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“命門火衰”,重型燃氣輪機的葉片之殤
2018-05-09 08:17:13 來源: 科技日報
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  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,重燃發電機組目前佔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著無可替代的全局性角色。沒有自主化能力,意味著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。

  極致技術:對質量和性能近乎變態的追求

  把熔化的液態金屬澆入模具,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。

  這是一個極其復雜、漫長的過程,包括精確的溫度控制,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?

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

  更關鍵一點,在以上復雜流程的所有環節,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係數,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致。所以,一就是一,二就是二,偏差根本不能容忍、不被允許。

  體係差距: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,與國內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,只能聽從人家的意志。核心制造技術不轉讓,國內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致功課,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,5萬小時要做將近6年,“這還只是做一輪配方、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”。它意味著巨量的投資、巨量的耗時和巨量的數據採集,而且每一步都必須親歷親為,否則就“不知其所以然”。

  “盡早建立起我國完整的設計體係、試驗驗證體係,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説。

  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。

  上述技術負責人介紹,一般的鑄造,是把金屬液澆入模坑、自然冷卻,出來的産品是多晶體,就會有晶界。而透平葉片單晶/定向鑄造,“是在底下選一個晶體,讓它慢慢往上走;上面保持高溫,還是液體;然後這個界面一點點往上冷卻,所以凝固時間特別長”。

  顧春偉稱之為“多物理場耦合”,即制造流程中,每一環節涉及各種細節的工藝控制,這種控制又受到各種物理條件的影響,比如濕度、溫度、速度等控制下的成型,“每一步都是工匠、工藝、設備的‘三位一體’”。

  三位一體中,設備當然必不可少,“先進單晶爐須從德國進口,國産的目前仍不完善。但光強調設備也不行”。單晶制造過程中,涉及多個環節、多位頂尖高手,每人各管一段;每人都身懷絕技,相互不可替代。包括所有的參數控制、補償等,既靠數據標準,更有“手上的功夫”,也就是經驗積累。因為“多物理場耦合”中,沒有一把尺子可以包打天下。這是基于大數據的3D打印仍無法終結工匠的道理,也是我國高端制造流程中目前最緊缺的一環。(記者 瞿劍)

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【糾錯】 責任編輯: 陳聽雨
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