نقص در پره‌‌های توربین گاز

نقص در پره‌‌های توربین گاز – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه فنی مهندسی – بین رشته ای

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

چگونگی سفارش مقاله

الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه(شماره حساب)ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.comشامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر --مقالات آماده سفارش داده شده پس از تایید به ایمیل شما ارسال خواهند شد.

نقص در پره‌‌های توربین گاز

خلاصه

پره‌های اولیه توربین گاز پس از در حدود ۱۰۵۰۰ ساعت کارکرد دچار آسیب‌دیدگی شدید گردیده است. عمر مفید مورد انتظار این پره‌ها ۴۰۰۰۰ ساعت می‌باشد. در این خصوص بررسیهای مختلفی انجام شده است، از قبیل مشاهدات عینی، بررسی با میکروسکپ نوری، پویش میکروسکپ الکترونی(SEM)، الکترون بک‌اسکترینگ یا تابش انکساری SEM – (SEM-BSE)، EDX، انکسار یا پراش اشعه ایکس (XRD) و بکارگیری فن مقیاس ابعادی. پره‌ها یا تیغه‌های ساخته شده بوسیله فوق‌آلیاژ نیکل CMSX-4، پوششهای محافظتی خود را از ناحیه سر بواسطه فرسایش از دست داده‌اند. سطوح محافظت نشده بواسطه دمای گرم با درجه حرارت بالا و خوردگی نوع ۱ دچار آسیب شده‌اند. نهایتا نتیجه‌گیری گردید که علت بوجود آمدن نقص بواسطه وجود فضای ناهموار  بین روتور و جداره داخلی می‌باشد.

کلمات کلیدی: نقص توربین گاز، خوردگی، انبساط گرمایی، نقص پوشش

نقص در پره‌‌های توربین گاز

۱٫ مقدمه

پره‌های مرحله اول توربین گازی، که متعلق به یک کارخانه شیمیایی می‌باشد،  تقریبا پس از طی یک دوره کارکرد ۱۰۵۰۰ ساعته آسیب دیده است. عمر پیش‌بینی شده کارکرد این نوع پره‌ها ۴۰۰۰۰ ساعت می‌باشد. این توربین با استفاده از گاز طبیعی(متان)، فیلتر و هوای خنک کار می‌نماید. برای انجام این بررسی پره‌های توربین بعلاوه دو قطعه از پوسته داخلی آن دریافت گردید. این دو قطعه بصورت طبیعی به بدنه استوانه‌ای شکل ثابت توربین متصل بود. این دو قطعه بعنوان درزگیر یا واشر خروج گاز در روتور خراب شده فعالیت داشته، و سرهای پره می‌بایست با لغزش آرامی بر روی آنها کار کند. یکی از قطعات آن با ظاهری سیاه معیوب بود. برای انجام این تحقیق، برخی از تصاویر تهیه شده از بخش داخلی توربین، به همراه آنالیز گاز سوخت، آنالیز آب خنک بکار رفته در سیستم تهویه مطبوع  مکنده هوا، و همچنین مشخصات مواد پره، بجز پوسته آن، مهیا گردید. نهایتا، نمونه‌‌های پودر که به هنگام باز کردن توربین جمع‌آوری شده بود نیز تحویل شد.

نقص در پره‌‌های توربین گاز

۲٫ مشاهدات عینی

شکل ۱ نشان‌دهنده خسارت وارده به پره‌ها می‌باشد. از دست رفتگی مواد در راس پره‌ها مشهود است و هر چه بسمت لبه‌های درگیر در کار یا لبه‌های مقدم به پیش می‌رویم شدت آسیب‌دیدگی نیز بیشتر بچشم می‌خورد. برخی از پره‌ها نظیر آنچه در شکل ۱ دیده می‌شود، بنظر سوراخهای ایجاد شده محفظه خنک‌کننده را تجربه نموده‌اند. آسیب‌دیدگیهای دیگری بصورت وصله‌های سیاه و کوچک در نیمه بالایی لبه مقدم را می‌توان مشاهده نمود. همچنین همانند مورد قبل می‌توان در شکل ۲ سطوح دیگری از رسوبات رنگهای مختلف را مشاهده نمود، که منطبق با یکی از بخشهای پوسته داخلی توربین می‌باشد و نشان داده شده است که چگونه بصورت ناصاف دچار خوردگی شده که خود می‌تواند بواسطه بروز فرسایش و اصطکاک با لبه‌های پره‌ها بوجود آمده باشد. این فرسایش ممکن است باعث بوجود آمدن علایم افقی در بخش پوسته داخلی شده باشد(شکل ۲). علاوه براین، شکافهایی بصورت موازی در محور توربین وجود دارد.

