بازرسی اجزای بویلر و تاثیر عوامل بهره‌برداری در افزایش عمر آنها

آمارهای منتشر شده توسط وزارت نیرو نشان می‌دهد خروجهای اضطراری ناشی از زوالهای اجزا بویلرها، بیشترین سهم را در انرژی هدر رفته ناشی از توقف واحدها داشته است. بر اساس این آمارها در نیمه اول سال ۱۳۸۳، حدود ۲۴ درصد كل انرژی هدر رفته ناشی از زوال اجزا بویلر بوده است.
یكی از دلایل هزینه بسیار سنگینی كه زوالهای بویلر ایجاد می‌كند، خروجهای اجباری بلندمدت واحد از مدار برای تعمیر یا جایگزینی قطعات است.
با توجه به خسارتهای بالای وارده به اجزا بویلر كه یكی از دلایل آن ناشی از عدم كنترل صحیح عوامل بهره‌برداری است، بنابراین ارایه برنامه بازرسی صحیح می‌تواند در افزایش عمر این اجزا سهم به سزایی داشته باشد.
طراحی برنامه بازرسی نیز، به فاكتورهای متعددی مثل نوع طراحی بویلر، دماها و فشارهای كاری بویلر، جنس مواد، تركیب سوخت، تاریخچه و عمر واحد و شرایط كاری بستگی دارد. طراحی بازرسی حول اجزا بحرانی متمركز می‌شود. بطور كلی اجزای بحرانی آنهایی هستند كه زوال آنها مستقیماً بر عملكرد بویلر اثر می‌گذارد. این اجزا بحرانی تحت فشار عبارتند از:
▪ هدرها – هدرهای بخار و آ ب
▪ تیوب‌ها- سوپرهیتر، واتروال، اكونومایزر
▪ پایپ‌ها- بخار و آب تغذیه
▪ دی‌سوپرهیتر (Attemperator)
كه در ادامه به بحث در رابطه با این مواد پرداخته می‌شود.
● تیوب‌های بویلر
زوال تیوب‌های بویلر شایع‌ترین دلیل خروجهای اجباری واحد از مدار است. در ادامه به تاثیر عوامل موثر بر زوال این تیوبها می‌پردازیم:
● لوله‌های بخارگرد
▪ مكانیزمهای اصلی تخریب
چون غالباً عمر بویلرهای نیروگاهها بیشتر از ۲۰ سال است، سوپرهیترها یك بخش بحرانی در آنها محسوب می‌شوند. این لوله‌ها در سوپرهیتر (فشار بالا) و سوپرهیتر ری‌هیت وجود دارند. هر دوی اینها لوله‌هایی دارند كه دچار خزش می‌شوند. خزش تابعی از دما، تنش و زمان كاركرد است. عمر خزشی لوله‌های سوپرهیتر با افزایش دما و مكانیزمهای دیگری مثل خوردگی و فرسایش – كه منجر به نازك شدن دیواره لوله و افزایش تنش در آن می‌شود- كاهش می‌یابد. همچنین تنشهای اضافی بر اثر انبساط حرارتی و بارگذاری مكانیكی نیز ممكن است ایجاد شود كه باعث ایجاد ترك و سوراخ در لوله‌ها می‌شود واین مساله در عمر پیش‌بینی شده خزشی منظور نمی‌شود.
در طول یك برهه زمانی، بر اثر خوردگی یك لایه اكسیدی در سطح داخلی لوله‌ها ایجاد می‌شود كه این لایه اثر خنك‌كنندگی بخار را كم می‌كند و باعث افزایش دمای لوله می‌شود و عمر لوله به شدت كاهش می‌یابد. همچنین این اكسید داخلی می‌تواند كنده شود، داخل بخار حركت كند و براثر برخورد باعث فرسایش ولوها و اجزای توربین شود. برخی از سوختها، باعث خوردگی شدید لوله‌ها می‌شوند و عمر لوله‌های سوپرهیتر را با افزایش سرعت فرسایش شدیداً كاهش می‌دهند كه اثر آنها حتی از دما و سرعت رشد لایه اكسیدی نیز بیشتر است كه خوردگی ناشی از خاكستر زغال مثالی از آن است.
▪ اثر عوامل بهره‌برداری به منظور افزایش عمر
كنترل دقیق شیمی آب برای كاهش خوردگی سطح داخلی لوله‌ها، جلوگیری از روشن- خاموش شدنهای متوالی كه منجر به تنشهای انبساطی در لوله‌ها می شود، اسیدشویی لوله‌ها زمان تعمیرات اساسی برای حذف لایه اكسیدی داخلی، آنالیز دقیق ماهانه سوخت و گاز مصرفی برای انطباق با استاندارد، قلیاشویی لوله‌ها در تعمیرات، انجام دقیق تستهای NDT در بازرسی‌ها و تعویض لوله‌های فریتی با لوله‌های فریتی كرومایز شده یا زنگ نزن برای جلوگیری از جدایش لایه اكسیدی برای افزایش عمر لوله‌ها اهمیت بسیاری دارند.
