【行业观察】管道燃气轮机维修国产化现状及展望
导读：中石油为实现燃气轮机维修业务可持续发展，必须提高维修技术和零部件采购的国产化水平。首先介绍了分解和装配、零部件清理、检测、焊接、精加工、涂层和试车等燃气轮机的主要维修技术，其次介绍了国外先进维修技术研宄进展；参考重型燃气轮机和航空发动机所采用的维修模式和国产化水平，针对中石油燃气轮机维修国产化现状，提出吸取重型燃气轮机和航空发动机技术引进中的经验，遵循“从冷至热”、“从外至内”的原则，按照零部件维修率或报废率从高到低的顺序，分层次开展两型燃气轮机维修技术和零部件的国产化；最后结合国家和地方政策对燃气轮机的维修国产化进行了展望。
压缩机组被誉为输气管道的心脏，主要有电驱和燃驱两种驱动方式，十一、十二五期间，中国石油油气管道实现跨越式发展，大量压缩机组应用于长输天然气管道干线压气站，其中燃驱机组占大多数，到2014年底，中国石油管道己经安装的燃驱机组为312台，主要使用的是SIEMENS公司生产的RB211和GE公司生产的LM2500+SAC两型30MW燃气轮机以及Solar公司生产的10〜15MW燃气轮机，国产的用于长输管道的GT25000型燃气轮机。
按结构形式，燃气轮机主要分为3类：(1)微型燃气轮机，功率1丽以下，主要用于机车、坦克；(2)轻型燃气轮机，功率在1〜50MW之间，应用于循环发电、管道运输和舰船等；(3)重型燃气轮机，功率在50丽以上，主要用于区域发电和大型舰船。
根据OEM(设备制造商）的修理要求，燃气轮机运行4000h、8000h定期维护，运行25000h返厂中修，运行50000h返厂大修。近几年，以可靠性为中心的视情维修在我国发展较快，己经成功应用于西气东输一线的燃驱压缩机组。
为了缩短在厂维修时间，降低维修成本，不断提高自主修理能力，逐步摆脱对OEM的依赖，提高中国石油天然气管网抗风险能力，中石油建设了管道压缩机组维检修中心，开展RB211和LM2500+SAC两型燃气轮机的返厂维修业务，同时建设了“压缩机组远程监测与故障诊断中心”为视情维修提供可靠依据。
目前维修业务不能达到饱和，要实现降本増效、企业可持续发展，提高两型燃气轮机维修技术和零部件的国产化水平是一条可行之路。燃气轮机与航空发动机原理相同，核心技术相通，RB211和LM2500+SAC两型燃气轮机就属于航空派生型燃气轮机。
1 燃气轮机维修技术
1.1主要维修技术
航空派生型燃气轮机性能优异，生产技术先进，工艺结构复杂，对修理技术及工艺要求非常严格，必须返厂大修，其大修所使用的主要工艺技术包括7个方面：
1.1.1分解和装配技术
燃气轮机返厂维修首先要具备拆、装能力，必须做到在高效的同时避免对燃气轮机造成二次伤害，此项技术需要熟练的技术工人，并配备大量的专用工装。
1.1.2零部件清洗技术
清洗主要用于去除零件表面的附着物，包括：锈蚀层、氧化皮、脏物、积碳、油污、漆料和硅胶等，清洗效果达到零件检验及探伤的要求，清洗方法包括：有机溶液清洗、化学溶液清洗、蒸汽清洗、高压水清洗、吹砂清洗和振动光饰表面清理，经过清洗的零件需在烘干箱内干燥。
1.1.3检测技术
检测技术主要用于检测零件表面及内部的裂纹，包括目视检查、尺寸测量、荧光探伤、磁力探伤、涡流探伤和X光探伤等无损探伤技术。荧光探伤主要用于零件表面裂纹的检测；磁力探伤用于铁磁性零件表面及近表面裂纹检测；涡流探伤用于零件螺纹孔裂纹检测；X光探伤用于少量焊接维修件的缺陷检测。信号和图像处理技术的进展及系统的自动化，提高了检测能力及可靠性，能够估算零部件寿命，精确计算零部件检验间隔。近几年，在探测头微型化方面取得了巨大进步，大大提高了内窥监测技术的应用性。