فضای بین نوک پره‌ها و پوسته روتور ناصاف بوده و آن را می‌توان از طریق عکسهای داخل توربین مشاهده نمود (شکل ۳). در حقیقت فاصله‌ای بین قطعات ثابت و متحرک در ناحیه مشخص شده بوسیله پیکان وجود ندارد. از طرف دیگر، حالت تیره‌ رنگی متفاوتی در نزدیکی نوک پره‌ها مشاهده شده است (شکل ۳). این نکات رنگی بواسطه گرم شدن بیش از حد ناحیه در نتیجه اطصکاک می‌باشد. شکل ۴ نشان‌دهنده پوسته داخلی بدنه توربین است که منطبق با محل روتور معیوب می‌باشد. حالت رنگ‌پذیری نابرابر، در پی خروج گازهای گرم از پره‌‌های مرحله اول(استاتور)، را می‌توان در بخش‌های این پوسته ملاحظه نمود. علاوه براین، دو بخش سیاه، با ظاهری دوده مانند، را می‌توان بطور واضح رویت نمود.

نقص در پره‌‌های توربین گاز

۳٫ آزمایشات، نتایج و مباحثه

در این خصوص چندین آزمایش تجربی انجام پذیرفت که شامل موارد زیر می‌باشند: میکروسکپ نوری، اسکن میکروسکپ الکترونی(SEM) با کاربرد تشخیص‌گرهای الکترون ثانویه (SE) و الکترون پس‌ـ انتشاری(BSE)، طیف‌سنج انتشارانرژی(EDS)، انکسار اشعه ایکس(XRD) و اندازه‌گیری بعددار.

۱/۳٫ خصیصه‌ مواد پره‌ها و پوسته‌ها

ترکیب شیمیایی EDX یک از پرها، شامل قالب فوق‌آلیاژ و پوسته محافظتی در جدول ۱ نشان داده شده است. ترکیب پره‌ سازگار با شرایط فوق‌آلیاژ نیکل CMSX-4 می‌باشد، که موافق با مشخصات پره‌ها است. میکروسکپ نوری مشخص‌کننده یک ریزساختار بلور واحد(SX) است. مواد پره متعلق به آن چیزی است که اصطلاحا نسل دوم فوق‌آلیاژ نیکل SX خوانده می‌شود. این آلیاژها شامل رنیم هستند. ری- اتمها       (Re atoms) ترجیحا در ماتریس حل شده، و کهنه‌شدگی فاز ناپیوسته را کند ساخته و همچنین حالت غیرمتجانس را افزایش می‌دهد. علاوه براین، ری- اتمها از حوزه‌های کوچک(خوشه‌ها)، با قطر در حدود ۱ nm، بعنوان موانعی در حرکت دیسلوکاسیونها بشمار می‌آیند. این خوشه‌ها در ارتقای پایداری در برابر خزش موثرتر از محلول ایزوله ری- اتمها می‌باشند.

فوق‌آلیاژNi MAR M-247 ( ) می‌باشد. بنابراین اصطکاک بین دو بخش پوسته دوده‌ای برپایه-Co و پره‌ها می‌بایست فشرده‌تر از بخشهای باقیمانده پوسته بر پایه- Ni باشد. با این وجود، بطور غیرمنتظره‌ای، بخشهای فوق‌آلیاژ-Co تقریبا بدون فرسایش باقی مانده‌اند. فرسایش اصطکاکی و ضربه‌ای در توربینهای گاز را نمی‌توان تنها با استفاده از هماهنگیهای طراحی اولیه برطرف نمود. در مطالعه جاری،  فواصل نامساوی بین پره‌ها و پوسته به معنای نامناسب قرارگیری روتور و پوسته بوده که خود ناشی از نصب ناقص و معیوب آنها می‌باشد. با این حال، استفاده از دو بخش پوسته با مواد مختلف، همراه با ضریب انبساط گرمایی بیشتر، منتهی به بروز نقص زودرس ناشی از فرسایش نمی‌شود، چرا که این دو بخش در جایی قرار داشتند که فاصله بین آنها زیاد بوده است.

