燃机高温热部件及寿命

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4、热部件寿命及管理
（1）热部件设计寿命
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4、热部件寿命及管理
（2）热部件寿命管理简介

部分高温热部件的损坏失效周期远小于厂家推荐 的更换周期，为了提高热部件运行可靠性、降低 成本，进行部件寿命管理非常重要。

热部件寿命管理是运用各种先进的方法对热部件 的使用状态和寿命进行连续有效的监测和评估的 一种动态管理模式。


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燃烧室热部件失效方式
低周疲劳失效： 部件在机组启停过程时经历温度的突然变化。 高周疲劳失效： 火焰燃烧和气膜冷却会使部件产生高频振动。 高温蠕变破裂： 部件内外压力引起高温蠕变破裂和变形。 热机械疲劳：

稳定运行时，燃烧过程及筒壁冷却产生的热应力。

高温氧化、烧蚀和磨损
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透平热部件失效方式
1、高温合金材料

在650度以上温度时，具有一定的力学性
能和抗氧化、耐腐蚀性能；

较高的高温强度；


抗疲劳性能、断裂韧性、塑性
主要有铁基、镍基、钴基高温合金
2、高温合金部件制造工艺

高温合金的冶金工艺
冶炼的主要手段：电弧炉、真空感应炉和 非真空感应炉； 真空感应炉的采用是为了进一步降低夹杂 物的含量；
单晶叶片相比前两种有最佳的性能。
三菱M701F 透平叶片材料
3、高温合金保护涂层及工艺
三种类型的高温合金保护涂层
（1）扩散涂层

用于较高温度下需要抗氧化、抗腐蚀的 部件.

主要有氧化铝涂层和改进型氧化铝涂层.
3、高温合金保护涂层及工艺
（2）包覆涂层

用于极高温度下需要抗氧化的部件，用作独立
涂层或热障涂层的底层.

一般为MCrAlY，其中M是基体元素，可以是Ni
或Co（钴）或合用；Al是生成Al2O3的必需元素
；Y质量分数一般在1%以下，起到细化晶粒、
改善Al2O3膜与基体结合力的作用。
3、高温合金保护涂层及工艺
（3）热障涂层
隔热作用，包含4个部分：


基体，及被保护的零件
金属结合层：通常为MCrAlY 热生长氧化物层：致密的Al2O3薄膜，保护基体 陶瓷顶层：低的热导率，优越的热障和耐热冲击性能

F，燃料系数：气体=1.0，液体=1.25
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3、检修间隔期及检修策略
（1）M701F型燃机检修间隔期
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（2）M701F型燃机检修策略
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（3）计划检修与视情维修
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耗尽式与计划式检修方式

多次适时维修可有效延长零部件寿命。 不能完全依赖制造厂家提供的维修建议。 实施计划维修有益多多。 耗尽式的检修模式不能确保机组的安全。 紧急采购的配件质量更差，达不到机组的设计和 使用要求。
第五章 燃气轮机高温热部件


透平叶片的氧化与腐蚀
高温合金及涂层 燃气轮机寿命
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一、燃机透平的氧化与腐蚀
高温热腐蚀 低温热腐蚀
1. 2. 3.
高温氧化

腐蚀会导致重型燃气轮机中的叶片和导向叶片 发生毁坏，其缘由主要是由于燃料和空气的杂 质（碱金属硫酸盐等）在表面上的凝聚。重型 燃气轮机遭受的腐蚀／氧化通常有三种类型， 即低温热腐蚀、高温热腐蚀及高温氧化。
高温合金的铸造工艺-定向铸造 定向铸造的目的就是形成并列的柱状晶， 消除横向晶界，使透平叶片工作时最大的 离心力与柱晶之间的纵向晶界平行，减少 了晶界断裂的可能性； 与普通铸造相比，定向柱晶组织更耐高温 腐蚀，可使工作温度提高约50度，还使疲 劳寿命提高10倍以上。
高温合金的铸造工艺-单晶铸造 单晶铸造的透平叶片只有一个晶粒，完全 消除了晶界的有害作用； 单晶铸造过程的特点是控制熔融金属在铸 型内的散热条件，只允许一个优选的柱晶 长大；
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1，高温热腐蚀（I型热腐蚀）

