باسمه تعالی

 

دانشگاه آزاد اسلامی

واحد سیرجان

 

 

 

عنوان مقاله :

 

خوردگی در اجزای بویلر

 

 

(CORROSION IN BOILERS)                         

 

 

 

 

 

محقق ‌:

محمدرضا عاشق گیلوان

مهندسی مواد - متالورژی صنعتی

کارشناس شرکت تولیدی و صنعتی سوپر اکتیو 

 

 

 

 

 

 

 

 

پائیز 1382

آدرس : سیرجان - بلوار دکتر صادقی - چهارراه دانشگاه - دانشگاه آزاد اسلامی - باشگاه پژوهشگران جوا ن

M-Ashegh@yahoo.com

مقدمه:

امروزه مسئله خوردگی و عوامل مخرب بدلیل ایجاد هزینه های سرسام آور نظیر خارج سازی ناخواسته بویلرهای نیروگاهی از مدار بحث خاصی را در کشورها به خود اختصاص داده است . در واقع اگر چنین پدیدههایی بوقوع نمی پیوست اقتصاد کشورها بکلی دگرگون می شد و در اینصورت نیاز به تولید مواد گوناگون با ترکیبات متعددی به جهت مقاومت در برابر خوردگی مفهوم خود را از دست میداد. تعویض یک لوله و یا یک جزء در نیروگاه گرچه ممکن است هزینه چندانی را در برنداشته باشد لکن خارج سازی آن از مدار حالیکه تعمیرات انجام می پذیرد ممکن است روزانه میلیونها تومان لطمه وارد سازد.

با نگرشی برفروسودگی در بویلرهای کشورمان از کسو و نیز با عنایت به عوامل پیشگیرنده از سوی دیگر ما را به جهتی سوق میدهد که بتوانیم ان اشاءا… در آتیه با برنامه ریزی و با ایجاد بانک های اطلاعاتی در این زمینه سعی در شناخت پارمترهای موثر در فرسایش و نیز عوامل بازدارنده آنها داشته باشیم . در این مقاله باتوجه به تقسیم بندی ذکر شده در چیکیده به بحث و بررسی عوامل فرسایشی بویلر پرداخته و در هر مورد به تفضیل توضیحاتی ارائه شده است اما از آنجایئکه مقاله تهیه شده در حدود 40 صفحه بوده و بناچار بعلت محدودیت می بایستی به 12 صفحه تقلیل یابد لذا در مورد عوامل مخرب به توضیحاتی مختصر اکتفا شده است

a خوردگی سطوح خارجی  (نواحی تحت تاثیر گاز احتراقی)

(a-1) خوردگی در دمای بالا ( High Temperature Corrosion )

در بویلرها خوردگی مواد فولادی در فضای گازهای احتراقی شدید بوده و با افزایش دما تشدید میشود. موادی که شامل  Cr هستند بویژه فولادهای زنگ نزن که بیش از 12% گرم دارند بطور قابل ملاحظه ای در مقابل خوردگی مقاومت نشان میدهند. محیطهای توام با مواد خورنده در دمای بالا باعث خوردگی بیشتری شده که این مورد معمولاً به خوردگی در دمای بالا اطلاق می شود.

از بارزترین محیط خورده در دمای بالا محیطی است که شامل وانادیم بوده و خوردگی با سوخت نفت ( Oil fuel) سوللفات سدیم با پنتواکسایدوانادیم در حین احتراق ترکیب شده و تشکیل یک پوشش با ویژگی بالا و مذابی شکل بنام slag بر روی سطوح تحت گاز Superheater|Reheater را می‌نماید. Slag مذاب شده تمایل به حل نمودن هر نوع فولاد تحت تماس داشته و نتیجتاً منجر به ضعف در ساختار تیوبها می‌گردد. اما همچنانکه ذکرشد بالابودن کرم در آلیاژ معمولاً بیشترین مقاومت و مصونیت را ایجاد خواهد نمود گرچه این پدیده در فولادهای زنگ نزن بصورت خوردگی معمول بوده که بایستی بدان توجه نمود. البته نقطه ذوب پنتواکسایدوانادیم خیلی بیشتر از دمای فلزتیوب بویلر است اما تشکیل سولفات سدیم دراحتراق و افزایش آن به فضای کوره و نهایتاً به خاکستر تولیدی منجر به کاهش نقطه ذوب خاکستر به زیر نقطه دمای تیوب بویلر خواهد شد.

