بویلرهای بازیاب حرارت (HRSG)، گرما را از گازهای خروجی توربین گاز گرفته و این انرژی حرارتی را برای تبدیل آب به بخار استفاده می‌کنند که از این بخار برای گردش توربین بخار جهت تولید جریان الکتریکی استفاده می‌گردد. در این میان، نگهداری و تعمیرات به موقع و بازرسی‌های منظم یکی از اصول اساسی در حفاظت از HRSG می‌باشد. بنابراین خرابی تجهیزات HRSG و مخصوصا فین تیوب‌ها در سیستم HRSG (سوپرهیتر، اواپراتور و اکونومایزر) موضوع مهم و قابل توجهی است. این امر منجر به بررسی و شناخت مکانیزم‌های تخریب خواهد شد. در این مقاله مروری بر مکانیسم های خرابی در بویلرهای بازیاب حرارتی در سیستم HRSG بررسی و مطالعه می‌گردد.

مروری بر مکانیسم های خرابی در بویلرهای بازیاب حرارتی: اورهیت‌شدن کوتاه‌مدت (Short term Overheating)

خرابی ناشی از این مکانیزم، معمولا در طول راه‌اندازی بویلر پیش می‌آید و در لوله‌های خنک‌کننده آب و بخار شامل (down comers, Water walls, roofs, screens super, heaters, reheater) اتفاق می‌افتد. این پدیده، هنگامی اتفاق می‌افتد که دمای کاری برای دوره کوتاهی بیش از محدوده دمای طراحی باشد. در تمامی موارد، دمای فلز حداقل850°F (C°454) و اغلب بالاتر از F°1350 (C°730) می‌باشد. با توجه به دما، خرابی ممکن است در بازه زمانی کوتاه‌تری رخ دهد. این پدیده معمولا ناشی از عملکرد نامناسب بویلر می‌باشد که از آن تحت عنوان عملکرد ناهمگون بویلر (Boiler Operation Upset) یاد می‌شود. این مکانیزم تخریب ممکن است همراه با برآمدگی و تحدب خاصی باشد. در اورهیت‌هایی که سریع اتفاق می‌افتند، گسیختگی در امتداد طولی لوله‌های جدار ضخیم پدید می‌آید که تحت عنوان Fish-mouth rupture شناخته می‌شود (شکل ۱).

مروری بر مکانیسم های خرابی در بویلرهای بازیاب حرارتی: اورهیت‌شدن بلندمدت (Long term Overheating)

این مکانیزم هنگامی اتفاق می‌افتد که دمای کاری برای مدت زیادی (روزها، هفته‌ها، ماه‌ها یا حتی بیشتر) بالاتر از محدوده دمای طراحی باشد. این مکانیزم تخریب بیشتر از سایر مکانیزم‌ها اتفاق می‌افتد. در شکل ۲، تغییرات تنش بر حسب دما نشان داده شده است که بیانگر گسیختگی ناشی از فشار داخلی نرمال با افزایش دما می‌باشد.

شکل 1: تخریب یک نمونه فین‌تیوب بر اثر اورهیت شدن کوتاه‌مدت

شکل ۲: تغییرات تنش بر حسب دما

اگر لوله تحت فشار باشد، برآمدگی و تحدب و تغییر شکل پلاستیک تقریبا همیشه وجود دارد. گسیختگی لوله‌ها بر اثر اورهیت شدن بلندمدت، معمولا به صورت برآمدگی و تغییر شکل پلاستیک در محل خرابی دیده می‌شود. در این مکانیزم تخریب نیز، گسیختگی معمولا در امتداد طولی لوله به شکل دهان ماهی (Fish-mouth) رؤیت می‌شود که در شکل ۳ نشان داده شده است.

شکل ۳: خرابی لوله بر اثر اورهیت شدن بلندمدت

مروری بر مکانیسم های خرابی در بویلرهای بازیاب حرارتی: خوردگی ناشی از شتاب جریان سیال (FAC (Flow Accelerated Corrosion))

نوعی مکانیزم خوردگی است که در آن معمولا لایه اکسید محافظت‌کننده سطح فلز در اثر جریان سریع آب از بین می‌رود. فلزی که زیر لایه اکسید محافظت‌کننده، قرار گرفته خورده شده تا مجدد اکسید ایجاد گردد. بنابراین، ضخامت فلز با گذشت زمان کاهش می‌یابد (شکل ۴). بنا بر تعریف مذکور، FAC به سرعت سیال بستگی دارد.

