بازسازی روتورهای فشار ضعیف توربین بخار تحت شکستگی ریشه پره

مقاله تحقیقی بازسازی روتورهای فشار ضعیف توربین بخار تحت شکستگی ریشه پره به وسیله مهندس ابراهیم‌زاده کارشناس دفتر تحقیقات و ساخت داخل مدیریت تولید برق شازند ارایه شده است.
توربین‌های بخار فشار ضعیف با افزایش روزافزون، مخصوصاً در واحدهای فوق بحرانی با سوخت فسیلی، پدیده خوردگی تحت تنش را در اجزای پره واقع در نواحی روتورهای فشارضعیف خود تجربه کرده‌اند. رویکردها در برطرف کردن این مشکل از طراحی و ساخت مجدد اجزا و تعویض پره تا جوشکاری در محل را شامل می‌شود؛ صرفنظر از روش انتخاب شده، راه‌حل باید ضمن به حداقل رساندن زمان خروج واحد، به طور کامل عملکرد توربین را به حالت اول برگرداند.
در این مقاله به روش اتخاذ شده در تعمیر و بازسازی یک روتور فشارضعیف تحت تأثیر پدیده خوردگی تحت تنش (SCC) در یک نیروگاه با سوخت فسیلی واقع در غرب ایالت کنتاکی آمریکا پرداخته می‌شود. این نیروگاه با3واحد بین سالهای 1963 تا 1970 با ظرفیت 2273 مگاوات به بهره‌برداری رسید. این پدیده در سال 2007 میلادی در واحد شماره 3 این نیروگاه به وقوع پیوست.
واحد شماره 3 به یک واحد تولید بخار فوق بحرانی بابکوک (Babcock) و ویلوکوکس (Wilcix) با شرایط بهره‌برداری 3500psig و درجه حرارت 1000 درجه فارنهایت تجهیز شده است. توربین بخار با ظرفیت 1150 مگاوات مربوط به شرکت جنرال الکتریک شامل توربین فشارقوی (HP) و ری‌هیت اولیه (IP1) متصل شده به یک ژنراتور 3600rpm ، یک توربین فشار متوسط (double-flow Ip2) و دو عدد توربین فشارضعیف (LP) متصل شده است به یک ژنراتور ثانویه با دور 1800rpm مجهز شده است.
خوردگی تحت تنش
(Stress Corrosion Cracking)
خوردگی تحت تنش پدیده‌ایست که توام با ترک خوردگی بوده و در نتیجه تلفیقی از اثرات خوردگی و تنش (عموماً تنش کششی) اتفاق می‌افتد . مقدار تنشی که شکست در آن اتفاق می‌افتد ممکن است بسیار کمتر از میزانی باشد که بدون حضور خوردگی موجب شکست می‌شود . همچنین محیط نیز به تنهایی آنقدر خورنده نخواهد بود تا بدون حضور تنش بتواند موجب تخریب آن شود. تقریبا برای هر آلیاژی می‌توان محیط خاصی پیدا کرد که آنرا مستعد خوردگی تحت تنش سازد.
بازرسی از توربین بخار
در استانداردهای نیروگاه TVA (Tennessee Valley Authority Paradise Fossil Plant)
هر 10 سال یکبار را به منظور بازرسی دوره‌ای از توربین بخار پیشنهاد داده بود. لذا در زمان تعمیرات اساسی واحد شماره 3 در بهار 2007 یک تست استاندارد بازرسی‌غیرمخرب به منظور بازرسی روتور باروش آلتراسونیک سه بعدی (Phased Array Utrasonic Test) از محل نگهدارنده دیسکهای پره ردیف سوم و چهارم توربین LP صورت پذیرفت.