خوردگی ذکر شده معمولاً بصورت حفره ای شکل (Pitting) و توام باافت ضخامت است. جداول و منحنی ها گویای این مطلب اند که خوردگی قابل ملاحظه ای در محدوده وسیعی از دماهای بالای گازها و دمای فلز بالا رخ می دهد

روشهای ذیل می توانند در کاهش این نوع خوردگی موثر باشند:

 1- افزودنیهای به سوخت نظیر اکسیدکلسیم و یا اکسید منیزیم میتواند باعث بالا بردن دمای ذوب خاکستر شود.

2- پاک سازی تناوبی تیوبها بتوسط دمنده های دود  ( Soot blowers)

3-انتخاب سوخت مناسب و یا تصفیه آن از عناصر مضر

4- درنظرگیری مواردی چون: بهینه سازی شکل هندئسی کوره، ترتیب بنک تیوبها دمای فلز، دمای گاز و محل قرارگیری دمنده های دود و انتخاب صحیح مواد در طراحی بویلر

(a-2) خوردگی در دمای پایین     ( Low Temperature Corrosion)

در بویلرها این نوع تخریب در خلال خاموش سازی رخ داده و اغلب مرتبط به خوردگی نقطه شبنم است و حتی ملاحظه گردیده که در شرایط بحرانی این خوردگی در فولاد بمیزان 5/0 در سال نفوذ نموده است . خوردگی مذکور معمولاً در قسمتهای ورودی  Economizer Cold end (ناحیه ورودی هوا و خروجی گاز) مربوط به  Air heater نواحی بازیاب حرارتی (H.R.A) و نیز در بنک تیوبهای بویلرهای Self support مشهود است این نوع خوردگی موقعی رخ میدهد که گازهای حاصل از سوخت از نظر دمایی به زیر نقطه شبنم رسیده و بخار آب بشکل تقطیر بر روی سطوح ایجاد شود. بدیهی است که این نوع تخریب با حضور محصولات سولفوری تسریع میگردد  و با وجود رطوبت منجر به اسید سولفوریک خواهدشد،‌بنابراین بالاترین مقدار سولفور در سوخت و کمترین دما در گاز خارجی بیشترین خوردگی را موجب خواهد شد . تجربه نشان دادهاست که اگر چنانچه دمای آب تغذیه به Economizer بالاتر از حداقل میزان دمایمعین نگهداشته شود مقدار خوردگی را می تان به حد مجاز ایمنی کاهش داد منحنی  a-2-1 حداقل میزان دمای ایمنی فلز تیوب را با توجه به تغییر درصد سولفور برای انواع سوخت  رانشان میدهد .

محدوده دماهای فلز تیوب بمنظور پیشگیری از خوردگی خارجی در اکونومایزروگرمکن هوا برحسب میزان گوگرد در سوخت

همچنین این پدیده در نواحی بنک تیوبهای بویلرها و با توجه به حضور خاکستر جمع شده و جذب رطوبت اتمسفر رخ میدهد . خوردگی مذکور را می توان با بکارگیری موارد ذیل جلوگیری کرد:

1- پاک سازی سریع خاکستر و دوده دیگر محصولات احتراقی از تیوبها و سطح تحت گاز بعد از خاموش سازی

2- شستشوی این سطوح بطور کلمل با آب بمنظور حل نمودن رقیق ساختن و از بین بردن باقس مانده ترکیبات گوگرد و خشک سازی بتوسط دمیدن هوا در بویلر بعد از این شستشو

3-تمام سطوح پاک شده بایستی بتوسط روغن و یا نفت با درجه غلظت مناسب بمنظور جلوگیری از گردو وغبار پوشش داده شوند.

