台電月刊 - 打開電力新視野

綜研所的金雞母 葉片再生

648期

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文、圖/綜合研究所 鐘震洲

訪客的Surprise

「太驚訝!台電竟然有這麼特殊的工廠型研究單位。」時常聽到第一次參訪綜合研究所樹林所區葉片再生產線的訪客這樣驚呼連連,就連其他單位的同事也有同樣反應。民國94年的秋天,當時我還不是台電的員工,因工作任務,抱著一箱工件前往樹林所區探訪鼎鼎大名的吳憲政博士,他很熱情地引領我參觀葉片再生產線,那時我心中湧現滿滿的讚嘆。兩年後,我轉換跑道進入核火工處成為台電一員,隔年,因緣際會下,加入了吳博士的團隊成為「葉片再生」團隊一分子,7、8年來,方才對葉片再生技術與產線作業有了基礎的認識,也實際參與部分工作,分享榮耀。「吳博士的葉片再生研究組操得很兇。」每年新進人員訓練結業分發時,在PTT廣為流傳,在吳博士團隊底下工作必須拋開朝九晚五的公家上班族心態,心裡較可以維持平衡和愉快,相信這也是在台電公部門體制運作下,令人驚訝的特例團隊。

化腐朽為神奇的「葉片再生」技術

以天然氣為燃料的複循環機組是台電發電主力,高效率、低污染,由於其操作溫度相當高,例如大潭電廠先進複循環機組氣渦輪機最高溫度可達攝氏1,500度,因此機組高溫組件材料除須選用特殊合金外,並須做隔熱披覆處理,不同組件有其一定設計壽命,需要定期維護或更新,可以想見其價格必定不菲,如果材料科學技術可讓屆齡或輕微破損的高溫組件材料特性得以恢復如同新品的狀態,那麼兼顧安全的再生品應用必可大幅降低發電機組運作維護成本。例如大潭電廠先進複循環機組使用的鎳基超合葉片,一支新品價格相當於一台國產車。而所謂的「葉片再生」,就是利用先進的材料熱處理技術和絕熱塗層噴塗技術來恢復葉片的內在強度與外在保護力,使再生後的葉片依然可以回裝於發電氣渦輪機中繼續運轉使用,以達到節省購置新品高昂費用的目的。

「葉片再生」產線

目前本公司有兩條產線,分別在綜研所和修護處,其中綜研所產線須兼顧技術研發,兩條產線提供顧客端電廠每年各型葉片約數千片之產能,長期以來為公司節省了超過50億元以上的新品購置支出。

當電廠大修,葉片退出發電機組後送進產線維修,如同汽車進入維修廠或病人進入醫院手術一般,首先必須查驗與登錄該支葉片,註記身分以便往後追蹤與記錄每支葉片的再生歷程。接下來則需把葉片的舊塗層去除乾淨,若經檢測發現母材含有缺陷也必須徹底磨除,之後再置入熱處理爐,藉由熱處理技術改善金屬母材的機械性質,這道製程最為關鍵,其溫度、真空度與時間的設定均馬虎不得。為了判斷葉片的初始狀況以及再生後葉片尺寸的確認,則需應用先進的三維測量技術與設備,例如精密三次元量床,替葉片進行幾何尺寸量測建檔以及葉片形狀參數化建模;若葉片有缺損,則以金屬填料覆銲缺損區域方式進行修補,依照不同的材質,又可以分成雷射覆銲、氬銲或真空硬等修補方式。覆銲完成後之成品再經研磨或電腦數位控制(Computer NumericalControl, CNC)加工機銑削,葉片表面再噴塗絕熱塗層,使日後回裝於發電機組能夠長時間運轉於高溫環境中;其中對於具有冷卻孔之高溫段葉片,CNC雷射鑽孔設備清孔作業是不可或缺的一環,而且在出廠前必須完成精密流量測試,以確認每支葉片的冷卻氣流量能符合運轉標準。