نتایج تست نشانه‌هایی از وجود ترک تحت تنش (SCC) را بر روی هر دو روتور LP نشان می‌داد. ضمناً همه نشانه‌ها محدود به ردیف‌های دوم و سوم می‌شد، اگرچه وسعت و شدت ترک در زبانه‌ها در هر ردیف با یکدیگر متفاوت بودند. 127 پره به اضافه یک پره قفل‌کننده (Notch Blade) در ردیف 3 وجود داشت. همچنین قسمتی از شرود (Shroud) ردیف دوم بر روی روتور B توربین LP نیز به سمت بیرون حرکت کرده و با دیافراگم ثابت برخورد کرده بود.
شرود معیوب شده و نشانه‌های ریشه دیسک اشاره به نیاز یک تعمیرات گسترده در شرایط خروج واحد داشت. تجربه کردن این مشکلات توسط نیروگاه ممکن بود بسیار پرهزینه و برای تعمیرات وقت‌گیر باشد، اما چاره‌ای وجود نداشت. برای کمک از نحوه برخورد با سایر مشکلات مشابه، این موضوع چندین بار آیتم تعمیر را برای هر ردیف مرور کرد. معیارهای تصمیم‌گیری را مورد استفاده قرار داد و راه‌حل انتخاب شد.
تعمیر پره‌های ردیف سوم
(L-3 Stage repair)
آسیب‌پذیری زبانه ریشه‌های پره (Dovetails) ردیف سوم به واسطه پدیده خوردگی تحت تنش (SCC) در شرایط معمول بهره‌برداری محدود است. زیرا حداقل رطوبت دراین قسمتمها بوجود می‌آید. تبدیل فاز بخار از خشک به تر در توربین فشار ضعیف (LP) به طور مشخص خوردگی تحت تنش را وخیم‌تر می‌کند . درموضوع واحد 3، خوردگی تحت تنش در هر دو روتور توربین فشار ضعیف مشخص شد.
برای پره ردیف سوم روتور توربین فشار ضعیف B، نیروگاه (TVA) خارج کردن پره‌های قفل‌کننده (Notch Blades) به منظور تایید نتایج بازرسی تست آلتراسونیک جهت تعیین بهتر موقعیت و وسعت نشانه‌ها را انتخاب کرد. یک تست ذرات مغناطیس (MT) برای تعیین عمق و طول نشانه‌ها بکار برده شد. تنها 2 تا از 8 نشانه‌های گزارش شده در تست آلتراسونیک به وسیله تست ذرات مغناطیس مورد تأیید واقع شد.
از دیدگاه طول عمر باقیمانده، بدترین ترکیب نشانه‌ها همردیف قرار گرفتن بطور محیطی، بالا و پایین شیارهای نگهدارنده (Hook) نزدیک به شکاف ورودی (Notch Entry) بعد از حفره است.
تستهای اضافی آلتراسونیک از پره ردیف سوم روتور توربین فشار ضعیف A نیز در آوریل 2007 انجام گرفت. مهمترین نشانه‌های گزارش شده مربوط به زبانه‌های نگهدارنده پایینی پره ردیف سه بود. بدترین نشانه اندازه‌گیری شده بوسیله تست ذرات مغناطیس پس از سنگ‌زنی ابعادی به اندازه عمق 56/0 اینج و طول 5/2 اینج داشت.
ارزیابی روشها (Evaluating the option)
برای هر دو روتور، هم استراتژیهای کوتاه‌مدت و هم استراتژیهای بلندمدت به منظور رفع مشکل خوردگی تحت تنش در نگهدارنده پره‌ها مدنظر قرار گرفته شد. ترکهای یافته شده بر روی هر دیسک با ورود به ناحیه چاکدار محدود شده بودند. با مرتب کردن همه آیتم‌های تعمیراتی کوتاه‌مدت ‌فهرست‌کوتاهی از استراتژیهایی که زمان تعمیرات خارج از برنامه را به حداقل می‌رساند تحت عناوین زیر تهیه شد.
• هیچ اقدامی انجام نشود.
