بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
تخمين عمر باقيمانده روتور توربين بخار به روش هاي محاسباتي و غيرمخرب
چکيده
روتورهاي توربين هاي بخار تحت شرايط دما بالا – تنش بالا کار مي کنند. اين شرايط باعث مـي گـردد کـه مکـانيزم هـاي تخريب مختلفي در حين بهـره بـرداري فعـال شـده و روتـور بمـرور دچـار زوال و افـت خـواص شـود. بـه همـين دليـل حساسيت بالاي روتورها اطلاع از وضعيت متالورژيکي و عمر باقيمانده آنها-به ويژه براي روتورهايي که ١٠٠٠٠٠ ساعت از عمر کاري آنها سپري شده است - اهميت بسزايي دارد. در اين راستا براي جلوگيري از توقف هاي غير مترقبه و کاهش هزينه تعميرات از تکنولوژي برآورد عمر باقيمانده استفاده مي گـردد.
روشـهاي مختلفـي بـراي ارزيـابي عمـر باقيمانـده تجهيـزات نيروگاهي ارائه شده و به عرصه کـاربرد و صـنعت وارد شـده اند. در اين مقاله با استفاده از تغييرات سختي ، نتايج آزمون هـا ي غير مخرب ، آناليز تنش روتور و داده هـاي بهـره بـرداري ، روتور دو واحد نيروگاهي به روشـهاي محاسـباتي و سـختي سنجي مورد ارزيابي عمر باقيمانده قـرار گرفـت . آنـاليز تـنش روتور در دو حالت پايـدار و در هنگـام روشـن شـدن واحـد
102 صورت گرفت . آناليز اجزاي محدود روتور کـه اسـاس روش محاسباتي است ، اطلاع مناسبي از نقاط بحراني و ميزان تنش و دما در آن نقاط بدست مي دهد. روش محاسباتي در صـورت استفاده از روابـط مناسـب ، داده هـاي دقيـق بهـره بـرداري و خواص اسمي مربـوط بـه فـولاد روتـور، ارزيـابي مناسـبي از وضعيت روتور ارائه مي دهد. از سـوي ديگـر سـختي فـولاد روتور به مرور زمان کاهش مي يابد. اندازه گيري دقيق مقـدار کاهش سختي و انجام محاسبات لازم براي اطلاع از وضـعيت کلي روتور روش مناسبي براي ارزيابي عمر باقيمانـده اسـت .
نتايج آزمايشها و بررسي هاي صورت گرفته نشان دادند که دو روتور از عمر باقيمانده مناسبي برخوردارند.
١- مقدمه
روتورهاي توربين هاي بخـار، از حسـاس تـرين و مهمتـرين قسمتهاي توربين هستند، چون تخريب و يا افت خواص آنهـا مستلزم صرف هزينه بسيار بالا براي جـايگزيني آنهـا و احيانـاً جبران خسارتهاي ناشي از آن است . از ايـن رو تخمـين عمـر باقيمانده و ارزيابي وضعيت روتورها از اهميت بسـيار زيـادي برخوردار است . هدف از ارزيابي عمر باقيمانده محاسبه تعيين آسيب هاي وارده ناشي از مکانيزمهاي تخريب مي باشد.
تاکنون روشهاي گوناگوني براي تخمين عمـر روتورهـا ارائـه شده است که در يک تقسيم بندي کلي به روشهاي محاسباتي ، غير مخرب و مخرب تقسيم مي شـوند. روشـهاي محاسـباتي خود به دو دسته عمده تقسيم مي شوند : روشـهاي مبتنـي بـر مکانيک شکست و روشـهاي مبتنـي بـر انـدازه گيـري ميـزان آسيب . روشهاي مبتني بر مکانيک شکسـت براسـاس ابعـاد و مکان ترکهاي مشاهده شده در تسـت هـاي غيـر مخـرب بـه تخمين عمر باقيمانده مي پردازند اما اگر ترکي مشاهده نشـده باشـد از روشـهاي محاسـبه ميـزان آسـيب هـاي وارده بـراي ارزيابي عمـر باقيمانـده اسـتفاده مـي شـود. از سـوي ديگـر، مهمترين روشهاي غير مخرب براي ارزيابي وضـعيت روتـور، روشهاي اندازه گيري تغييرات سختي ، اندازه گيـري تغييـرات مقاومت الکتريکي و بررسـي هـاي ريـز سـاختاري اسـت
. در شکل ( ١ ) محدوده کاربرد روشـهاي مختلـف بـراي مراحـل مختلف تخريب خزشي نشان داده شده است .