緊急協助電廠搶修氣渦輪機度過缺電危機

104年5月中旬,忙碌中聽說本公司中部電廠有一部複循環機組在運轉中發生嚴重的葉片斷裂事件,起初心裡擔憂我們的再生品出問題,那信譽受損可就大了,幾天後,電廠開蓋檢查確認斷裂的葉片是由原廠提供,整個團隊為此暫時鬆一口氣,但接下來兩件工作接踵而來,其一為夏月馬上來臨,該機組打壞了數百片葉片,如何換裝葉片盡快恢復運轉是棘手又急迫的問題,其二是何種肇因造成此次事件,分析結果涉及責任追究與賠償。吳博士團隊與電廠主管經過幾次溝通討論後,提出以「複製膜金相評估技術」評估本來即將報廢之庫存舊葉片的可用性,因此,接下來幾個星期整個葉片再生團隊都動起來,在50天內我們不眠不休、加班趕工完成舊葉片的評估與再生處理,直接貢獻節省緊急備品採購維護支出約2億元,重要的是發電機組於7月初順利上線運轉,剛好補上7月2日大學指考當日備轉容量創新低紀錄的尖峰需求,避免了一次潛在缺電之危機。另一方面,事故肇因分析則是需時較長且具高度知識性與經驗性之精緻作業,會議桌上整齊排列於事故中破裂的數十片葉片以及經切割研磨的試片樣品,螢幕上投射出葉片破斷面顯微晶相結構的照片,原廠家派來的材料專家們與吳博士團隊仔細端詳這些樣品透漏的蛛絲馬跡,使用同樣的材料語言,時而相互認可、時而爭執,試圖重組事故發生的過程與原因。最終,雖然對方並未明白承認本所事故分析報告,但電廠依據該報告最後協商爭取到原廠願意折讓2億元備品費用,也替本團隊的貢獻再記上一筆。

「神來一筆」燃煤電廠500MW 機組恢復滿載運轉

「葉片再生」團隊技術並不限於複循環機組氣渦輪機,也擴展應用到燃煤機組之大型汽輪機。

這話題應由102年南部某電廠一號機低壓汽機轉子葉根鳩尾槽發生應力腐蝕龜裂事件說起,當時本所應發電處與電廠要求成立緊急專案小組評估各項可能處理方案,專案小組由材料、振動、破裂力學與流場計算等方向切入分析,兩週內即提出因應方案,只是決策高層考慮風險後採用了原廠建議:裝置流孔板與降載運轉,本所方案則暫時擱置。隔年,同電廠二號機大修也發現相同的應力腐蝕龜裂現象,因為有了一號機經驗,相關分析工作進行相對順利,但風險管控與保守度指標的不確定性一直無法突破,難以說服決策高層;就在束手無策之際,有一天在某個例行會議後談起本案進度,徐前所長突然丟了個想法:「為何不試試鈦合金葉片」是的,鈦合金強度比現行不鏽鋼葉片強度大且重量輕,意謂離心力小,造成裂縫成長應力也應減半,最重要的是流場不受影響,因此是最保守的作法;想法提出後獲得電廠認可,吳博士團隊隨即著手發包研製新的鈦合金葉片以及現場裝配方法測試,幾個星期內徐前所長靈光乍現的想法實現了,發電機組完成葉片更換,並順利滿載運轉,相較於一號機原廠提供的80%降載運轉的策略,本團隊的方案整整多了20%,運轉一年之後的檢查也驗證了安全性,因此轉子更新前,運轉兩年累積節省的替代發電成本非常可觀。

「葉片再生」團隊的「頭」

「吳博士」是綜研所「葉片再生」團隊的「頭」,好學又勤奮,個性幹練且要求嚴格,20年前就代表台電拿過國家級的青年傑出研究獎,去年又得到行政院績優公務人員榮銜,在職期間大、小獎項不斷,長官們常誇他是「台電之寶」,不過就我觀察他倒是處之泰然、仍然一本初衷著迷於研究工作,電廠一有任何疑難雜症,來者不拒,因此常見他被工作或電廠來的電話追著跑,一有狀況,就往電廠飛奔而去。別看吳博士是個學富五車的書生,他身為研究組長除了帶領6位工程師外,仍須兼顧產線上計量人員與協力廠商超過30人以上的團隊,研究計畫與技術服務產能績效卓著,資本採購、勞務採購以及產線工安無役不與,年輕同仁與計量包技術人員在其薰陶下各司其職,努力工作,十餘年來未曾出過差錯,可見其領導統御能力。雖然PTT傳說他是個「工作狂」,去年亦有待了5年台積電的新進同事自願加入「葉片再生」團隊,接受吳博士的「震撼教育」,新進同事說:「在台積電我都看不到夕陽,來台電我不僅可看到夕陽,還可以好好的看,不用On Call。」工作之餘的假日,吳博士其實常常返回他苑裡老家,耕耘家傳的兩甲農地,他一派輕鬆的說:「當作運動、鍛鍊身體。」

這一年來,綜研所積極推動各項革新,一次由總經理主持的會議中,蒯所長報告「三箭八綱、三十六項重點」,未待蒯所長解說完畢,總經理即表示:「葉片再生是重點中的重點」。「葉片再生」工作績效能夠得到公司高級長官之認同,身為團隊一分子,與有榮焉。今天的榮耀是許多前輩一同努力打拚累積的成果,未來將在我們這些中生代的手中傳承下去,繼續發揚光大,期待能與電力修護處、發電處一同開創葉片再生的新頁。

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