燃机高温部件故障及检修维护技术分析

摘要：本文主要分析了燃机燃烧室及热通道故障的诊断方法，阐述了高温部件的损坏机理，最后探讨了燃烧室、扩散段高温热通道部件的检修维护技术。可以为有关专业检修人员提供参考和帮助。

关键词：燃机;高温部件;故障;检修维护技术

中图分类号：TK438                                     文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）09-0162-02

0  引言

燃气轮机具有环境污染小、安全性能高、启停周期短等特点，在国内外许多领域都得到了推广。作为一种新型的电力能源系统，其内部结构复杂，在使用、维护过程中消耗了大量的人力、财力和物力。其内部故障、缺陷的判断，需要有经验的专家进行相关的检查、评估。

1  燃机故障的诊断方法

1.1 专家系统故障诊断

根据燃机领域专家以往进行故障诊断的经验，积累形成现有的规则，专家系统诊断是可操作的。该方法主要根据与初始失效特征相关的实际经验再现失效。这种方法适合更多的人。其主要特点是基本原则简单明了。该方法简单易懂，故障诊断速度快，但不可避免地存在一定的局限性。设备工程师记录燃烧室的故障，分析故障情况和征兆，澄清设备故障问题。专家系统故障诊断应用广泛，诊断准确率高。此外，数据故障的存储空间非常小，非常便于程序和系统的运行。专家系统的故障诊断方法存在的问题是所有的故障都可以诊断为过去的故障，对于一个新的故障，如果没有匹配项，匹配的原型会产生导致错误的故障诊断结果，不利于设备的正常安全运行，缩短燃气轮机的寿命。

1.2 神经网络诊断

故障诊断可以说是从症状到实际障碍的映射。神经网络诊断属于人工智能的范畴。然而，神经网络的诊断方法是有限的。如果样本中没有故障，则无法指示某些故障的内部通信，也不利于有效诊断。该方法是一种抽象的故障诊断方法。这种方法的原理是将故障的症状映射到疾病的根本原因，并显示两种缺陷之间的相关性。神经网络诊断具有高度的非线性、不完善性和固有的联想记忆能力。神经网络诊断系统无记忆功能，诊断能力强。反映缺陷症状和缺陷来源之间的关系，诊断将花费更多的精力和时间分析这种关系。很多情况下，错误的诊断结果甚至会影响维修人员的专业判断，设备故障也无法在合理的时间内得到有效的处理。

1.3 混合智能故障诊断

燃机故障种类受制于燃气轮机类型的不同而多样化，因此认为同一诊断方法不能最大程度控制误诊的可能性。在诊断过程中，专家系统诊断将不同的机组系统参数与神经网络诊断有机地结合起来。

2  高温部件损伤机理

燃气轮机高温部件的材料成分主要是镍基奥氏体合金钢。叶片内壁涂有一层抗高温、抗氧化能力强的涂层，氧化防腐蚀保护膜的作用是保护叶片的母体材料，以防止周围高温气体的腐蚀。利用LPPS（真空等离子喷涂）技术或VPS（真空等离子喷涂）技术将这些金属保护层涂覆在叶片金属上。绝热涂层的作用是降低表面温度，金属氧化防腐蚀涂层表面涂有这些陶瓷绝热涂层（ZrO2+Y2O3），可以使用APS（空气等离子喷涂）和EB-PVD（电子束物理气相沉积）技术进行涂装。用这两种方法制备的涂层的显微结构不同，形成的热障的有效性随涂层的热导率和厚度而变化。燃气轮机高温部件材料易受热应力和热疲劳的影响。燃气轮机在正常运行期间必须承受高温上升气流。由于燃气轮机的状态变化迅速、叶片的温度变化迅速、在基本负载和高峰负载运转下高温的机械负载对于内部材料的蠕变损伤、随燃料及空压而进入高温路径中的细微尘粒、在高温条件下额外的机械负载和由水流注入造成的氧化膜的不稳定、由轻微污染的燃料或者严重污染的重油所造成的材料变薄、机械震动加快的摩擦磨损等因素影响，叶片等高温部件受到不同程度的损伤。即使燃气轮机零件有涂层，也必须在高温下长时间暴露。因此，涂层难免要氧化、腐蚀和开裂，并且暴露基底材料以引起基材的氧化、烧蚀和腐蚀。在燃气轮机运行过程中，高温部件长期暴露在高温环境中是不可避免的，上述的损伤破坏需借助技术手段尽早发现并处理。