4- قرار دادن آهک زنده Unslaked lime در کوره در حین خارج سازی بویلر از سرویس بمنظور جذب رطوبت داخل بویلر ضمن اینکه آهک بایستی هنگامیکه بشکل خمیری در می آید تعویض گردد

5- سوخت موجود بایستی از نظر محتوی گوگرد ارزیابی گردیده و چنانچه از گوگرد بالایی برخوردار است به سوختی با گوگرد پایین تبدیل شود ضمن اینکه کامل سازی احتراق میزان دوده  ( Soot) را کاهش خواهد داد

6- طراحی مناسب با در نظر گرفتن مسیرش خود  ( Bypass Line) و یا سیستم سیرکولاسیون مجدد استفاده از  ( SteanAir heater ) S.A.H کافی بمنظور ورد هوا با دمای مساعد به ( GAS Air heater ) G.A.H و نیز انتخاب صحیح مواد .

 

(b) خوردگی سطوح داخلی ( خوردگی نواحی داخلی لوله ها یا تیوبها)

این خوردگی معمولاً در تیوبهای آب و بخار ظاهر شده و اساساً بصورت حفره ای و موضعی مشهود است پدیده مذکور تابعی از کنترل کیفیت آب تغذیه از نظر عملیات شیمیایی و آماده سازی و نیز اسیدشویی نیروگاه است که در صورت عدم رعایت مذکور غالباً منجر به خوردگی ذیل خواهد شد.

خوردگی اکسیژن  ( Oxtgen Corrosion)

حضور گازها بویژه اکسیژن بویلر و تجهیزات سیکل را به سوی خوردگی سوق مید هد اثر و نتیجه اکسیژن نامحلول در آب تغذیه ایجاد پدیده خوردگی حفره ای است. حفره دار شدن نوعی خوردگی شدیداً موضعی است که باعث سوراخ شدن فلز می شود حفره ها را غالباً به سختی می توان دید زیرا اندازه آنها کوچک بوده و اغلب بوسیلة محصولات حاصل از خوردگی پوشیده میشود این خوردگی بیشتر دراکونومایزر درام بخار و لوله های تغذیه رایج است منطقی ترین روش جلوگیری از خوردگی گازها،‌خورج بموقع آنها از سیستم بوده و معمولیترین روش قبل از تزریق آب به بویلر استفاده از  eaerating heater است مقدار اکسیژن موجود در آب خروجی از  Deaerator بایستی پیوسته کمتر از 0.007 PPm باشد. علی رغم تلاش جهت کاهش اثرکاهش بتوسط این روش. عملیات شیمیایی جهت زدایش اکسیژن رانبایستی فراموش نمود.

خوردگی قلیایی  ( Caustic Corrosion)

این خوردگی ناشی از تمرکز  در سیال محبوس شده زیر رسوبات بوده و نتیجه آن تشکیل فرم پیچیده ای از ترکیبات آهنی قلیایی است که منجر به حل نمودن لایه محافظ اکسیدآهن  می شود خوردگی مذکور از مدتها پیش مورد بحث بوده اما تاکنون بندرت دیده شده و فقط در بویلرهای با فشار پایین مشاده میشود این امر ناشی از تصحیح و تکمیل عملیات شیمیایی بروش آب تغذیه بویلر است . در اینجا به لحاظ محدودیت حجم مقاله از توضیحات بیشتر خودداری شده است

(b-3) اکسیداسیون فولادهای زنگ نزن بتوسط بخار  ( Steam Oxidation)

