زیاد طول کشیده است؟ صفحه بارگذاری را ببندید.

مهمترین عوامل تخریب قطعات توربین گاز چیست؟

0

۱- مقدمه

طراحی و شرایط محیطی از جمله پارامترهای مؤثر در تخریب و انهدام قطعات توربین هستند که عامل دوم نقش بحرانی‌تری ایفا می‌کند. از جمله‌ی تخریب‌هایی که در توربین گازی رخ می‌دهد، می‌توان به مواردی چون تجمع موادی مانند خاک، رسوب گرفتگی، فرسایش (Erosion)، اکسیداسیون دمای بالا (High Temperature Oxidation) و خوردگی داغ (Hot Corrosion)، تخریب‌های ناشی از عوامل خارجی، ساییدگی یاتاقان‌ها، فرسایش آب‌بندی‌ها، تلورانس بیش از اندازه نوک پره‌ها، تاب برداشتن یا سوختن پره‌ها و تیغه‌های توربین، ناپدید شدن جزیی یا کامل پره‌ها و تیغه‌ها، بسته شدن نازل‌های سوخت، ترک خوردن و تاب برداشتن محفظه احتراق، ترک برداشتن پره ‌یا دیسک روتور اشاره کرد. به طور کلی می‌توان انواع تخریب‌هایی را که موجب کاهش بازدهی توربین‌ها می‌شوند، در سه گروه زیر جای داد:

  1. کاهش بازدهی تجدیدپذیر (Recoverable Performance Degradation)
  2. کاهش بازدهی تجدیدناپذیر (Non-Recoverable Performance Degradation)
  3. کاهش بازدهی دایمی (Permanent Performance Degradation)

عمده‌ی تخریب‌ها تجدیدپذیر هستند. تخریب‌هایی که به روش شست و شو قابل بازیافت باشند، معمولاً در گروه تخریب‌های تجدیدپذیر جای می‌گیرند. میزان قابل توجهی از تخریب‌ها می‌توانند به‌وسیله‌ی تنظیم موتور بازیافت شوند (همانند بازگردانی متغیرهای هندسی). آخرین گروه از تخریب‌ها از حیث ترتیب، درجات مختلف تعویض قطعات در تعمیرات اساسی دستگاه می‌باشد که می‌تواند بازدهی سیستم را به حالت اولیه آن بازگرداند.

٢- کاهش بازدهی تجدیدپذیر

این نوع از تخریب به سبب تجمع آلودگی‌ها، گرد و غبار و غیره اتفاق می‌افتد و می‌توان آن را از طریق شست و شوهای متناوب و نصب فیلترهای کافی در مسیر ورودی هوا برطرف ساخت. در ادامه به بررسی چند نمونه از این تخریب‌ها پرداخته شده است

۱-۲- رسوب گرفتگی

از جمله عوامل مؤثر بر بازدهی کمپرسورهای محوری، صافی سطوح پره‌های ثابت و متحرک این بخش می‌باشد. زبری این سطوح می‌تواند توسط پدیده‌ی فرسایش یا از طریق ذراتی که به سطح آن‌ها چسبیده‌اند، ایجاد شود. هر گونه افزایش زبری در ایرفویل پره‌ها موجب افزایش تلفات ناشی از اصطکاک می‌شود. همچنین ممکن است موجب انتقال پیش از موقع لایه‌های مرزی از حالت آرام (Laminar) به حالت اغتشاشی شود. می‌توان گفت که حدود ۷۰ الي ۸۰ درصد از تخریب‌هایی که در توربین گازی اتفاق می‌افتد ناشی از تجمع رسوبات در این دستگاه است. رسوب گرفتگی، فرآیند رسوب و چسبیدن ذرات موجود در هوا بر روی سطح پره‌های کمپرسور و فضای میان دوایر متحدالمرکز است، که موجب تغییر شکل ایرفویل پره‌ها می‌شود. اندازه بسیاری از این ذرات آلاینده کوچک‌تر از ۲ میکرومتر می‌باشد. شکل ۱ یک نمونه رسوب گرفتگی پره‌های کمپرسور را نشان می‌دهد.