高温热腐蚀是一种急速产生的破坏形式，高温热 腐蚀发生在816—927℃的温度范围内，与钠和
钾等碱金属杂质有关。在燃烧过程中，碱金属同
在燃料中含有的硫和氧化合形成Na2SO4和K2S04， 当这些碱金属盐类在叶型表面凝结为液体时，它 们就破坏了通常的保护性氧化膜，并阻止这种膜 重新形成，这样会使硫渗入金属基体，引起硫化
形式有明显的区别。在基体材料上很少甚至没有
可见的金属损耗现象，形成的硫化物也很少。
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3、高温氧化



金属的氧化是在当氧原子同金属原子化合形成氧化 膜时发生的，温度愈高，这个过程反应愈急速，如 果在氧化物的形成过程中消耗掉了太多的基体材料 就有可能导致损坏。 在高于900℃的温度下，如果金属表面没有阻止氧 扩散的隔膜，则某些材料会发生相当快速的氧化破 坏。若高温合金中铝含量足够高，则在高温卞将在 合金表面形成氧化铝，这样，合金在氧化的初期自 身产生一个致密的附着力强的氧化铝保护膜。 但是，为获得高强度和金属稳定性等优良性能的合 金，其成分要求不一定能满足使合金自身抗腐蚀和 抗氧化的最佳条件，所以现在使用的很多高强度高 温合金不能形成完好的保护膜，因此，大多数高温 合金都必须靠特殊的工程涂料来实现其氧化保护。
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END
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3、高温合金保护涂层及工艺
高温合金保护涂层的施加工艺
（1）热喷涂工艺

高速氧燃料火焰喷涂 等离子体喷涂

（2）电子束-物理气相沉淀工艺
4、燃气轮机中高温涂层的使用

目前，经冷却的透平叶片在 很高燃气温度运行时，表面 需要沉积一层热屏障涂层 （TBC）。它至少由两层组 成，底层为粘接层，其主要 作用是使面层与基体相连， 并保护基体不受氧化。面层 为陶瓷材料，常用材料为 ZrO2（氧化锆），因为它的 热胀系数与金属差不多，并 使用氧化钇作为稳定剂。

外物打击损伤：何物所伤？ 涂层消耗： 使用期限？可修复吗？ 高温氧化： 合金材料相关，差异较大 高温腐蚀/侵蚀：受燃气环境决定 基体组织退化：长期高温热暴露是主要原因 燃气颗粒冲刷：取决与燃气中颗粒的密度和硬度 过热和烧蚀： 冷却孔堵塞、燃烧不均、冷气不足、火焰后移等 热疲劳裂纹： 部件结构复杂+长期运行+热冷循环

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在运行中，TBC有开裂和剥落两个主 要损坏机理必须考虑：
（1）开裂是由于陶瓷内外表面之间受到热冲 击，产生不一致的瞬变应力引起。这主 要发生在燃气轮机跳闸时。 （2）剥落是由于与金属结合层处产生氧化 物。该结合层的氧化是由于氧通过氧化 锆的晶格扩散而形成的。这种情况主要 发生在长期使用后。
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燃气轮机热部件失效示例（M701F）
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燃气轮机热部件失效示例（M701F）
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燃气轮机热部件失效示例（M701F）
燃气轮机热部件失效示例（M701F）
2、寿命/等效运行时间 如何计算？主旨相同，各大公司各有方法 GE： 西屋： Alstom： 三菱: 维修因子 检查系数 等效运行时间 等效运行时间
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（5）热部件寿命管理—预测与评估
（1）电力设备寿命评估的方法及理论 解析法： 常规做法，间接评估，多局限性 破坏性检测法： 数据准确性较高 非破坏性检测法： 无损检测，有一定的局限性 （2）国外研究机构预测和评估研究 热部件寿命管理平台HSLMP：美国电力研究所 热端部件寿命管理系统LMS：意大利中央电力研究所
和金属的快速腐蚀。这种腐蚀形式的特征是形成
毫无保护作用的疏松的表面膜，引起叶片基体材 料中铝和铬等元素的贫化。
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2、低温热腐蚀（Ⅱ型热腐蚀）

