بخشی از مقاله
آنالیز تنش سه بعدی و تخمین عمر خزشی پره توربین گازی از جنس سوپر آلیاﮊ
چکیده
پره های توربین های گازی به علت شرایط کاری بحرانی دما و تنش بالا از جنس سوپر آلیاﮊ ساخته می شوند. این شرایط کاری باعث می گردد که مکانیزم های تخریب مختلفی چون خزش، خستگی، خوردگی و اکسیداسیون بر روی پره اعمال شده و در نتیجه پره بمرور زمان دچار زوال و افت خواص می شود. به دلیل حساسیت و ارزش اقتصادی توربینها ( به خصوص توربینهای گازی) و کمپرسورها در کارخانجات صنعتی مثل نفت و پتروشیمی و همچنین موتور هواپیماا و موشک که عموماﹰ ااز جنس سوپرآلیاﮊها و آلیاﮊهای تیتانیوم و آلومینیوم هستند بحث تخمین عمر و استفاده بهینه از اجزا تشکیل دهنده توربین ها از اهمیت خاصی بر خوردار اند. در واقع اهمیت تخمین عمر بباقیماندهن زمانی پدیدار میگردد که بخواهیم از یک قطعه بیشتر از عمر طراحی استفاده کنیم. در این تحقیق پره متحرک از کار افتاده متعلق به توربین گازی در یک واحد تلمبه خانه شرکت نفت کشور از دیدگاه مکانیکی و متالورﮊیکی مورد بررسی قرار گرفته است. در ابتدا بر اساس تخریب متالورﮊیکی ، پره را بررسی کرده و سپس آنالیز سه بعدی تنش های وارد بر پره را با استفاده از نرم اافزارا المان محدود ANSYS انجام داده و مقدار تنش بحرانی ایجاد شده توسط نیروهای مکانیکی محاسبه می شود. در انتها تخمین عمر خزشی پره به کمک یکی از روشهای محاسباتی پارامترهای خزش بر حسب زمان و دما بدست آمده و باقیمانده پره توربین محاسبه می شود.
کلمات کلیدی : پره توربین گازی، سوپر آلیاﮊ، تنش سه بعدی، المان محدود، تخمین عمر، پارامتر لارسون - میلر.
مقدمه
توربین های گازی از انواع وسایل تولید انرﮊی هستند که مورد استعمال زیادی در صنعت دارند. مهمترین کاربرد این وسایل در نیروگاه های برق، صنایع هوافضا، دریانوردی و صنایع نفت ( برای انتقال فرآورده های نفتی ) است]١.[ پره های متحرک به دلیل دمای بالا و نیروهای گریز از مرکزِ زیاد، دچار مشکلات زیادی می شوند. عوامل دیگری مثل ارتعاشات کم دامنه، تنشهای حرارتی و خستگی حرارتی نیز بر کارکرد پره ها تأثیر گذارند. از این رو غالبا پره های توربین های گازی از جنس سوپرآلیاﮊ ها هستند. سوپر آلیاﮊ ها، مقاومت خوبی در مقابل خوردگی ، اکسایش، خزش و شکست در دمای بالا دارند. به طور کلی، سه دسته اساسی سوپرآلیاﮊ وجود دارد: پایه نیکل، پایه نیکل - آهن و پایه کبالت]٢.[ در طول کارکرد توربین گازی، پره ها و سایر قسمت هایی که در ناحیه داغ توربین ( تا حدود٧/٠ دمای نقطه ذوب فلز ) قرار دارند به علت شرایط کاری خاص، در معرض افت خواص و آسیب های مختلفی قرار می گیرند. این آسیب های بوجود آمده می توانند علت متالورﮊی و یا مکانیکی داشته و باعث کاهش اطمینان کارکرد تجهیزات شده و در نتیجه احتمال از کار افتادگی را افزایش دهد]٣,٤. [ استحکام دهی سوپر آلیاﮊها