خوردگی اجزاء توربین های بخاری کم فشار

بیشتر زمان توقف توربین های بخاری بعلت خوردگی پره ها و دیسک های منطقه تغییر فاز ( PTZ ) توربین های کم فشار است. جهت جلوگیری از توقف های خارج از برنامه توسعه تکنولوژی پیش بینی این خوردگی اهمیت بسزایی دارد. در ده سال گذشته بیشتر مسائل مربوط به ناحیه PTZ در توربین های بخاری مانند تشکیل قطرات، تشکیل فیلم مایع بر روی سطح پره ها، رسوب نمک بر روی پره ها و اخیرا" تأثیرقطرات باردار مورد بررسی قرارگرفته اند. بعلاوه EPRI با ارائه یک کارگاه آموزشی (TR – 111340) یک بررسی جامع از نکات فوق را انجام داده که در اینجا این بررسی بصورت مدلهائی ارائه می گردد.

در ابتدا از طرف تیم پروژه یک مدل ریاضی برای مراحل مختلف تشکیل و رشد خوردگی ارائه شد. این مدل شامل ظهور نقاط خوردگی ناپایدار و تبدیل آن به نقاط پایدار و رشد نقاط خوردگی پایدار و تبدیل آن به شکاف و بالاخره رشد شکاف زیر بحرانی و در نهایت شکست پره را شامل می شود. تیم مجری پروژه ساخت نمونه برابر با اصل (prototype)را تهیه و جهت بهینه کردن و انجام آزمایش برروی آن آماده کردند. نتایج آزمایشات چگونگی تشکیل قطرات و تاثیر آن بر خوردگی پره را نشان داد. ضمن اینکه شرایط محیط از قبیل جنس پره و دیسک، خواص فیلم مایع ( ضریب هدایت حرارتی - ضخامت– دما ) و خواص مکانیکی بر پدیده فوق مؤثر هستند.

اکنون بیش از 20 سال است که تحقیقات مربوط به ناحیه نمک، رسوب بر روی پره ها در ناحیه PTZ در حال انجام است ولی تاکنون نتایج بدست آمده به یک تصمیم عملی و موثر منجر نشده است. توسعه اولیه مدل حاضر جمع بندی داده های موجود در منطقه PTZ بخصوص تشکیل فیلم مایع (بدون اکسیژن) را شامل می شود. هم چنین مدل تأثیر عملکرد واحد برروی پدیده خوردگی را نیز مدنظر خواهد داشت زیرا عامل خوردگی می تواند یک توقف حفاظت نشده واحد باشد. زمانیکه داده های قابل اعتماد در زمینه خواص الکتروشیمیایی اکسیژن، هیدروژن و خوردگی غیرفعال که توسط EPRI در دست تهیه است آماده شد این داده ها در مدل لحاظ خواهند شد.

مرحله بعدی تست مدل در شرایط واقعی خوردگی می باشد و در نهایت پیش بینی می شود این مدل جهت بررسی خستگی خوردگی و ترک دیدگی پره های توربین LP با کدهای EPRI BLADE ارائه گردد.

  

منبع :       مؤسسه تحقیقاتی Epri

آدرس : http://www.epri.com    

 

حفاظت حرارتی توربین گازی با استفاده از پوشش های حایل

پوشش های حایل حرارتی ( TBC [1]) بمنظور عایق حرارتی قطعات توربین های گازی مورد استفاده قرار می گیرند . بعلت پایین بودن ضریب هدایت حرارتی این پوشش ها ، دمای سطح فلز کاهش می یابد . کاهش دما موجب کاهش خزش و خستگی و افزایش عمر قطعه می گردد و در عین حال موجب کاهش سرعت اکسیداسیون و خوردگی می شود . با پایین نگهداشتن دمای فلز سازندگان می توانند :

- با استفاده از آلیاژهای نه چندان پیشرفته در طراحی اجزاء موتور ، هزینه ها را کاهش دهند .

- با افزایش دمای کاری بهمراه جریان کم خنک کن ، راندمان سوخت را افزایش دهند .