این نوع خوردگی یکی از مکانیزم‌های معروف تخریب است که در تجهیزات ساخته شده از کربن استیل که حامل آب یا جریان دوفازی هستند، اتفاق می‌افتد. این مکانیزم با انحلال اکسید محافظت‌کننده و فلز پایه، منجر به نازک شدن دیواره لوله می‌گردد.

نمونه‌ای از تجهیزات که این مکانیزم در آن‌ها اتفاق می‌افتد، عبارتند از:

• Main Feed water Piping
• HRSG LP & IP Evaporator Tubes
• HRSG Economizer Tube and Piping
• LP and IP Drum Internals
• Feed water Heaters
• Blow down Lines

این نوع خرابی، معمولا در مقاطع فشار پائین HRSG رخ می‌دهد. این مکانیزم اغلب تحت عنوان خوردگی فرسایشی (Erosion-Corrosion) نیز شناخته می‌گردد. از اسامی این مکانیزم می‌توان به خوردگی بر اثر سرعت سیال (Velocity Induced Corrosion) نیز اشاره کرد. همانطور که گفته شد؛ حساسیت کربن استیل نسبت به FAC زیاد است. با افزودن مقدار کمی عنصر کروم، مقاومت کربن استیل در برابر FAC افزایش می‌یابد. مس و مولیبدن همان تاثیر مشابه را دارند اما نه به اندازه کروم. اثرات این مکانیزم تخریب توسط پیکان‌های آبی (قبل از وقوع خرابی) و قرمز (بعد از خرابی) به وضوح در شکل‌های ۵، ۶ و ۷ نشان داده شده است.

شکل ۴: شمایی از مکانیزم FAC

شکل ۵: اثر FAC بر جداره داخلی لوله

شکل ۶: مکانیزم تخریب لوله در محل اتصال بر اثر پدیده FAC

شكل ۷: تخریب لوله در محل اتصال بر اثر FAC

مروری بر مکانیسم های خرابی در بویلرهای بازیاب حرارتی: شکست بر اثر جوشکاری غیرهمجنس (DMW (Dissimilar Metal Weld))

در این مکانیزم، متریال از سمت فریتی جوش، در امتداد خط ذوب جوش، دچار خرابی می‌گردد. این مکانیزم تخریب، در یک جوش لب به لب که در آن یک آلیاژ آستنیتی به یک آلیاژ آهنی می‌پیوندد، ایجاد می‌شود. بعنوان مثال؛ SA213T22

این مکانیزم به چندین عامل بستگی دارد:

تنش‌های بالا در فصل مشترک (محل اتصال) متریال آستنیتی به فریتی بدلیل تفاوت در خواص فیزیکی دو ماده، تنش‌های ناشی از بارهای خارجی بیش از حد، تنش بر اثر سیکل‌های حرارتی و پدیده خزش در متریال فریتی.

در نتیجه، خرابی‌ها تابعی از دماهای کاری و نوع طراحی سیستم هستند.

شماتیک میدان جوش در محل اتصال فلزات آلیاژهای همجنس و غیرهمجنس در شکل 8 الف و ب نشان داده شده است.

به عنوان مثال، در شکل ۹ اختلاط دو فلز مس و نیکل که دارای خواص فیزیکی متفاوتی هستند، اما طی فرآیند جوشکاری درهم آمیخته می‌شوند، نشان داده شده است.

شکل ۸: الف میدان جوش در محل اتصال دو فلز (آلیاژ) همجنس و ب میدان جوش در محل اتصال دو فلز (آلیاژ) غیرهمجنس

شکل ۹: اختلاط مس و نیکل طی فرآیند جوشکاری

مروری بر مکانیسم های خرابی در بویلرهای بازیاب حرارتی: ترک ناشی از تنش در محیط خورنده (SCC (Stress Corrosion Cracking))

بطور کلی؛ ترک ناشی از تنش در محیط خورنده (SCC)، در جائی اتفاق می‌افتد که محیط خورنده بوده و تنش کششی به اندازه کافی باشد. SCC گاهی اوقات در واتر تیوب‌ها، لوله‌های سوپرهیتر و لوله‌های ری‌هیتر پدیدار می‌گردد. همچنین ممکن است SCC در تجهیزات تحت تنش درام بخار، همچون پیچ‌ها، اتفاق افتد (شکل ۱۰).