• کاهش بار در موقعیت‌های ترک مجاور به شکاف بوسیله اتصال مستقیم پره قفل‌کن به دیسک توسط پین انجام شود.
• کاهش بار پره بوسیله استفاده از پره‌های با جنس تیتانیوم که 43 درصد از پره‌های فولادی سبک‌تر هستند، اگرچه تعویض پره‌های فولادی با پره‌های تیتانیومی سبب تولید یک جرم نامیزانی (Mass Imbalance) بر روی روتور می‌شود.
برای تعیین اینکه کدام روش باید انتخاب شود، نیروگاه (TVA) شروع به آنالیز جزییات با جمع‌آوری داده‌های اندازه مربوط به پروفیل زبانه‌های نگهدارنده پره‌ها (Dovetail) کرد و منحنی را به روش المان محدود (FEM) مدل‌سازی کرد. محاسبه نشان می‌دهد تنش‌ها بر مسیر ترک‌های ریشه پره عمود هستند. این تنش‌های توزیع شده بر صفحه ترک دور از شکاف ورودی، در محدوده سرعت 1800rpm عمود هستند. مدل المان محدود ریشه پره (dovetail) همچنین چگونگی انتقال بار از پره به دیسک در نواحی بالا – وسط و پایین زبانه‌ها را شبیه‌سازی کرده است.
تنش‌ها شامل افزایش بار در شکاف‌ورودی شدند این در نرم‌افزار تعیین طول عمر باقیمانده، توربین فشار ضعیف (LPRim Life) به عنوان ضریب شاخص بار محاسبه می‌شد. LPRimLife برنامه‌ای است که عمر باقیمانده روتورها را با مشخص یا مشکوک بودن ترک در اجزای پره تخمین می‌زند. این برنامه بوسیله انجمن واحد سازه تحت حمایت انستیتوی تحقیقاتی تولید برق گسترش یافته است.
نخستین گام در ارزیابی، تخمین درجه حرارت بهره‌برداری ردیف پره و میزان رطوبت (Wetness) بود. میزان رطوبت یک پیش نیاز است، بطوریکه انتظار بروز خوردگی تحت تنش (SCC) برای اجزایی که در مواجه با بخار سوپرهیت در حین بهره‌برداری در حالت پایدار هستند نمی‌رود اما در زمانهای شروع و توقف واحد(start-up and shutdown) شرایط متفاوت است. به هر حال، رطوبت در حین بهره‌برداری، هنگامی که اجزای ریشه پره در حداکثر بار هستند، آنها را برای خوردگی تحت پوشش مستعد می‌سازد.
سه ناحیه اعمال بار در زبانه بیش از حد انتظار بار بهره‌برداری تخمین شد، در سرعت بالا (overspeed) تا 110 درصد، با دو منحنی دمایی شروع مختلف (rotor start-up) و مشابه، همانطوری که برای نرم‌افزار مکانیک شکست روتور لازم بود. نرم‌افزار همچنین برای عمق و طول ترک در نواحی بالا – وسط و پایین شیارها، برپایه مقادیر تستهای بازرسی غیرمخرب تایید شده محاسبه شده بود. یک ترک با عمق 6 درصد اینج و طول از1 درصد اینچ شبیه‌سازی شد. همچنین برخلاف تغییر فاز بخار خشک به تر، پیش‌بینی می‌شد در خلاف جهت جریان در پره ردیف دوم باشد که با کشف وسعت خوردگی تحت تنش در محل ریشه پره ردیف دوم (L-2 Stage) نیز تایید شده بود، انتطار نمی‌رفت پره ردیف سوم (L-3 stage) در زمان نرمال بهره‌برداری در حالت تر (Wet) راه‌اندازی شود. برای محاسبه‌‌تری‌گذار، 1750 ساعت در سال به عنوان زمان تری برای تخمین ریشه پره ردیف سوم شبیه‌سازی شد.