تخریب قطعات توربین گازشکل ۱- رسوب گرفتگی در مرحله اول کمپرسور

به‌طور خلاصه تجمع مواد موجب کاهش مساحت گلوگاه کمپرسور، کاهش سرعت جریان هوا، افزایش در زبری سطح پره‌ها، تغییر در شکل هندسی و زاویه‌ی ورودی ایرفویل‌ها، کاهش نسبت فشار و کاهش در بازدهی ایرفویل‌ها خواهد شد. اگر انتهای ایرفویل پره ساییده شود، پهنای گلوگاهی پره افزایش می‌یابد. بنابراین امکان جریان بیشتر از میان آن فراهم می‌شود، اما کار کمتری از آن استخراج خواهد شد. در نهایت این امر موجب افزایش دمای اشتعال، افزایش در جریان سوخت، کاهش در لبه‌ی سرج کمپرسور، کاهش در توان خروجی و بازدهی حرارتی توربین می‌شود. عموماً رسوب روغن و گازها در مناطق صنعتی عامل اصلی ایجاد رسوب گرفتگی هستند. ذرات انتشاریافته از طریق پالایشگاه‌ها و واحدهای صنعتی نفتی می‌توانند رسوباتی ایجاد کنند که این رسوبات به صورت چسب عمل می‌کنند و قادر هستند مواد دیگر را به دام بیاندازند. شکل ۲ عبور ذرات از میان پره‌های کمپرسور را نشان می‌دهد. اثر رسوب گرفتگی بر مرحله اول کمپرسور از همه‌ی مرحله‌ها شدیدتر می‌باشد و بیشترین افت توان متوجه‌ی این مرحله است. این امر بر بازدهی مرحله‌های بعدی نیز اثرگذار خواهد بود. مشخصه‌های عملکرد مرحله اول کمپرسور بر مرحله‌هایی که به دنبال آن قرار گرفته‌اند، انتقال می‌یابد که موجب افزایش در نسبت فشار و در نتیجه باعث افزایش چگالی هوای ورودی به مرحله‌ی بعدی می‌شود. عمده‌ی تخریب ناشی از رسوب گرفتگی می‌تواند با شست و شوی متناوب کمپرسور برطرف شود، اما گاهی عملیات شست و شو در برطرف‌ سازی برخی از تخریب‌های کوچک تجدیدناپذیر مؤثر نیست و بایستی این موانع در طی تعمیرات اساسی دستگاه رفع شوند.

تخریب قطعات توربین گازشکل ۲- عبور ذرات آلاینده از میان پره‌های کمپرسور

۱-۱-۲- طبقه‌بندی علل رسوب گرفتگی کمپرسور

رسوب گرفتگی کمپرسورهای محوری می‌تواند توسط عوامل زیر ایجاد شود:

  • پارامترهای طراحی کمپرسور

پارامترهای طراحی کمپرسور مانند نسبت فشار کمپرسور، سرعت هوای ورودی به تیغه‌های هادی ورودی و ویژگی‌های ایرودینامیکی و هندسی می‌توانند بر رسوب گرفتگی کمپرسور تأثیرگذار باشند.

  • موقعیت دستگاه و محیط اطراف آن

اثر شرایط آب و هوایی در محیط اطراف دستگاه یکی از عوامل عمده در رسوب گرفتگی کمپرسور می‌باشد.

  • آرایش و چیدمان دستگاه

جهت وزش باد، هنگامیکه هوای ورودی به کمپرسور در مواجهه با بادی برخاسته از مناطق شنی (به خصوص در مناطق بیابانی) باشد بر رسوب گرفتگی کمپرسور مؤثر است. همچنین موقعیت برج‌های آب خنک‌کننده در نیروگاهی با چرخه‌ی ترکیبی نقش بسزایی دارد. در طراحی و انتخاب سیستم فیلتراسیون مناسب، توجه به نکاتی مانند سرعت هوا، میزان بارگیری فیلتر، افت فشار و … الزامی می‌باشد.

  • پارامترهای جوی

سرعت رسوب گرفتگی بر پره‌های کمپرسور می‌تواند تحت تأثیر عواملی چون دمای محیط، رطوبت نسبی (دمای خشک و مرطوب محيط)، ذرات گرد و غبار معلق در هوا متناسب با چگالی هوا، جهت و نیروی باد، مه، دوده و رسوبات باشد.

  • نگهداری و تعمیر دستگاه
  1. تواتر برنامه‌ی زمانبندی رسوب گرفتگی کمپرسور
  2. تعمیر و نگهداری آب‌بندی یاتاقان‌ها به گونه‌ای که مانع از نشتی روغن به درون سیستم ورودی هوا باشد؛
  3. بکارگیری آبی با کیفیت بالا برای سیستم خنک‌کننده‌ی تبخیری؛
  4. تعمیر و نگهداری فیلترهای ورودی هوا، از دیگر عوامل مؤثر بر سرعت رسوب گرفتگی کمپرسور می‌باشند.