نقص در پره‌‌های توربین گاز

۲/۳ . خوردگی و پوسیدگی پره‌ها و پوسته‌ها

پره‌ها و پوسته‌ها رنگهای متفاوتی را بصورت رسوب برجای گذاشتند، نظیر رنگهای زرد، قرمزتیره و قهوه‌ای تیره. آنالیز EDX این رسوبات نشان داده است که آنها مشتقات تیتانیوم، آلومینیم، آهن، کلسیم و عناصر دیگر می‌باشند. هیچگونه توضیحی در  خصوص حضور قلع(Sn 3/3) بر روی رسوبات سطح پوسته یافت نگردید.

نقاط تیره که بصورت زوج بر روی پره‌ها و پوسته‌ها توزیع شده بود، بوسیله SEM تشخیص داده شد(شکل ۵). آنها به احتمال قوی سولفات سدیم می‌بودند، چرا که آنالیز EDX حضورS   و Na را آشکار نمود. این ترکیب همراه با سنگ قلع، ژاروسیت، روتیل و غیره نشان‌دهنده(XRD) در نمونه‌های پودرهای جمع‌آوری شده به هنگام باز کردن توربین می‌باشد. با این وجود، اغلب XRD متراکم جمع‌آوری شده متعلق به سولفات سدیم می‌باشد.

نقص در پره‌‌های توربین گاز

۳/۳٫ شناسایی مکانیزم نقص

مطالعات ریزساختاری بیشتری انجام گردید تا مکانیزم نقص را مشخص نماید. بخشی از پره موازی با پایه آن، با فاصله ۳ سانتی‌متری از نوک پره، نمونه‌برداری گردید. همانگونه که از ریزتصویر SEM شکل ۸  مشاهده می‌شود، محصولات خوردگی شامل سه لایه زیر می‌باشند:

• یک لایه خارجی ضخیم(بزرگتر از ۵۰۰) و نسبتا فشرده

• یک لایه میانی چندفازه، لایه اسفنجی( با ضخامت تقریبا ۵۰)

• یک لایه آلیاژ زدوده با رسوبات کروی مانند. شکل ۹(ریزتصویر نوری) و شکل۱۰(ریزتصویر SEM) با جزئیات بیشتری نشان‌دهنده لایه داخلی می‌باشند. همچنین لایه میانی و ماتریس فوق آلیاژ مشهود می‌باشد.

نقص در پره‌‌های توربین گاز

۴٫ نتیجه‌گیری

• نقص در پره‌های توربین را می‌توان به عدم قراردهی صحیح بین روتور و بخشهای پوسته نسبت داد که معمولا بواسطه عدم دقت در نصب یا نصب معیوب می‌باشد. این پدیده، در مقابل، باعث بروز اصطکاک شدید در پره‌ها و بخشی از قسمتهای پوسته توربین می‌گردد. حجم عمده مواد تشکیل‌دهنده پره‌ها فوق‌آلیاژ نیکل تک ـ بلورهCMSX-4 می‌باشد. قسمتهای پوسته از پلی‌کریستالین(چندبلوری) فوق‌آلیاژ نیکل MAR M-247 ساخته شده است.

• دو بخش پوسته دارای ترکیب متفاوت شیمیایی بوده است. آنها از فوق آلیاژ کبالت پلی‌کریستالین MAR M-509 تشکیل یافته‌اند. این فوق‌آلیاژ دارای ضریب بالای انبساط گرمایی در مقایسه با فوق‌آلیاژ نیکل می‌باشد. با این وجود، این دو بخش از صدمه‌دیدگی کمتری از بخشهای ساخته شده بوسیله فوق‌آلیاژ- Ni برخوردار می‌باشند، چرا که در ناحیه‌ای که دارای فضای نسبتا زیادی می‌باشد قرار گرفته‌اند. این حقیقت تاییدکننده عدم قرارگیری صحیح و فاصله نادرست بین روتور و پوسته می‌باشد.

• نوکهای پره، به هنگامی که پوشش آسیب دید، از خوردگی گرم(نوع ۱ خوردگی دمای بالا) صدمه دید. این فرسایش می‌تواند در دمای بالاتر از تقریبا ۷۶۰ درجه سانتیگراد روی دهد.

• حملات متناوب خوردگی گرم نیز همچنین در ناحیه آسیب دیده پره‌ها و پوسته مشاهده شد. با این وجود، این نوع تخریب بصورت اندک و محلی روی داده است. بنظر می‌رسد که خوردگی گرم، که بوسیله سولفات سدیم بوجود آمده است، بتنهایی قادر به ایجاد چنین عیبی که مشاهده شده است نمی‌باشد.