معرفی و شرایط کاری توربین گازی
یک توربین گازی اساساً از سه قسمت اصلی شامل کمپرسور، محفظه احتراق و توربین تشکیل‌شده است. در توربین گازی همان‌طور که در شکل ۲-۱ملاحظه میگردد هوا از یک سمت وارد کمپرسور توربین شده و پس از فشرده شدن با سوخت ترکیب می‌شود و در محفظه احتراق می‌سوزد تا با ورود هوای داغ و چرخش پرههای توربین، محور اصلی به گردش درآمده و از آن برای گردش توربین مولد انرژی در توربو ژنراتور یا گردش محور کمپرسور استفاده می‌شود.
شکل۲- ۱: شماتیکی از یک توربین گازی
توربینهای گازی از انرژی آزادشده گازهای محترق استفاده می‌کنند، بدی ترتیب که گازهای حاصل از احتراق در اثر برخورد با حلقه پرههای نصب‌شده بر روی روتور ایجاد حرکت چرخشی کرده، انتقال این حرکت به مولد تولید انرژی می‌نماید. سوخت مصرفی در این توربین‌ها معمولاً گاز طبیعی یا مشتقات نفتی است که اغلب حاوی گوگرد، سدیم،کلر، وانادیوم و غیره می‌باشند. در توربینهای گازی دمای متوسط پرهها حدود C º۹۵۰ است ولی ممکن است به بیش از Cº۱۱۰۰ نیز برسد. توربینهای گازی صنعتی مورداستفاده در نیروگاه‌های حرارتی دارای دمای کاری پایینتری (در حدود Cº۷۰۰ تا C º۸۰۰)هستند ولی محیط کاری آنها خورنده‌تر است. بنابراین قطعه بکار رفته در توربینهای گازی باید در برابر اکسیداسیون و شرایط خورنده ایجادشده توسط محیط احتراق و همچنین خوردگی سایشی در اثر ورود ذرات جامد در هوای ورودی مقاوم باشند. به لحاظ شرایط سخت‌کاری این توربین‌ها، مدت‌زمان سرویس‌دهی قابل قبول برای قطعات توربینهای جت اغلب کمتر از ۱۰۰۰ساعت و برای توربینهای صنعتی حدود ۵۰۰۰ ساعت می‌باشند.
آلیاژهای مورداستفاده در توربین گازی
در توربینهای گازی می‌توان از آلیاژهای مختلفی استفاده کرد. مثلاً می‌توان با توجه به پروفیل‌های متفاوت دما و فشار در توربین گازی مطابق با شکل ۲-۲ از تیتانیم به دلیل استحکام و دانسیته مناسب در کمپرسور استفاده کرد. اما در قطعات داغ یک توربین گاز این مواد با سوپر آلیاژهای پایه نیکل جایگزین شده‌اند و در ناحیه مرکزی که مربوط به قطعات استاتیک میباشد از فولاد استفاده‌شده است.
شکل۲- ۲: پروفیل‌های مختلف در توربین گازی
موادی که در مسیر گاز داغ در توربینهای گازی قرار دارند مانند پرهها از جنس سوپر آلیاژ هستند که بر پایه نیکل، کبالت یا آهن- نیکل بوده و حاوی عناصر کروم، مولیبدن، نایبیوم، آلومینیم، تیتانیوم و کربن می‌باشند
پره های توربین گازی
پرهها مهم‌ترین بخش توربین هستند که در برخورد با هوای داغ و فشرده و تحت تنش‌های مکانیکی هستند. پرههای دمای پایین از جنس تیتانیوم و پرههای دمای بالا از جنس سوپر آلیاژ پایه نیکل انتخاب میشوند. شرایط حاد کاری در پرههای ردیف اول توربین میباشد که دما حدود Cº۱۱۰۰-۹۰۰ است. البته شرایط بدتری نیز وجود دارد که آن درجایی است که به این عامل تنش نیز اضافه می‌شود.