معمول است که لوله های زنگ نزن فولادهای در دمای عادی تشکیل یک پوشش محافظ اکسیدکرم بر روی  سطح خود می دهند بوطریکه این پوشش مانع از پیشرفت خوردگی میگردد اما مشخص گردیده است که پیشرفت اکسیداسیون تحت بخار با دمای بالا بویژه در موقعیت  Overheating سریع تر است . بررسی آزمایشکاهی که پیرامون مقطعی از فولاد زنگ نزن اکسید شده انجام گرفته حاکی از وجود لایه مجزای داخلی متشکل از  Ni| Cr بالا و Fe کمتر با خاصیت چسبندگی و سفتی بیشتر و لایه بیرونی با  Fe قابل توجه به صورت    و مقدار اندکی  است لایه بیورنی لایه ای است که در تماس با بخار است طبعاً این امر منجر به اختلاف دانستیه بین دو لایه می شود لایه داخلی چگالترو لایه بیرونی متخلخل شکننده بوده و در طی عملکرد بویلر بمرور برضخامت این دولایه اضافه میگردد. لایه بیرونی به علت بی ثبانی خردو جدا میگردد و تغییر دما در حین بارگیری از بویلرشکنندگی بیشتری از لایه بیرونی را بدنبال خواهد داشت و باعث جدایش از سطح میشود کاهش در تشکیل و جدایش این لایه ها مانع از مسدود شدن لوله ها  ( Clogging Up) د رنواحی خم و سوپرهیترهای آویز و باعث جلوگیری از ورود به توربین و نهایتاًپیشگیری از تخریب سریع تیوبها را بدنبال خواهد داشت موارد زیر می تواند از میزان این نوع خوردگی کاسته و یا از تخریب های احتمالی بکاهد.

1- انتخاب تیوبهای از نوع فولاد زنگ نزن با دانه بندی ریزتر مفدیتر است که معمولاً دانه بندی 10-5/8 توصیه شده

2- انتخاب تیوبهای فولادی زنگ نزن با کیفیت برتر از نظر شرایط دسطح داخلی

3- انتخاب تیوبهای فولادی زنگ نزن متناسب با شرایط دمای کارکرد

4- کنترل و نظارت بردما در حین سرویس دهی بمنظور جلوگیری از پدیده  Over heat

5- در خلاف توقف بویلر برش قسمتی از تیوبها بعنوان نمونه گیری و یا استفاده از اشعه  به جهت آگاهی از میزان خوردگی و نیز پاک سازی داخل تبوها با شیوه های شستشوی شیمیایی شستشوی با بخار و یا دمیدن هواتوصیه می شود .

(b-4) اصابت هیدروژنی  ( Hydrogen Akttack)

خسارت هیدورژنی نوعی شکستگی درون بلوری ( Intercystallin) است که هیدروژن وارد مرزدانه های فولاد شده و تحت شرایط ویژه ای از نظر دما و فشار با کربن فولاد واکنش نشان داده و طی فرمول ذیل به شکل متان ظاهر میشود:

حجم متان در مقایسه با حجم اشغالی اتمهای کربن و هیدروژن بسیار زیاد است بنابراین واکنش منجر به اعمال فشار داخلی زیادی بین دانه های فولاد گردیده و ایجاد ترک در ساختار میکند. آلودگی اسیدی و یا پایین بودن PH از جمله شرایطی هستند که باعث تولید هیدروژن میگردند موارد زیر می تواند در کاهش این تخریب موثر افتد.

1-  جلوگیری از ورود اسیدهای معدنی به بویلر

2-  کنترل دقیق بر میزانPH بمنظور ممانعت از ورودPH  به منظقه اسیدی .

 

 

 (b-5) خوردگی بین دانه ای  ( Intergranular Corrosion)

این خوردگی در فولادهای زنگ نزن استنینی رخ داده و یک تخریب موضعی در مرز دانه هاست هنگامیکه این فولاد در محدوة 500 تا 500 حرارت داده میشوند و یا در این محدود آرام سرد شوند کربن از محلول جامد جداشده و در مرزدانه ها رسوب می کند و به علت تمایل زیاد کرم به آن مقداری کرم به طرف آنها کشیده شده و تولید باند کاربید کرم میکند عقیده بر این است که مناطق مجاور مرزدانه ها که بدین ترتیب از مقدار لازم کرم فقیر مشوند مقاومت کافی در برابر بعضی محیطهای خورنده را ندارند. نمونه این نوع پدیده در حین خمکاری گرم لوله های زنگ نزن  Superheater رخ میدهد که بایستی پس از خمکاری عملیات حل نمودن کاربیدکرم را انجام داد. برای کنترل این خوردگی روش های ذیل پیشنهاد میشود:

1- در صورتیکه تیوبها تخت دمای بالایی قرار گرفته اند بایستی بر روی آنها عملیات حرارتی محلولی انجام شده و سپس سریعاً در آب سرد شوند

2- انتخاب فولادهای زنگ نزنی که دارای عناصر پایدار کننده باشند

3- انتخاب فولادهای زنگ نزنی که دارای کمتر از  0.03% کربن باشند.