امروزه با استفاده از مواد و تجهیزات موجود طیف وسیعی از پوشش ها با ساختار و خواص مورد نظر را میتوان ایجاد کرد که برای کاربردهای خاص در توربین های زمینی و هوائی طراحی شده اند .

پوشش های حایل حرارتی از لایه پیوندی مقاوم در برابر اکسیداسیون و لایه فوقانی سرامیکی عایق حرارتی تشکیل می شوند . هر دو لایه توسط روش اسپری پلاسمائی اعمال می شود . سیستم های TBC جدید از یک لایه پیوندی MCrAIY ( M معرف نیکل و یا کبالت می باشد ) عاری از اکسید و متراکم و لایه اکسید زیرکنیم پایدار شده توسط ایتریا ( 7 تا 8 % وزنی ) تشکیل می شوند . لایه زیر کونیا ، متخلخل و دارای ترکهای ریز می باشد . در سیستم های قبلی از لایه پیوندی NiAl یا نیکل کرم بهمراه زیر کونیای پایدار شده با کلسیا ( 5 درصد وزنی ) یا منیزیا ( 24 درصد وزنی ) استفاده می شد . اکسیدهایی از قبیل کلسیا ، منیزیا و ایتریا بعنوان پایدار کننده ساختمان کریستالی عمل می کنند و از تغییرات حجمی زیاد در طی گرم شدن و سرد شدن قطعه پوشش داده شده جلوگیری می کنند . لایه های پیوندی اثر زیادی بر عمر TBC دارند زیرا عناصری مانند کرم و آلومینیم در دماهای بالا پوسته های اکسیدی خیلی چسبنده تشکیل می دهند و شرایط لازم برای اتصال مکانیکی سرامیک به پوشش MCrAIY را فراهم می کنند .

بدون داشتن پودر با کیفیت بالا نمی توان عملکرد مناسبی از پوشش انتظار داشت یا ریز ساختارهای تکرارپذیری ایجاد کرد . سازندگان توربین معمولا مشخصات پودر را تعیین می کنند که این خود کنترل کننده خواص پودر می باشد . بطور کلی روش تولید بر خواص پودر تاثیر می گذارد . توزیع اندازه ذرات پودر یکی از متغیرهای مهم است که ویژگیهای پوشش را تحت تاثیر قرار می دهد . با کنترل اندازه ذرات پودر می توان از ذوب شدن مناسب پودر در شعله پلاسما تحت شرایط اسپری مشخص ، اطمینان حاصل نمود . معمولا اگر چنانچه توزیع اندازه دانه ها خیلی درشت باشد ، ساختارهایی با دانسیته پایین بدست می آید و اگر توزیع اندازه دانه ها ریز باشد ساختار متراکم حاصل می شود .

نوع فرآیند تولید بکار رفته در تولید پودر خواص ماده را کنترل می کند . در حال حاضر چهار روش اصلی برای تولید پودر وجود دارد که عبارتند از روش خشک کردن پاششی ، روش سینتر و آسیاب کردن ، روش ذوب و آسیاب کردن و روش خشک کردن پاششی و ذوب کردن . پودرهای حاصل از روش اول که بعدا ذوب می شوند محاسن آلیاژسازی اولیه و مزایای محصولات ذوب و سینتر شده را تواما دارا می باشند .

صرف نظر از فعالیتهای بعمل آمده در زمینه توسعه مواد و روشهای تولید جدید ، در سالهای اخیر ، بعلت توسعه تجهیزات ، پوشش های TBC عملکرد بهتری داشته اند . فن آوری تجهیزات جدید امکان کنترل ریز ساختار پوشش و باز تولید آنرا فراهم ساخته است . نتایج کلی عبارتند از زمان توقف کمتر دستگاه ، هزینه پوشش دهی پایین و قابلیت اعتماد بیشتر فرآیند این عوامل موجب افزایش فاصله زمانی بین تعمیرات و اورهال می گردد . با استفاده از تفنگ های پلاسمای پیشرفته ، پایداری فرایند ، تکرارپذیری و صرفه اقتصادی پوشش های حایل حرارتی بهبود یافته است . بر خلاف تفنگ های مرسوم ، در این تفنگ ها دمای پلاسما در شعله یکنواخت تر و میزان صدا پایین تر می باشد . عمر اجزای مصرفی طولانی تر است لذا قطعات بزرگ با زمان توقف حداقل پوشش داده می شوند . بعلت شعله پلاسمای یکنواخت ونسبتا آرام ، میزان نشت ماده در واحد زمان بیشتر است .