شکل۲- ۳: شماتیکی از پرههای توربین گازی
هزینه‌های تولید و نگهداری پرههای توربین موضوعی مهم و بحرانی در توربینهای گازی به‌حساب می‌آیند. بررسی عملکرد توربین نشان می‌دهد که طراحی پرهها به‌ویژه طراحی آیرودینامیک آنها نقش مهمی را در عملکرد توربین بازی می‌کند، آلیاژ مصرفی نیز تعیین‌کننده مقاومت پره ازنظر کارکرد در دمای بالا و مقاومت در برابر اکسیداسیون، خوردگی داغ، برخورد ذرات، سایش و طول عمر میباشد. جنس پرههای توربین از سوپرآلیاژهایی میباشد که برای استفاده در دمای بالا طراحی‌شده‌اند. یعنی جایی که خواص مکانیکی خوب همراه با مقاومت به حرارت و مقاومت در برابر خوردگی (پایداری سطحی) نیاز میباشد.
علل تخریب پرهها
علل تخریب پرههای توربینگازی به دو گروه تخریبهای مکانیکی و تخریبهای سطحی تقسیم‌بندی میشوند. تخریبهای مکانیکی شامل خزش و خستگی بوده و آسیبهای ناشی از خوردگی داغ، اکسیداسیون، شوک حرارتی و سایش دمای بالا سطح پره ها در گروه تخریبهای سطحی قرار میگیرند.
تغییرات نامطلوب ترکیب شیمیایی پوششها در اثر قرار گرفتن طولانی‌مدت در درجه حرارت بالا، مثل کاهش غلظت عناصر مفید شامل Al، Cr و غیره عامل دیگری است که میتواند به‌عنوان یک مکانیزه تخریب سطحی در مورد پرهها در نظر گرفته شود.
سایش
پدیده سایش به دلیل برخورد مکانیکی ذرات جامد موجود در اتمسفر به سطح پرهها و به ویژه لبه پرهها رخ می‌دهد. به دلیل سرعت بسیار بالای حرکت پرهها این ذرات انرژی بسیار بالایی را منتقل نموده و موجب شکست فلز در نواحی لبه پرهها میگردد، در این حالت ذرات فلزی جداشده از پرهها دوباره در فضای بین آنها به حرکت درآمده و با برخورد به پرههای دیگر صدمات شدیدی را ایجاد می‌کنند.
خوردگی داغ و مکانیزمهای آن
طبق تعریف خوردگی داغ عبارت است از اکسیداسیون (یا تخریب) تسریع شده مواد به‌واسطه حضور لایه نازکی از نمک مذاب بر روی سطح آنها در یک محیط اکسیدکننده گازی در درجه حرارت بالا. طبق دسته‌بندی متداول خوردگی داغ به دو نوع خوردگی داغ دما بالا(نوع اول) و خوردگی داغ دمای پایین (نوع دوم) تقسیم‌بندی شده است. مکانیزمهای این دو نوع خوردگی یکسان نبوده و لذا راه‌حل مناسب برای کاهش اثرات یکی، بهترین روش جلوگیری برای دیگری نخواهد بود.
خوردگی داغ نوع اول یا HTHC : این نوع خوردگی از دهه ۱۹۵۰ میلادی در قطعات قسمت داغ توربینهای گازی مشاهده شده است. خوردگی نوع اول یه نوع بسیار سریع از حمله در ارتباط با آلوده کنندههای فلزات قلیایی مثل سدیم و پتاسیم میباشد. این نوع خوردگی دز دامنه دمایی ۱۰۷۳ تا ۱۲۲۳ درجه کلوین اتفاق میافتد. فلزات قلیایی در طی فرآیند احتراق با اکسیژن و گوگرد موجود در سوخت ترکیب شده و تشکیل سولفات سدیم یا پتاسیم(K۲SO۴ و Na۲SO۴) را میدهند. زمانی که این نمکها به صورت مایع بر وی سطح پرهها نشسته شوند میتوانند پوسته اکسیدی محافظ موجودرا تخریب کرده و از تشکیل مجدد آن جلوگیری نمایند. سپس گوگرد با رخنه به درون آلیاژ پایه باعث سولفیداسیون و خوردگی سریع می گردد. مشخصات مورفولوژی این نوع خوردگی عبارتند از : وجود یک پوسته اکسید متخلخل غیر محافظ، تخلیه عناصری مثل آلومینیم و کروم از آلیاژ زیرین و تشکیل سولفیدهای داخلی غنی از کروم و تیتانیم در نواحی تخلیه شده.