1.1.4焊接技术
焊接技术主要有惰性气体保护焊、电子焊、等离子焊、线性焊、真空焊、激光焊、钎焊等。其中等离子弧焊，可以使所修理零件具有新件的性能，主要用于修理封严装置；钨极惰性气体焊用来堆焊刀刃型封严件，其热影响区极小；高技术钎焊用来钎焊镍钯合金、钴钎焊合金，使零件甚至比原来更耐磨；激光焊可以保证更高精度的测量，以便对连接区域的变形、直径和尺寸进行严格的控制。
1.1.5涂层技术
燃气轮机普遍使用高温涂层技术以达到提高性能、提高可靠性和延长使用寿命的目的。热端关键部件中，涡轮叶片表面使用热障涂层；叶片内腔使用抗氧化、抗热腐蚀涂层；涡轮环使用封严涂层；叶尖使用耐磨涂层。涂层的喷涂技术主要有真空、层流、超音速等离子喷涂和物理、化学气相沉积等。由于高温合金和叶片加工成本远高于涂层成本，因此在维修过程中，通过局部或全部退除涂层并修复，在保证叶片基材原有性能的情况下安全使用具有重要意义。
GE航空将富铬涂层在新加坡的维修厂使用后，叶片报废率减少了2%，铂铝涂层能够提高高温恶劣条件下叶片的可靠性，陶瓷涂层能够在高温下防止融盐浸蚀涂层基体。
1.1.6精加工技术
机械加工修理工艺包括：车削加工、镗铣加工和磨削加工等。车削加工主要用于封严圈等零件喷涂前后直径的加工和机匣壳体类零件法兰更换后的精密加工;镗铣加工主要用于零件孔、槽、凸台及轴颈等的修复加工；磨削加工主要用于零件表面电镀、喷涂等修复后的精密加工。
1.1.7试车技术
试车是燃气轮机维修至关重要的环节，是对燃气轮机修理效果的检测，直接影响燃机的使用。燃气轮机试车台的空气动力学设计必须能够完美地模拟现场工况，还必须具备严格的噪声控制。
1.2维修技术研发
研发维修技术的主要目的是不断降低燃气轮机寿命期费用，并能够恢复甚至提高燃气轮机的性能。鉴于此，OEM和维修企业对维修技术的研发非常重视，如GE航空每年在维修技术研发方面投入3000〜4000万美元，己经研发出的维修技术和方法多达15000多种，甚至一些零部件维修后的保修期提高了1倍，其主要专注于7个维修技术领域的研发，包括：发动机清洗、化学处理、检测方法、加工技术、焊接技术、采用冷金属气喷堆积技术进行材料修理和其他相关先进技术。
作为用户的汉莎航空公司开发维修技术的目的是处理频发故障、节约成本和提高效率。目前，在燃气轮机维修方面发展较快的还有3D打印技术和综合故障诊断技术等，而随着燃气轮机几何形状越来越复杂，将更多依靠机器人开展重复性的监测和修理工作。
2 燃气轮机维修国产化现状
2.1重型燃气轮机维修
我国的重型燃气轮机是通过“以市场换技术”的方式引进的，出于对市场高额利润的利益保护和国家技术上的封锁，OEM在中国的合资项目都不包含核心技术。虽然国内主要汽轮机设备制造厂实现了70%的本土化制造能力，但是没有掌握热端关键部件的设计、制造技术，所以也就不具备热端关键部件的维修能力。OEM在垄断重型燃机市场的同时，也垄断了维修服务市场。
重型燃气轮机基本不需要返厂维修，用户与OEM签订的检修和维护合约，常见的有以下几种形式：
①服务式合约，由OEM负责机组的运行，并按运行维护手册检修，同时提供零部件，服务费用按运行时数或发电量结算；
②长期维修合同，由用户负责机组的运行，OEM负责按运行维护手册检修，同时提供零部件，服务费用按运行时数结算；
③多年维护合约，由用户负责机组的的运行和检修，零部件向OEM采购，OEM提供解决关键问题的服务，零部件享有一定折扣，但OEM规定了零部件的质保期；