۲-۱-۲- کنترل رسوب گرفتگی کمپرسور

میزان رسوب گرفتگی کمپرسور با ترکیبی از عواملی چون شست و شو و تمیز کردن کمپرسور و به کارگیری سیستم فیلتراسیون مناسب و کافی در ورودی توربین، قابل کنترل است.

۳-۱-۲- رسوب گرفتگی در بخش داغ توربین

رسوب گرفتگی بخش داغ توربین می‌تواند توسط ذرات ورودی از قسمت محفظه‌ی احتراق ایجاد شود. به عنوان مثال ذرات آلاینده‌ی موجود در سوخت یا ذرات موجود در آب تزریق شده برای کنترل اکسید نیتروژن از جمله عوامل بروز رسوب گرفتگی در بخش داغ توربین می‌باشند. پتاسیم، کلسیم، سدیم، وانادیم و منیزیم موجود در سوخت‌های مایع می‌توانند رسوبات سختی تشکیل دهند که برطرف کردن آن‌ها با روش‌های متداول شست و شوی توربین کار دشواری است. این رسوبات می‌توانند موجب انسداد و کاهش توان خروجی دستگاه شوند. هیدروکربن‌های نسوخته یا نمک‌های انتقال یافته از طریق هوا می‌توانند از دیگر عوامل رسوب گرفتگی بخش‌های داغ توربین باشند. کاهش منطقه‌ی گلوگاهی نازل‌ها توسط تأثیر رسوب گرفتگی بخش داغ توربین ایجاد شده و موجب کاهش بازدهی آن‌ها می‌شود و با ایجاد رسوبات بر روی پره‌های متحرک توربین موجب افت شدیدتر بازدهی نیز خواهد شد.

٣- کاهش بازدهی تجدیدناپذیر

گاهی تخریب‌ها به گونه‌ای است که با شست و شوی منظم یا با نصب فیلتراسیون کافی قابل رفع نیستند. برخی از ذرات ناخالصی با چسبیدن بر قطعات موجود در مسیر جریان هوا موجب بروز آسیب‌های جدی به آن‌ها و در نتیجه کاهش بازدهی موتور می‌شوند. از جمله تخریب‌های این گروه می‌توان به خوردگی، فرسایش و آسیب‌های ناشی از ذرات خارجی وارد شده به دستگاه اشاره کرد. رفع اینگونه آسیب‌ها نیازمند تنظیم و تعمیر قطعات معیوب می‌باشد.

۱-۳- فرسایش

فرسایش، جدا شدن مواد ساینده از قطعات موجود در مسیر جریان به‌ وسیله تماس ذرات سخت و تراکم‌ناپذیر بر روی این سطوح می‌باشد. از جمله‌ی این ذرات ساینده می‌توان به ذرات نمک، آلودگی و یخ اشاره کرد که اغلب در ابعاد ۱۰ میکرومتر و بیشتر می‌باشند. برای اینکه این ذرات به‌وسیله ضربه موجب فرسایش شوند، می‌بایست قطر آن‌ها بیش از ۲۰ میکرومتر باشد. پدیده فرسایش می‌تواند به صورت یک مشکل در کمپرسورها یا پمپ‌های گردنده‌ای باشد، که با گازها و سیالات حامل مواد جامد سروکار دارند. فرسایش بیشترین اثر را بر روی لبه‌ی ابتدایی پره‌های کمپرسور دارد. این تخریب اثر قابل توجهی بر روی موقعیت و میزان انتقال لایه‌های مرزی از حالت آرام به اغتشاشی دارد. از آنجا که مشخصه‌ی انتقال حرارت یک لایه‌ی مرزی علاوه بر ضخامت آن به حالتش نیز (یعنی آرام، اغتشاشی، انتقالی، مجزا) بستگی دارد، بنابراین فرسایش لبه‌ی ابتدایی می‌تواند بر تعادل گرمایی پره تأثیرگذار باشد. فرسایش ایرفویل‌ها موجب افزایش زبری سطح آن‌ها می‌شود که نتیجه‌ی آن تغییر در زاویه‌ی ورودی فلز است. از دیگر اثرات فرسایش در توربین‌های گازی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • کاهش ضخامت قوس پره‌ها؛
  • کاهش قوس شعاع لبه‌ی ابتدایی؛
  • کاهش ضخامت انتهای ایرفویل که ممکن است در مراحل اولیه بازدهی کمپرسور را به مقدار کمی افزایش دهد؛
  • لرزش پره‌ها به‌وسیله‌ی تغییر در فرکانس طبیعی پره؛
  • افزایش تلورانس نوک پره‌ها؛
  • کاهش در بازدهی ایزنتروپیک (Isentropic Efficiency) اجزا.