سیستم های کامپیوتری برای کنترل و مانیتورینگ فرایند اسپری به بازار عرضه شده است . نرم افزارهای مربوطه تاریخچه داده های فرایند اسپری را ثبت می کنند ، امکان تجسم ( Visualization ) فرایند را فراهم می کنند ، قابلیت ذخیره سازی پارامترهای اسپری را دارند و امکان کنترل مدار بسته پارامترهای اسپری از قبیل نوع گازها و توان سیستم را فراهم می کنند .

افشانک های پودر جدید با قابلیت کنترل مدار بسته این امکان را فراهم میکنند که پودر بصورت مناسب و تکرار پذیر و با دقت بالا تزریق گردد . امروزه روباتهای چند محوره بر اساس نیاز مشتری ساخته می شود . استفاده از روبات این مزیت را دارد که فاصله اسپری و موقعیت فضایی تفنگ دقیقا کنترل می شود و در نتیجه راندمان اسپری و ریز ساختار بهینه می گردد . همچنین دمای کاری و سرعت تفنگ نیز کنترل میشود .

بمنظور بهبود فرایند پوشش دهی در زمینه های مرتبط مانند تنظیم سرعت و دمای ذره بصورت مستمر ، روشهای توسعه یافته ارزیابی غیر مخرب و متدهای بهتر و یا کم هزینه تر آماده سازی اولیه نیز پیشرفتهایی صورت گرفته است .

 

منبع :       مؤسسه SULZER METCO

آدرس :        http://www.sulzer.com/str    

تنوع در روشهای نگهداری و تعمیرات

انجام تعمیرات دوره ای پیشگیرانه یا براساس بررسی و تحلیل وضعیت داده ها CBM    (Condition Based Maintenance)  و یا ریسک پذیری (Risk Based Maintenance) RBM قابل اجرا می باشد . تعمیرات بر اساس بررسی و تحلیل وضعیت داده ها زمانی روی ماشین (یا وسائل) انجام می گیرد که نیاز آن قبلا“ توسط تکنیکهای مختلف تشخیصی به تایید رسیده باشد. اما تعمیرات براساس ریسک پذیری بستگی به نتایج بازرسیهای مهندسین ، داده های قبلی ماشین حساس دارد که وضعیت کاری ماشین برای تعمیرات را مشخص می نماید. در هر دو حالت دستیابی به نتایج زیر مد نظر می باشد.

-                     افزایش قابلیت بهره برداری و کاهش خواباندن ماشین

-                     انتقال خرابی ها به زمان تعمیرات دوره ای

-                     اجرای تعمیرات فقط در صورت نیاز

-                     کاهش ریسک پذیری در خرابی ماشین

-                     افزایش درآمد از طریق کاهش خرابی ، کارمزد و مواد مصرفی

اغلب بیشتر تعمیرات براساس تجزیه و تحلیل وضعیت (CBM) صورت می گیرد. دراین روش وضعیت ماشین و وسائل با استفاده از تکنیکهای تشخیص مثل ارتعاش ، درجه حرارت ، فشار ، صدا ، آنالیز شیمیایی یا آنالیز روغن و … انجام می پذیرد. در این روش تعمیرات زمانی صورت می پذیرد که داده ها نیاز آنرا تایید نماید. کارآمدی و رشد این روش در 15 سال قبل با توجه به توسعه کامپیوتر فزونی پیدا کرده است.