خوردگی داغ نوع دوم یا LTHC: شناسایی این نوع خوردگی نسبت به نوع اول سابقه کمتری دارد. خوردگی نوع دوم در محدوده دمای ۸۷۳ تا ۱۰۷۳ درجه کلوین اتفاق میافتد و نیاز به فشار جزئی قابل توجهی از گاز SO۳ دارد. خوردگی داغ نوع دوم تقریبا قابل تفکیک از نوع اول میباشد. مورفولوژی این نوع خوردگی به صرت حفره های غیر یکنواخت همراه با تخلیه اندک عناصر از پایه آلیاژی میباشد. مادهای که دچار این نوع خوردگی شده باشد با مشخصاتی همچون یک پوسته لایهای متخلخل و تعداد محدودی سولفیدهای داخلی در آلیاژ پایه مشخص می گردد.
شوک حرارتی
اعمال شوکهای حرارتی یکی دیگر از دلایل تخریب پوششها به‌ویژه پوششهای سد حرارتی تحت شرایط کاری توربینهای گازی میباشد. شرایط دورهای که قطعه با نرخ سرد کردن بیش از۵۰ درجه سانتیگراد بر ثانیه از دمای بالا تا دمای محیط خنک شود را شوک حرارتی می‌نامند. شکست ناشی از شوک حرارتی از تنش تولیدشده در حین سرویس حاصل می‌شود که عموماً از ضخامت پوشش، اجزای فازی پوشش، دمای رسوب‌دهی پوشش، اکسیداسیون و زبری سطحی لایه پیوندی و شرایط محیطی تایر میپذیرد.
اکسیداسیون
فرآيند اكسيداسيون دمابالا در تمام سيستمهايي كه فلزات و آلياژها در دماي بالا در معرض محيط اكسيدكننده قرار ميگيرند به‌عنوان يك فرآيند مخرب سطحي مهم مطرح میباشد. بنابراين، قطعات بكار رفته در توربينهاي گاز نيز از اين پديده مصون نيستند]۸[.
اکسیداسیون در درجه حرارت بالا
دو پدیده تخریب سطحی عمده در قطعات توربینهای گازی که استفاده از پوشش را بر روی این قطعات اجتناب‌پذیر نموده است، خوردگی داغ و اکسیداسیون هست. در این فصل به معرفی پدیده، اکسیداسیون، پوششهای متداول در صنعت توربین گازی مرور شده است. با توجه به موضوع تحقیق، یافته‌های موجود در رابطه با پوششهای کروم-آلومیناید با جزییات کامل موردنظر بوده است.
واکنش‌های اکسیداسیون
چنانچه فلز M با اکسیژن یا گازهای دیگر در دمای بالا واکنش دهد، ابتدا جذب اولیه اکسیژن صورت گرفته و جوانه‌های اکسید ایجاد میشوند. رشد این جوانه‌ها به‌صورت افقی ادامه پیدا می‌کند تا یک‌لایه اکسید ایجاد شود.
پس‌ازاین مرحله ادامه واکنش اکسیداسیون به نفوذ عناصر آلیاژی به سمت خارج و یا نفوذ اکسیژن به داخل لایه اکسید بستگی پیدا می‌کند. این لایه ممکن است ضخیم باشد و یا دارای حفره‌ها، ترک‌های ریز و تخلخل باشد. سرعت انتقال اجزاء در داخل لایه اکسید به نقایص ساختار آن بستگی دارد که توسط ترکیب اکسید بر سرعت انتقال گونه‌های مختلف درون آن تأثیر می‌گذارد. مورفولوژی لایه اکسید و چگونگی توزیع فازهای مختلف در آن نیز از عوامل مهم است. شکل ۲-۴ تشکیل لایه اکسیدی در حین اکسیداسیون فلز در دمای بالا را نشان می‌دهد.
شکل۲- ۴: تشکیل لایه اکسیدی در حین اکسیداسیون فلز.
چنانچه لایه اکسید تشکیل‌شده روی سطح آلیاژ دارای خواص زیر باشد سرعت اکسیداسیون آلیاژ میتواند به حداقل برسد:
- لایه اکسید چسبندگی خوبی به فلز داشته باشد.
