بخشی از مقاله
-1چکیده
یکی از اجزا مهم توربین هاي گاز پرههاي ثابت ردیف اول است که تحت بیشترین آسیب هاي مکانیکی و اکسیداسیون قرار دارند. در این مقاله ضمن بررسی جنس پره هاي ثابت ردیف اول، پوشش ونحوه ي خنک کاري آنها، علت شکست چند پره از توربین ACEC W251-B2 از دیدگاه متاوروژیکی و بهره برداري مورد مطالعه قرار گرفته شده است. علت سوختگی واکسیداسیون شدید پره ها ناشی از عدم تنظیم وهم راستا شدن بسکتهاي ردیف اول و دوم، تخریب وسایش نازل هاي سوخت و در نتیجه برخورد محصولات احتراق بادماي بیش از حد به سطح پره ها بوده است. از عوامل تغییر شکل پلاستیک لبه هاي فرار پره ها میتوان به برخورد ذرات خارجی به آن وانسداد کانال هاي خنک کن ودر نتیجه افزایش توربین گاز مدل ACEC W251-B2 ساخت شرکت GE آمریکا است که توان تولید 32 مگاوات را دارد. سوخت مصرفی واحدها گاز طبیعی است. توربین مذکور داراي یک محور سه مرحله اي شامل سه ردیف پره ثابت و سه ردیف پره متحرك می باشد. هواي لازم براي احتراق و خنک کاري توربین از یک کمپرسور جریان محوري 18 مرحله اي تأمین می شود. بدین ترتیب که کمپرسور مذکور هواي فشرده با فشار 10 بار را جهت احتراق به سمت محفظه احتراق می فرستد. قسمتی از این هوا نیز پس از عبور از کولر و فیلترهاي مربوطه براي خنک کاري روتور و پره هاي توربین استفاده می شود.[1]
پره هاي توربین گاز از داخل و بیرون توسط هواي خروجیکاهش کارایی حرارتی می شود نیاز به بهینه کردن تکنیک هاي خنک کاري، شرایط کارکردي و هندسه پره توربین می باشد. از مهمترین و حساسترین مسیرهاي خنک کاري توربین گاز می توان به کانالهاي خنک کن پره هاي ثابت اشاره کرد.تا کنون تغییرات زیادي در طراحی کانالهاي خنک کن پره هاي توربین گاز صورت گرفته است که توربین گاز مدلACEC W251-B2 از این حالت مستثنی نبوده است. در طراحی قدیم - مدل - B2 هوا از یک مسیر وارد پره می شود.راستاي ورود هوا در داخل پره عمود بر جهت حرکت محصولات احتراق است. هواي خنک کاري پس از طی مسیر مجراها، مطابق شکل -1 - الف - از لبه فرار پره خارج می شود.
با گذشت زمان و تجربیات نیروگاههاي مختلف جهان مشخص شد که طرح فوق الذکر در شرایطی می تواند باعث سایش و گرفتگی مجاري خنک کن کاري شده ودر نتیجه افزایش دما وتخریب زودرس پره ها را سبب شود. بنابراین پره هاي مدل B7 ابداع شد - شکل -1 ب - . در این پره ها هواي خنک کن به صورت یک جریان متلاطم وارد پره شده و باعث افزایش انتقال حرارت می شود. در طراحی جدید، علاوه بر تسهیل در انجام خنک کاري پره ها، دماي ورود به توربین نیز افزایش یافته که خود در بالا بردن راندمان توربین نقش به سزایی دارد. با وجود افزایش دماي ورودي به میزان
