پديده خزش و اثرات آن بر روي توربين هاي گازي

تجهيزات متنوع نيروگاهها، صنايع هوايي و پتروشيمي قطعات فلزي مختلفي دارند كه بايد براي بازده حرارتي بيشتر در درجه حرارت هاي بالا كار كنند. در حقيقت انتظار مي رود كه در آينده طراحي اين نوع قطعات كه در درجه حرارت هاي بالا كار كنند افزايش يابد زيرا نياز روز افزون بشر به منابع جديد انرژي، نيروي حرارتي منابع زمين و راكتورهاي سوخت هسته اي بيشتر مي شود. ايمني اين قطعات و اقتصادي كار كردن آنها به ارزيابي دقيق امكان شكست سازه بستگي دارد در نتيجه طراحي اين قطعات بايد با دقت بالايي صورت بگيرد. آشنايي به تحليل حالت الاستيك و روش هاي ساده طراحي كه بيشتر بر اساس جداول و روابط صورت مي گيرد براي درجه حرارت هاي بالا مناسب نيست زيرا مواد به ميزان چشمگيري خزش پيدا مي كنند و با مرور زمان در بسياري از فلزات در محدوده خاصي از درجه حرارت تغيير شكل آرامي اتفاق مي افتد و تنش هايي بوجود مي آيد. در اين مقاله فيزيك خزش كه عموما در آزمايشگاه مشاهده مي شود مورد بحث قرار مي گيرد و سپس پديده گسيختگي خزشي از نظر تحليل تنشي تشريح مي گردد. به دنبال مطالب رفتار اساسي خزش سازه تحت بار ثابت، جابجايي ثابت، بار متغير و شرايط دماي غير ثابت بررسي مي گردد، سپس روش هاي تحليل تنش براي حالت خاص خزش يكنواخت وقتي كه تنش و سرعت تغييرات تغيير شكل بر حسب زمان ثابت است مورد بررسي قرار مي گيرد. سپس پديده خزش بر روي پره توربين هاي گازي بررسي مي گردد و روش هاي حل كه عمدتا فنون عددي مي باشد و سپس تخمين طول عمر يك پره كه تحت اثر خزش دچار شكست گرديده مورد بررسي قرار مي گيرد و نهايتا راه كارهايي به منظور كاهش اثرات خزش بروي توربين هاي گازي افزايش عمر آنها ارائه خواهد شد. تئوري: خزش از موضوعات تغيير شكل پلاستيك مي باشد. قطعات تحت تنش هاي پايين تر از سيلان هم تغيير فرم مي دهند. با پيشرفت زمان و افزايش درجه حرارت اين پديده شدت مي يابد. بطور كلي خزش به تغيير شكل وابسته به زمان ماده اي گفته مي شود كه در زمان نسبتا طولاني تحت تاثير بار قرار داشته باشد. تنش ناشي از خزش تنشي است كه از تنش حرارتي و تنش مكانيكي تواما ايجاد مي شود و با افزايش در جه حرارت افزايش مي يابد. عموما خزش در دماهاي بسيار چشمگير است. ( دماي ذوب قطعه است). خزش معمولا در مورد تنش هاي كششي مطرح مي شود ولي به طور كلي در مورد تنش هاي فشاري و پيچشي نيز اين پديده وجود دارد. خزش نوعي خاصيت غير خطي ماده است كه در آن ماده به تغيير شكل خود تحت بار ثابت ادامه مي دهد. برعكس، اگر يك جابجايي اعمال شود، نيروهاي عكس العمل (و تنش ها) با زمان كاهش مي يابند. نمودار كرنش خزشي بر حسب زمان در شكل نمايش داده شده است. همان طوري كه مشاهده مي شود خزش در فلزات داراي 3 مرحله مي باشد. مهمترين آن مرحله اول و دوم است. فلز در مرحله سوم عملا بسوي گسيختگي مي رود. در مرحله دوم تغييرات كرنش نسبت به زمان خطي مي باشد. و همزمان تنش ها نيز به حالت پايداري خود مي رسد. تحليل مرحله اول خزش مهمترين قسمت تحليل خزش مي باشد كه طي آن افزايش كرنش هاي خزشي قابل توجه و گسيختگي نيرو و تنش