خوردگی داغ قطعات توربین

خوردگی داغ قطعات توربین

خوردگی دما بالا یا داغ یکی از انواع خوردگی است که معمولا در توربین ها یا موتورهای دیزلی اتفاق می افتد و زمینه ساز آسیب های بیشتر به قطعات توربین یا انواع موتورهای دیزلی می شود. گفتنی است که خوردگی دما بالا در شرایط خاصی، بیشتر از موقعیت های معمولی اتفاق می افتد و برخی از عوامل خارجی یا داخلی نیز، در شدت آن دست دارند. در این مقاله، قصد داریم ابتدا خوردگی داغ و نکات تکمیلی آن را بیان کنیم؛ سپس به سراغ پره توربین های گازی برویم و درباره خوردگی داغ قطعات توربین گازی مخصوصا پره های توربین صحبت کنیم .

خوردگی داغ چیست؟

خوردگی داغ نوعی از انواع خوردگی است که در دمای بالا و بروز عواملی مانند رسوب نمک ها یا ترکیبات مذاب خورنده اتفاق می افتد. گفتنی است که خوردگی داغ بر روی سطح آلیاژهای فلزی روی می دهد و موجب سست شدن یا شکستگی آنها می شود. تجهیزاتی مانند توربین های گازی، موتورهای دیزلی و کوره های فلزی به شدت در معرض خوردگی داغ قرار دارند؛ علت این مسئله هم مرائده این تجهیزات با انواع محصول های سوخت فسیلی یا ماده های اسیدی مذاب می باشد.
خوردگی داغ به چه شکلی اتفاق میافتد؟

در بخش قبلی بیان کردیم که خوردگی داغ با کنار هم قرارگرفتن دمای بالا و برخی عوامل شیمیایی رقم می خورد؛ در این قسمت، قصد داریم این مسئله را تا حدودی بسط دهیم. به سبب اینکه کلیت این مقاله راجع به خوردگی داغ قطعات توربین است، با یک مثال در زمینه همین موضوع، روند خوردگی داغ را شرح می دهیم.  توربینهای گازی موجود در نیروگاه ها را تصور کنید؛ این توربین ها به صورت 24 ساعته در حال فعالیت هستند و انرژی آنها هم از راه های گوناگونی مانند احتراق سوخت های فسیلی تأمین می شود؛ زمانی که این مواد به انرژی تبدیل می شوند، گازهایی حاصل می شود که بر روی توربین های گازی و اجزای فلزی آن ها رسوب می کند. متخصصان به خوبی می دانند که سوخت های فسیلی مورد استفاده دارای ترکیباتی هستند که بر اثر احتراق، تبدیل به عناصر زود ذوب می شوند؛ ترکیبات ناخالص سوخت های فسیلی که موجب تولید چنین عناصری می شوند، شامل وانادیم، سدیم، سولفات و پتاسیم می شود. پس از آنکه این ترکیبات زود ذوب حاصل شدند، بر روی لایه اکسیدی و چسبنده قطعات توربین ها خواهند نشست و فرایند خوردگی را آغاز خواهند کرد. گفتنی است که عناصر زود ذوب به سختی لایه های اکسیدی را از بین می برند ولی به محض اینکه به فلز برسند، فلز را کاملا تخریب می کنند.

چه عواملی موجب افزایش خوردگی داغ می شوند؟

همانطور که در بخش قبلی گفتیم ترکیبات زود ذوب به خودیخود موجب آسیب شدید به بدنه قطعات می شوند اما نباید فراموش کنیم که برخی از مؤلفه ها مانند دمای بسیار بالا و وجود عناصر دیگر، موجب تشدید فرایند خوردگی داغ خواهد شد. حضور بازه گسترده ای از نمک های اکسیدی، کلریدی و سولفاتی فرایند خوردگی داغ را به شدت افزایش می دهد. این نمک ها شامل موارد زیر می شود:

• نمک سولفات سدیم؛
• نمک کربنات سدیم؛
• نمک کلرید سدیم.

جالب است بدانید که این عناصر در محیط های گوناگون به میزان های متفاوتی وجود دارند؛ به عنوان نمونه، نمک کلرید سدیم در آب دریا فراوان یافت می شود، در نتیجه موجب خوردگی کشتی ها نیز می شود. علاوه بر این ها، عوامل دیگری مانند وضعیت ترمودینامیکی، نرخ جریان، سایش، چرخه های مربوط به دما و ترکیبات و سرعت گازها در فرایند خوردگی داغ تأثیر بسیار زیادی دارد.
خوردگی داغ چند مرحله دارد ؟

دو مرحله در فرایند کلی خوردگی داغ قطعات توربین تأثیرگذار هستند. جالب است بدانید که مؤلفه هایی مانند سرعت خوردگی یا عوامل مؤثر در خوردگی، باعث تفکیک این دو مرحله از یکدیگر می شوند:

• مرحله اول خوردگی داغ؛ جوانه زنی و آغاز:

در این مرحله، گازهایی که در قسمت قبلی نیز بیان کردیم، بر سطوح قطعات توربین رسوب می کنند. این عوامل زمینه ساز یک واکنش الکتروشیمیایی در فلزها می شوند. عواملی مانند ضخامت لایه رسوب، سرعت و ترکیب جریان گاز و ترکیب آلیاژ تأثیر زیادی در سرعت انجام این مرحله دارد.