- اکسید نقطه ذوب بالایی داشته باشد.
- اکسید فشار بخار پایینی داشته باشد.
- ضرایب انبساط حرارتی لایه اکسید و فلز نزدیک به هم باشد.
لایه اکسید دارای هدایت الکتریکی کم و ضریب نفوذ پایین برای یونهای فلز و اکسیژن باشد.
نرخ اکسیداسیون
طبق مطالعات سینتیکی رفتار اکسیداسیون فلزات و آلیاژها به حالت‌های زیر تقسیم‌بندی شده‌اند:
- اکسیداسیون خطی
- اکسیداسیون پارابولیک
- اکسیداسیون مکعبی
- اکسیداسیون لگاریتمی
-
شکل۲- ۵: افزایش در مقابل زمان برای قوانین متداول سینتیک اکسیداسیون فلزات.
به‌منظور ارائه رفتار سینتیکی اکسیداسیون فلزات و آلیاژها، افزایش وزن به‌واسطه جذب اکسیژن به‌صورت تابعی از زمان رسم میگردد. ترسیم‌های یادشده از این قوانین سینتیکی در شکل ۲-۵ نشان داده‌شده است. دیاگرام‌های سینتیک اکسیداسیون همواره به‌سادگی موارد موجود در شکل ۲-۵ نبوده و به علت پدیده‌هایی همچون تبخیر اکسیدها یا تشکیل پوسته‌های غیر چسبنده که ممکن است به‌طور مداوم از سطح جدا شوند نیاز به تفسیر دقیق دارند[.
اثر عناصر آلیاژی
اغلب آلیاژهای طراحی‌شده برای مقاومت به اکسیداسیون دمای بالا حاوی کروم هستند. نرخ اکسیداسیون با افزایش کروم تا مقدار ۲۰ درصد وزنی به‌شدت کاهش مییابد که همراه با افزایش مقدار اکسیدهای کروم است تا اینکه اکسید کروم جزء اصلی لایه اکسید شود. رفتار مشابهی در مورد آلیاژهای پایه نیکل و پایه کبالت در کاربردهای دمای بالا مشاهده‌شده است. از k1273 اکسید کروم شروعِ به تبخیرمی کند که میزان این نوع تخریب بالای حدود k1273 به حد بحرانی خود می‌رسد. چنانچه آلیاژ نتواند اکسید ازدست‌رفته را جایگزین کند، اکسیداسیون ناگهانی به وجود خواهد آمد.
آلومینیم نیز اکسیدهای محافظی، البته در سرعت کمتری نسبت به کروم، تشکیل می‌دهد. سرعت نسبی کمتر آلومینیم در تشکیل Al۲O۳ باعث می‌شود که شکست لایه‌های اکسیدی در طی اکسیداسیون ( به‌ویژه دورهای) با سرعت کافی‌ترمیم نشود.
سیلیسیم به‌تنهایی یا در کنار کروم تشکیل لایه‌های مقاوم چسبنده‌ای می‌دهد. افزایش ۲ تا ۳ درصد وزنی سیلیسیم به آلیاژهای پایه آهن و پایه نیکل کروم دار باعث بهبود مقاومت خوردگی به‌ویژه در درجه حرارت‌های پایین‌تر شده است. بااین‌حال، ازآنجایی‌که حضور سیلیسیم مقاومت خزش آلیاژها را تخریب می‌کند محدودیت‌هایی در افزایش مقدار این عنصر به آلیاژهای دمای بالا وجود دارد.
مولیبدن، تنگستن و نیوبیم اثر مفید کمی بر مقاومت اکسیداسیون دارند، اما عمدتاً به‌منظور افزایش خواص مکانیکی در درجه حرارت بالا اضافه میشوند.
اثر گرمایش دورهای
آزمایش‌های تک دما براي بررسي اكسيداسيون در هوا يا اكسيژن جهت انتخاب آلياژهاي مورداستفاده در كاربردهاي دمابالا است. بااین‌حال در اكثر محيطهاي كاركرد، بخشي از عوامل تسریع‌کننده اكسيداسيون ازجمله گرمايشهاي دورهاي و آلودگيهاي موجود در اتمسفر محيط عمل وجود دارند. در اينجا تنها اشارهاي مختصر به عوامل گرمايش دورهاي در تسريع اكسيداسيون ميگردد.