70 0C، دماي پره ها در حدود 20 0C کاهش یافته است2]و.[3
-3 بررسی علتهاي تخریب پره ها
از مهمترین علل تخریب در پره هاي ثابت توربین هاي گاز می توان به خستگی توأم با خزش، برخورد ذرات خارجی، سایش وخوردگی اشاره کرد. در تاریخ 83/12/21 براي اولین بار پره هاي ثابت ردیف اول واحد دو گاز دچار شکست شدند. حدود چهار ماه پس از این در تاریخ 84/4/24شکست و سوختگی پره ها به شکل بسیار شدیدتري تکرار گردید، به گونه اي که پره هاي ردیفهاي دیگر نیز دچار آسیب دیدگی شدند. این مشکل لزوم انجام مطالعه کاملی به منظورمشخص کردن دلایل بروز این مشکل و رفع آن را ایجاب می کرد. به منظور بررسی علت حادثه پنج پره ثابت ردیف اول مورد بررسی قرار گرفت - شکل . - 2با توجه به تخریب شدید پره ها از لحاظ سوختگی و عدم مقاومت لازم در برابر شرایط کارکرد به دلیل دفرمگی شدید، فرضیه هاي اولیه مبنی بر متفاوت بودن جنس، عدم وجود پوشش یا پوشش مناسب و همچنین عدم تنظیم نازل سوخت و قطعات مرتبط با آن مورد بررسی قرار گرفت. با توجه به اینکه از پنج نمونه ارسالی جهت تحقیقات یکی از آنها دچار سوختگی بسیار شدید گردیده و چهار پره دیگر نیز از لحاظ الگوي سوختگی و شکست مشابه هم بودند، لذا پره سوخته شده و یکی دیگر از پره ها براي یافتن علت شکست مورد مطالعه قرار گرفتند.
-1-3 مطالعه بر روي پره سوخته شده
- بررسی ظاهري
شکل - 3 - تصاویر نمونه را نشان می دهد. وجود ترکهاي شدید در لبه برخورد و سایش در لبه فرار، اورهیت شدن و باز شدن کانالهاي خنک کن در قسمت محدب ایرفویل و همچنین اثرات ناشی از برخورد ذرات خارجی در بعضی نواحی قابل توجه است. قسمتهاي کنده شده ناشی از سوختگی، سایش وترك خود می تواند باعث تخریب دیگر پره ها شود. با برش پره و دقت در محصولات خوردگی داخل پره مشخص شد که بعضاً غشاي فیلتر هوا در بین رسوبات وجود درارد. به نظر می رسد پس از خاموش کردن واحد، با عبور هواي خنک کن به داخل پره ها، آلودگیهاي مذکور به داخل پره رسیده باشد.
- بررسی جنس پره و پوشش به کار رفته
با توجه به تخریب شدید پره به لحاظ سوختگی و عدم مقاومت لازم در برابر شرایط کارکرد پره به دلیل دفرمگی شدید، فرضیه هاي اولیه مبنی بر متفاوت بودن جنس، عدم وجود پوشش یا پوشش مناسب مورد توجه قرار گرفت.جدول - 1 - آنالیز شیمیایی را نشان می دهد. بر این اساس جنس پره سوپر آلیاژ پایه کبالت با گرید X-45 شناسایی شد.بررسی دقیق تر نمونه هاي متالوگرافی در نواحی تحت سوختگی شدید مختلف نشان داد که این مناطق از نمونه فاقد پوشش است. آنالیز سطح نیز نشان دهنده اکسیدهاي کبالت، نیکل، کرم وتنگستن بود. بررسی دقیق تر نشان داد در بعضی از نقاط اثراتی از پوشش وجود دارد.