توسط رسوب سختی انجام می شود رسوبها به خاطر کند کردن فرآیند تغییر شکل که در اثر بارگذاری اتفاق می افتد استحکام آلیاﮊ را افزایش می دهند. در سوپر آلیاﮊها، فاز رسوبی اصلی است که در زمینه های پر نیکل به صورت FCC و (β) از عناصر الکتروپوزتیو مثل Al ،Ti یا Co تشکیل شده است که باعث بهبود خواص ماده شده و استحکام و مقاومت به گرما و نیز کاهش خزش در دمای بالا در این سوپرآلیاﮊها می شود. ببه دلیلدل کار در دمای بالا، ااستحکام در دمای بالا مهمترین ویژگی این آلیاﮊهاست. یکی از پارامتر های مهم ،پدیده خزش است، برای خزش تعارف مختلفی وجود دارد. چنانچه نمونه ای در درجه حرارتا های بالا تحت تاثیر نیروی کششی ثابتی قرار گیرد، پس از گذشت مدت زمان، تغییر شکل بر جا ماندنی در آن ایجاد می گردد، بدین ترتیب که نمونه بطور پیوسته تا موقع شکست ازدیاد طول می یابد. این پدیده "خزش١" نام دارد. پدیده خزش در تمام قطعاتی که در دمای بالا بکار برده می شود از قبیل موتور های احتراقی ،دیگ های بخار، لوله های انانتقال بخار، پره های بخاری و گازی، که در درجه حرارت های بالا مورد استفاده قرار می گیرند، دارای اهمیت قابل ملاحظه ای می باشد]٥.[ روشهای ارزیابی عمر باقیمانده قطعات در برخی تجهیزات حساس و حیاتی مثل پره های توربین، مخازن تحت فشار، بویلرها و ... در صورت بروز خسارت، به کل مجموعه آسیب رسانده و عملکردکارخانه را تحت تأثیر قرار می دهند، بسیار مفید است.
دانستن اطلاعات در مورد چگونگی عمر مفید صرف شده در یک قطعه برای جلوگیری از تخریب قطعه حین کار و طراحی زمانهای جایگزینی برای قطعه مورد نظر امری ضروری است. همچنین می توان یک فاصله زمانی صحیح برای بازرسی، تعمیر و تجدید عمر قطعه مورد نظر به دست آورد تا بدین ترتیب باعث کاهش هزینههای قطعات مصرفی شد. در واقع اهمیت تخمین عمر باقیمانده زمانی پدیدار میگردد که بخواهیم از یک قطعه بیشتر از عمر طراحی استفاده کنیم.
عمر مفید برای یک قطعه را به صورت زیر میتوان تعریف کرد]٦و٧:[
عمر باقیمانده + عمر طراحی = عمر مفید
بررسی و تحلیل پره های توربین گازی در منابع مختلف، به روش های متفاوتی صورت گرفته است. در بعضی از موارد، با بررسی و تحلیل تنش پره ها، در شرایط عادی و غیر عادی نظیر تشدید، مواضع بحرانی و تنش های عمده بدست آمده اند]٨[، در مواردی ببعد ااز شکست پره ها به بررسی شرایط کاری و تنشی آنها و صرفا بررسی مکانیکی پرداخته شده است و در مواردی نیز از نتایج شکست نگاری و علایم میکروسکوپی سطوح شکست، تخمین های در مورد شرایط کاری و تنش های اعمالی بدست آمده است]٩.[
در ااین تحقیق با توجه به اطلاعات محدودی که از شرایط عملکردی پره ها در دست بود، برای بررسی تخریب و عوامل مؤثر بر از کار افتادگی، تلفیقی از بررسی های متالورﮊی و تحلیل و آنالیز تنش های اعمالی و در آخر تخمین عمر باقیمانده پره صورت گرفته است.