خاموش و روشن شدن‌های روزانه يا تعميراتي توربينهاي گاز باعث شده قطعات بكار رفته در آنها در معرض گرمايشهاي دورهاي قرار داشته باشند. در مورد توربينهاي هوايي با توجه به تعداد خاموش و روشن شدنها، اين شرايط شديدتر است. اين عامل ميتواند اثر مضر قابل‌توجهی بر مقاومت اكسيداسيون آلياژها داشته باشد. در توضيح اين مورد لازم است اشاره گردد كه اكسيدهايي كه در درجه حرارت بالا چقرمه هستند غالباً در درجه حرارت‌های پايينتر ترد ميباشند. به‌واسطه تفاوت ضرايب انبساط حرارتي اكثر اكسيدها با فلزات تشکیل‌دهنده آنها تنش‌های حرارتي در موقع تغييرات دما ايجاد خواهد شد. لذا اكسيد تشکیل‌شده در دماي كاركرد بالا ممكن است چسبندگي خود به آلياژ پايه را هنگام سرد شدن به دماهاي كمتر از دست بدهد و به هنگام گرم شدن مجدد نیز به‌صورت غير محافظ تشکیل شود. لذا آلياژها در محيطهايي كه شامل گرم و سرد شدن تناوبي (يا به عبارتی گرمايش دورهاي) باشند، مقاومت نشان میدهند. بنابراين، به نظر ميرسد در شرايطي مثل آنچه در توربينهاي گاز حاكم است به‌جای اکسیداسیون تک دما بايستي اكسيداسيون دورهاي در نظر گرفته شود.
روش‌های ارزیابی اکسیداسیون
اکسیداسیون هم‌دما
در اکسیداسیون هم‌دما، سینتیک‌های اکسید شدن با اندازه‌گیری ضخامت یا تغییر وزن برحسب زمان در دماهای مختلف مطالعه می‌شود. در این نوع اکسیداسیون، تأثیر سیکلی دما حذف می‌شود. در معرض قرارگیری به‌صورت هم‌دما به تشکیل و رشد پوسته اکسیدی روی سطح آلیاژها منجر می‌شود. ضخامت لایه اکسیدی، قبل از انجام آزمایش ، به‌صورت نوری و با نمونه‌های متالوگرافیکی آماده‌شده، عموماً تغییرات وزن در محل و با استفاده از ترازوهای میکروگرمی ثبت میشوند. اکسیداسیون هم‌دما در کوره انجام میشوند. نمونه‌های دیسکی شکل( معمولاً قطر ۰.۵ و ضخامت ۰.۱۲۵اینچ) با سطوح پولیش شده تا سمباده ۶۰۰ در محفظه کوره معلق میشوند. دما و شرایط گاز مشابه محیط عملیاتی ( شبیه‌سازی مانند موتور فشار بالای توربین یک موتور توربین گازی) نگه‌داشته می‌شود. بااین‌حال، سرعت گاز به‌ندرت هم‌اندازه محیط واقعی است، مثلاً موتورهای توربین گازی سرعتی نزدیکی به‌سرعت صوت در گازها ایجاد می‌کنند که در محیط کوره ایجاد چنین شرایطی ممکن نیست. سرعت گاز تأثیر مستقیم و غیرمستقیم بر اکسید شدن دارد. ضریب انتقال حرارت و درنتیجه دما، با افزایش سرعت گاز، بیشتر میشوند. سرعت بیشتر ممکن است باعث سایش پوسته‌های اکسیدی محافظ شود به شرطی که گاز ذرات محبوس شده داشته باشند، که این حالت در موتورهای توربینی گازی رخ می‌دهد. تغییر وزن ناشی از اکسید شدن باگذشت زمان در دماهای تعیین‌شده، به شکل خودکار در آزمون‌های کوره ثبت می‌شود. یک آزمایش دما- زمان هم‌دمای معمولی، از دوره‌های زمانی افزایش حرارت ۱۰ تا ۱۵ دقیقه‌ای تا دمای موردنظر، تشکیل‌شده که پس‌ازآن به مدت ۲۰ ساعت یا بیشتر نگه‌داشته می‌شود و با یک نرخ سرد کردن به‌اندازه تقریبی ۱۰تا ۱۵ درجه سانتیگراد در دقیقه سرد می‌شود. اگرچه آزمون کوره یک شرایط استاندارد و با کنترل مناسب را برای مطالعه فرآیندهای اساسی انجام‌شده در اکسید شدن مهیا می‌کند، شرایط کارکرد واقعی را شبیه‌سازی و طول عمر قطعات در کاربرد واقعی را مشخص نمی‌کند که دلیل آن فقدان حالت‌های گذرا و تخریب پوسته‌های اکسیدی مرتبط با آنها و پوششهای ترد نمونه‌های آزمایش پوشش‌دار است. آسیب‌هایی که منجر به تخریب پوسته اکسیدی میشوند، مقدار اکسید شدن را به دلیل اینکه سطح تازه فلز در معرض محیط اکسیدکننده قرار می‌گیرد افزایش میدهند.