شکل ١- محدوده کاربرد روشهاي مختلف براي مراحل مختلف تخريب خزشي
[1 ]
٢- تخمين عمر براساس تغييرات سختي
براي موادي که زوال در شرايط خزشي همراه بـا نـرم شـدگي براثر کرنش يا دما است ، با استفاده از ميزان سـختي در دمـاي اتاق مي توان عمر خزشي سپري شده قطعه را حـدس زد. از
طرف ديگر اندازه گيري سختي در نقـاط مختلـف روتـور بـه جهت غير مخرب بودن براحتي امکان پذير است . شکل ( ٢ ) تغييرات سختي سوراخ مرکزي يـک روتـور HP-IP از جـنس
CrMoV١ را نشان مي دهد. ايـن روتـور ١٧٤٠٠٠ سـاعت بـا بخار ورودي C°٥٣٨ کارکرده است . سختي در ناحيه سرد تـر نزديک ژنراتور به مقدار اوليه سختي روتور نزديکتر اسـت در حاليکه در نواحيي که شرايط سـرويس شـرايط سـخت تـري است ، سختي افت کرده است .
شکل ٢ - توزيع سختي در سوراخ مرکزي يک روتور پس از زمان طولاني سرويس کاري [ ٢ ]
Goto [ ٣ ] تلاش کرد رابطه اي بين ميزان افت سختي روتور و تنش وارده به روتور در آن نقطه برقرار کنـد تـا از سـختي يک نقطه بحراني براي محاسبه تنش در آن نقطه استفاده کنـد.
چون اعمال تنش ، پروسه نـرم شـدگي را شـتاب مـي دهـد و مقادير سختي آن در مقايسه با نرم شـدگي حرارتـي معمـولي کمتر است . روابط پيشنهاد شده توسط ايشان بصورت زير مي باشد.
که در اين روابط T، دمـا در مقيـاس کلـوين ، t زمـان کـارکرد برحسب ساعت و تنش با واحـد MPa اسـت . G پـارامتر نــرم شــدگي حرارتــي و G∆ پــارامتر اثــر تــنش اســت .
بنابراين ′G پارامتري است که هم اثر تنش و هم اثر دما را در خود دارد. با در اختيار داشتن مقادير سختي در نـواحي تحـت تنش بالاتر و تحت تنش کمتر و نمودار مرجع تـنش -پـارامتر
103
تخمين عمر باقيمانده روتور توربين بخار به روش هاي محاسباتي و غيرمخرب
بيست و يکمين کنفرانس بين المللي برق
لارسون ميلر فولاد روتور، مـي تـوان عمـر باقيمانـده خزشـي ناحيه تحت تنش بالاتر را بـرآورد نمـود شـکل ( ٣ ) منحنـي سختي برحسب پارامتر G را نشان مي دهد.
شکل ٣ - منحني نسبت سختي برحسب پارامتر G
راي فولاد روتور Cr-Mo-V [ ٣ ]
٣- تخمين عمر با استفاده از اندازه گيري ميزان آسـيب وارده به روتور
به طور کلـي در روشـهاي تحليلـي تاريخچـه بهـره بـرداري ، هندسه روتور و خواص انتقال حرارت بـراي محاسـبه توزيـع تنش ، کرنش و دما در روتور بکار مي روند. اين اطلاعات توام با اطلاعاتي در زمينه داده هاي معتبر گسـيختگي تنشـي و داده
هاي خستگي کم چرخـه فـولاد روتـور مبنـاي ارزيـابي عمـر سپري شده روتور مي باشند. در اين روش با محاسبه جداگانه آسيب هـاي وارده از مکـانيزم هـاي خـزش و خسـتگي و بـا استفاده از قانون کسر عمر باقيمانده ، عمر سپري شـده روتـور محاسبه مي گردد. براي محاسبه ميـزان آسـيب هـاي وارده از آناليز اجزاي محدود و معادلات خاص هر مکانيزم استفاده مي شود. در بخش ٦ نحوه محاسبه آسيب هاي ناشي از خـزش و خستگي توضيح داده شده است .