نتایج ارزیابی شبیه‌سازی
نتایج شبیه‌سازی احتمالی از عمر باقیمانده، احتمال تجمعی شکست در برابر زمان بهره‌برداری در سالها برای هر سه روش تعمیراتی را به شرح زیر تخمین زد:
• روش اول (عدم انجام هرگونه اقدام)، احتمال شکست بالایی را برای زباله‌های نگهدارنده ریشه پره پس از یکسال بهره‌برداری نشان می‌داد.
• روش دوم (اتصال مستقیم پره به دیسک توسط پین) احتمال شکست را برای مدت 5 سال بهره‌برداری به زیر یک درصد کاهش می‌داد.
• روش سوم (تعویض گروهی از پره‌ها در شکاف ورودی با پره تیتانیومی) احتمال شکست برای مدت 10 سال بهره‌برداری را زیر 1 درصد و برای 20 سال بهره‌برداری زیر 65/0 درصد تخمین زد.
نیروگاه روش سوم را به عنوان مؤثرترین راه‌حل کوتاه‌مدت برای به حداقل رساندن احتمال شکست ریشه پره در شیار نگهدارنده انتخاب کرد.
بالانس مجدد
برای حداقل رساندن هزینه و زمان تعمیر، نیروگاه TVA نمی‌خواست پره‌های باقیمانده بر روی دیسک را دستکاری کند. اما آنها می‌دانستند که اختلاف جرم حجمی بین پره‌های موجود و پره‌های جدید، سبک وزن بودن پره‌ها، سبب تولید یک نامیزانی جرمی بر روی دیسک کرده که یک تأثیر منفی بر روی ارتعاش روتور خواهد گذاشت. شکافهای ورودی در دو ردیف پره مرحله سوم در دو جهت 180 درجه نسبت به یکدیگر قرار داشتند. این یک نامیزانی دینامیکی بر روی روتور ایجاد می‌کرد که به یک تصحیح جرمی مهم نیاز داشت.
برای انجام این مهم، یک تحلیل انجام شد تا عامل نامیزانی بر روی روتور را تعیین کرده و تغییر دلخواه در ارتعاش روتور را ایجاد کند؛ بدلیل اینکه هر دو ردیف پره مرحله سوم بر روی هر روتور بوسیله پره تیتانیومی اصلاح شده بود، مجموع نامیزانی برای هر دیسک دو برابر ایجاد می‌شد. ظرفیت اصلاح برای صفحات بالانسی موجود بر روی ردیف پره‌های مرحله اول و چهارم برای تصحیح نامیزانی مورد انتظار کفایت می‌کرد. ردیف‌ پره‌های مرحله صفر (L-0) در این مرحله برای تصحیح درنظر گرفته نشد اما بعنوان ذخیره برای بالانس در زمان بهره‌برداری در نظر گرفته شد.
برای اصلاح نامیزانی، دو پره از هر دیسک در موقعیت‌های تقریبا 5 و7ساعت‌برای‌موازنه‌کاهش جرم بواسطه پره‌های تیتانیومی خارج شد. خارج کردن پره‌ها مستلزم این بود که مجموعه شرود
(Shroud band groupings) ارزیابی شود تا از عدم تغییر فرکانس طبیعی پره‌های اطمینان حاصل شود.
دو پره خارج شده، بطور دقیق هم میزانی با پره‌های تیتانیومی نداشت، بنابراین هر روتور قبل از مونتاژ جهت به حداقل رساندن نامیزانی (Imbalance) در سرعت پایین بالانس شدند . هر دو روتور پس از راه‌اندازی در سرعت بحرانی و سرعت بهره‌برداری ارتعاش قابل قبولی ارایه دادند و هیچ اصلاح نامیزانی بر روی هر دو روتور نیاز نبود.
