بخشی از مقاله
بررسی علل شکست لوله های سوپر هیتر نیروگاه اصفهان
چکیده:
در این مقاله به بررسی علل شکست ایجاد شده در سه نمونه از لوله های سوپر هیتر نیروگاه اصفهان پرداخته شده است. لوله ها از جنسی AISI 321H (فولاد زنگ نزن پایدار شده با Ti) است. جهت تعیین علل عیوب ایجاد شده، متالوگرافی بوسیله میکروسکوپ نوری، آنالیز ناحیه شکست توسط میکروسکوپ الکترونی رویشی ( SEM) و طیف سنجی تفکیک انرژی (EDX) صورت گرفت. همچنین آنالیز XRF از خاکستر سوخت و اکسیدهای ایجاد شده در سطح انجام شد. نتایج مطالعات نشان داد که عامل اصلی شکست قرار گیری لوله ها به مدت طولانی در دمای بالاتر از دمای طراحی (اور هیت) بوده است. تشکیل فاز ترد سیگما و بهم خوردن ترکیب فلز پایه مؤید این مطلب است. همچنین عوامل دیگر نظیر سایش، تغییر ترکیب و خوردگی داغ ایجاد شده در لولهها در اکثر خاکستر سوخت که اکسید و انادیوم بالایی دارد، بصورت فرآیندها جانبی شکست را ترغیب کردهاند.
کلمات کلیدی: سوپر هیتر، اورهیبت، فولاد 1H 32، آنالیز شکست.
مقدمه
بویلرهای نیروگاهی در معرض خرابی های متعددی قرار دارند. برجستهترین این مکانیزمها، خوردگی موضعی، خوردگی تحت تنش، حمله هیدروژنی، خزش، خستگی مکانیکی و حرارتی، زوال ساختاری، سایش و یا برهمکنشی از یک یا چند مکانیزم می باشند. علت خرابی را میتوان به طورکلی، عیوب طراحی، عیوب ساخت، انتخاب ماده نامناسب، بهره برداری نادرست (شایع ترین آنها بیش گرمایش، خوردگی و مسدود شدن لوله ها می باشند) و عیوب ایجاد شده در حین طراحی که در اثر مهارت کم افراد، استفاده از ماده نامناسب و استفاده از ماده معیوب ایجاد میشوند، دانست || ۱ - ۳. با توجه به این که ایجاد عیوب و خرابی در بویلرهای نیروگاهی باعث تلف شدن انرژی و سرمایه فراوان می شود و همچنین در صورت بروز مشکل در قسمت خاصی از لوله های بویلر امکان توسعه آن به قسمتهای دیگر وجود دارد. بنابراین ضروری به نظر می رسد که علت دقیق هر یک از خرابی ها در بویلرهای نیروگاهی تعیین و اقدامات لازم جهت جلوگیری از بروز دوباره مشکل انجام گیرد. به همین دلیل در این مقاله به بررسی علل عیوب ایجاد شده در لوله های سوپر هیتر نیروگاه اصفهان پرداخته شده است. لوله های مورد بررسی در این مقاله از قسمت سوپر هیتر بویلر واحد ۴ این نیروگاه انتخاب شده است. جنس لولهها فولاد زنگ نزن آستنیتی 1H 32 به قطر اولیه mm ۴ و ضخامت اولیه ۵mm است که سه نمونه مختلف از این نوع لوله ها مورد بررسی قرار گرفته است.
روش تحقیق در این تحقیق جهت تعیین دلایل شکست لوله های بویلر نیروگاه اصفهان ابتدا نمونه های ارسالی بصورت چشمی مورد بررسی قرار گرفته و محل شکست ها از لحاظ عیوب ظاهری و نوع ترک مورد بررسی قرار گرفتند. لوله ها از جنسی AISI 321H (فولاد زنگ نزن پایدار شده با Ti) است. ترکیب شیمیایی لوله های فولادی توسط کوانتومتر مورد آنالیز قرار گرفت. همچنین ضخامت لوله ها در مقاطع مختلف اندازه گیری شد. در ادامه از مناطق نزدیک و دور از ترک ها، نمونه های مناسب جهت انجام متالوگرافی و آنالیز رسوب تهیه گردید۔ متالوگرافی با میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) انجام گرفت و بطور همزمان آنالیز اکسیدهای سطحی نیز توسط طیف سنجی تفکیک انرژی (EDX) صورت پذیرفت. خاکستر حاصل از سوخت و رسوبات حاصل بر سطح لوله ها از سطح جدا شد و توسط فلوئورسانس اشعه ایکس (XRF) مورد بررسی قرار گرفتند تا مقادیر عناصر S Na ،V MgO Fe و K موجود در خاکستر مشخص گردند. جهت متالوگرافی لوله های زنگ نزن 321H از محلول اچ ماربل استفاده گردید.