شکل ۳ فرسایش توربین را نشان می‌دهد.

تخریب قطعات توربین گازشکل ۳- بروز پدیده‌ی فرسایش در یک توربین گازی

امروزه نصب توربین به‌وسیله‌ی تجهیزات فنی برای کاهش دادن اثرات مخرب و مضر موارد ذکر شده بر روی عمر و بازدهی این توربین‌ها فراهم شده است. به علاوه، این تخریب‌ها به طور ناگهانی اتفاق نمی‌افتند بلکه به تدریج رخ می‌دهند. این دو اثر مبنایی برای برنامه‌های نگهداشت و تعمیر توربین فراهم می‌کنند که تقریباً می‌تواند تخریب‌های ایجاد شده به سبب اثرات مضر محیطی بر روی توربین‌های گازی را کاهش دهد.

۲-۳- خوردگی داغ

خوردگی داغ، هدر رفتن مواد از قطعاتی است که در مسیر جریان سیال داغ قرار دارند و به صورت یک مشکل جدی در توربین‌های گازی مطرح می‌باشد. در واقع خوردگی داغ نتیجه واکنش شیمیایی میان قطعات و آلاینده‌های خاص مانند نمک‌های رسوب کرده از فاز بخار، اسیدهای معدنی یا گازهای واکنشی می‌باشد. برخی از این مواد، محصول خروجی دیگر فرآیندهای صنعتی هستند که وارد اجزای داغ توربین شده‌اند، (شکل ۴).

تخریب قطعات توربین گازشکل ۴- خوردگی داغ روتور یک توربین

محصولات این واکنش‌های شیمیایی به صورت لایه‌ای بر روی قطعات داغ توربین که شامل آستری‌های محفظه‌ی احتراق، اجزای انتقال سیال، تیغه‌های نازل و پره‌های متحرک توربین می‌باشند، می‌چسبند. حضور ppm۲ (و یا کمتر) سدیم در سوخت یا هوای ورودی به توربین منجر به ایجاد خوردگی داغ نسبتاً شدید در این قطعات خواهد شد. شکل ۵ ریزساختار یک پوشش NiCoCrAlSiY، اعمال شده به روش اسپری پلاسما تحت شرایط خط نسبی بر روی پره‌های مرحله اول توربین گازی V94.2 که از جنس اینکونل ۷۳۸ می‌باشد را نشان می‌دهد که به مدت ۱۴۴ساعت در معرض خوردگی داغ در دمای ۸۵۰ درجه سانتی‌گراد تحت تأثیر نمک %Na2SO4۷۵%NaCl + ۲۵ قرار گرفته است. اگر چنین خوردگی‌هایی در توربین‌های گازی رخ دهد، بخش‌های داغ توربین به سرعت آسیب می‌بینند در چنین شرایطی نیاز است چندین مرحله از پره‌های توربین تعویض شوند، گرچه در برخی موارد تعمیر این قطعات جوابگو است و دیگر نیاز به تعویض قطعه نمی‌باشد. برای تعمیر پره‌ها می‌توان با اسپری پلاسما و متعاقباً اعمال لایه‌ی محافظ جدید بر روی آن‌ها، تخریب را تقلیل داد. هزینه‌ی تعمیر پره‌ها حدود ۲۵ الی ۳۵ درصد هزینه‌ی تعویض پره با یک پره‌ی جدید می‌باشد. می‌توان سرعت این تخریب را با خنک کردن درونی پره‌هایی که ضخامت دیواره‌ی آن‌ها نسبتاً زیاد می‌باشد، کاهش داد.