مهمترین بخش در توصیه به استفاده از روش CBM هزینه های وسائل (ابزار دقیق) و نیروی انسانی مورد نیاز می باشد. هزینه تجهیزات یک برنامه آنالیز ارتعاش پایه ، مبلغ ده تا سی هزار دلار برآورد می شود که این مبلغ یکبار خواهد بود و در مقایسه با هزینه نیروی انسانی که برای تهیه و آنالیز داده ها، ارائه گزارش مؤثر از نتایج تا بتوان اجرای دقیق تعمیرات را تضمین نمود کمترین مبلغ است. برای تصدیق چنین هزینه ای در ترغیب بکارگیری CBM لازم است به دو سوال ساده زیر پاسخگو باشیم .

1-       آیا توانستید از خرابی های اخیر در یک ماشین حساس عیبی را زودتر از موعد کشف و جلوگیری بنمائید، و اگر اینطور است چه مبلغی از هزینه های تعمیراتی را توانستید کاهش بدهید ؟

2-                آیا واحد صنعتی در هنگام تولید قادر به تهیه یک قطعه حساس از ماشینی که خراب شده را داشته است؟

خیلی از واحدهای صنعتی ابزار پیشرفته و مناسب دستیابی به داده ها را خریداری می نمایند ولی مع الاصف برنامه آنها ناموفق می باشد ، چرا که به اندازه کافی اختیارات برای تصمیم گیری وجود ندارد. ناموفق بودن چنین برنامه ای ممکن است به تشخیص و فلسفه مدیریت که درگیر موضوعات مختلف و یا کسری بودجه باشد برگردد.

موفق ترین برنامه CBM در یک واحد صنعتی موقعی تحقق می یابد که حداقل یک نفر مشخص مسئولیت اولیه در قبال داده های جمع آوری شده ، آنالیز و گزارشات رسیده را داشته باشد. چنین شخصی ممکن است درگیر کارهای دیگری نیز باشد، ولی همیشه باید حق تقدم را به بررسی برنامه CBM بدهد.

نوع دیگر تعمیرات دوره ای پیشگیرانه ، استفاده از روش ریسک پذیری (RBM) می باشد. ملزومات RBM مجموعه ای از اطلاعات که در بازرسیهای دوره ای گردآوری و مبنای چگونگی ریسک پذیری خرابی ها در ماشین می گردد خواهد بود. نکته مهم در نگهداری از ماشین هایی که ریسک پذیری خرابی در آنها بالاترین می باشند، اطمینان داشتن از بازرسیهای دقیق انجام شده می باشد. این نوع تعمیرات بطور روزمره زمانی رخ میدهد که پرسنل تعمیرات بر اساس برنامه تنظیم شده تعمیراتی ماشین عمل نکنند .

روشهای معمول برای اجرای بهتر RBM و بازرسی های دوره ای ، استفاده از دستورالعمل انجمن مهندسین مکانیک امریکا تحت عنوان “راهنمای تعمیرات براساس ریسک پذیری – ASME1994 “ می باشد. هم اکنون مدل های اجرائی این دستورالعمل در ارتباط با ماشین آلات ویژه ای همچون توربین های بزرگ بخار، ژنراتورها و توربین های کوچک صنعتی مورد استفاده قرار می گیرد.

ریسک در خرابی یک ماشین بستگی به حاصلضرب احتمال خرابی در زمان تناوب خرابی ماشین دارد. اختمال خرابی ماشین از داده های مهندسی که شامل طراحی ، تاریخچه ، عملکرد، بازرسی و مانیتورینگ بدست می آید محاسبه می گردد. اگر داده های مربوط به احتمال واقعی و زمان تناوب خرابی در اختیار باشد، تشخیص و ارزیابی ریسک “کمی” و برنامه خیلی ساده می شود. اما اگر اطلاعات ناقص و ناکافی باشند، اظهارنظر متخصصین می توانند در کمی شدن آنالیز ریسک موثر باشد. وقتی یک بار تشخیص کامل انجام شود، نگهداری و تعمیرات ماشین می تواند با توجه به احتمال خرابی بالا و زمان دوره تناوب تعمیرات (یا بطور ترکیبی) هدایت صحیح صورت پذیرد.

