勞沖擊。圖紙設計時已經考慮，只要嚴格按照設計要求加工，可以避免運行期間的疲勞接觸。葉片斷裂的葉根部位正好就是葉根端面和鎖定槽邊緣的接觸部位。細節失誤帶來的嚴重后果，給我們的教訓深刻。

4 第二臺國產CGT25D燃氣輪機的故障和隱患處理

第二臺國產CGT25D燃氣輪機用在上海支干線衢州站(下稱“衢州CGT25D國產燃氣輪機”)，原計劃2016年8月到達現場。因多方面原因，2017年3月中旬才送到工廠進行測試，6月底完成工廠第一階段的試驗并返回加工制造廠進行拆解檢查。原計劃2017年11月底完成拆解檢查并再次返回進行第二階段試驗，直到2018年1月底才返回到測試工廠，在2018年3月的測試期間又出現了壓氣機振動超出出廠要求，需要再次進行排查處理。最終于2018年9月才到達衢州壓氣站。

4.1 振動問題的處理[5]

為了確保第二臺CGT25D國產燃氣輪機能夠的安全運行，工廠需要對振動大問題進行處理，期間也結合首臺CGT25D燃氣輪機的故障分析情況，展開對第二臺機組類似隱患排查。經過長達兩個月時間的拆解、分析和排查，發現了如下問題：

4.1.1 低壓壓氣機前軸承的油膜阻尼器間隙超標

CGT25D國產燃氣輪機的低壓壓氣機前軸承專門設計了油膜阻尼器來吸收和減緩機組的振動(圖7)，阻尼器的裝配間隙直接影響油膜的形成。油膜阻尼器設計徑向裝配間隙為0.178～0.330 mm。排查時實際測得間隙為：0.14～0.44 mm(如表1)，遠超出了設計裝配間隙要求，形成的油膜不能有效吸收機組運轉產生的振動，造成測試期間機組振動大。圖8為表1中測量位置示意圖。

轉子角度測量位置A/mmB/mmC/mm0°0.440.140.4590°0.440.140.44180°0.450.150.44270°0.440.140.44360°0.440.140.45

阻尼器油膜間隙的調整是通過測量圖中的ABC三個點的間隙值，每旋轉90°測量一次，一共測量四次，每一次的值都應在0.178～0.330 mm之間。油膜阻尼器的間隙在裝配過程中逐步追蹤，嚴格控制每一個步驟的間隙。機組回裝時全部進行了重新調整，確保回裝后機組的油膜阻尼器間隙都在0.178～0.330 mm之間。

4.1.2 高、低壓壓氣機壓氣機轉子動平衡量超標

轉子平衡是旋轉設備平穩運行的基本保證。任何轉子在圍繞其軸線旋轉時，由于相對于軸線的質量分布不均勻而產生離心力，這種離心力作用在轉子軸承上會引起振動、產生噪聲和加速軸承磨損，影響產品的性能和壽命。因此，任何旋轉設備在加工裝配過程中都需要進行動平衡測試，確保轉子旋轉時產生的振動或作用于軸承上的振動力減少到允許的范圍之內。

在第二臺CGT25D燃氣輪機的高、低壓壓氣機轉子進行動平衡復查過程中，發現高、低壓轉子的實際動平衡量與設計要求的動平衡量相差較大，回裝前對轉子重新進行動平衡。高、低壓轉子動平衡復查結果及其調整后的平衡量，如表2。

表2 壓氣機轉子動平衡量對照表

4.2 壓氣機葉片的隱患處理[5]

結合首臺CGT25D燃氣輪機的故障分析情況，在第二臺機組振動問題處理期間，也對壓氣機葉片的隱患進行了排查處理，結果如下：

4.2.1 動葉根部止動環鎖定槽和止動環加工尺寸超差

第二臺CGT25D燃氣輪機低壓壓氣機除存在0～2級動葉片樅樹型葉根和葉根鎖定槽同樣的葉根外側沒有倒圓角之外，還發現0～2動葉片根部端面圓角及1、2級根部門字形止動環槽圓角加工尺寸與設計尺寸有較大偏差,如圖9。

實際加工制造尺寸和設計要求尺寸相差較大，實際加工中沒有重視倒圓角要求，特別是動葉片的止動環鎖定槽內圓倒角尺寸正偏差達到30%以上，內圓角偏大。止動環截面圓倒角卻是負偏差達到了25%，棱角尖銳。止動環棱角和止動環槽內圓角接觸部位更容易造成應力集中。