در تحقیق حاضر پره متحرک متعلق به توربین گازی با ظرفیت MW ٣ در یک واحد تلمبه خانه شرکت نفت کشور مورد بررسی قرار گرفته است. این پره توربین با سرعتی معادل rpm٦٠٠٠ ، در دمای نزدیک ٧٧٠ درجه سانتیگراد، دارای عمر کارکرد ٢٠٠٠٠ ساعت بوده و سوخت مصرفی این توربین گاز طبیعی می باشد]١٠.[ شکل (١) تصویر توربین گازی مورد نظر را نشان می دهد.
شکل (١) - تصویر توربین گازی مورد نظر
در این تحقیق ابتدا بر اساس تخریب متالورﮊیکی، پره رارا بررسی کرده سپس تنش های وارد بر پره را به روش المان محدود توسط نرم افزارِ ANSYS بدست آوردیم. در انتها نیز عمر باقیمانده خزشی پره محاسبه شد.
روش تحقیق
تصویر پره از کار افتاده مورد بررسی، در شکل (٢) آورده شده است. برای پی بردن به علل از کار افتادگی پره، بررسی متعددی روی آن صورت گرفت.
شکل (٢): پره توربین ردیف اول توربین گازی
ابتدا ترکیب شیمیایی آلیاﮊ به کار رفته در ساخت پره به روش کوانتومتری در چندین نقطه از پره، تعیین شد. برای بررسی ریز ساختاری، نمونه های طولی از ارتفاع ایرفویل پره از کار افتاده برای متالوگرافی و میکروسکوﭖ الکترونی روبشی Philips (SEM) مدل XL30 مورد بررسی قرار گرفت. برای مدل کردن پره، ابتدا توسط دستگاه ماشین اندازه گیری کنترلی (CMM) نقاط منحنی ایرفویل پره را بدست آورده سپس سه مدل بعدی پره را رسم می کنیم. در ادامه تحقیق با استفاده از نرم افزار المان محدود ANSYS تنشهای وارد بر پره بدست آمد. در نهایت با توجه به نتایج بدست آمده تخمین مناسبی از عمر باقیمانده و قابل بازیابی پره ارائه می شود.
نتایج
نتایج در سه قسمت تحت عناوین:
الف- شناسایی آلیاﮊ پره توربین
ب- آنالیز سه بعدی تنش وارده بر پره
ج- تخمین عمر خزشی پره،
مورد بحث قرار گرفته اند.
الف- شناسایی آلیاﮊ پره توربین
بر اساس نتایج آنالیز کوانتومتریا انجام شده توسط دستگاه کوانتومتر مدل GNR ایتالیا که مجهز به فیلمان تنگستنی می باشد، ترکیب شیمیایی ماده پره بدست آمد که در جدول (١) ارائه شده است. این نتایج, میانگین بدست آمده از سه آنالیز از نقاط مختلف هر کدام از نمونهها می باشد ترکیب شیمیایی آلیاﮊ به کار رفته در ساخت پره ها به آلیاﮊ استاندارد نایمونیک ] (NIMONIC 80A )١٢[، بسیار نزدیک است. این آلیاﮊ از سوپر آلیاﮊهایآل کار شده ااست که از طریق رسوب سختی و ایجاد رسوبات بسیار ریز در زمینه، استحکام آن افزایش می یابد.
برش پره توربین برایا بدست آوردن نمونه ها توسط دستگاه wire cut (AGIECUT 300) از سه ارتفاع مختلف پره بترتیب انجام شده است. این نمونه ها جهت بررسی ریزساختار میکروسکوپی، تحت عملیات متالوگرافی قرار گرفتند. بدین صورت که عملیات پوسابزنی توسط پوسابهای شماره ٦٠ تا ١٢٠٠ اانجام گرفت و سپس نمونهها با استفاده از پارچه ماهوتی و خمیر الماسه ٣ میکرونی پولیش شدند.