تخریب قطعات توربین گازشکل ۵- تصویر میکروسکوپ الکترونی از نمونه‌ی پوشش شده بعد از ۱۴۴ ساعت خوردگی در دمای C°۸۵۰ تحت تأثیر نمک %Na2SO4۷۵%NaCl + ۲۵ (×۲۰۰)

۳-۳- خوردگی

خوردگی همانند خوردگی داغ از طريق آلودگی‌های هوای ورودی، آلودگی‌های ناشی از عملیات احتراق، و یا توسط سوخت مورد استفاده در دستگاه ایجاد می‌شود. خوردگی که از طریق سوخت ایجاد می‌شود بیشتر از همه مورد توجه می‌باشد. از آنجا که بسیاری از توربین‌های گازی در نزدیکی دریا واقع شده‌اند، نمک دریا (کلرید سدیم) بیشترین پتانسیل را در خصوص خوردگی دارد. اجزای موتور توربین که دمای بالایی ندارند در معرض حملات کلرید سدیم می‌باشند در حالیکه اجزای داغ آن بیشتر دچار خوردگی سولفات سدیم (سولفیداسیون) می‌شود. خوردگی در اجزای کمپرسور می‌تواند به‌وسیله‌ی رسوبات نمک دریا، اسیدها و دیگر مواد مخرب ایجاد شود. علاوه بر این خوردگی می‌تواند به صورت حفرات ریز (Piting) بر روی پره‌های کمپرسور ظاهر شود، که موجب زبری سطح ایرفویل‌ها می‌شود و پیامد آن کاهش در بازدهی ایرودینامیکی کمپرسورها است. همچنین این حفرات موجب افزایش تنش‌های موضعی می‌شوند و ممکن است عمر خستگی پره‌ها را کاهش دهند. حمله‌ی خوردگی ممکن است هنگامی که دستگاه در حال کارکرد هم نباشد ایجاد شود، البته اگر رسوبات مرطوب باشند. این خوردگی به پدیده‌ی خوردگی راکد (Sandstil Corrosion) معروف است. در چنین شرایطی همه‌ی مرحله‌های پره‌های کمپرسور دچار خوردگی یکنواخت می‌شوند. علاوه بر سیستم فیلتراسیون، پوشش‌های محافظ برای محافظت از اجزای کمپرسور مانند پره‌ها و چرخ‌های آن به خصوص در محیط‌هایی که احتمال حضور مواد خورنده در آن‌ها بالا است، بسیار مؤثر و مفید می‌باشد. صرف نظر از کاهش چندین درصدی بازدهی کمپرسور به سبب وجود حفرات و زبری سطح پره‌ها و افزایش مصرف سوخت، هر گونه شکست پره در کمپرسور نیاز به پرداخت هزینه‌های مالی قابل توجه برای تعمیر آن‌ها می‌باشد. خوردگی همانند رسوب گرفتگی و فرسایش از طریق فیلتراسیون قابل کنترل است. البته این نکته قابل توجه است که فرآیند خوردگی یک پدیده‌ی خود پیشرونده (Self Propagation) می‌باشد و حتی اگر منبع اصلی ایجاد آن برطرف شود باز هم می‌تواند ادامه یابد.

۴-۳- اکسیداسیون دمای بالا

اکسیداسیون که مهمترین واکنش در دمای بالا به شمار می‌رود، واکنش شیمیایی میان اتم‌های فلز زمینه یا پوشش با عوامل اکسیدکننده‌ی تامین شده از گازهای داغ محیط اطراف قطعه می‌باشد که با پیشرفت هر چه بیشتر فرآیند و ایجاد اکسیدهای مختلف از عناصر موجود در آلیاژ زمینه منجر به انهدام قطعه می‌گردد. از جمله محیط‌های اکسیدکننده می‌توان به هوا، اکسیژن، دی‌اکسید سولفور و دی‌اکسید کربن اشاره کرد. با ادامه یافتن فرایند اکسید شدن این لایه‌ی بر ضخامتش افزوده خواهد شد. گرچه لایه اکسیدی تشکیل شده بر روی قطعات نقش حفاظتی دارد اما با ایجاد تخریب‌های مکانیکی مانند ترک‌ها و خرد شدن ناشی از سیکل‌های دمایی از قدرت حفاظتی آن‌ها کاسته می‌شود.