نيز زياد است در انتهاي مرحله اول تنش ها به حالت پايدار خود مي رسند و تا انتهاي مرحله دوم خزش نيز پايدار باقي خواهند ماند. اثرات پديده خزش بر روي توربين هاي گازي : از آنجاييكه موتور توربين با سرعت بالا مي چرخد نيروي گريز از مركز بر روي هر كدام از پره هاي توربين تقسيم مي شود. در حرارت پايين نيروي گريز از مركز تاثير چنداني روي تيغه ها ندارد اما در حرارت بالا و سرعت بالاي توربين ( دو عامل موثر بر پديده خزش، دما و تنش دائمي) تيغه ها در اثر پديده خزش افزايش طول مي يابند. ( نيروهاي آيروديناميكي روي پره ها نيز قسمت ديگري از بارهاي روي پره ها مي باشند.) اين افزايش طول كه در 3 مرحله اتفاق مي افتد دائمي مي باشد يعني حتي با سرد شدن توربين اين تغيير شكل بر نمي گردد و در قطعه باقي مي ماند و نهايتا به مرور زمان باعث شكست پره توربين مي شود. به جرات مي توان گفت كه خزش يكي از مهمترين علل خرابي يك پره و ترك دار شدن آن است. پديده خزش بر خلاف پديده اثرات حرارت غير يكنواخت در توربين است. اثرات حرارت غير يكنواخت يعني قطعات فلزي توربين بايستي به طور يكنواخت سرد يا گرم شوند. حرارت غير يكنواخت باعث تغيير شكل و فشار روي تيغه ها مي گردد. در هنگام استارت توربين خنك است ولي هواي خروجي از محفظه احتراق با حرارت نسبتا زيادي حدود 1400 درجه وارد تيغه هاي توربين مي شود. قطعات فلزي كه در مرحله اول حرارت مي بينند سريعا منبسط مي شوند. اگر همه قطعات به طور يكنواخت حرارت داده نشوند قسمت هايي كه سريع تر منبسط مي شوند ممكن است تحت اين انبساط زياد دچار پيچش گردند. پس درجه حرارت ورودي توربين در موقع بكار انداختن نبايد در هر دقيقه بيشتر از 20 فارنهايت فزوني يابد تا پره ها دچا انبساط غير يكنواخت نشوند.در زمان از كاز انداختن توربين نيز توربين سرد و منقبض مي شود. اگر اين مرحله سريع اتفاق بيافتد سبب صدمه جبران ناپذير به تيغه ها و شفت توربين مي شود ( بعلت انقباض سريع و غير يكنواخت و نهايتا پيچش قطعات) براي جلوگيري از اين پديده در اين مرحله نيز توربين مجهز به چرخنده دوراني مي باشد كه پس از خاموش شدن توربين سبب چرخش توربين مي شود تا توربين بطور يكنواخت و ملايم خنك شود و با اين عمل از سرد شدن غير يكنواخت جلوگيري مي شود. اين مرحله را cool down توربين نيز مي نامند. پس ملاحظه مي شود كه اثرات حرارت عير يكنواخت در توربين قابل كنترل است چه در موقع افزايش حرارت توربين (استارت) و چه در موقع كاهش حرارت توربين (زمان از كار افتادن) ولي در مورد پديده خزش چه مي توان گفت؟ خزش يك تغيير شكل دائمي در تيغه هاي توربين بوجود مي آورد كه اجتناب ناپذير است و قابل برگشت هم نيست. اين تغيير شكل بستگي به دما و تنش دارد و با افزايش آنها افزايش مي يابد. اگر اين تغيير شكل وارد مرحله سوم شود منجر به ترك دار شدن و شكست پره مي شود. تيغه هاي فشار بالاي توربين HP چون در معرض اختلاف حرارت بيشتري قرار مي گيرند نسبت به تيغه هاي فشار پايين LP بيشتر تحت تاثير اين پديده قرار مي گيرند. ضعيف شدن يا خرابي پره ها ممكن است علت هاي مكانيكي يا متالوژيكي داشته باشد كه باعث كاهش ضريب