روشهای اشاره شده در فوق برای تمرکز در نگهداری و تعمیرات ماشینهای حساس و مهمی که نیاز به توجه دقیقتر در وضعیت کاری موجود دارند طراحی شده است. بکارگیری هر دو روش ، هزینه های اولیه ای را تحمیل می نمایند، اما توانائی پرسنل و تجهیز آنها به ابزارهائی که بتوانند قابلیت بهره برداری و قابلیت اطمینان واحد را افزایش دهند را ارتقاء میدهد. این امر همچنین امکان کاهش هزینه های تعمیراتی در بلندمدت را بدنبال خواهد داشت.

 

منبع :        Energy – Tech            

آدرس : http://www.energy-tech.com   

گسترش پوشش های سد حرارتی برای توربین های گازی

توربین های گازی دارای شرایط کاری سخت می باشند و قطعاتی نظیر پره های توربین باید در درجه حرارت های بالا استحکام مناسبی داشته باشند. همچنین به دلیل اتمسفر شدیدا اکسیدکننده و خورنده توربین ها، قطعات مختلف توربین بویژه پره ها باید مقاومت بالایی در برابر خوردگی داغ و اکسیداسیون داشته باشند. تاکنون آلیاژهای پایه نیکل و پایه کوبالت بهترین آلیاژها برای ساخت قطعات توربین بوده اند اما حتی با بهینه کردن ترکیب شیمیایی سوپر آلیاژها امکان دستیابی به کلیه خواص مطلوب فوق وجود ندارد لذا برای مقاوم سازی این آلیاژها در برابر خوردگی داغ، اکسیداسیون و سایش، پوشش هایی در سطح آنها صورت می گیرد . یک نوع از پوشش های کار آمد برای این منظور پوشش های سد حرارتی      (Thermal Barrier Coatings)   هستند که به اختصار پوشش های TBC  نامیده می شوند.

اغلب پوشش های TBC بر پایه زیرکونیا ( Zro₂ ) می باشند که با افزودن ترکیباتی مثل ایتر یا (Y₂o₃ ) پایدار می گردند. Zro₂ دارای هدایت حرارتی کم و ضریب انبساط حرارتی بالا می باشد و افزودن Y₂o₃ به آن موجب ایجاد مقاومت بیشتر در برابر شرایط سیکل حرارتی می گردد. با بکارگیری این پوشش ها و با استفاده از خاصیت هدایت حرارتی کم آنها راندمان توربین های گازی افزایش می یابد زیرا با حضور این پوششها دمای فلز پایه تا 170^?C کاهش پیدا میکند ودرنتیجه امکان افزایش دمای کاری توربین فراهم میشود.

در حال حاضر تحقیقات برای توسعه اینگونه پوشش ها و همچنین بکارگیری نوع دیگری از پوشش های فلزی که بعنوان لایه bond coat  بین فلز پایه و پوشش سرامیکی قرار می گیرند، در حال گسترش می باشد.

لایه bond coat معمولا یک پوشش فلزی است که چسبندگی پوشش سرامیکی را به فلز پایه افزایش می دهد. درحال حاضر برروی سوپر آلیاژها ابتدا یک لایه از پوشش فلزی bond coat به ضخامت 80-150μm داده شده است و بر روی آن پوشش سد حرارتی با ضخامتی در حدود 300μm تا  2 mmبکار گرفته می شود.

برنامه (Industrrial Power Generation) IPG یک همکاری مشترک از سازندگان توربین گاز، دانشگاهها، شرکتهای گاز طبیعی، تولید کنندگان انرژی الکتریکی، آزمایشگاههای ملی و استفاده کنندگان صنعتی می باشد. همکاری فوق که شامل طیف وسیعی از مشارکت کنندگان مختلف است منابع و امکانات فنی- اقتصادی- تحقیقاتی مناسبی را برای ایجاد یک تحول اساسی در فن آوری توربین گاز فراهم می آورد. یکی از قدمهای اولیه این برنامه تولید پوشش سد حرارتی TBC برای توربینهای گاز بوده است.

 

منبع :     دفتر فن آوریهای صنعتی – راندمان انرژی و انرژیهای نو- دپارتمان انرژی آمریکا

آدرس : http://www.oit.doe.gov/