燃機高溫部件故障及檢修維護技術分析

摘要：本文主要分析了燃機燃燒室及熱通道故障的診斷方法，闡述了高溫部件的損壞機理，最后探討了燃燒室、擴散段高溫熱通道部件的檢修維護技術。可以為有關專業檢修人員提供參考和幫助。

關鍵詞：燃機;高溫部件;故障;檢修維護技術

中圖分類號：TK438 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）09-0162-02

0 ?引言

燃氣輪機具有環境污染小、安全性能高、啟停周期短等特點，在國內外許多領域都得到了推廣。作為一種新型的電力能源系統，其內部結構復雜，在使用、維護過程中消耗了大量的人力、財力和物力。其內部故障、缺陷的判斷，需要有經驗的專家進行相關的檢查、評估。

1 ?燃機故障的診斷方法

1.1 專家系統故障診斷

根據燃機領域專家以往進行故障診斷的經驗，積累形成現有的規則，專家系統診斷是可操作的。該方法主要根據與初始失效特征相關的實際經驗再現失效。這種方法適合更多的人。其主要特點是基本原則簡單明了。該方法簡單易懂，故障診斷速度快，但不可避免地存在一定的局限性。設備工程師記錄燃燒室的故障，分析故障情況和征兆，澄清設備故障問題。專家系統故障診斷應用廣泛，診斷準確率高。此外，數據故障的存儲空間非常小，非常便于程序和系統的運行。專家系統的故障診斷方法存在的問題是所有的故障都可以診斷為過去的故障，對于一個新的故障，如果沒有匹配項，匹配的原型會產生導致錯誤的故障診斷結果，不利于設備的正常安全運行，縮短燃氣輪機的壽命。

1.2 神經網絡診斷

故障診斷可以說是從癥狀到實際障礙的映射。神經網絡診斷屬于人工智能的范疇。然而，神經網絡的診斷方法是有限的。如果樣本中沒有故障，則無法指示某些故障的內部通信，也不利于有效診斷。該方法是一種抽象的故障診斷方法。這種方法的原理是將故障的癥狀映射到疾病的根本原因，并顯示兩種缺陷之間的相關性。神經網絡診斷具有高度的非線性、不完善性和固有的聯想記憶能力。神經網絡診斷系統無記憶功能，診斷能力強。反映缺陷癥狀和缺陷來源之間的關系，診斷將花費更多的精力和時間分析這種關系。很多情況下，錯誤的診斷結果甚至會影響維修人員的專業判斷，設備故障也無法在合理的時間內得到有效的處理。

1.3 混合智能故障診斷

燃機故障種類受制于燃氣輪機類型的不同而多樣化，因此認為同一診斷方法不能最大程度控制誤診的可能性。在診斷過程中，專家系統診斷將不同的機組系統參數與神經網絡診斷有機地結合起來。

2 ?高溫部件損傷機理

燃氣輪機高溫部件的材料成分主要是鎳基奧氏體合金鋼。葉片內壁涂有一層抗高溫、抗氧化能力強的涂層，氧化防腐蝕保護膜的作用是保護葉片的母體材料，以防止周圍高溫氣體的腐蝕。利用LPPS（真空等離子噴涂）技術或VPS（真空等離子噴涂）技術將這些金屬保護層涂覆在葉片金屬上。絕熱涂層的作用是降低表面溫度，金屬氧化防腐蝕涂層表面涂有這些陶瓷絕熱涂層（ZrO2+Y2O3），可以使用APS（空氣等離子噴涂）和EB-PVD（電子束物理氣相沉積）技術進行涂裝。用這兩種方法制備的涂層的顯微結構不同，形成的熱障的有效性隨涂層的熱導率和厚度而變化。燃氣輪機高溫部件材料易受熱應力和熱疲勞的影響。燃氣輪機在正常運行期間必須承受高溫上升氣流。由于燃氣輪機的狀態變化迅速、葉片的溫度變化迅速、在基本負載和高峰負載運轉下高溫的機械負載對于內部材料的蠕變損傷、隨燃料及空壓而進入高溫路徑中的細微塵粒、在高溫條件下額外的機械負載和由水流注入造成的氧化膜的不穩定、由輕微污染的燃料或者嚴重污染的重油所造成的材料變薄、機械震動加快的摩擦磨損等因素影響，葉片等高溫部件受到不同程度的損傷。即使燃氣輪機零件有涂層，也必須在高溫下長時間暴露。因此，涂層難免要氧化、腐蝕和開裂，并且暴露基底材料以引起基材的氧化、燒蝕和腐蝕。在燃氣輪機運行過程中，高溫部件長期暴露在高溫環境中是不可避免的，上述的損傷破壞需借助技術手段盡早發現并處理。