4.2.2 止動環加工粗糙，表面局部受損嚴重

對照比較國內加工止動環和進口止動環，如圖10～圖11。圖10左側為國產加工的止動環端面粗糙，截面四周棱角尖銳；右側為進口止動環，斷面光滑，截面四周沒有尖銳棱角。圖11上面兩根為國產加工止動環，表面粗糙、棱角尖銳的止動環受力不均、表面受傷嚴重；相反，下面一根為進口止動環，表面幾乎沒有受傷痕跡。造成國內加工止動環表面上受傷是止動環與環槽之間的配合間隙比設計的配合間隙大了0.05 mm，葉片軸向活動范圍增大，高速旋轉下的葉片根部端面對止動環的疲勞沖擊所致。

上述問題在機組回裝前，全面嚴格按照了圖紙的設計和要求進行了處理和修復，最終完成機組的檢查和裝配，第二臺CGT25D國產燃氣輪機于2018年8月底完成測試合格后，于2018年9月8日到達衢州，已經正式投入生產運行。

5 反思

打鐵還要自身硬。核心技術必須要掌握在我們自己手上，才能在競爭激烈的時代中列于不敗之地。燃氣輪機作為目前世界上最高端、最先進動力裝置，我們和國外的差距很大，國家已經下定決定發展自己的燃氣輪機，縮短和發達國家的差距，實現燃氣輪機國產化。開展天然氣長輸管道燃氣輪機國產化試制就是對這一戰略決策的積極響應。故障和隱患排查處理的幾點啟示：

1) 細節決定成敗。既然已經決定要開展天然氣長輸管道燃氣輪機試制，細節就直接決定了我們國產化試制的成敗。首臺機組的故障原因分析表明，葉片根部端面的倒圓角設計可以避免應力集中，避免葉根與鎖定槽邊緣之間的疲勞碰撞接觸，避免接觸部位的疲勞斷裂。可就在實際加工過程中，沒有注重這個細節，沒把好質量關，最終造成了嚴重后果。細節是一種精神，是一種用專業去敬業的精神。注重細節是一種態度，一種在工作中責任心和積極性的態度。在燃氣輪機的設計、加工制造、試驗和現場應用的每一過程中都必須保持這種敬業的態度，燃氣輪機國產化試制才會取得成功。

2) 切忌急功近利。燃氣輪機是高速旋轉設備，特別是一些輕型、航改型燃氣輪機，壓氣機和高壓渦輪的轉速一般每分鐘上萬轉以上或近萬轉，任何一個零部件加工失誤或疏忽都會造成災難性后果。加工制造時必須要嚴格按照設計要求，注重每一個細節，切忌人浮于事，急功近利，急于求成，好大喜功。否則，只會壞事，貽誤良機并造成重大損失。首臺CGT25D燃氣輪機的壓氣機葉片葉根斷裂事件再次印證了把好質量細節的重要性。在燃氣輪機研制過程中，決不能容忍人浮于事、急功近利的工作態度。

3) 團結協作是燃氣輪機國產化戰略成功的基石。燃氣輪機是集當今科學之大成，是多學科、多專業、多組織、多人才等組成的綜合團體共同來完成的一項綜合、復雜、高端的技術裝備。涉及到工程熱物理學、流體力學、固體力學、材料科學、信息與計算機科學、控制科學控制理論、金屬工藝與特種加工技術等多門專業學科。必須團結協作，依靠團結的力量，才能把單個的愿望和團隊的目標結合起來，超越個體的局限，發揮集體的協作作用。團結協作，形成合力，實現重大戰略目標，充分利用好、協調好社會各方面的資源，建立和諧的信賴關系，營造良好的人際氛圍，增強團結協作精神，充分信任團隊和依靠團隊，團結一致，緊密協作，確保我們偉大的戰略的成功。CGT25D國產管道燃氣輪機試制過程中出現的曲曲折折和坎坎坷坷，表明了團結協作和相互配合的重要性。事實證明，只要參與各方和所有參與工作者勁往一處使，擰成一股繩，萬眾一心，齊心協力，我們一定能夠贏得燃氣輪機國產化戰略的勝利。

6 結語

燃氣輪機國產化過程本身就是一個不斷測試，不斷總結、改進和完善、戰勝自我的過程，只有這樣不斷地戰勝自我并超越自我，國產化燃氣輪機才會優化、成熟，最終成為能夠擁有真正自主知識產權并廣泛應用于國民經濟的發展。擁有了自己的核心技術和經驗，為后期其他型號燃氣輪機自主化研制提供經驗，縮短與世界燃氣輪機強國的差距。盡管首臺機組遇到了挫折，但參與國產CGT25D管道燃氣輪機試制的各方都積極配合，找到了事故原因，并在后續的第二臺和第三臺機組上進行及時的糾正，目前后兩臺CGT25D燃氣輪機在現場運行良好。前期的運行管理、操作經驗將為后續CGT25D燃氣輪機的不斷改進和完善提供現場試用的經驗。把好細節，團結協作，把CGT25D國產管道燃氣輪機優化、完善并發展成為天然氣長輸管道的主流驅動機組，在我國管道行業乃至全球管道行業中進行全面推廣[3]。