低温热腐蚀在一定条件下是有很强的侵蚀性的， 它发生在593—760℃的温度范围内，并需要有
很大的SO3分压。低温热腐蚀是由硫酸钠和一些
合金成分如镍与钴组成的混合物形成低熔点共晶 体引起的。这种腐蚀破坏速率较其他腐蚀形式大。 经受过这种腐蚀的特征是有一个多孔状的结膜层， 表现为不均匀的点状腐蚀，在形式上与其他腐蚀



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（4）热部件寿命管理—状态监测



可分为运行期间监测和检修期间监测。 运行期间监测可以通过定期的内窥镜检查、实时状 态监测等手段进行； 检修监测是在小修、中修和大修期间运用破坏性检 测及非破坏性检测方法对热部件进行检测。
破坏性检测：金相分析、涂层成分分析等。


非破坏性检测：超声波检测、射线检测、红外检测等。
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防氧化与腐蚀的措施



在燃料和空气质量方面，各公司都做了许 多限制和规定。天然气在这方面问题不很 突出； 在材料和涂层方面，积极地试验与研究， 但余地不多； 部件设计方面，比如冷却等方面。
二、高温合金及涂层
1. 2. 3. 4.
高温合金材料
高温合金部件制造工艺
高温合金保护涂层及工艺 燃气轮机中高温涂层的使用
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由于陶瓷材料低的热传导率可以减少燃气对叶 片的传热量，它有效地增加了高温气流与金属
底层之间的温差。研究表明，采用0ห้องสมุดไป่ตู้25mm
厚涂层就可以使衬底合金温度降低170℃左右。

热障涂层的第二个好处是可以防止部件在受到 热冲击时发生龟裂。 此外，热障涂层表面的光亮颜色能抑制辐射传 热，使热量返回到气流中，从而使设备热效益 提高。
GE公司
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西屋公司
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ABB / ALstom
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寿命/等效运行时间EOH计算（M701F）
EOH(1)或EOH(2)=（AOH+A x E) x F

AOH:燃气轮机实际运行时间


（1）/（2）：较高一类/较低二类部件
A，修正系数：A(1)=20，A(2)=10 E，等效时间：
正常停机、甩负荷、跳机及快速变负荷情况下的等效时间。
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三、燃气轮机寿命
1.
疲劳、失效、寿命
2.
3. 4.
寿命/等效运行时间
检修间隔期及检修策略 热部件寿命及管理
1、疲劳、失效、寿命

国际标准化组织（ISO）对疲劳的定义： 金属材料在应力或应变的反复作用下所发 生的性能变化叫做疲劳。一般情况下，疲劳 特指那些导致开裂或破坏的性能变化。 失效：零部件失去原有设计所规定的功能， 通常伴有损伤和破坏。 （疲劳）寿命： 部件（材料）在疲劳破坏前所经历的应力循 环次数称为疲劳寿命。
主要有备件优化、状态监测和寿命预估三方面

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（3）热部件寿命管理—备件优化 我国运行的F级燃机电厂多采用昼启夜停的调峰运 行方式，相比带基本负荷的长期运行，对热部件的 损伤尤为严重。 热部件备件优化是建立档案、总结数据、制定策略 ，从而实现热部件全寿命周期的优化管理。 机组投运前要制定优化配置方案，投运后进行状态 跟踪，优化配置方案。

高温合金的制造工艺
含铝、钛、高熔点金属较少，热强度较低的合金 锭可采用锻轧工艺； 高熔点金属较多，热强度较高时，不适合锻轧， 而选择铸造；通过精密铸造工艺可以制作成空心 或多孔形叶片。 需要融入大量高熔点的金属（钼，钨等） 可采 用粉末冶金工艺，合金化程度超过铸造合金
高温合金的铸造工艺-普通铸造 熔融的合金在铸型中逐渐冷却； 晶粒不断长大，最后充满整个零件；晶粒 间的界面称为晶界，往往存在较多杂质和 缺陷，成为最薄弱的易破坏区； 在一般条件下的铸造为普通铸造。