نتایج و بحث
تصاویر محل شکست سه نمونه از جنس فولاد زنگ نزن آستنیتی در شکل ۱ ارایه شده است. با بررسی - چشمی نمونه ۱ مشخص شد که لبه های شکست ضخیم بوده و مقداری زیادی رسوب سفید رنگ بر سطح خارجی لوله تشکیل شده است. لوله در اثر فشار بخار داخلی در حدود ۹۰ درجه تغییر فرم داده است. در بررسی سطح داخلی لوله هیچ گونه رسوبی مشاهده نشد که حاکی از مناسب بودن فرآیند شیمیائی تولید آب و بخار است. اندازه گیری ضخامت لوله در مقاطع مختلف نشان داد که نمونه ۱ در حدود ۱ تا ۲ میلیمتر کاهش ضخامت داشته و شکست نیز از محلی که کمترین ضخامت را داشته آغاز شده است. نمونه ۲ و ۳ در محل ایجاد ترک کاهش ضخامت نسبتاً زیادی را نشان داده اند (در حدود ۲ تا ۳ میلیمتر) و لبه شکستها نازک بوده و ترک از محل نازک شدگی شروع شده است. با توجه به اینکه رسوبات بسیار کمی در سطح خارجی این دو نمونه ایجاد شده و همچنین به علت عدم وجود لایههای اکسید سطحی ضخیم، احتمالاً کاهش ضخامت در اثرسایش توسط خاکستر معلق ایجاد شده است که با توجه به کانالیزه شدن دود در کنار دیواره های بویلر فاز ۴ دور از انتظار نیست [ ۱ و ۲].
ترکیب شیمیایی رسوبات تشکیل شده بر روی لوله ها با استفاده از روش XRF اندازه گیری شد و در جدول ۱ نتایج حاصل ارایه شده است. وجود اکسید و انادیوم و اکسید سدیم در رسوبات تشکیل شده نشان دهنده امکان وقوع خوردگی ناشی از خاکستر سوخت است|[۲]. این نوع خوردگی در فاز مایع و دمای . (or-AYC as le)Y می دهد.[ ۱] تصاویر متالوگرافی نمونه ۱ در شکل ۲ ارایه شده است. با توجه به شکل ۲ مشخص می شود که ساختار فولاد کاملاً آستنیتی بوده ولی در مرزدانه ها فاز پیوسته سفیدی تشکیل شده است. این ساختار در تمام سطح مقطع نمونه تکرار شده است. جهت بررسی بیشتر فاز سفید از آزمون SEM و EDX استفاده شد که در ادامه به آن اشاره خواهد شد. همچنین شکل ۲ نشان می دهد که لایه اکسید در هر دو سمت لوله بطور یکنواخت تشکیل شده است و آثاری از خوردگی مرزدانه ای و خوردگی حفرهای هم مشاهده نمی شود. تصاویر حاصل از میکروسکوپ الکترونی روبشی ( SEM) مربوط به نمونه ۱ در شکل ۳ قابل مشاهده هستند. همانطور که قبلاً اشاره شد، یک فاز کاملاً پیوسته در مرزدانه ها تشکیل شده است. شکل ۳ نقاط سیاهی را در مرکز این فاز سفید نشان می دهد. نتایج حاصل از آنالیز فاز سفید و نقاط سیاه در جدول ۲ ارایه شده است. نتایج نشان می دهد که فاز سفید، فاز سیگما و فاز سیاه کاربید تیتانیم است. فاز سیگما فاز تردی است و باعث کاهش خواص مکانیکی ماده مورد نظر می شود. البته حضور کاربید تیتانیم هم دور از انتظار نیست زیرا در فولاد زنگ نزن 321H برای جلوگیری از تشکیل کاربید کروم و عدم ایجاد حساسیت به خوردگی مرزدانه ای از تیتانیم استفاده می شود ۴ و۵]. در صورت افزایش دمای فولاد بجای کاربید کروم، کاربید تیتانیم تشکیل خواهد شد. تشکیل چنین ساختارهایی در فولاد مورد نظر نشان دهنده آن است که این لوله برای مدت زیادی در معرض دماهای بالاتر از دمای طراحی شده قرار گرفته است [۶].