۵-۳- گرفتگی گذرگاه‌های هوای خنک‌کننده

این انسداد عمدتاً در مسیر خنک‌کننده‌های بخش‌های داغ توربین، توسط ذرات بسیار ریز میکرونی اتفاق می‌افتد. از آنجا که هوای خنک‌کننده از کمپرسور توربین تأمین می‌شود، آلودگی‌هایی که به همراه این هوا وارد گذرگاه‌های خنک‌کننده می‌شوند علت اصلی انسداد می‌باشند. اگر این آلودگی‌ها در مسیرهای خنک‌سازی تجمع کنند، انتقال حرارت را کاهش می‌دهند و ممکن است دما به حدی افزایش یابد که این افزایش دما موجب ایجاد ترک در قطعات می‌گردد. در برخی از توربین‌ها به سبب تکنولوژی پیشرفته‌ای که دارند ( دارا بودن دمای اشتعال بالاتر) نیاز به سیستم بسیار پیچیده‌ای از گذرگاه‌های خنک‌سازی می‌باشد. مخصوصاً ذرات آلاینده نظیر گرده‌ی ذغال‌سنگ، گرده‌ی سیمان، خاکستر بادی و دیگر موارد که تمایل به سینتر شدن (Sintering) دارند، همگی بر انتقال حرارت تأثیرگذارند و موجب تخریب‌های شدید در توربین می‌شوند.

۶-۳- آسیب ناشی از ذرات خارجی (FOD: Foreign Objective Damage )

FOD ناشی از برخورد ذرات خارجی با سطح قطعاتی است که در مسیر جریان سیال در توربین گازی قرار گرفته‌اند. اثرات تخریبی ذرات عمدتاً به ابعاد و موقعیت ذرات وارد شده به دستگاه بستگی دارد. آسیب ناشی از ذرات ساینده‌ی کوچک ممکن است ناچیز بوده و عمدتاً به نظر نمی‌آید. در حالیکه ذرات نسبتاً درشت، آسیب‌های درونی جدی به دستگاه وارد می‌کنند. این ذرات ممکن است از طریق هوای ورودی یا جریان گاز کمپرسور و یا در نتیجه‌ی شکسته شدن بخش‌هایی از خود موتور وارد شده باشند، که مورد اخیر آسیب ناشی از ذرات داخلی (Domestic Object Damage: DOD) می‌باشد. خرده‌های یخ وارد شده از طریق هوای ورودی یا کربنی که از نازل‌های سوخت رها شده است نیز می‌توانند از دلایل بروز این آسیب باشند. این آسیب می‌تواند بر پره‌های ساکن و متحرک توربین اثر بگذارد، که نتیجه‌ی آن کاهش در دبی جرمی ورودی و بازدهی کمپرسور است. از دیگر موارد تخریبی می‌توان به ورود ذرات بزرگ و نرم (مانند تکه‌های کاغذ) اشاره کرد که غربال‌های FOD را مسدود می‌سازند و انسداد آن‌ها موجب افت توان و بالا رفتن دماهای ورودی توربین می‌شود. شکل ۶ تخریب یک پره‌ی توربین که در اثر برخورد ذرات خارجی ایجاد شده است را نشان می‌دهد.

۱-۶-۳- روش‌های پیشگیری از FOD و DOD

برای پیشگیری از FOD موتورهای در حال کارکرد باید اقدامات ایمنی زیر توسط متصدیان مربوطه انجام گیرد:

– اجرای صحیح دستورالعمل‌های مکتوب مربوط به انجام عملیات تعمیر و نگهداری در مجاری هوای ورودی توربین. باید دقت داشت که هر گونه علل آسیب‌رسان به دستگاه، از محیط اطراف پرسنل تعمیر و نگهداری دور باشد. پرسنل مربوطه باید مسئول همه‌ی ابزار کار و تجهیزاتی باشند که در بخش ورودی هوا استفاده می‌شوند. پس از تکمیل کار، باید مجاری ورودی هوا بازرسی و از پاکیزگی آن‌ها اطمینان حاصل شود، همچنین باید لیست ابزار و تجهیزات مورد استفاده را چک کنند.

– به صورت دوره‌ای همه‌ی ورودی‌های توربین، موقعیت محافظ‌ها و غربال‌های FOD از لحاظ پاکیزگی بازرسی شوند. هر گونه شرایط نابهنجار و غیرعادی اصلاح شود. انجام بازرسی مکرر بستگی به شرایط کارکرد، الزامات استاندارد و دستورالعمل‌های بخش مهندسی دارد.

– هنگام بازرسی مجرای ورودی باید اطمینان حاصل شود که فضای اطراف درب‌های ورودی موتور، عاری از ذرات آلاینده و ریزه سنگ‌هایی باشند که قادرند از طریق درب‌های ورودی موتور وارد شوند.

و برای پیشگیری از DOD رعایت نکات زیر از سوی پرسنل مسئول الزامی است:

– باید از تمیزی بخش درونی و بیرونی موتور اطمینان حاصل شود. این کار باید با توجه به استانداردها و دستورالعمل‌های فنی سازنده‌ی دستگاه انجام گردد. تمیزی موتور یکی از پارامترهای مهم در مبارزه با خوردگی می‌باشد. همچنین کنترل خوردگی می‌تواند شانس تخریب اجزای موتور را که به نوبه‌ی خود می‌توانند موجب DOD شوند، کاهش دهد.