• مرحله دوم خوردگی داغ؛ افزایش خوردگی:

زمانی که نفوذ تشدید می شود و انحلال پوسته نیز سریع تر انجام می شود، ترکیب های جدیدی به نمک های خورنده افزوده می شود؛ در نتیجه، سرعت و قدرت تخریب بسیار افرایش می یابد.
انواع خوردگی داغ قطعات توربین گازی

خوردگی داغ با توجه به اینکه در چه دمایی اتفاق می افتد به دو دسته کلی تقسیم می شود:

• خوردگی داغ در دمای بالا (HTHC )
• خوردگی داغ در دمای پایین (LTHC)

مهم ترین شباهت این دو خوردگی، در این مسئله است که نمک های اکسیدی نقش برجسته ای در هر دوی این روش ها ایفا می کنند . گفتنی است که دما در خوردگی دما بالا حدود 850 درجه سانتی گراد و در خوردگی دما پایین حدود هفتصد درجه سانتی گراد است.

خوردگی داغ قطعات توربین گازی

اکنون که خوردگی داغ را به صورت کلی بررسی کردیم، وقت آن رسیده است که چند کلمه ای هم درباره خوردگی داغ قطعات توربین گازی صحبت کنیم. نباید فراموش کنیم که خوردگی داغ مختص قطعات فلزی آلیاژی است و در توربین گازی نیز قطعه های فلزی آلیاژی گوناگونی به کاررفته است که مطمئنا در معرض خوردگی داغ هستند؛ در اینجا صرفا به خوردگی داغ در پره های توربین گازی می پردازیم.
ابتدا درباره پره در توربین گازی صحبت می کنیم :

پره در توربین گازی

تیغه یا پره یکی از اجزای جداشدنی از توربین است که وظیفه دارد انرژی را از منطقه احتراق دریافت یا استخراج کند؛ گفتنی است که این فرایند در فشار و دمای بالا اتفاق می افتد. پره های توربین گازی بیشتر از هر قسمت دیگری در معرض حرارت قرار دارند؛ به سبب این مسئله، متخصصان از راهکارهای گوناگونی برای مقاوم سازی این قسمت از توربین های گازی استفاده می کنند. استفاده از سوپرآلیاژها در ساخت قطعات توربین گازی و تعبیه خنک کننده های حرفه ای، از جمله تدابیر تخصصی برای مقاوم سازی پره ها است. در ساخت پره توربین از عناصر زیر استفاده می شود :

• U-500؛
• Rene 77؛
• Rene N6؛
• PWA1484؛
• 10-CMSX؛
• 4-SMSX؛
• Inconel.

نکته: این عناصر، تنها بخشی از اجزا تشکیل دهنده پره های توربین هستند.

خوردگی داغ در پره های توربین گازی

با مطالعه بخش قبلی و بررسی عناصر تشکیل دهنده پره توربین، به این نتیجه می رسیم که تدبیرهای گوناگونی برای مقاوم سازی پرهه ای توربین گازی اندیشیده شده است اما نکته اینجاست که این قطعات باز هم در معرض خوردگی داغ قرار دارند.

روند خوردگی داغ در پره های توربین گازی به این شکل اتفاق می افتد:

ابتدا عواملی مانند سایش، تنش های دمایی، واکنش های شیمیایی و خوردگی های سایشی در پره ها بروز می کنند و پس از آن که لایه های محافظ با این عوامل اندکی سست شد نمک های مخرب مذاب، سطح فلز پایه را احاطه خواهند کرد. پس از این، مکانیسم هایی مانند سولفیده شدن و اکسیداسیون ناشی از فعالت نمک مذاب، فرایند را سریع تر می کنند. مطابق با آزمایش هایی که در خصوص این مسئله انجام شده، کارشناسان به این نتیجه رسیده اند که پاشش نمک بر سطح لایه محافظ یا فلز پایه، برجسته ترین عامل در میزان خوردگی داغ قطعات توربین است .

آلیاژ پره در فرایند خوردگی داغ

در بخش های قبلی نیز گفتیم که نوع آلیاژ تأثیر زیادی در فرایند خوردگی داغ دارد. باید این نکته را در نظر داشته باشیم که در آلیاژ پره های توربین، آلیاژهای با مقادیر بالای آلومینیوم و کروم، مانند آلیاژ اینکونل 738LC ، در حضور نمک های معمولی نیز فرایند خوردگی را طی می کنند ولی آلیاژهایی با مقادیر وانادیم، تنگستن و مولیبدن صرفا با نمک های اسیدی خورده می شوند.

سخن پایانی

ما در این مقاله ابتدا کوشیدیم تا خوردگی داغ را تعریف کنیم، انواع آن را برشماریم و مراحل کلی آن را قید نماییم؛ در حاشیه این بحث، به برخی از عوامل تشدیدکننده خوردگی نیز اشاره هایی کردیم. در قسمت دوم مقاله، توربین های گازی را تعریف کردیم و بیان کردیم که چگونه پره های توربین گازی،
دچار خوردگی داغ می شوند.