شکل ۱۰: خرابی پیچ بر اثر مکانیزم SCC

همانطور که گفته شد؛ دو عامل اساسی در پدیده SCC مؤثر هستند:

اول؛ متریال بایستی به اندازه کافی تحت تنش کششی قرار گیرد که این تنش ممکن است تنش خارجی (اعمالی) و یا تنش پسماند باشد. دوم؛ تمرکز ماده خورنده در محل تحت تنش. در سیستم‌های بویلر، خورنده مخصوص برای کربن استیل‌ها، هیدروکسید سدیم می‌باشد؛ برای فولادهای زنگ‌نزن، ماده خورنده می‌تواند هیدروکسید سدیم یا کلریدها باشد.

تخریب بر اثر پدیده SCC، صرف‌نظر از میزان شکل‌پذیری ماده، همیشه به صورت ترک در جداره‌های ضخیم نمایان می‌شود. برای اجتناب از پدیده SCC، کنترل تنش‌های کششی و غلظت مواد خورنده ضروری می‌باشد. تنش‌های کششی می‌توانند به صورت تنش‌های اعمالی در محل و یا تنش‌های پسماند باشند. تنش‌های اعمالی، تنش‌هایی هستند که حین کار ایجاد می‌شوند و شامل تنش‌های حلقوی ایجاد شده بر اثر فشار داخلی و تنش‌های خمشی ناشی از انقباض و انبساط‌های حرارتی تحمیل شده می‌باشند. تنش‌های پسماند، تنش‌هایی هستند که ذاتا در فلز وجود دارند و نتیجه فرآیندهای ساخت و تولید همچون جوشکاری و خمکاری هستند. تنش‌های حلقوی پسماند ممکن است از فرآیند ساخت باقی ‌مانده باشند که می‌توان با روش‌های تابکاری مناسب آن‌ها را از بین برد. تشخیص SCC به روش بازرسی چشمی معمولا مشکل است. با استفاده از روش‌های مایع نافذ، ذرات مغناطیسی و تست التراسونیک در نواحی مشکوک می‌توان به وجود SCC پی برد. همچنین ممکن است ترک ناشی از تنش در محیط خورنده با مودهای دیگر ترک که سبب ترک در جداره ضخیم می‌شوند، مخلوط شود که تشخیص آن نیازمند بکارگیری آزمون متالوگرافی می‌باشد. شکل ۱۱، شمائی از اثر SCC روی سطح خارجی لوله سوپرهیتر بویلر بازیاب را نشان می‌دهد که ترک درون دایره قرمز مشخص شده است. شکل ۱۲، ترک عرضی ناشی از SCC شدید در یک نمونه لوله سوپرهیتر خم شده را نشان می‌دهد. شکل ۱۳، نمایی از ترک ایجاد شده به موازات خط جوش و انشعاب آن را در سطح داخلی لوله بر اثر مکانیزم SCC نشان می‌دهد.

شکل ۱۱: شمائی از SCC روی سطح خارجی لوله سوپرهیتر بویلر بازیاب ترک درون دایره قرمز

شكل ۱۲: ترک عرضی ناشی از SCC شدید

شكل ۱۳: ترک‌ها در مجاورت خط جوش و به موازات آن

مروری بر مکانیسم های خرابی در بویلرهای بازیاب حرارتی: ترک ناشی از خستگی در محیط خورنده (CFC(Corrosion Fatigue Cracking))

ترک ناشی از خستگی در محیط خورنده (CFC)، در هر جائی که تنش‌های سیکلی به اندازه کافی هستند، ایجاد می‌شود. این پدیده بیشتر در بویلرهایی که در شرایط Peak یا بطور ناپیوسته کار می‌کنند، اتفاق می‌افتد. راه‌اندازی و توقف‌های سریع بویلر، می‌تواند شدیدا حساسیت به CFC را افزایش دهد. جاهائی که معمولا CFC رخ می‌دهد عبارتند از: لوله‌های آب، لوله‌های ری‌هیتر و سوپرهیتر و اکونومایزر، دی‌اریتور و همچنین در نقاط اتصال صلب مانند اتصالات ورودی و خروجی هدرها. ترک‌ها در شیارهایی در امتداد سطوح داخلی لوله‌های بویلر مشاهده می‌شوند که تا حدی پر از آب هستند (ترک‌ها معمولا در محل شیارها هستند). این ترک‌ها بدلیل وجود تنش‌های سیکلی در محیط خورنده گسترش می‌یابند. این ترک‌ها همیشه در جهتی عمود بر جهت تنش‌های اصلی گسترش می‌یابند. بنابراین، اگر تنش سیکلی اصلی بر اثر تغییرات در فشار داخلی باشد، ترک‌های طولی ایجاد می‌شوند (شکل ۱۴). اگر تنش سیکلی اصلی یک تنش خمشی باشد که در نتیجه انبساط و انقباض حرارتی لوله اتفاق افتد، ترک‌ها عرضی خواهند بود (شکل ۱۵).