اطمينان مي شود و همچنين ضريب خرابي را افزايش مي دهد. در ضمن با توجه به جنس مواد پره، خواص تضعيف كنندگي خزش، خستگي، ضربه و خوردگي كم مي شود. فاكتورهاي زيادي روي طول عمر، طراحي و شرايط كار پره ها موثرند ولي شرايط ذكر شده موثرترند. بطور كلي بيشتر پره هاي توربين هاي گازي داراي شرايط سخت كاري مي باشند كه در زير به آنها اشاره مي شوتجهيزات متنوع نيروگاهها، صنايع هوايي و پتروشيمي قطعات فلزي مختلفي دارند كه بايد براي بازده حرارتي بيشتر در درجه حرارت هاي بالا كار كنند. در حقيقت انتظار مي رود كه در آينده طراحي اين نوع قطعات كه در درجه حرارت هاي بالا كار كنند افزايش يابد زيرا نياز روز افزون بشر به منابع جديد انرژي، نيروي حرارتي منابع زمين و راكتورهاي سوخت هسته اي بيشتر مي شود. ايمني اين قطعات و اقتصادي كار كردن آنها به ارزيابي دقيق امكان شكست سازه بستگي دارد در نتيجه طراحي اين قطعات بايد با دقت بالايي صورت بگيرد. آشنايي به تحليل حالت الاستيك و روش هاي ساده طراحي كه بيشتر بر اساس جداول و روابط صورت مي گيرد براي درجه حرارت هاي بالا مناسب نيست زيرا مواد به ميزان چشمگيري خزش پيدا مي كنند و با مرور زمان در بسياري از فلزات در محدوده خاصي از درجه حرارت تغيير شكل آرامي اتفاق مي افتد و تنش هايي بوجود مي آيد. در اين مقاله فيزيك خزش كه عموما در آزمايشگاه مشاهده مي شود مورد بحث قرار مي گيرد و سپس پديده گسيختگي خزشي از نظر تحليل تنشي تشريح مي گردد. به دنبال مطالب رفتار اساسي خزش سازه تحت بار ثابت، جابجايي ثابت، بار متغير و شرايط دماي غير ثابت بررسي مي گردد، سپس روش هاي تحليل تنش براي حالت خاص خزش يكنواخت وقتي كه تنش و سرعت تغييرات تغيير شكل بر حسب زمان ثابت است مورد بررسي قرار مي گيرد. سپس پديده خزش بر روي پره توربين هاي گازي بررسي مي گردد و روش هاي حل كه عمدتا فنون عددي مي باشد و سپس تخمين طول عمر يك پره كه تحت اثر خزش دچار شكست گرديده مورد بررسي قرار مي گيرد و نهايتا راه كارهايي به منظور كاهش اثرات خزش بروي توربين هاي گازي افزايش عمر آنها ارائه خواهد شد. تئوري: خزش از موضوعات تغيير شكل پلاستيك مي باشد. قطعات تحت تنش هاي پايين تر از سيلان هم تغيير فرم مي دهند. با پيشرفت زمان و افزايش درجه حرارت اين پديده شدت مي يابد. بطور كلي خزش به تغيير شكل وابسته به زمان ماده اي گفته مي شود كه در زمان نسبتا طولاني تحت تاثير بار قرار داشته باشد. تنش ناشي از خزش تنشي است كه از تنش حرارتي و تنش مكانيكي تواما ايجاد مي شود و با افزايش در جه حرارت افزايش مي يابد. عموما خزش در دماهاي بسيار چشمگير است. ( دماي ذوب قطعه است). خزش معمولا در مورد تنش هاي كششي مطرح مي شود ولي به طور كلي در مورد تنش هاي فشاري و پيچشي نيز اين پديده وجود دارد. خزش نوعي خاصيت غير خطي ماده است كه در آن ماده به تغيير شكل خود تحت بار ثابت ادامه مي دهد. برعكس، اگر يك جابجايي اعمال شود، نيروهاي عكس العمل (و تنش ها) با زمان كاهش مي يابند. نمودار كرنش خزشي بر حسب زمان در شكل نمايش داده شده است. همان طوري كه مشاهده مي شود خزش در فلزات داراي 3 مرحله مي باشد. مهمترين