燃气轮机热端部件损伤机理与维修周期优化

引言

燃气轮机通过布雷顿循环（Brayton Cycle）将燃料的化学能转化为机械能，其效率与涡轮入口温度（Turbine Inlet Temperature, TIT）密切相关。根据卡诺定理，提高TIT是提升热效率最有效的途径。因此，现代先进燃气轮机的TIT已远远超过传统镍基高温合金的熔点，普遍达到 1500^∘C 甚至更高。这一严苛工况对位于高温燃气通路中的热端部件提出了极其严峻的挑战。

1、热端部件的主要损伤机理

1.1、蠕变损伤

对于涡轮叶片等转动部件，它们承受着由高速旋转产生的巨大离心应力，同时处于极高的工作温度下。在此条件下，材料内部的原子扩散、位错滑移和攀移过程被激活，导致晶界滑移和空洞形核、长大、连接，最终形成微观裂纹并扩展；蠕变通常导致部件的永久性伸长或变形。例如，涡轮叶片尖部会因蠕变而伸长，可能导致与机匣摩擦。更危险的是蠕变断裂，即在远低于短期抗拉强度的应力下发生断裂；温度（指数级影响）、应力水平、材料本身的抗蠕变性能（如单晶合金、定向凝固合金具有优异的抗蠕变性）。温度的微小波动会对蠕变寿命产生巨大影响。

1.2、热机械疲劳

TMF是机械应力和热应力共同作用的低周疲劳过程。由于部件几何形状复杂、材料各向异性以及温度分布不均，在温度变化时会产生约束，导致局部应力应变循环。例如，叶片前缘在启动时快速加热而膨胀，但受到内部 cooler、强度更高的材料的约束，从而产生压应力；在停机冷却时则产生拉应力。裂纹通常在应力集中区域（如冷却气孔边缘、尖角、材料缺陷处）萌生，并沿垂直于最大主应力的方向扩展。TMF裂纹是热端部件最常见的失效形式之一。根据温度与应变相位差，可分为同相（IP，最大拉应变时温度最高，促进蠕变损伤）和反相（OP，最大压应变时温度最高，促进氧化损伤）。

1.3、氧化

高温氧化是材料与氧反应形成氧化膜的过程。理想情况下形成致密、连续、粘附性好的Al₂O₃或Cr₂O₃保护膜，阻止进一步氧化。在极端高温下，氧化膜可能变得不稳定、发生开裂或剥落（spallation）。特别是在热循环条件下，由于基体与氧化膜的热膨胀系数差异，会产生巨大应力，导致氧化膜失效剥落。剥落后，基体需要重新形成氧化膜，持续消耗合金中的Al、Cr元素，当这些元素贫化后，将发生灾难性的快速氧化， 氧化损伤与TMF强烈耦合。表面氧化层会成为疲劳裂纹的萌生点，而疲劳应变又会加速氧化膜的破裂和剥落，形成“氧化-疲劳”的恶性循环。

2、基于损伤机理的维修周期优化策略

2.1、状态监测与数据分析

性能参数监测： 实时监测排气温度（Exhaust Gas Temperature, EGT）、功率输出、燃料消耗率、压气机压比和效率等。性能参数的趋势性变化（如EGT为了维持功率而升高）是热端部件通流效率下降的宏观体现；振动监测： 分析振动频谱的变化，可以诊断转子平衡、对中以及叶片损伤（如裂纹、断裂）等问题；孔探检查（BorescopeInspection）： 定期通过内窥镜对热端部件内部进行可视化检查，直接观察裂纹、腐蚀、烧蚀、涂层剥落等损伤，是获取关键证据的最直接手段；先进监测技术： 如声学监测（听音）、火焰监测、叶片动态温度与应变监测等[1]。

2.2、损伤评估与寿命预测模型

物理模型：基于损伤机理建立数学模型，如 Larson-Miller 参数法用于蠕变寿命评估，Coffin-Manson 方程用于疲劳寿命评估，并考虑氧化、腐蚀的影响因子。结合有限元分析（FEA）和计算流体力学（CFD），可以精确计算部件在真实工作条件下的温度场、应力场和应变场，为寿命预测提供输入；数据驱动模型： 利用机器学习和人工智能技术，从历史运行数据、维修记录和检查结果中学习损伤演化规律，建立性能衰退预测模型。例如，使用回归模型预测EGT趋势，使用深度学习算法识别孔探图像中的裂纹；混合模型： 结合物理模型的可解释性和数据驱动模型的自适应能力，是未来发展的方向[2]。