3  高温部件的故障

当高温部件中发生危险故障时，高温环境下仅可正常工作一段时间，在此过程中不会有损坏或破裂，之后这些故障将迅速扩展，导致高温部件断裂和损坏，从而导致更严重的故障。过渡破坏在初次出现时发展缓慢，但一旦发展到一定时期，上述破坏将更加严重，对高温组件及系统设备造成不同程度的破坏甚至断裂。

4  燃机高温部件的检修、维护技术

4.1 内窥镜检查

通过内窥镜检查维护燃气轮机，检查高温组件的可靠性，跟踪高温组件状态变化的时间。如果出现涂层氧化、腐蚀、开裂等情况，应及时提交维修计划，然后更换上述零件，使材料的采购和更换更加合理，有效地分類维护。使用本程序进行监测，可有效地进行大修期间的维护，这是非常重要、有效的，大大降低了燃气轮机的维护和处置成本。

4.2 定期小修

燃机燃烧室和燃机透平叶片之间高温烟气通道中的部件必须定期检查。燃机在火焰筒一端金属衬板和火焰筒圆柱段内的陶瓷内衬范围使用气膜冷却，并以相对低的燃烧压力下运行。因此不需要定期更换高温烟气通道的零件，但是对高温烟气通道部件的检查、尺寸累计磨损的测量记录尤其重要，通过数据记录、对比，预判缺陷的发展趋势，及早制定检修计划。

由于被冷却后的外缸包围，火焰筒和透平之间的高温内部零件会相对移动，其滑动接头由内向外缸移动。而通过设计的手段不可能达到内部部件达到完全一致的热膨胀。因此，内部部件一定会受到由磨擦力和疲劳引起的磨损。这些检查旨在定期地记录这个磨损现象，并通过适当的补救措施防止其进一步发展。

与内窥镜检查或拆卸火焰筒比较，依靠设计的可快速开启的人孔这种简单的方式，可快速地进行这种检查作业。直接目视检查所有的燃烧室、高温烟气通道的内壁和第1级透平的动叶和静叶，测量尺寸间隙。

在进入燃烧室之前必须让燃机大致冷却到室温，冷却时间取决于环境条件，可能需要长达数十小时。在冷却阶段禁止开启检查人孔。

在关闭人孔之前重点检查燃机内部的清洁度，主要包含压气机进气风道和挡板、压气机进气缸静叶持环、燃烧室及火焰筒至透平内缸、透平排气缸和排气扩散段。检查完毕后，要立即关闭相关人孔盖，并做好记录。

执行目视检查需要技术人员的广泛知识和经验，方可形成专项检查报告。通过对检查结果及所记录的数据需进行综合分析对比，结合制造商意见，得出评估结论，以供燃气轮机的维护、检修参考。

4.3 金属监督

对燃气轮机高温部件的状态监测，可以通过运行参数进行诊断，同时可以采用金属监督等方法对燃气轮机高温部件进行有效监测，从而及时处理运行中的异常情况，评估和完善维护计划，提高维护效率并定期进行维护。在金属监测中，主要有无损检测、目测、超声波、X射线、涡流检测等。在破坏性监测过程中对被测零件进行高温取样，这是通过金相分析实现的。无损检测可以掌握高温零件缺陷的发展规律，分析高温零件损坏的原因，并通过跟踪监测获得高温零件的有效数据，为维修工作提供重要依据。

