“命门火衰”,重型燃气轮机的叶片之殇

本报记者 瞿 剑

亟待攻克的核心技术⑨

重型燃气轮机(以下简称重燃),名副其实的大国重器。作为迄今为止热/功转换效率最高的动力机械,广泛应用于机械驱动(如舰船、火车)和大型电站。我国现已具备轻型燃机(功率5万千瓦以下)自主化能力;但重燃(功率5万千瓦以上)仍基本依赖引进。据悉,重燃发电机组目前占全国发电装机总量的3%左右,虽不是一大块,却是不可或缺的一块——启停快捷、热效率更高、污染更少的燃机机组,作为大电网调峰容量的最佳选择,在国家能源安全中扮演着无可替代的全局性角色。没有自主化能力,意味着我国能源安全的重要一环,仍然受制于人,存在被“卡脖子”的风险。

极致技术:对质量和性能近乎变态的追求

把熔化的液态金属浇入模具,等它凝固;在显微镜下看其金相,会呈现形似“干裂农田”状的缝隙,专业术语称之为“晶界”。

“晶界是金属的薄弱环节。”国家科技重大专项“重型燃气轮机”技术负责人表示。为提高金属材料在高温下的强度,就要想办法消除晶界。

这是一个极其复杂、漫长的过程,包括精确的温度控制,以及精密铸造、定向/拉单晶等工艺。其核心部件的毛坯“都是来自国外”;核心设备单晶炉,也须从国外进口。

该技术负责人解释,作为一种旋转叶轮式热力发动机,燃气轮机的叶片是最重要的核心部件之一。它要在1400℃—1600℃的高温下长期稳定地工作,目前没有任何金属可以做到。怎么办?

极限工况催生出极致技术,一种对质量和性能疯狂到近乎变态的追求。除了消除晶界、提高所用材料本身的强度之外,“只有靠冷却”:叶片是中空的,以便通冷却空气;表面有陶瓷涂层、冷却气膜,使它跟高温燃气隔离,等等。

更关键一点,在以上复杂流程的所有环节,任何一项技术参数都不能有丝毫偏差,“这是它跟常规制造流程最大的不同”。他强调,常规制造中还有一个安全系数,即一定的容错裕量;而“极限制造完全是另一概念”:叶片是空心的、又很薄,除了精铸,目前没有其他工艺手段可以做出来,未来3D打印能不能解决还不清楚;铸造过程中,材料的夹渣、裂纹、疏松、气孔以及变形等,都会影响叶片的强度和性能。因为“它本身是不可能的,要靠好多极限手段硬让它变得可能”,所有技术必须做到极致。所以,一就是一,二就是二,偏差根本不能容忍、不被允许。

体系差距:即使有钱也不知从哪下手

美国GE公司高层曾声称,要买重燃成套技术,除非买下整个GE。

“重型燃气轮机”重大专项总设计师顾春伟教授和上述技术负责人都谈到,国际上大的重燃厂家,主要就是美国GE、日本三菱、德国西门子、意大利安萨尔多4家,与国内三大动力合作的也是这4家。但他们都附带苛刻条件:首先,设计技术不转让;其次,核心的热端部件制造技术也不转让,仅以许可证方式许可本土制造非核心部件。

这两条注定了,没有自主设计能力,我们需要什么样的重燃、能要到什么样的重燃,只能听从人家的意志。核心制造技术不转让,国内上了那么多重燃发电机组,设备运维、备件提供完全受制于人,长期安全稳定运行堪忧;本土制造的许可证又都有期限,到期之后能否付钱再延,还须看他人眼色。所谓“卡脖子”,莫此为甚。

跨国公司秘不示人、惜之如命的设计技术,是真正的核心技术。顾春伟表示,重燃三大部件(压气机、燃烧室、燃气透平)的设计都是难上加难,因为它们需要“大量基础研究支撑”和“长期试验验证及经验积累”,没有长期积累,“即使有钱你也不知从哪儿下手”。

仍以叶片为例。即使分毫不差做足各种极致功课,叶片材料仍是有寿命期限的:重燃叶片,寿命在5万小时、3万小时不等,到期必须报废。

怎么证明5万小时安全运行没问题?极限工况下、5万小时连续不断的材料试验必不可少。试想,一年8000多小时,5万小时要做将近6年,“这还只是做一轮配方、一轮工艺所需时间”,所以“一个人一辈子都做不了几个母合金”。它意味着巨量的投资、巨量的耗时和巨量的数据采集,而且每一步都必须亲历亲为,否则就“不知其所以然”。

“尽早建立起我国完整的设计体系、试验验证体系,才是重燃自主化的关键所在”,中国联合重型燃气轮机技术有限公司负责人如是说。

三位一体:工匠的经验仍不可或缺

叶片精铸过程中,“拉单晶”工艺很有画面感。

上述技术负责人介绍,一般的铸造,是把金属液浇入模坑、自然冷却,出来的产品是多晶体,就会有晶界。而透平叶片单晶/定向铸造,“是在底下选一个晶体,让它慢慢往上走;上面保持高温,还是液体;然后这个界面一点点往上冷却,所以凝固时间特别长”。

顾春伟称之为“多物理场耦合”,即制造流程中,每一环节涉及各种细节的工艺控制,这种控制又受到各种物理条件的影响,比如湿度、温度、速度等控制下的成型,“每一步都是工匠、工艺、设备的‘三位一体’”。

三位一体中,设备当然必不可少,“先进单晶炉须从德国进口,国产的目前仍不完善。但光强调设备也不行”。单晶制造过程中,涉及多个环节、多位顶尖高手,每人各管一段;每人都身怀绝技,相互不可替代。包括所有的参数控制、补偿等,既靠数据标准,更有“手上的功夫”,也就是经验积累。因为“多物理场耦合”中,没有一把尺子可以包打天下。这是基于大数据的3D打印仍无法终结工匠的道理,也是我国高端制造流程中目前最紧缺的一环。

(科技日报北京5月8日电)

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责任编辑:左瑾
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