– بازرسی‌های مکرر از بخش‌های بیرونی و درونی موتور برای کاهش احتمال وقوع DOD صورت گیرد. بازرسی بخش بیرونی موتور توربین گازی بسیار مهم می‌باشد. مشخص شدن موقعیت اجزای شکسته شده و مهار نشده در هنگام بازرسی برای پیشگیری از این آسیب عامل بسیار مهمی می‌باشد.

– استفاده از بازرسی‌های بورسکوپی برای تشخیص مقدار DOD و پیشگیری از آن بسیار مفید خواهد بود. مشخص شده است که بیشتر عیوب تکراری مربوط به صدمه‌های بالقوه اجزا می‌باشد (به عنوان مثال ترک‌های تنشی پره‌ها).

۷-۳- سایش (Fretting)

سایش هنگامی ایجاد می‌شود که یک سطح چرخان بر روی یک سطح ساکن سائیده شود. در بسیاری از موتورها از سطوح سایش‌پذیر استفاده می‌شود که در هنگام کارکرد ایجاد مقدار قابل توجهی سایش در آن‌ها مجاز می‌باشد. هدر رفتن این مواد در اثر سایش موجب افزایش فضاهای آب‌بندی می‌شود.

۴- کاهش بازدهی دائمی

این گروه از تخریب‌ها تنها از طریق تعویض قطعات معیوب با قطعات جدید، که در هنگام تعمیر اساسی دستگاه امکان‌پذیر است، قابل برطرف‌سازی هستند.

۱-۴- تخریب‌های ناشی از پدیده‌ی خستگی (Fatigue)

یک پیامد افزایش دمای اشتعال توربین‌های گازی صنعتی، افزایش نیروهای سیکلی حرارتی در نازل‌ها و پره‌های متحرک توربین که در مسیر گازهای داغ می‌باشند، است. استفاده و تأثیر خنک‌کننده‌های هوا یا بخار، در اجزای داغ توربین باعث ایجاد شیب‌های حرارتی بیشتر در این بخش‌ها خواهد شد و افزایش شیب‌های حرارتی نیز به نوبه‌ی خود موجب افزایش کرنش‌های حرارتی این قسمت‌ها می‌شوند. استفاده از مواد مقاوم به کرنش‌های حرارتی مانند آلیاژهای DS و SX در ساخت اجزای در مسیر گازهای داغ در این زمینه بسیار مؤثر هستند. از سوی دیگر استفاده از پوشش‌های عایق، شیب‌های حرارتی و کرنش‌های حرارتی را کاهش داده و در بالا بردن عمر خستگی این قطعات مفید می‌باشد.

۲-۴- تخریب‌های ناشی از پدیده‌ی خزش

اصولاً آلیاژ ایرفویل در دمای سرویس‌دهی توربین از جهت استحکام خزشی در محدودیت قرار دارد. استحکام خزشی آلیاژ با تغییر در ترکیب شیمیایی و تاریخچه‌ی تولید آن بهبود می‌یابد. افزایش غلظت فلزات دیرگداز مانند تنگستن، نیوبیم، تانتالیم و مولیبدن استحکام خزشی آلیاژهای پایه نیکلی که عمدتاً در ساخت پره‌های بخش داغ توربین مورد استفاده قرار می‌گیرند را افزایش می‌دهند.

۳-۴- لقى (Clearance)

لقی میان بخش‌های متحرک و ساکن توربین در طی پروسه‌ی کهنه شدن دستگاه تمایل به بیشتر باز شدن دارد. این کار باعث نشتی بیشتر جریان می‌شود. این نشتی جریانات بازدهی اجزا را کاهش می‌دهد. بنابراین افزایش لقی در کاهش بازدهی کمپرسور توربین گازی تأثیر بسزایی دارد. نتایج تحقیقات بر روی کمپرسور جریان محوری نشان می‌دهد که افزایش لقی‌ها منجر به کاهش لبه‌ی رج و کاهش بازدهی کمپرسور می‌شود. در بخش توربین نیز بررسی و تعمیر لقی‌ها از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است که به سبب تغییرات شدید دمایی اتفاق می‌افتد. در بسیاری از طراحی‌ها، اجزای ساکن با سرعتی متفاوت از اجزای متحرک منبسط می‌شوند. در طراحی بیشتر توربین‌های جدید از آب‌بندی‌های قابل سایش برای کاهش این لقی‌ها استفاده می‌شود.