جدول (١). ترکیب شیمیایی سوپر آلیاﮊ پایه نیکل انتخابی و استاندارد]١٢.[
سپس نمونه ها به مدت ٤٠ ثانیه در محلول با ترکیب ]١٢[ (3 parts glycerol, 2-3 parts HCL, 1 part HNO3) ح ک کاری گردید. برای تهیه تصاویر، از میکروسکوﭖ الکترونی روبشی Philipsمدل XL30 استفاده گردید. ساختار پره توربین در مقطع طولی ایر فویل در شکل (٣و٤) نشان داده شده است. فاز ثانویه و کاربید ها در زمینه و در مرز دانه ها، در زمینه آستینتی اجزای اصلی ساختار میکروسکوپی این آلیاﮊ را تشکیل می دهند.
شکل(٣): تصویر ریز ساختار (پراکندگی رسوبات و کاربید ها )
شکل(٤): توزیع رسوبات در پره توربین کارکرده(پراکندگی رسوبات و کاربید ها )
ب- تحلیل تنش سه بعدی
به طور کلی چهار منبع ااصلی تنش در پره های توربین گازی عبارتند از: تنش های کششی گریز از مرکز، تنش های خمشی ناشی از اختلاف فشار عبور گاز، تنش خمشی گریز از مرکز و تنش های حرارتی ناشی از کار پره در دمای بالا، که مورد سوم در مقایسه با سه نوع دیگر تنش، بسیار کمتر است. از این رو در این تحقیق صرف نظر از تنش های حرارتی و تنش ناچیز خمشی گریز ااز مرکز، تنش نناشی ااز تنش کششی گریز ااز مرکز و تنش خمشی ناشی ااز عبور گاز مورد محاسبه قرار گرفته است]١٣.[ برای شبیه سازی سه بعدی پره ابتدا با استفاده از نقاط ببدست آمده توسط دستگاه CMM ، منحنی پروفیل پره را رسم کرده و مدل سه بعدی از ایرفویل پره طراحی شد، شکل(۵).
شکل(۵) : مدل سه بعدی پره توربین
در این تحقیق برای تحلیل تنش وارده از نرم افزار ANSYS استفاده شد. در این نرم افزار، برای مدل تهیه شده با استفاده از روش های المان محدود شبیه سازی را هم در سطح و هم در حجم انجام دادیم. برای مش بندی مدل از دو نوع المان چهار وجهی و شش وجهی درجه دوم استفاده شده است، علت بکار بردن المان های درجه دوم وجود اانحنا در قسمت های مختلف پره بوده که براحتی می توانندا اانحنا ها را مدل کنند. مدل مش بندی شده شامل ٩٩٩٨ المان و ٢٣٧٥١ گره می باشد شکل (٦).
شکل (٦) : پره مش بندی شده
توجه به ااینکه ریشه پره در داخلدا شیار روتور ثابت می باشد، قسمت ریشه پره به صورت گیر دار تعریف شده است و برای اعمال نیروی گریز از مرکز از دستگاه مختصات قطبی استفاده شده است. طول شعاع از مرکز دوران تا ریشه پره ٥٥ سانتی متر می باش د. برای مدل کردن فشار سیال، ابتدا اختلاف فشار دو طرف پره ( جلو و عقب پره) محاسبه شده و اختلاف فشار بدست آمده به صورت بار گسترده ( فشاری )، به یک طرف پره اعمال شده که با توجه به هندسه خاص پره این فشار می تواند تنش خمشی و پیچشی ایجاد نماید.
تنش مکانیکی که بر روی پره توربین ردیف اول اعمال شده است ، توسط نرم افزار المان محدود ANSYS آنالیز می شود. ماکزیمم تنش کششی در ایرفویل پره تقریبا حدود Mpa٨٣ بوده، شکل (۷)، و نقطه بحرانی تنش در نزدیک مناطق اتصال ایرفویل به ریشه می باش د. نتایج با اعمال همزمان نیروی گریز از مرکز و فشار سیال بر روی وجه داخلی پره حاصل شده اس ت. نتایج ارائه شده شامل مدل مش بندی شده و نتیجه آنالیز تنش و تنش معادل ون مایزز می باشد.