3 ?高溫部件的故障

當高溫部件中發生危險故障時，高溫環境下僅可正常工作一段時間，在此過程中不會有損壞或破裂，之后這些故障將迅速擴展，導致高溫部件斷裂和損壞，從而導致更嚴重的故障。過渡破壞在初次出現時發展緩慢，但一旦發展到一定時期，上述破壞將更加嚴重，對高溫組件及系統設備造成不同程度的破壞甚至斷裂。

4 ?燃機高溫部件的檢修、維護技術

4.1 內窺鏡檢查

通過內窺鏡檢查維護燃氣輪機，檢查高溫組件的可靠性，跟蹤高溫組件狀態變化的時間。如果出現涂層氧化、腐蝕、開裂等情況，應及時提交維修計劃，然后更換上述零件，使材料的采購和更換更加合理，有效地分類維護。使用本程序進行監測，可有效地進行大修期間的維護，這是非常重要、有效的，大大降低了燃氣輪機的維護和處置成本。

4.2 定期小修

燃機燃燒室和燃機透平葉片之間高溫煙氣通道中的部件必須定期檢查。燃機在火焰筒一端金屬襯板和火焰筒圓柱段內的陶瓷內襯范圍使用氣膜冷卻，并以相對低的燃燒壓力下運行。因此不需要定期更換高溫煙氣通道的零件，但是對高溫煙氣通道部件的檢查、尺寸累計磨損的測量記錄尤其重要，通過數據記錄、對比，預判缺陷的發展趨勢，及早制定檢修計劃。

由于被冷卻后的外缸包圍，火焰筒和透平之間的高溫內部零件會相對移動，其滑動接頭由內向外缸移動。而通過設計的手段不可能達到內部部件達到完全一致的熱膨脹。因此，內部部件一定會受到由磨擦力和疲勞引起的磨損。這些檢查旨在定期地記錄這個磨損現象，并通過適當的補救措施防止其進一步發展。

與內窺鏡檢查或拆卸火焰筒比較，依靠設計的可快速開啟的人孔這種簡單的方式，可快速地進行這種檢查作業。直接目視檢查所有的燃燒室、高溫煙氣通道的內壁和第1級透平的動葉和靜葉，測量尺寸間隙。

在進入燃燒室之前必須讓燃機大致冷卻到室溫，冷卻時間取決于環境條件，可能需要長達數十小時。在冷卻階段禁止開啟檢查人孔。

在關閉人孔之前重點檢查燃機內部的清潔度，主要包含壓氣機進氣風道和擋板、壓氣機進氣缸靜葉持環、燃燒室及火焰筒至透平內缸、透平排氣缸和排氣擴散段。檢查完畢后，要立即關閉相關人孔蓋，并做好記錄。

執行目視檢查需要技術人員的廣泛知識和經驗，方可形成專項檢查報告。通過對檢查結果及所記錄的數據需進行綜合分析對比，結合制造商意見，得出評估結論，以供燃氣輪機的維護、檢修參考。

