燃机热端部件寿命分析

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1、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杭州主要内容前言1.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前言¢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1.影响燃气轮机热端部件可靠性的主要因素热端部件设计

2、、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：累计运行小时、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EOH¢非正常运行工况与事故：超温、超速、外物损伤等1.影响燃气轮机热端部件可靠性的主要因素热端部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1.影响燃气轮机热端部件可靠性的主要因素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

3、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(OEM与替代品)2.燃气轮机热端部件材料性能降低与损坏的一般规律2.燃气轮机热端部件材料性能降低与损坏的一般规律¢超级合金(基材)老化：强化γ′相增大、晶界加粗，高温强度与抗蠕变性能下降2.燃气轮机热端部件材料性能降低与损坏的一般规律¢基体材料裂纹＊由交变机械-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2.燃气轮机热端部件材料性能降低与损坏的一般规律¢日本E级燃机一级静叶裂纹扩展统计规

4、律[5]＊21万条裂纹数据＊11种典型裂纹模式结论：裂纹扩展速度与运行小时和起停次数成正比2.燃气轮机热端部件材料性能降低与损坏的一般规律¢三菱公司F/G燃机一级静叶裂纹扩展统计规律[6]两班制日起停机组基本负荷机组结论：裂纹扩展速度与运行小时和起停次数基本成正比2.燃气轮机热端部件材料性能降低与损坏的一般规律¢GE公司F级燃机一级双连静叶裂纹扩展统计规律[7]叶片尾缘裂纹内端壁裂纹叶片根部及内端壁裂纹2.燃气轮机热端部件材料性能降低与损坏的一般规律¢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＊端壁裂纹长之和不得大于端壁轴向长度＊静叶片表面与根

5、部裂纹长之和不得大于叶片弦长2.燃气轮机热端部件材料性能降低与损坏的一般规律¢叶片裂纹预测方法举例[8]采用CFD和FEM方法计算：三维流场、叶片温度叶片参数场、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2.燃气轮机热端部件材料性能降低与损坏的一般规律¢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产生在动叶根部尾缘冷却射流孔裂纹缘冷却射流孔处2.燃气轮机热端部件材料性能降低与损坏的一般规律¢涂层性能老化、磨蚀、烧损、裂纹、局部脱落氧化铝外层抗氧化涂层CoCrAlY扩散底涂层基材新涂层运行后涂层裂纹广2.燃气轮机热端部件材

6、料性能降低与损坏的一般规律¢V94.2叶片TBC涂层厚度与EOH的关系[10]涂层厚度与EOH成反比2.燃气轮机热端部件材料性能降低与损坏的一般规律¢9FA一级动叶涂层磨蚀预测举例[8]18000小时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3.热端部件状态检测的技术手段非破坏性检测(NDI)¢目测(窥镜)¢萤光与磁粉检查¢超声波探伤、X射线、工业CT¢电涡流检查(EddyCurrentInspection,ECI)破坏性检测(试样)¢材料成分与力学性能试验¢金相试验3.热端部件状态检测的技术手段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、裂纹等正常涂层裂纹涂

7、层不同频率下典型阻抗特性3.热端部件状态检测的技术手段素ECI检测叶片表面涂层及叶根3.热端部件状态检测的技术手段素ECI检测叶片表面涂层厚度及叶片基材缺陷[2]涂层厚度测量精度2%可测基材缺陷、裂纹尺寸>0.5mm4.热端部件的性能恢复热等静压处理(HIP,HotIsostaticPressing)可在很大程度上恢复超级合金金相组织典型HIP参数：100MPa，1100-1200C,2-4小时4.热端部件的性能恢复HI