▪ برنامه بازرسی پیشنهادی
یك برنامه بازرسی برای لوله‌های بخارگرد می‌تواند بصورت زیر باشد:
▪ بازرسی چشمی- برای نقاطی كه دچار فرسایش، خوردگی، شوك حرارتی یا مشكلات انبساطی هستند.
▪ ضخامت سنجی التراسونیك (UTT) – برای نقاط حساس و مسیرهای سوت بلور و نواحی دیواره كه مستعد رفتگی‌اند.
▪ ضخامت سنجی لایه اكسیدی داخلی- در نقاط مختلف باید صورت گیرد به ویژه در اطراف جوشهای بین لوله‌های غیرهمجنس مثل اتصال T۱۱ به T۲۲. از نتایج این مرحله می‌توان در تخمین عمر گسیختگی باقیمانده لوله‌ها استفاده كرد.
● لوله‌های آب‌گرد
▪ مكانیزمهای اصلی تخریب
این لوله‌ها معمولاً شامل لوله‌های اكونومایزر و بخشی از لوله‌های واتروال هستند. این لوله‌ها در دمای اشباع یا كمتر از آن كار می‌كنند و مشكل خزش ندارند. این لوله‌ها به رسوبهای سمت آب (رسوبهای داخلی) حساس‌اند و تخریب‌های وسیع در لوله‌های واتروال می‌تواند بر اثر رسوب‌گذاری ایجاد شود و منجر به خوردگی شدیدو تخریب هیدروژنی شود.
در بویلرهای سیكلی یك مشكل مهم، خستگی خوردگی در نقاط اتصال كوره پایینی مثل اتصال‌های buckstay ها و جعبه‌های هوا است. خستگی خوردگی منجر به ترك خوردگی لوله‌ها از داخل می‌شود كه تشخیص آنها با تست‌های غیرمخرب بسیار مشكل است. سطح خارجی لوله‌ها نیز معمولاً بر اثر فرسایش و خوردگی از بین می‌روند. فرسایش سطحی لوله‌های بویلر و اكونومایزر می‌تواند بر اثر دوده زدایی یا حملات ذرات خاكستر ایجاد شود. خوردگی لوله‌های آب گرد می‌تواند به دلیل احتراق ناقص در مشعل‌ها نیز باشد.
● اثر عوامل بهره‌برداری برای افزایش عمر
براب افزایش عمر لوله‌ها، اسیدشویی و قلیاشویی آنها امری اجتناب‌ناپذیر است اما عدم شستشوی مناسب، خود باعث از بین رفتن لوله‌ها می‌شود. از سوی دیگر كنترل شیمیایی آب مساله بسیار مهمی است. PH آب باید بین ۵ تا ۱۲ كنترل شود.
از جمله عوامل بسیار مهم در افزایش عمر این لوله‌ها به حداقل رساندن مواد رسوب‌دهنده سود (NaOH) روی لوله‌ها با تمیز كاری شیمیایی و عملیات صحیح هوادهی با حذف هوا در گرمكنهای آب تغذیه با فشار كم و یا تزریق مواد شیمیایی اكسیژن‌زدا به منظور جلوگیری از حفره‌دار شدن آنهاست. كنترل احتراق (تنظیم مشعل‌ها، نسبت هوای ورودی و تركیب سوخت) مطابق استاندارد نیز عامل دیگر افزایش عمر لوله‌های بویلر محسوب می‌شود.
● لوله‌های بخار گرد و آب گرد خارج از بویلر
▪ مكانیزمهای اصلی تخریب
خوردگی و خستگی خوردگی مهمترین مكانیزمهای زوال لوله‌های خارج از بویلر هستند. لوله‌های رایزر از جمله این لوله‌ها هستند كه تركیب شیمیایی نامناسب آب باعث حملات شدید خوردگی و نازك شدن لوله‌ها می‌شود. اما در واحدهایی با عمر بالای سی‌سال، خستگی خوردگی عامل اصلی زوال لوله‌های رایزر در پنت‌هاوس بویلرهاست. زوالهای فوق زوالهایی بسیار خطرناك هستند.
▪ اثر عوامل بهره‌برداری برای افزایش عمر
از آنجایی كه این لوله‌ها خارج از سیستم بویلر هستند، آموزش مناسب پرسنل بهره‌برداری از مهمترین راههای جلوگیری اززوالهای شدید است. از سوی دیگر پیشگیری از خوردگی عامل مهم دیگری در افزایش عمر لوله‌هاست.
