重型燃氣輪機的葉片之殤:核心技術中國受制於人
亟待攻克的核心技術
是什麼卡了我們的脖子——
「命門火衰」,重型燃氣輪機的葉片之殤
重型燃氣輪機(以下簡稱重燃),名副其實的大國重器。作為迄今為止熱/功轉換效率最高的動力機械,廣泛應用於機械驅動(如艦船、火車)和大型電站。我國現已具備輕型燃機(功率5萬千瓦以下)自主化能力;但重燃(功率5萬千瓦以上)仍基本依賴引進。據悉,重燃發電機組目前佔全國發電裝機總量的3%左右,雖不是一大塊,卻是不可或缺的一塊——啟停快捷、熱效率更高、污染更少的燃機機組,作為大電網調峰容量的最佳選擇,在國家能源安全中扮演著無可替代的全局性角色。沒有自主化能力,意味著我國能源安全的重要一環,仍然受制於人,存在被「卡脖子」的風險。
極致技術:對質量和性能近乎變態的追求
把熔化的液態金屬澆入模具,等它凝固;在顯微鏡下看其金相,會呈現形似「乾裂農田」狀的縫隙,專業術語稱之為「晶界」。
「晶界是金屬的薄弱環節。」國家科技重大專項「重型燃氣輪機」技術負責人表示。為提高金屬材料在高溫下的強度,就要想辦法消除晶界。
這是一個極其複雜、漫長的過程,包括精確的溫度控制,以及精密鑄造、定向/拉單晶等工藝。其核心部件的毛坯「都是來自國外」;核心設備單晶爐,也須從國外進口。
該技術負責人解釋,作為一種旋轉葉輪式熱力發動機,燃氣輪機的葉片是最重要的核心部件之一。它要在1400℃—1600℃的高溫下長期穩定地工作,目前沒有任何金屬可以做到。怎麼辦?
極限工況催生出極致技術,一種對質量和性能瘋狂到近乎變態的追求。除了消除晶界、提高所用材料本身的強度之外,「只有靠冷卻」:葉片是中空的,以便通冷卻空氣;表面有陶瓷塗層、冷卻氣膜,使它跟高溫燃氣隔離,等等。
更關鍵一點,在以上複雜流程的所有環節,任何一項技術參數都不能有絲毫偏差,「這是它跟常規製造流程最大的不同」。他強調,常規製造中還有一個安全係數,即一定的容錯裕量;而「極限制造完全是另一概念」:葉片是空心的、又很薄,除了精鑄,目前沒有其他工藝手段可以做出來,未來3D列印能不能解決還不清楚;鑄造過程中,材料的夾渣、裂紋、疏鬆、氣孔以及變形等,都會影響葉片的強度和性能。因為「它本身是不可能的,要靠好多極限手段硬讓它變得可能」,所有技術必須做到極致。所以,一就是一,二就是二,偏差根本不能容忍、不被允許。
體系差距:即使有錢也不知從哪下手
美國GE公司高層曾聲稱,要買重燃成套技術,除非買下整個GE。
「重型燃氣輪機」重大專項總設計師顧春偉教授和上述技術負責人都談到,國際上大的重燃廠家,主要就是美國GE、日本三菱、德國西門子、義大利安薩爾多4家,與國內三大動力合作的也是這4家。但他們都附帶苛刻條件:首先,設計技術不轉讓;其次,核心的熱端部件製造技術也不轉讓,僅以許可證方式許可本土製造非核心部件。
這兩條註定了,沒有自主設計能力,我們需要什麼樣的重燃、能要到什麼樣的重燃,只能聽從人家的意志。核心製造技術不轉讓,國內上了那麼多重燃發電機組,設備運維、備件提供完全受制於人,長期安全穩定運行堪憂;本土製造的許可證又都有期限,到期之後能否付錢再延,還須看他人眼色。所謂「卡脖子」,莫此為甚。
跨國公司秘不示人、惜之如命的設計技術,是真正的核心技術。顧春偉表示,重燃三大部件(壓氣機、燃燒室、燃氣透平)的設計都是難上加難,因為它們需要「大量基礎研究支撐」和「長期試驗驗證及經驗積累」,沒有長期積累,「即使有錢你也不知從哪兒下手」。
仍以葉片為例。即使分毫不差做足各種極致功課,葉片材料仍是有壽命期限的:重燃葉片,壽命在5萬小時、3萬小時不等,到期必須報廢。
怎麼證明5萬小時安全運行沒問題?極限工況下、5萬小時連續不斷的材料試驗必不可少。試想,一年8000多小時,5萬小時要做將近6年,「這還只是做一輪配方、一輪工藝所需時間」,所以「一個人一輩子都做不了幾個母合金」。它意味著巨量的投資、巨量的耗時和巨量的數據採集,而且每一步都必須親歷親為,否則就「不知其所以然」。
「儘早建立起我國完整的設計體系、試驗驗證體系,才是重燃自主化的關鍵所在」,中國聯合重型燃氣輪機技術有限公司負責人如是說。
三位一體:工匠的經驗仍不可或缺
葉片精鑄過程中,「拉單晶」工藝很有畫面感。
上述技術負責人介紹,一般的鑄造,是把金屬液澆入模坑、自然冷卻,出來的產品是多晶體,就會有晶界。而透平葉片單晶/定向鑄造,「是在底下選一個晶體,讓它慢慢往上走;上面保持高溫,還是液體;然後這個界面一點點往上冷卻,所以凝固時間特別長」。
顧春偉稱之為「多物理場耦合」,即製造流程中,每一環節涉及各種細節的工藝控制,這種控制又受到各種物理條件的影響,比如濕度、溫度、速度等控制下的成型,「每一步都是工匠、工藝、設備的『三位一體』」。
三位一體中,設備當然必不可少,「先進單晶爐須從德國進口,國產的目前仍不完善。但光強調設備也不行」。單晶製造過程中,涉及多個環節、多位頂尖高手,每人各管一段;每人都身懷絕技,相互不可替代。包括所有的參數控制、補償等,既靠數據標準,更有「手上的功夫」,也就是經驗積累。因為「多物理場耦合」中,沒有一把尺子可以包打天下。這是基於大數據的3D列印仍無法終結工匠的道理,也是我國高端製造流程中目前最緊缺的一環。
(本報記者 瞿 劍)
![](https://pic.pimg.tw/zzuyanan/1488615166-1259157397.png)
![](https://pic.pimg.tw/zzuyanan/1482887990-2595557020.jpg)
※中國證監會傳達學習中央全面深化改革委員會第一次會議和中央財經委員會第一次會議精神
※19歲留澳學生被毆致死 父母痛失獨生子吁亡羊補牢
TAG:中國經濟網 |