شکل ۱۴: ترک‌های طولی بر اثر تغییرات فشار داخلی

شکل ۱۵: ترک‌های عرضی روی سطح داخلی لوله

CFC، معمولا در مجاورت نگهدارنده‌های فیزیکی اتفاق می‌افتد. ترک‌ها ممکن است در سطح خارجی، سطح داخلی و یا همزمان در هر دو سطح اتفاق افتند. ترک‌های سطح داخلی اغلب مرتبط با حفره‌ها هستند. محل حفره بعنوان محلی برای تمرکز تنش می‌باشد که ترجیحا محل مناسبی برای شروع ترک ناشی از خستگی در محیط خورنده می‌باشد. تنش‌های کششی سیکلی و محیطی که سبب اکسید شدن خودبخودی سطح فلز بدون روکش می‌شوند، دو عامل مهم هستند که قابلیت خستگی همراه با خوردگی را تحت تأثیر قرار می‌دهند. دو منبع مهم جهت ایجاد تنش‌های کششی سیکلی، تغییرات فشار داخلی و انقباض و انبساط حرارتی مفید می‌باشد. علاوه بر عوامل مذکور، سطح pH و میزان گاز اکسیژن در پدیده CFC مؤثر هستند. کارکرد در pH پائین یا در محیطی با اکسیژن بیش از حد، سبب ایجاد حفره می‌گردد؛ که این حفره‌ها به عنوان محل تمرکز تنش برای شروع ترک عمل می‌کنند. ترک ناشی از خستگی در محیط خورنده، معمولا مستقیم و بدون انشعاب است و به شکل سوزنی یا سه‌گوش می‌باشد و عمود بر سطح فلز منتشر می‌شود. این نوع ترک‌ها، غالبا به صورت ترک‌های موازی می‌باشند (شکل‌های ۱۴ و ۱۵) که بسیار نزدیک به هم نیز هستند. گاهی اوقات هم، فقط به شکل شیارهای سطحی در پوشش‌های مگنتیتی ظاهر می‌شوند. روش‌های غیر مخرب برای تشخیص این نوع ترک‌ها، شامل بازرسی با روش التراسونیک، رادیوگرافی، تست مایع نافذ و تست ذرات مغناطیسی می‌باشد. حذف یا کاهش این نوع ترک، با کنترل تنش‌های کششی سیکلی، کنترل عوامل محیطی و طراحی مجدد بویلر امکان‌پذیر می‌باشد. کاهش این مکانیزم تخریب، با کاهش عملکرد سیکلی بویلر و کاهش دفعات راه‌اندازی و توقف آن، امکان‌پذیر می‌باشد. حذف فرآیندهایی که منجر به اکسیداسیون در محل ترک‌ها می‌گردد، ممکن نمی‌باشد. این فرآیند اکسیداسیون حتی در اثر وجود مقدار کمی اکسیژن (dissolved oxygen) نیز اتفاق می‌افتد. کنترل pH و میزان اکسیژن (dissolved oxygen) می‌تواند مانع از خوردگی حفره‌ای باشد تا اینکه عاملی برای شروع CFC نباشد. شکست کامل ناشی از پدیده CFC، اگر متریال داکتیل باشد، معمولا در جداره‌های ضخیم اتفاق می‌افتد و بسیار ریز می‌باشد. این مکانیزم شکست می‌تواند با سایر مودهای شکست نیز همراه باشد. شکل ۱۶، شکست ترد یک نمونه لوله سوپرهیتر را در مجاورت هدر نشان می‌دهد.

شکل ۱۶: شکست ترد در اثر خوردگی همراه با خستگی

نتیجه‌گیری مروری بر مکانیسم های خرابی در بویلرهای بازیاب حرارتی

با توجه به کاربرد روزافزون بویلرهای بازیاب حرارت (HRSG)، بکارگیری استراتژی‌های نگهداری و تعمیرات و بازرسی‌های منظم برای سیستم HRSG امری ضروری می‌باشد. بنابراین شناخت عوامل ایجاد خرابی و شکست در تجهیزات HRSG موضوع مهم و قابل توجهی است که نیازمند بررسی و شناخت مکانیزم‌های تخریب می‌باشد.

منبع: سعید آریامند “بررسی مکانیزم های تخریب در بویلر های بازیاب حرارتی” سومین کنفرانس نیروگاه های حرارتی