تعمیر پره‌های ردیف دوم (L-2 stage)
نتایج تست آلتراسونیک برای روتور فشارضعیف B نشانه‌های بیشتری از عیب را نسبت به پره ردیف سوم (L-3) که قبلا بحث شد یافته بود. 98 نشانه بر روی همه نگهدارنده پره (hooks) پراکنده بود و در سرتا سر اطراف دیسک با عمقی بین 04/0 اینج تا 39/0 اینج بر روی انتهای ژنراتور توزیع شده بود. روتور فشارضعیف A (انتهای توربین) نیز با شرایط مشابه یافته شد، 78 نشانه با عمقی بین 04/0 اینج تا 26/0 اینچ بر روی هر سه شعاع نگهدارنده پره (hook) و بر روی دو طرف دیسک مشاهده شد.
نیروگاه (TVA) اظهار داشت که تمایل جدی در انجام تعمیرات مطابق با برنامه خروج توربین و به حداقل رساندن هر کاهش تولید پس از تعمیرات تکمیل‌شده را دارد.شرکت تعمیراتی توربوکار (Turbo Care) ، با مشارکت انجمن سازه، چندین روش تعمیراتی را جهت دستیابی اهداف نیروگاه (TVA) مورد بررسی قرار داد. به طور مشترک تیم بهترین راه‌حل را تغییر طراحی و ساخت پره با ساق بلند (Long Shank) تعیین کرد. به هر حال، تعمیر طراحی و ساخت پره با ساق بلند ممکن بود نیاز به طولانی‌ترین زمان تعمیرات با توجه به برنامه فشرده خروج واحد داشته باشد.
پره ردیف دوم (L-2 Stage) آسیب‌پذیری بیشتری نسبت به پره ردیف سوم (L-3 Stage) در خوردگی تحت تنش (SCC) داشت زیرا هم تنش بیشتری در ریشه وجود داشت و هم میزان رطوبت موجود در بخار بیشتر بود. دیسک‌های ردیف دوم که دارای ترکهای گسترده‌تری در زبانه‌های شیار نگهداری پره داشتند، نیازمند طراحی و ساخت مجدد کامل پره، اصلاح رینگ دیسک و استفاده از تیتانیوم در نواحی شکافهای ورودی در کاهش تنش در ریشه‌های پره بودند. طراحی مجدد همچنین شامل تست فرکانسی پره ردیف دوم و بهینه‌کردن تنظیم‌های فرکانسی پره‌ها به وسیله نصب نوارهای شرود بالا یا پایین به منظور کنترل ارتعاش را دربرمی‌گرفت.
تعمیر پره ردیف دوم
(L-2 Stage) شامل ماشینکاری فرم ریشه در دیسک بدون تخریب متریال بود. روش معمول این بود که ابتدا تمامی پره‌ها خارج شده و سپس عمیق‌ترین نشانه‌ها جهت تعیین عمق ترک، سنگ‌زنی شوند. فواصل کوتاه نیازمند آماده‌سازی مجدد فرم ریشه پره بوسیله پرکردن حفره‌ها به روش لایه‌گذاری (OverLaying) و ایجاد فرم ریشه داشت. البته این رویکرد زمان خروج واحد را طولانی می‌کرد. با توجه به تجارب شرکت تعمیراتی توربوکار در سایر پروژه‌های استفاده پره با طول سابق بلند (Longshank Blade)، مدت زمان و حجم خارج کردن متریال به منظور اطمینان از خارج شدن همه ترکها برنامه‌ریزی و با حداقل تاخیر ممکن به اجرا درآمد. همزمان طراحی و ساخت پره‌های جایگزین قبل از اینکه پره‌های اصلی از دیسک خارج شوند نیز آغاز شد.
فرآیند طراحی مجدد پره با ساق بلند همچنین این اجازه را می‌داد تا شکل ریشه پره نسبت به فرم‌های موجود بهبود یابد. شیارهای نگهدارنده پره (Dovetail) با شعاع‌های اصلاح شده جهت کاهش شدت تنش‌ها
(Peak stresses) برای دو منظور ماشینکاری شد : یکی برای تعادل اضافه وزن اصلاحیه پره ساق بلند و دیگری برای کاهش ضریب تمرکز تنش هندسی که در خوردگی تحت تنش (SCC) سهیم هستند . پیش‌بینی می‌شد برای این اصلاحیه کاهش در شدت تنش (Peak Stresses) بین 10 تا 15 درصد بوجود آید.