همچنین آنالیز EDX از فلز زمینه در نزدیک مرزدانه نشان می دهد که بدلیل تشکیل فاز سیگما و کاربید تیتانیم ترکیب فلز پایه از مقادیر استاندارد خود دور شده است. برای مقایسه بهتر ترکیب استاندارد فلز پایه به همراه نتایج حاصل از آنالیز کوانتومتری و EDX در جدول ۳ ارایه شده است. به هم خوردن ترکیب فلز پایه نیز یکی از دلایل شکست نمونه شماره یک و عدم مقاومت این نمونه در دمای بالا است. تصاویر میکروسکوپی تهیه شده از سطح خارجی لوله شماره یک نشان می دهد که در سطح لوله دو لایه مجزا تشکیل یافته است (شکل a۴). بررسی بیشتر لایه های تشکیل شده بر سطح خارجی لوله شماره یک با استفاده از آنالیز EDX نشان می دهد که لایه خارجی تر از اکسید کروم (Cr2O3) تشکیل شده و مقادیر زیادی آهن و نیکل نیز در آن وجود دارد. حضور آهن در کنار کروم در لایه اکسیدی نشان میدهد که لایه اکسیدی بصورت اسپینل مضاعف از مگنتیت (Fe3O4) و اکسید کروم تشکیل شده است. این لایه اکسیدی در دمای بالا و مقدار اکسیژن بالا تشکیل می شود. لایه حاصل در مقایسه با لایه اکسید کروم تنها، از خواص محافظتی کمتر برخوردار است و مقاومت نمونه به اکسیداسیون را کاهش می دهد [۷. همچنین مقادیر نسبتاً کمی نیز از عناصر و انادیم، مولیبدن و گوگرد نیز در این پوسته اکسیدی قابل شناسایی است (جدول ۴).
لایه داخلی تر از آهن و نیکل غنی است و اثری از اکسید در آن وجود ندارد. همچنین این لایه دارای مقادیر متنابهی کروم و مولیبدن است (جدول ۴). آنالیز EDX (جدول ۴) از فلز پایه در نزدیک لایه های تشکیل یافته نشان میدهد در نزدیک این لایه ها عمل آلیاژ زدایی صورت گرفته و فلز پایه در نزدیک سطح خارجی لوله بیشتر عناصر آلیاژی خود از جمله کروم، نیکل و تیتانیم را از دست داده است و به همین دلیل مقاومت فلز به دماهای بالا کاهش یافته، در نتیجه شکست در این منطقه دور از انتظار نیست [۸]. پس می توان نتیجه گرفت که عامل اصلی شکست این نمونه تشکیل فاز ترد سیگما و بهم خوردن ترکیب فلز پایه بوده است که قرار گیری نمونه به مدت زیاد در دمایی بالاتر از دمای طراحی مسبب آن بوده است [۶]. تصاویر میکروسکوپی تهیه شده از سطح داخلی لوله شماره یک نشان میدهد که در سطح داخلی نیز لایه اکسیدی تشکیل یافته است (شکل b۴).
بررسی بیشتر لایه تشکیل شده بر سطح داخلی لوله شماره یک با استفاده از آنالیز EDX نشان می دهد که لایه اکسید داخلی نیز اسپینل مضاعف از مگنتیت و اکسید کروم است. این لایه نیز غنی از عناصر دیگر مثل نیکل و مولیبدن است. همچنین نبود کلسیم، منیزیم و عناصر مخرب چون گوگرد نشان از آماده سازی مناسب آب و بخار مورد استفاده در این بویلر است. تصاویر متالوگرافی نمونه ۲ در شکل ۵ ارایه شده است. کاهش ضخامت در این نمونه بارز بوده و به نظر می رسد که علت اصلی شکست کاهش ضخامت بوده است. همانطوریکه توضیح داده شد به علت وجود رسوبات بسیار کم در سطح خارجی این نمونه و همچنین به علت عدم وجود لایه های اکسید سطحی ضخیم، احتمالاً عمده کاهش ضخامت مربوط به سایش بر اثر ذرات معلق در اتمسفر کوره بوده است. با این وجود در برخی قسمتها خوردگی مرزدانه ای نیز قابل تشخیص است
خوردگی مرزدانه ای با توجه به وجود اکسید و انادیم و اکسید سدیم در ترکیبات رسوبات دور از انتظار نیست || ۹ || در این نمونه نیز لایه اکسیدی خارجی دو لایه (شکل c۴) است که نشان از پدیده آلیاژ زدایی در این نمونه است. در نمونه ۳ نیز نتایج مشابهی حاصل شد که برای جلوگیری از تکرار در این مقاله ارایه نشده است. پس می توان نتیجه گرفت، کاهش ضخامت که در درجه اول بدلیل سایش و در درجه دوم بعلت خوردگی P ایجاد شده، عامل شکست نمونه های ۲ و ۳ بوده است. این در حالی است که خوردگی در مرزدانه ها محلهای مناسبی برای تمرکز تنش ایجاد کرده و احتمال شکست را افزایش داده است [ ۱۰-۱۲]