4.3 金屬監督

對燃氣輪機高溫部件的狀態監測，可以通過運行參數進行診斷，同時可以采用金屬監督等方法對燃氣輪機高溫部件進行有效監測，從而及時處理運行中的異常情況，評估和完善維護計劃，提高維護效率并定期進行維護。在金屬監測中，主要有無損檢測、目測、超聲波、X射線、渦流檢測等。在破壞性監測過程中對被測零件進行高溫取樣，這是通過金相分析實現的。無損檢測可以掌握高溫零件缺陷的發展規律，分析高溫零件損壞的原因，并通過跟蹤監測獲得高溫零件的有效數據，為維修工作提供重要依據。

4.4 燃機透平軸承座端蓋及擴散段內襯板無損檢測

燃機出口擴散段內襯板及透平軸承座端蓋基材可選用高溫蠕變奧氏體不銹鋼X6CrNiTi18-10，此處高溫煙氣溫度達500℃以上，機組啟停過程，擴散段內襯板及透平軸承座端蓋溫度的急劇變化產生的熱應力及安裝內應力集中釋放，導致金屬板基材及拼接焊縫處開裂，隨著燃機有效運行小時數的累積，擴散段內襯板及透平軸承座裂紋持續延伸，如未能及時發現、修補裂縫，會導致金屬板材破口、缺失，隨煙氣高速流動至擴散段出口的余熱鍋爐爐膛，嚴重時造成鍋爐過熱器鰭片管破損、鍋爐運行中的爆管事故。因此，在燃機停機、檢修計劃中，對擴散段內襯板及透平軸承座端蓋的PT無損檢測至關重要，通過對微裂紋、表面裂紋的預先檢測、清理、補焊（針對基材，焊材推薦BOHLER的ER347或E308L-15），防止機組啟停時溫度急劇變化造成的裂紋延伸破壞。

4.5 燃機透平排氣擴散段膨脹節

燃機透平排氣擴散段膨脹節作為一種能自由伸縮的彈性補償元件，可以有效的削弱因高溫煙氣帶來的應力變形，以滿足在最惡劣工作條件下因排氣溫度而引起的燃機和余熱鍋爐的全部熱膨脹。膨脹節的性能影響燃機透平出口高溫部件摩擦磨損程度，對膨脹節的定期檢查、維護至關重要。長時間的循環往復位移，會造成膨脹節疲勞缺陷及內部保溫材料的破損、撕裂，在燃機停運后，燃機內部腔室降低至室溫，對膨脹節處的內部保溫進行填充和固定，檢查膨脹節焊縫、測量膨脹節四個相位軸向變形量，對于超出產品要求的變形進行修復。

4.6 檢查拆下的舊零件

檢查已拆除的所有舊零件，包括燃燒室零件和渦輪組件（動葉、靜葉）。可能存在的問題：裂紋、涂層氧化、腐蝕、剝落、變形、磨損、金屬缺陷。燃燒室檢查和熱通道檢查包括各檢測儀表、管道和接頭，檢查主要包括異物、異常磨損、裂紋、變形、涂層狀況、氧化、腐蝕、過熱點、燒蝕和零件缺陷，檢查標準根據機器維修手冊確定。

4.7 新零件安裝前檢查

新的備件需要在安裝前進行測試。檢查內容如下：一致性檢查、外觀是否損壞、零件是否磨損、腐蝕和開裂、密封件是否安裝在預定位置、涂層漏涂、損壞、剝落和厚度不均勻。除了檢查和驗證材料的完整性和外觀外，還需要對新的值班氣體控制閥、預混合氣體控制閥和擴散氣體控制閥進行閥位試驗和閥位校準。

5 ?結束語

由此可見，燃機燃燒室、熱通道的運行狀況決定著機組能否穩定運行，也影響著電廠的經濟效益。因此，對燃機高溫部件故障的檢查、檢修、維護工作在日常工作中顯得尤為重要。采取預防性的檢查、維護、記錄因熱膨脹造成的累計磨損，制定有效的檢修計劃，可以有效地降低故障發生的概率，保證燃機的運行效率。

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作者簡介：楊瑞杰（1985-），男，內蒙古烏蘭察布人，機械工程師，中級職稱，研究方向為燃氣電廠設備維護管理。