اکسیداسیون سیکلی
اکسیداسیون سیکلی به‌صورت سیکلی در درون و در بیرون کوره یا در یک برنرریگ انجام می‌شود.دریکی از روش‌های اتوماتیک شده و قابل‌اجرا، نمونه در یک شرایط شبیه به آزمون هم‌دما قرارمی گیرد که در آن نمونه به کمک یک زنجیر( میکروبالانس) که به موتوری متصل است به درون یک کوره الکتریکی وارد و خارج می‌شود. یک سیکل معمولی میتواند شامل ۳۰ دقیقه قرار گرفتن در محیط داغ و سپس ۱۰ دقیقه نگهداری در خارج از کوره سرد شدن در دمای زیر ۱۰۰ درجه سانتیگراد باشد.
آزمون برنرریگ میتواند اثرات تغییرات گذرای دمای تجربه‌شده را در شرایط واقعی مصرف نشان دهد، اگرچه پایش مناسب کاهش وزن ممکن نیست. در این آزمون یک شعله احتراق در یک کانال، با تزریق سوخت جت و هوا و آتش گرفتن مخلوط آنها، ایجاد می‌شود. مشعل‌های نصب‌شده را نیز می‌توان بدون کانال به کار انداخت. ازجمله مزایای ایجاد مشعل در کانال امکان کنترل فشارهای جزئی گازهایی مانند گازهای موجود در شرایط خوردگی داغ است. نمونه‌های پوشش داده‌شده به‌صورت شمش‌های سیلندری روی یک صفحه دوار در حال چرخش و در معرض شعله قرارمی گیرند. با چرخیدن صفحه دوار، ضمن نگهداری نمونه‌ها به‌صورت چندلایه، تحت تأثیر قرار گرفتن یکنواخت تمام نمونه‌ها تضمین می‌شود. دمای انجام آزمایش را معمولاً یک پایرومتر چشمی که مستقیماً روی داغ‌ترین منطقه از یک نمونه در شعله تنظیم‌شده است اندازه‌گیری می‌کند. پس از قرار گرفتن در شعله برای یک دوره زمانی مشخص، صفحه دوار به حرکت درخواهد آمد تا نمونه‌ها از شعله خارج شوند. سپس نمونه‌ها تحت‌فشار هوای معمولی برای مدت‌زمانی مشخص سرد میشوند. در آخرین مرحله سدکردن، دوباره نمونه‌ها ، با حرکت دادن صفحه دوار، با دقت به داخل کوره برده میشوند. درنهایت نمونه‌ها به‌صورت چشمی بازرسی و وزن آنها معمولاً در فاصله‌های زمانی مشخصی اندازه‌گیری میشوند. شکل ۲-۶ تجهیزات آزمون برنرریگ را نشان می دهد.
شکل۲- ۶: تجهیزات آزمون برنرریگ برای آلیاژها و پوشش.
مشاوره خرید مواد شیمیایی با کارشناسان اَوِسیناشیمی
شما عزیزان می توانید برای کسب اطلاعات بیشتر راجع به مواد شیمیایی و همچنین استعلام قیمت و موجودی با کارشناسان مجموعه اَوِسینا شیمی تماس بگیرید و یا از طریق شبکه های اجتماعی پیام دهید تا در سریع ترین زمان ممکن با شما تماس بگیریم.