٤- روش تحقيق
به منظور بکارگيري روشهاي يـاد شـده ، دو روتـور بـا زمـان کارکرد بالا از دو نيروگاه کشور انتخاب شد که در جداول (١) و (٢) شرايط کـاري ، ترکيـب شـيميايي و خـواص مکـانيکي روتورها بر اساس اسناد سازنده نيروگاهها آورده شـده اسـت .
روتــور هــا بــا روشــهاي مايعــات نافــذ، ذرات مغناطيســي و آلتراسونيک مورد بازرسي قرار گرفتند که هيچ عيبـي مشـاهده نشد.
٥- تخمين عمر روتور يک بر اساس تغييرات سختي
درشکل (٤ ) تغييرات سختي سطح روتور HP-IP نشـان داده شده است . ملاحظه مي شود سـختي در ناحيـه سـرد نزديـک ژنراتور به مقدار اوليه سختي روتور نزديکتر است ، در حاليکه در نواحيي که شرايط کاري سـخت تـر بـوده اسـت ، سـختي کاهش يافته است سختي در مجاورت چرخ کورتيس که محل ورود بخار و داغترين نقطه روتور است بين ٢٠٠ تـا HV ٢١٤ اندازه گيري شده است . سـختي در نـواحيي کـه تحـت تـنش کمتري هستند بين ٢٢٠ تا ٢٢٥ ويکرز تغيير مـي کنـد. دمـاي روتور در نقطه داغ C° ٥٣٠ است . با توجه داده هاي فـوق و محاسبه ساعات کارکرد معادل براي پارامتر G داريم :
ساعات کارکرد معادل =
٢٥ ساعت *تعداد راه اندازي + ساعات کارکرد واقعي
226314+595*25=241189
G log[803(20log241189)]4.309
0 با استفاده از نمودار شکل ( ٣ ) و فقـط بـر اسـاس داده هـاي
مربوط به فوق گرمايش طولاني مدت خواهيم داشت :
G = 4.32
با استفاده از نمودار مرجع تنش -پارامتر لارسون ميلر مقـدار P براي تنش Mpa١٥٣، ٢٠٦٥٠ بدست مي آيد( شکل ٥).
يعني عمر خزشي باقيمانده روتور شماره يک ٩٧٠٠٠ سـاعت مي باشد. لازم به توضيح است که به دليـل تعـداد راه انـدازي
بسيار کم توربين در مقايسه با عمر کاري آن و همچنـين نبـود هيچ عيبي در روتور عمر خستگي روتور ناچيز مي باشد.
٦- محاسبه عمر باقيمانده روتـور ٢ بـر اسـاس ميـزان آسيب وارده
٦-١- محاسبه عمر باقيمانده خزشي روتور٢
آنـاليز اجـزاي محـدود و نـرم افـزار
روتور ٢ بـا اسـتفاده از انالیز اجزای محدود و نرم افزار ANSYS مورد آناليز قـرار گرفـت . شـکل ( ٦٥ ) مـدل مـش بندي شده روتور را نشان مي دهد. از آنجايي که روتور تحت تغييرات دمايي است لذا استفاده از خواص فيزيکي و مکانيکي وابسته به دما ضـروري مـي باشـد. در جـدول ( ٣ ) خـواص فيزيکي و در شکل ( ٧ ) منحني تـنش -کـرنش فـولاد روتـور آورده شده است . توزيع تنش روتور در حالت پايدار بـا بخـار ورودي C° ٥٣٨ در شــکل ( ٨ ) نشــان داده شــده اســت . همچنين شکل ( ٩ ) توزيع دماي روتور را نشان مي دهد.