تخریب قطعات توربین گازشکل ۶- تخریب پره‌ی یک توربین گازی

۴-۴- صدمه‌های ناشی از پدیده‌ی یخ‌زدگی

گاهی دمای هوا و سطوحی چون تیغه‌های هادی ورودی توربین به دمای نقطه‌ی شبنم یا زیر آن می‌رسند. در چنین شرایطی تشکیل آب بر روی این سطوح اجتناب‌ناپذیر است. اگر دمای نقطه‌ی شبنم بالای دمای انجماد آب باشد، آب می‌تواند بر روی سطح چگال شود، اما اگر دمای نقطه‌ی شبنم زیر دمای انجماد باشد، یخ بر روی سطح تشکیل می‌شود. در شكل ۷ تصویری از یخ‌زدگی تیغه‌های هادی ورودی یک توربین گازی را مشاهده می‌کنید.

تخریب قطعات توربین گازشكل ۷- تشکیل یخ بر روی تیغه‌های هادی ورودی

نمونه‌ی دیگر از بروز مشکل از طریق یخ‌زدگی در شکل ۸ نشان داده شده است. در این شکل همانگونه که مشاهده می‌کنید

تخریب قطعات توربین گازشکل ۸- ایجاد خمیدگی در پره‌ی مرحله اول یک کمپرسور جریان محوری

پره‌ی مرحله اول کمپرسور جریان محوری خمیده شده است. این آسیب در فصل زمستان با انجام بازرسی بورسکوپی پس از شنیدن صداهای بسیار بلند از کمپرسور مشخص شده است. گاهی مشکل از موارد ذکر شده فراتر رفته و وارد شدن یخ به شکل جدی‌تری نمایان می‌شود. به شکل ۹ توجه کنید در این شکل یخ وارد شده موجب شکسته شدن نوک تیغه‌ی مرحله اول کمپرسور شده است. از جمله روش‌های جلوگیری از تشکیل یخ در توربین به خصوص بر روی تیغه‌های مرحله اول کمپرسور گرم کردن هوای ورودی است. گرم کردن هوای ورودی موجب کاهش رطوبت نسبی و افزایش ماکزیمم رطوبت نسبی لازم محیط برای تشکیل یخ می‌شود. همچنین گرم کردن جریان هوای ورودی، کمترین دمای لازم برای تشکیل یخ را کاهش می‌دهد.

تخریب قطعات توربین گازشکل ۹- شکسته شدن نوک تیغه‌ی یک کمپرسور در اثر ورود یخ به توربین

۵- راهکار اصلاحی

امروزه در کشورهای پیشرفته‌ی دنیا به دلیل مسائل زیست‌محیطی، استفاده از سوخت‌هایی با درجه‌ی کیفیت پایین نظیر نفت سنگین و نفت خام در نیروگاه‌ها ممنوع شده است زیرا این سوخت‌ها شامل مقادیر زیادی سولفور و فلزات سنگین مانند وانادیم، نیکل، سرب و روی می‌باشند. در توربین‌های گازی جدید که راندمان بالایی دارند از سوخت‌های دیزلی تمیز و گازهای طبیعی استفاده می‌شود. روش‌های زیر گام‌هایی در راستای محافظت توربین گازی در مقابل تخریب‌های ذکر شده می‌باشد:

  1. تنظیم یک استراتژی مکرر نگهداری و تعمیر؛
  2. انتخاب مناسب فیلترهای ورودی هوا و نگهداری و تعمیر آن‌ها به صورت دوره‌های منظم؛
  3. شست و شوی مکرر کمپرسور در زمان سرویس‌دهی دستگاه؛
  4. عملیات تصفیه‌ی سوخت ورودی به توربین، برای کاهش رسوب گرفتگی بخش‌های داغ توربين؛ اجرای دستورالعمل‌ها و پیشنهادات سازندگان در خصوص عملکرد و پروسه‌ی تعمیر و نگهداری

منبع: بهاره تشت زر، مهدي نقي زاده، آزاده تشت زر “ارزيابي علل تخريب توربين هاي گازي و ارائه ي راهكارهاي پيشگيري از آن” دومین همایش بازرسی و ایمنی در صنایع نفت و انرژی – تهران – ۱۳۹۰

ارسال یک پاسخ

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.