نتیجه اینکه پره مذکور پوشش داشته ولی در اثر حرارت زیاد از بین رفته است. خاطر نشان می شود ساختار سوپر آلیاژ پایه کبالت داراي کاربیدهاي ثانوي در مرز دانه و کاربیدهاي ریز ثانویه اي بوده که در اطراف کاربیدهاي اولیه به طور یکنواختی توزیع شده اند.شکل - 4 - یک نمونه از ساختار X-45 را نشان می دهد. وقتی یک سوپر آلیاژ در شرایط بحرانی، به ویژه به لحاظ دمایی قرار می گیرد، ساختار مذکور تغییر کرده و کاربیدها به صورت سوزنی و یا فازهاي ناخواسته 1TCP تبدیل می شوند. با ایجاد این ساختارها خواص مکانیکی سوپر الیاژ شدیداً افت کرده و در تنش هاي اعمالی دچار دفرمگی می شوند4] و. [5
- بررسی تغییر ساختار متالورژیکی
براي بررسی ساختار پره، پنج نقطه از سطح آن، مطابق شکل - 3 - مورد مطالعه قرار گرفت. نقطه 1 در لبه فرار پره در قسمت بالاي نواحی سوخته شده قرار داشته که ترك ریشه اي قابل توجهی نیز در بالاي آن وجود دارد. ساختار زمینه در این ناحیه در شکل - 5 - نشان داده شده است. در محل مرز دانه تجمع فازهاي کاربیدي به همراه حفره هاي به هم پیوسته خزشی قابل مشاهده است. در ساختار زمینه فازهاي نامطلوب به صورت سوزنی نیز مشاهده می شود. در روي سطح نمونه، ترکهاي مرز دانه حاکی از اثر توأم تنش با شرایط اکسیداسیون مرزدانه اي می باشد - شکل . - 6 به طور کلی این ناحیه از پره می تواند تحت تأثیر خزش – خستگی و اکسیداسیون بوده باشد. عامل اکسیداسیون مرزدانه اي به دلیل از بین رفتن پوشش در اثر بالا بودن دما بوده است.
با توجه به اعمال بارهاي مکانیکی مداوم و سیکلی به ترتیب ناشی از برخورد گاز داغ و تریپ واحد فازهاي سوزنی شکل، حفره هاي خزشی و همچنین ترك هاي مرزدانه اي رشد کرده اند. با توجه به اینکه پره هاي مذکور براي دومین بار تحت بازسازي قرار گرفته ممکن است تغییر ساختار ناشی از خزش در مرحله ي بازسازي در پره باقی مانده و در اثر بالا رفتن دما تشدید شده باشد.موقعیت نقطه 2 به لحاظ مسیر عبور محصولات احتراق در دماي بالاتر قرار دارد، بنابراین اندازه ترکها، اکسیداسیون و سوختگی شدیدتر خواهد بود. علت این موضوع به توزیع و نحوه برخورد گازهاي داغ و همچنین به کانلهاي خنک کن دراین نقاط بر می گردد. شکل - 7 - چگونگی ایجاد ترك اصلی وشاخه اي را نشان می دهد. تشکیل فازهاي کاربیدي کرم – کبالت- تنگستن ناپیوسته و پیوسته در مرز دانه ها، رشد ترك در مرز اصلی و تخلیه کاربیدهاي استحکام دهنده باعث جوانه زنی اکسید در مرز اصلی می شوند.
شکل هاي - 8 - و - 9 - تصاویر میکروسکوپ الکترونی به همراه آنالیز کمی وکیفی کاربیدها را نشان می دهد. با افزایش دما، کاربیدها به هم پیوسته شده و از حالت استحکام دهندگی خارج می شوند. علاوه بر آن فازهاي سوزنی نا خواسته اي نیز ممکن است در زمینه ایجاد شده که در مرحله بازسازي امکان حل سازي واز بین رفتن براي آنها وجود ندارد. این فازها تحت عنوان TCP مطرح می شوند که فازهاي سیگما، میو و اتا از آن جمله اند4]و5و. [6موقعیت نقطه 3 در وسط ایر فویل، سمت مقعر آن قرار دارد.در این جا عمدتاً ترکهایی به صورت عمودي - بر خلاف دیگر نقاط - مشاهده می شود. ترکها در امتداد کانالهاي خنک کن هستند. موقعیت نقطه 4، در سمت محدب پره نیز تقریباً همین وضعیت را با شدت بیشتري نشان می دهد. تغییر جهت سیال به همراه تنشهاي حرارتی و همچنین احتمالاً بسته شدن مسیر خنک کن هوا به دلیل برخورد ذرات خارجی برگشتی از پره هايمتحرك مد شکست را تغییر داده است. شکل - 10 - تصویر