④多年检修和维护服务合约，由用户负责机组的运行和检修，OEM对机组检修进行技术指导，零部件向OEM采购并享有一定折扣，OEM提供零部件全寿命周期质量保证。
国内燃机的调试、检修和维护等工作几乎全部由国外OEM完成，每年要为此付出非常惊人的费用，甚至高于设备采购费用，维修费用中备品备件一般占总额的50%〜60%，燃烧热通道部件返修费用约占20%〜30%，人工费用约占10%〜20%。此外，一旦OEM停止相应的技术服务，将严重损害国家和企业的利益。为了提高服务质量，降低服务成本，确保维修服务的公平，国内也引入了国外的独立维修商，目前还没有成长起来。
2.2航空发动机维修
国内民用航空公司都是与OEM或者独立维修企业合资建设发动机大修厂，外资一般占50%左右。由于是合资公司，技术上不存在壁垒，合资大修厂都形成了较强的航空发动机修理能力，修理深度达到70%〜80%，但是涉及热端核心部件的关键技术仍然由外方掌握。随着燃气轮机性能的日益提升，结构越来越复杂，价格越来越昂贵，多家航空公司逐渐倾向于租赁航空发动机。
2014年3月，中航工业北京航空材料研究院成立国内首家航空关键件维修工程技术中心。该中心是以研究院的先进材料和制造技术为基础，主要对损伤的航空关键件进行修复或改造，使其至少满足一个翻修周期的使用要求，具体包括部件服役后的损伤检测与评估及损伤部件尺寸恢复、到寿部件延寿、新品制造过程中超差部件尺寸及组织性能的恢复。该中心可提供的典型零件修复及材料、制件包括：压气机叶片损伤修复，涡轮工作叶片叶尖和锯齿冠磨损修复，涡轮导向叶片裂纹修复，涡轮叶片高温防护涂层修复，机匣、环形件的裂纹和磨损修复，飞机承力构件磨损、裂纹修复，飞机透明件修复，功能涂层修复，橡胶、密封材料，维修评价表征及可靠性评估。
3 管道燃气轮机维修国产化现状
3.1管道燃气轮机维修模式
天然气管道燃气轮机总量大，国外管道公司普遍采用本地化维修，维修模式主要有两种，第一种是依托OEM独资或合资建立的大修厂进行维修，GE公司作为LM2500+的OEM,航空派生型燃汽轮机大修厂共有15个，其中GE独资4家，发放大修许可证11家。SIEMENS公司作为RB211-24G的OEM,航空派生型燃气轮机大修厂共有18家，其中投资3家，合资3家，发放大修许可证的12家。
第二种是由管道公司和MRO合资建厂进行维修，加拿大TransCanada公司和俄罗斯Gazprom公司均采用这种方式。TransCanada公司与WOODGROUP公司合资在卡尔加里合资设立大修厂，在RR和GE的授权下开展RB211、LM2500、AVON、LM6000等型燃气轮机的维护和大修业务。俄罗斯Gazprom公司利用0LTS公司开展燃气轮机的修理和大修活动，OLTS公司是Liburdi公司与ORMA公司在圣彼得堡组建的合资公司。
由于燃气轮机机组运行环境和维护状况的特殊性，OEM厂商无法提供完全适合中国石油机组维修需求的方案，中石油参照国外管道公司的维修模式，在OEM技术支持下独资建设MRO。与重型燃气轮机的技术引进一样，涉及高压涡轮叶片、高压涡轮导向叶片、中压涡轮叶片、中压涡轮导向叶片和燃烧室等热端核心部件的制造与维修技术，属于受政府保护的技术，外方严格封锁不转让。
除此之外，对于SIEMENS公司RB211-24G机型，中国石油获得其全部维修技术的授权，零件修理授权共计316项，涉及1494个件号；对于GE公司LM2500+机型，共获得10项组件的修理授权，约占可授权技术的25%，包括151个修理项，涉及129个件号。
3.2管道燃气轮机的国产化水平