آن مرحله اول و دوم است. فلز در مرحله سوم عملا بسوي گسيختگي مي رود. در مرحله دوم تغييرات كرنش نسبت به زمان خطي مي باشد. و همزمان تنش ها نيز به حالت پايداري خود مي رسد. تحليل مرحله اول خزش مهمترين قسمت تحليل خزش مي باشد كه طي آن افزايش كرنش هاي خزشي قابل توجه و گسيختگي نيرو و تنش نيز زياد است در انتهاي مرحله اول تنش ها به حالت پايدار خود مي رسند و تا انتهاي مرحله دوم خزش نيز پايدار باقي خواهند ماند. اثرات پديده خزش بر روي توربين هاي گازي : از آنجاييكه موتور توربين با سرعت بالا مي چرخد نيروي گريز از مركز بر روي هر كدام از پره هاي توربين تقسيم مي شود. در حرارت پايين نيروي گريز از مركز تاثير چنداني روي تيغه ها ندارد اما در حرارت بالا و سرعت بالاي توربين ( دو عامل موثر بر پديده خزش، دما و تنش دائمي) تيغه ها در اثر پديده خزش افزايش طول مي يابند. ( نيروهاي آيروديناميكي روي پره ها نيز قسمت ديگري از بارهاي روي پره ها مي باشند.) اين افزايش طول كه در 3 مرحله اتفاق مي افتد دائمي مي باشد يعني حتي با سرد شدن توربين اين تغيير شكل بر نمي گردد و در قطعه باقي مي ماند و نهايتا به مرور زمان باعث شكست پره توربين مي شود. به جرات مي توان گفت كه خزش يكي از مهمترين علل خرابي يك پره و ترك دار شدن آن است. پديده خزش بر خلاف پديده اثرات حرارت غير يكنواخت در توربين است. اثرات حرارت غير يكنواخت يعني قطعات فلزي توربين بايستي به طور يكنواخت سرد يا گرم شوند. حرارت غير يكنواخت باعث تغيير شكل و فشار روي تيغه ها مي گردد. در هنگام استارت توربين خنك است ولي هواي خروجي از محفظه احتراق با حرارت نسبتا زيادي حدود 1400 درجه وارد تيغه هاي توربين مي شود. قطعات فلزي كه در مرحله اول حرارت مي بينند سريعا منبسط مي شوند. اگر همه قطعات به طور يكنواخت حرارت داده نشوند قسمت هايي كه سريع تر منبسط مي شوند ممكن است تحت اين انبساط زياد دچار پيچش گردند. پس درجه حرارت ورودي توربين در موقع بكار انداختن نبايد در هر دقيقه بيشتر از 20 فارنهايت فزوني يابد تا پره ها دچا انبساط غير يكنواخت نشوند.در زمان از كاز انداختن توربين نيز توربين سرد و منقبض مي شود. اگر اين مرحله سريع اتفاق بيافتد سبب صدمه جبران ناپذير به تيغه ها و شفت توربين مي شود ( بعلت انقباض سريع و غير يكنواخت و نهايتا پيچش قطعات) براي جلوگيري از اين پديده در اين مرحله نيز توربين مجهز به چرخنده دوراني مي باشد كه پس از خاموش شدن توربين سبب چرخش توربين مي شود تا توربين بطور يكنواخت و ملايم خنك شود و با اين عمل از سرد شدن غير يكنواخت جلوگيري مي شود. اين مرحله را cool down توربين نيز مي نامند. پس ملاحظه مي شود كه اثرات حرارت عير يكنواخت در توربين قابل كنترل است چه در موقع افزايش حرارت توربين (استارت) و چه در موقع كاهش حرارت توربين (زمان از كار افتادن) ولي در مورد پديده خزش چه مي توان گفت؟ خزش يك تغيير شكل دائمي در تيغه هاي توربين بوجود مي آورد كه اجتناب ناپذير است و قابل برگشت هم نيست. اين تغيير شكل بستگي به دما و تنش دارد و با افزايش آنها افزايش مي يابد. اگر اين تغيير شكل وارد مرحله سوم شود منجر به ترك دار شدن و شكست پره مي شود. تيغه هاي فشار بالاي توربين HP چون در معرض اختلاف حرارت بيشتري قرار مي گيرند نسبت به تيغه هاي فشار پايين LP بيشتر تحت تاثير اين پديده قرار مي گيرند. ضعيف شدن يا خرابي پره ها ممكن است علت هاي مكانيكي يا متالوژيكي داشته باشد كه باعث كاهش ضريب اطمينان مي شود و همچنين ضريب خرابي را افزايش مي دهد. در ضمن با توجه به جنس مواد پره، خواص تضعيف كنندگي خزش، خستگي، ضربه و خوردگي كم مي شود. فاكتورهاي زيادي روي طول عمر، طراحي و شرايط كار پره ها موثرند ولي شرايط ذكر شده موثرترند. بطور كلي بيشتر پره هاي توربين هاي گازي داراي شرايط سخت كاري مي باشند كه در زير به آنها اشاره مي شود : محيط كازي (دماي بالا، آلودگي سوخت و هوا، ذرات معلق، ...) –تنش هاي مكانيكي ( در اثر نيروهاي گريز از مركز ، تنش هاي لرزنده و موجي، ...) –تنش هاي حرارتي ( در اثر گراديان حرارتي) عموما چند فاكتور باعث كم شدن طول عمر پره هاي توربين مي شود كه عبارتند از: - خزش creep –اثرات ارتعاشي vibration effects –خستگي حرارتي thermal fatigue –خستگي مكانيكي حرارتي thermo mechanical fatigue –فرسايش erosion –خوردگي corrosion –اكسيداسيون oxidation –خرابي قطعات foreign object damage كه از بين مواد فوق اثر خزش بسيار مشهودتر مي باشد. هدف مقاله و نتيجه گيري: با توجه به گستردگي ايستگاههاي تقويت فشار گاز و نيروگاه هاي گازي و استفاده از توربين هاي گازي در كشور، اميد است ضمن آشنايي و شناخت تئوري ويسكوپلاستيك و خزش و روابط حاكم بتوان با استفاده از نتايج اين تحقيق مراحل وقوع خزش را قبل از پيشرفت شناسايي نموده و از شكست پره هاي توربين هاي گازي با تخمين خوب عمر پره ها و جايگزيني بموقع آنها جلوگيري بعمل آورده و از خسارت هاي فراوان ناشي از شكست پره ها ممانعت كرد و بتوان آن را در سطح گسترده با توجه به نتايج مورد استفاده قرار داد.د : محيط كازي (دماي بالا، آلودگي سوخت و هوا، ذرات معلق، ...) –تنش هاي مكانيكي ( در اثر نيروهاي گريز از مركز ، تنش هاي لرزنده و موجي، ...) –تنش هاي حرارتي ( در اثر گراديان حرارتي) عموما چند فاكتور باعث كم شدن طول عمر پره هاي توربين مي شود كه عبارتند از: - خزش creep –اثرات ارتعاشي vibration effects –خستگي حرارتي thermal fatigue –خستگي مكانيكي حرارتي thermo mechanical fatigue –فرسايش erosion –خوردگي corrosion –اكسيداسيون oxidation –خرابي قطعات foreign object damage كه از بين مواد فوق اثر خزش بسيار مشهودتر مي باشد. هدف مقاله و نتيجه گيري: با توجه به گستردگي ايستگاههاي تقويت فشار گاز و نيروگاه هاي گازي و استفاده از توربين هاي گازي در كشور، اميد است ضمن آشنايي و شناخت تئوري ويسكوپلاستيك و خزش و روابط حاكم بتوان با استفاده از نتايج اين تحقيق مراحل وقوع خزش را قبل از پيشرفت شناسايي نموده و از شكست پره هاي توربين هاي گازي با تخمين خوب عمر پره ها و جايگزيني بموقع آنها جلوگيري بعمل آورده و از خسارت هاي فراوان ناشي از شكست پره ها ممانعت كرد و بتوان آن را در سطح گسترده با توجه به نتايج مورد استفاده قرار داد.