4.4 燃机透平轴承座端盖及扩散段内衬板无损检测

燃机出口扩散段内衬板及透平轴承座端盖基材可选用高温蠕变奥氏体不锈钢X6CrNiTi18-10，此处高温烟气温度达500℃以上，机组启停过程，扩散段内衬板及透平轴承座端盖温度的急剧变化产生的热应力及安装内应力集中释放，导致金属板基材及拼接焊缝处开裂，随着燃机有效运行小时数的累积，扩散段内衬板及透平轴承座裂纹持续延伸，如未能及时发现、修补裂缝，会导致金属板材破口、缺失，随烟气高速流动至扩散段出口的余热锅炉炉膛，严重时造成锅炉过热器鳍片管破损、锅炉运行中的爆管事故。因此，在燃机停机、检修计划中，对扩散段内衬板及透平轴承座端盖的PT无损检测至关重要，通过对微裂纹、表面裂纹的预先检测、清理、补焊（针对基材，焊材推荐BOHLER的ER347或E308L-15），防止机组启停时温度急剧变化造成的裂纹延伸破坏。

4.5 燃机透平排气扩散段膨胀节

燃机透平排气扩散段膨胀节作为一种能自由伸缩的弹性补偿元件，可以有效的削弱因高温烟气带来的应力变形，以满足在最恶劣工作条件下因排气温度而引起的燃机和余热锅炉的全部热膨胀。膨胀节的性能影响燃机透平出口高温部件摩擦磨损程度，对膨胀节的定期检查、维护至关重要。长时间的循环往复位移，会造成膨胀节疲劳缺陷及内部保温材料的破损、撕裂，在燃机停运后，燃机内部腔室降低至室温，对膨胀节处的内部保温进行填充和固定，检查膨胀节焊缝、测量膨胀节四个相位轴向变形量，对于超出产品要求的变形进行修复。

4.6 检查拆下的旧零件

检查已拆除的所有旧零件，包括燃烧室零件和涡轮组件（动叶、静叶）。可能存在的问题：裂纹、涂层氧化、腐蚀、剥落、变形、磨损、金属缺陷。燃烧室检查和热通道检查包括各检测仪表、管道和接头，检查主要包括异物、异常磨损、裂纹、变形、涂层状况、氧化、腐蚀、过热点、烧蚀和零件缺陷，检查标准根据机器维修手册确定。

4.7 新零件安装前检查

新的备件需要在安装前进行测试。检查内容如下：一致性检查、外观是否损坏、零件是否磨损、腐蚀和开裂、密封件是否安装在预定位置、涂层漏涂、损坏、剥落和厚度不均匀。除了检查和验证材料的完整性和外观外，还需要对新的值班气体控制阀、预混合气体控制阀和扩散气体控制阀进行阀位试验和阀位校准。

5  结束语

由此可见，燃机燃烧室、热通道的运行状况决定着机组能否稳定运行，也影响着电厂的经济效益。因此，对燃机高温部件故障的检查、检修、维护工作在日常工作中显得尤为重要。采取预防性的检查、维护、记录因热膨胀造成的累计磨损，制定有效的检修计划，可以有效地降低故障发生的概率，保证燃机的运行效率。

参考文献：

[1]孟凡刚，冯永志，于宁，等.燃气轮机典型故障统计分析及运行维护[J].电气时代，2020（1）.

[2]马龙.燃气轮机高温壁面冷却结构设计及冲击冷却特性研究[D].2020.

[3]宋国新，王国强.重型运载火箭发动机涡轮部件富氧燃气通道高温防护涂层技术研究[J].载人航天，2020，026（001）：76-81.

[4]谢晓阳，汪海锋.燃气轮机热障涂层技术专利分析[J].舰船科学技术，2020，42（01）：190-193.

[5]庄月芹.汽车发动机冷却系统故障问题及处理技术分析[J]. 现代制造技术与装备，2020，56（10）：165-166.

[6]石倩，汪唯，郭朝乾，等.一種扩散障材料的应用，高温涂层及其制备方法与应用，一种燃机热端部件[P].2020.

[7]朱国强.9E型燃机透平轮间温度高故障分析及处理[J].设备管理与维修，2018（7）：71-72.

[8]韩建清.燃气轮机高温部件的损伤机理与运行维护对策[J].发电设备，2014，28（5）：323-327.

作者简介：杨瑞杰（1985-），男，内蒙古乌兰察布人，机械工程师，中级职称，研究方向为燃气电厂设备维护管理。