 

سایش :  ( Errosion)

در بویلرها تخریب ناشی از سایش بمفهوم از بین رفتن یک فلز دراثر حرکت یک سیال بر روی سطح فلز است که بر دو نوع  سایش خارجی ناشی از برش خاکستر و یا گاز خروجی و سایش داخلی ناشی از حرکت سیال آب یا بخار در داخل تجهیزات بویلر است. برای مقابله با آن به مواردی چون: کاربرد مواد با مقاومت بالا، طراحی صحیح مسیرها،‌کاربرد پوششها و کنترل دقیق برروس عملکرد  desuperheater اشاره میشود .

خستگی :  ( Fatigue)

خستگی شکلی از تخریب ناشی از تکرار تنش است ،‌معمولاً شکستهای خستگی در تنشهایی زیرنقطه تسلیم و بعد از تعداد زیادی نوسانات تنش رخ میدهد،‌ نقطه ای که خشارت ناشی از خستگی به آسانی رخ میدهد شامل نواحی است که تحت تمرکز تنش ناشی از گیردار بودن و یا عیوب باشد. اختلاف اندک بین ضرایب انبساط حرارتی فولادها از جمله مواردی است که بایستی در طراحی تعمیرات و یا ترمیم بدان توجه کامل کرد، یکی از خستگی های قابل ذکرخستگی حرارتی است که این پدیده بیشتر در مقاطع کنترل دما رخ میدهد.

خزش: ( Creep)

مقاومت به خزش در بویلرهای نیروگاهی به لحاظ برخورداری از دمای بالا و با توجه به مباحث ذکر شده قبل می تواند بطور قابل ملاحظه و جدی با واکنش سطوح و یا خوردگی تقلیل یابد، کاهش سطح موثر بواسطه تخریبهای مذکور باعث شتاب این پدیده خواهد شد انتخاب صحیح مواد با سرعت خزش پایین و با در نظر گرفتن عناصر موثر بر این سرعت، بهینه سازی شرایط کاری نیروگاه و نیز نظارت دقیق بر کیفیت آب نیروگاه در کاهش خوردگی، از پارامترهای موثر در افت این نوع تخریبند.

تغییر در ماهیت مواد  ( Change in Material)

باتوجه به دماهای بالا عملکرد بویلر و با وجود انتخاب موادی متناسب با شرایط، ایجاد رسوباتی از کارید در مرزدانه ها و تغییر ساختاری در مواد بکارگرفته شده امر اجتناب ناپذی راست این پدیده در صورتی که در مسئله  Overheat رخ ندهد مسئله ساز نبوده و در غیراینصورت تغییرات ساختاری می تواند بعنوان یک داده در مسئله بررسی تخریب مطرح شود. تغییر در ماهیت مواد دراتصالات غیرمشابه فولادهای  Co| Mo و فولادهای زنگ نزن مشهود است

نتیجه گیری  :

هنگامیکه بحث عوامل مخرب در بویلر پیش می آید اهمیت مقابله با آن بسیار جلب توجه می نماید. در بویلرها تشخیص نوع تخریب، بازرسی و بدست آودرن اطلاعات در حین خارج از سرویس بودن، در نظر داشتن کلیه شرایط متغیر در زمان بهره برداری و نیز فرآیند شستشوی شیمیایی با دستورالعمل صحیح از جمله پارامترهای بسیار مهم بشمار می آیند آنچه که می تواند در کاهش هزینه ها و یا کم نمودن زمان توقف بویلر نیروگاهها با توجه به عوامل مخرب موثر باشد تهیه و تدوین تجربیات و اطلاعات دربارة علل است. مثلاً هنگامیکه بدلیل پدیده های تخریب، لوله ها و یا تجهیزات سیکل نیاز به تعویض داشته بانشد در اینصورت قطعه تعویض شده بهترین مجال را برای تشخیص عامل فرسایش فراهم ساخته و تهیه گزارشی از این بازرسی مهترین مرجع استفاده در آتیه و یا برای سایر نیروگاهها خواهد بود.