کنترل فرکانس و ارتعاش
یکی از مهمترین فاکتورها در این فرآیند، طر احی و ساخت پره جایگزین با فرکانس طبیعی دور از سرعت بهره‌برداری بود. تنظیم فرکانس‌ها نیاز به جبران برای تغییر در موقعیت شیارهای نگهدارنده ریشه داشت. معمولا در فرآیند طراحی ، چندین عامل جهت بهینه‌سازی فرکانس از قبیل ساختار شرود، جان پره، طول ساق پره و تعداد پره‌ها مورد بررسی قرار می‌گیرند. با وجود زمان کوتاه در برنامه‌ریزی و اجرای تعمیر، همه محاسبات در طراحی تسریع شد تا هرگونه تأخیر را به حداقل رساند.
قسمت مهم دیگر طراحی، استفاده از اتصال زنجیری یا نوار بالا یا پایین شرود بود . این طرح، مجموعه شرود تکی اصلی را با یک شرود دو ردیفه جایگزین می‌کرد. شرود داخلی با یک لقی دور تا دور گوه (Tenon) مونتاژ شده و مجموعه خارجی بصورت صلب به قسمت بالایی گوه متصل شده است.
حلقه‌های داخلی و خارجی بصورت محیطی تأمین‌کننده یک کوپل پیوسته در نوک پره‌ها هستند. این ساختار سبب افزایش در میراکنندگی ارتعاش شده و همچنین موجب دوری از ایجاد چندین مدار ارتعاشی اصلی بواسطه تحریک مسیر بخار می‌شود. این طرح یک حاشیه ایمنی از ارتعاش اضافی همراه با توانایی در تنظیمات تکمیلی در فرکانس پره‌ها جهت جلوگیری از تحریک ناگهانی با هر دومد پنج و شش گره (Nodul) قطری ایجاد می‌کند.
برای کاهش احتمال وقوع مجدد خوردگی تحت تنش (SCC) در تعمیر صورت گرفته، طرح، پنچ پره تیتانیومی در شکاف ورودی را بکار برد. تجربه نشان داده بود که خوردگی تحت تنش معمولا ابتدا در این نواحی رخ می‌دهد. تیتانیوم بارگریز از مرکز پره‌ها بر روی دسک در این ناحیه را به دلیل کاهش 43 درصدی جرم حجمی متریال کاهش می‌داد. برای‌به‌حداقل رساندن پتانسیل جرم نامیزانی (Mass Imbalance) بر روی روتور برای پره‌های تیتانیومی در محل شیار ورودی پره، پنج پره تیتانیومی در 180 درجه مخالف شیار ورودی مونتاژ شد.
برنامه عملیات تکمیل شده (The Complete Treatment Plan)
در پایان به طور خلاصه می‌توان فرآیند عملیات تعمیر را بشرح ذیل مرور کرد:
-خارج کردن قسمتهای معیوب (سنگ‌زنی) در اثر پدیده خوردگی تحت تنش (SCC)
- طراحی و ساخت پره‌های جایگزین دور از فرکانس تشدید
-کنترل ارتعاش با افزایش میراکنندگی
-بهبود شکل هندسی جهت کاهش احتمال وقوع مجدد خوردگی تحت تنش
- بالانس روتور در سایت با سرعت پایین
منابع:
- Bruce Ganc, Turbo Care Inc; Jim Olson and Jerry Best, Tennesses Valley Authority; Power Mag October 2008.
مهندس غلامرضا ابراهیمی‌زاده- کارشناس مهندسی مکانیک (طراحی جامدات) شرکت مدیریت تولید برق شازند