2.3、维修决策的智能化与标准化

基于风险的维修决策： 建立量化模型，综合评估每个部件的失效概率（PoF）（基于损伤评估和寿命预测）和失效后果（CoF）（对安全、环境、生产的影响），计算风险等级。据此 prioritise（优先排序）维修资源，对高风险部件进行重点检查和修复；维修大纲优化：基于状态监测和风险评估结果，动态调整大修间隔和范围。从固定的“大修”转变为“视情”的“工作包”（Work Package），每次大修只进行必要的检查和处理，避免不必要的分解和操作；知识库与专家系统： 将OEM规范、行业标准、历史维修案例和专家经验数字化，构建维修决策知识库。开发专家系统，为现场工程师提供基于规则的维修方案推荐（如：裂纹多长、多深时需焊接，何种损伤需更换），减少人为差异[3]。

2.4、先进修复技术的应用

激光熔覆（Laser Cladding）或定向能量沉积（DED）技术，通过逐层熔覆金属粉末的方式修复大型缺损（如叶尖、榫头）。其热输入小、稀释率低、组织致密，修复件性能更优，且易于实现自动化与数字化；一种固态沉积工艺，粉末颗粒在低温下通过超音速气流加速撞击基体发生塑性变形而沉积。几乎无热影响，可修复对热敏感的区域，并能喷涂易氧化的材料；采用机器人进行NDT扫描、激光熔覆、喷涂等作业，确保工艺的一致性和重复性，提高修复质量，降低对高级技工的依赖[4]。

2.5、维修决策与优化

评估不同维修策略下的风险（故障概率×后果）和成本（维修费用、停机损失、发电损失）。目标是实现全生命周期成本（LCC）最低；当监测指标或预测的剩余寿命达到预设的预警阈值时，触发维修活动。这避免了不必要的拆解，充分利用了部件寿命；根据每一台机组的实际运行历史（如启停次数、燃料类型、负荷率、环境条件）个性化调整其维修间隔，而非采用统一的固定周期；维修级别的选择： 根据损伤程度，选择在线清洗、局部修复（如激光熔覆、更换个别叶片）、模块更换或大修（Overhaul）[5]。

结束语

燃气轮机热端部件的损伤是一个由高温、应力、环境和时间共同作用的复杂过程，蠕变、疲劳、热腐蚀和氧化是其主要表现形式，且这些机理相互促进，加速部件失效。对损伤机理的深刻理解是实现科学维修的基石。传统的固定周期维修策略无法适应现代燃气轮机高可靠性、高经济性的运行要求。通过集成状态监测技术、基于物理和数据驱动的寿命预测模型以及风险成本优化方法，构建视情维修体系，可以动态、个性化地优化维修周期。这不仅能有效避免非计划停机事故，更能充分挖掘部件的剩余寿命潜力，实现资产管理的精益化，最终显著提升燃气轮机组的可用性、可靠性和经济性。

参考文献：

[1]赵高乐,齐红宇,李少林,等. 热端部件低温热腐蚀疲劳损伤机理、寿命模型和抗腐蚀设计方法[J].力学进展,2022,52(04):809-851.

[2] 王华锴. 燃气轮机热端部件寿命的等效运行时间分析[J]. 内燃机与配件,2021,(21):140-141.DOI:10.19475/j.cnki.issn1674-957x.2021.21.066.

[3] 王登银. 燃气轮机热端部件寿命的等效运行时间分析[J]. 技术与市场,2017,24(07):109-110.

[4]梁永纯,黄章俊,唐学智,等. 异常工况下燃气轮机热端部件寿命损耗计算方法[J].电力科学与技术学报,2016,31(03):170-174.

[5]龚文强,王庆韧. 燃气轮机热端部件寿命的等效运行时间分析[J].电力技术,2010,19(08):28-30.