通过对引进技术的吸收和消化，管道压缩机组维检修中心己经掌握了两型燃气轮机的分解、装配技术和试车技术，掌握了两型燃气轮机部分零部件的检测技术、清洗技术、焊接技术和精加工技术。从目前己经出厂的燃气轮机维修成本分析，两型燃气轮机大修国产化水平较低，零部件采购和送修是燃气轮机大修的两项主要直接成本，其中零部件采购约占直接成本的45%，零部件送修约占直接成本的35%，合计约占大修直接总成本的80%，而人工、机械和水电气消耗只占20%，根据授权合同，零部件采购和送修价格每年都有一定的涨幅，定价权掌握在外方手里。
目前普遍认同的国产化是指通过引进国外技术、自主创新等方式实现产品制造的本地化，中资企业或中资控股企业在产品制造的各个环节的费用支出在产品成本的比重在80%以上，管道燃气轮机维修的国产化任重而道远，若要降低修理成本，只能靠自主发展零件修理技术。
3.3分层次开展管道燃气轮机国产化
目前国内相关企业能够制造一定范围的燃气轮机冷端部件，但基本不掌握整机设计技术和5大热端核心部件的制造与维修技术。轻型燃气轮机工业主要集中在航空系统，与航空部门紧密结合，是世界先进燃气轮机发展的必然趋势，也是一条必由之路。管道燃气轮机的维修国产化应先立足于消化现有的引进技术，并吸取重型燃气轮机技术引进中的经验，遵循“从冷至热”“从外至内”的原则，按照零部件维修率或报废率从高到低的顺序，开展维修技术和零部件的国产化。
两型燃气轮机维修技术和零部件的国产化包括3个层次：
第1层次，即己授权维修技术的国产化，针对压缩机中心己经授权的维修技术，通过翻译资料、编写工卡、研制工装和人员培训，形成维修能力；
第2层次，属二次国产化，部分维修技术和零部件，在航空、电力和舰船等其他行业己有应用，且己经实现国产化，由于管理等非技术原因导致还未在两型燃气轮机中得到应用，可以提供试验平台，通过试验测试及评估，实现在两型燃气轮机的推广应用，完成国产化；
第3层次，两型燃气轮机首次实现国产化，在国内其他行业没有应用，或者有应用但工作条件与两型燃气轮机差别较大，仍然需要组织科研攻关，通过实验、试验及完善提高，实现在两型燃气轮机中的应用，完成国产化。
4 管道燃气轮机维修的国产化前景展望
2015年5月8日，国务院公布了《中国制造2025》，规划了通过“三步走”实现制造强国的战略目标。各地也出台相关政策促进燃气轮机技术的快速发展，2011年7月，上海市与清华大学签署《关于开展燃气轮机领域战略合作的框架协议》，在建立跨区域“产学研用”相结合的产业化体系达成共识；2012年，黑龙江省在重点产业发展“十二五”规划中，提出以哈尔滨为重点，建成全系列燃气轮机研制生产基地。同时，燃气轮机的设计和制造方面正在向联盟化发展，集合国内主要研制、生产和应用单位共同成立北京华清燃气轮机与煤气化联合循环工程技术有限公司，主要任务是通过自主知识产权燃气轮机研制，为我国能源动力产业提供关键性技术支持，推动行业技术进步。
中石油独资建立的管道压缩机组维检修中心，“十二五”期间，从不掌握燃气轮机维修技术到成功维修并出厂了十几台燃气轮机，己经迈出了“从无到有”这关键的第一步，引起了行业内的高度关注。“十三五”期间，将继续在国家政策的指引下，密切跟踪国内燃气轮机技术研究进展，充分借助各行业的技术力量，逐步提高燃气轮机维修的国产化水平，为振兴民族工业承担更多的社会责任。
（作者：常维纯1 李刚2 董学刚1
1.中国石油管道科技研宄中心油气管道输送安全国家工程实验室；2.中国石油管道压缩机组维检修中心）
来源：油气储运，2016年3月21日刊
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