▪ برنامه بازرسی پیشنهادی
▪ بازرسی چشمی:
برای تشخیص فرسایش‌ها، خوردگی و شوك‌های حرارتی شدید اورهیت موضعی، تورم لوله و ...
▪ ضخامت سنجی التراسونیك:
برای تشخیص میزان اكسیداسیون لوله‌ها
▪ بازرسی EMAT:
برای تشخیص نقاطی از داخل لوله‌ها كه دچار خوردگی رسوبی، حفره دار شدن یا تخریب هیدروژنی شده‌اند. با این روش می‌توان نقشه ضخامت را تهیه و خستگی خوردگی را تشخیص داد.● هدرها
هدرها و مشكلات آنها می‌توانند بر اساس دمای كاری تقسیم‌بندی شوند. بر این اساس هدرهای بخارگرد دما بالا بیشتر مورد توجه هستند، چون عمر خزشی محدودی دارند و هزینه جایگزینی آنها بالاست. هدرهای دما پایین بخارگرد یا آب گرد مشكل خزش ندارند اما بر اثر خوردگی، فرسایش یا تنشهای حرارتی شدید دچار تخریب می‌شوند.
● هدرهای دما بالا
▪ مكانیزمهای اصلی تخریب
هدرهای دما بالا درخروجی‌های سوپرهیتر و ری‌هیتر هستند كه در دمایی بالاتر از ۴۸۰ درجه سانتی‌گراد كار می‌كنند. هدرهایی كه در دمای بالا كار می‌كنند در حالت عادی مشكل خزش دارند، اما دچار خستگی حرارتی و مكانیكی نیز می شوند و تركیب این مكانیزمها سرعت تخریب را به شدت افزایش می‌دهد. خستگی خزشی هدرهای سوپرهیتر تحت تاثیر سه عامل است: احتراق، سیلان بخار و بار بویلر
علاوه بر تغییرات دما، تنشهای خارجی حاصل از انبساط هدر و بارهای لوله‌ها نیز باید در نظر گرفته شود. انبساط و انقباض هدر می‌تواند باعث ایجاد تركهای خستگی در اتصالات، صفحات torque و جوشهای تیوب‌ها به هدر شود.
▪ اثر عوامل بهره‌برداری برای افزایش عمر
طراحی مكان مشعلها و كنترل توزیع دما در بویلر، اهمیت بسیاری دارد. بیشتر طراحان مشعلها را روی دیواره جلویی و یا دیواره پشتی تعبیه می‌كنند. توزیع حرارت داخل بویلر، یكنواخت نیست چون بسته به مكان مشعلها، توزیع هوا یكنواخت نیست و نیز ذرات حاصل از كثیفی سوخت نیز كه عامل دیگری در افت خواص است، با كنترل تركیب سوخت باید كنترل شود.
اثر پارامترهای احتراق در تغییر حرارت ورودی به لوله‌های سوپرهیتر و ری‌هیتر است. وجود این تغییرات در كنار عدم یكنواختی سیلان بخار بین لوله‌ها، تغییرات قابل ملاحظه‌ای در دمای بخار ورودی به هدر ایجاد می‌كند. تغییرات بار بویلر، اختلاف دمایی بین پایه‌های لوله‌ها و بدنه هدر را بیشتر می‌كند. با افزایش بار بویلر سرعت احتراق بایدزیاد شود تا فشار مورد نظر حاصل شود. برای این كار بویلر باید Over-Fire شود تا برای افزایش سیلان بخار و كاهش فشار آماده شود.
● برنامه بازرسی پیشنهادی
▪ بازرسی چشمی
▪ بازرسی ذرات مغناطیسی فلورسنت تر (WFMT):
برای بازرسی جوشهای اصلی هدر شامل نازل خروجی، صفحه‌های torque، صفحات و lug های پشتیبان، جوشهای محیطی، درابتدا تمام جوشهای ورودی لوله‌ها به هدر باید WFMT شوند پس از بازرسی اولیه، بازرسی‌های بعدی به ۱۰ تا ۲۵ درصد جوشهای لوله به هدر محدود می‌شود.
▪ تست التراسونیك با پرتو زاویه‌دار وموج برشی روی جوشهای اصلی
▪ رپلیكا:
برای بررسی تخریب خزشی
- بازرسی حفره (Bore) و لیگامنت:
عامل اصلی به پایان رسیدن عمر هدر، خستگی خزشی است. این پدیده باعث ترك خوردگی حفره و لیگامنت می‌شود. در اینجا دو یا سه نقطه از نقاطی با بالاترین تنش و دما تحت بازرسی قرار می‌گیرد. البته قبل از تست، لایه اكسیدی باید كاملاً‌ برداشته شود.
● هدرهای دما پایین
▪ مكانیزمهای اصلی تخریب
هدرهای دما پایین هدرهایی هستند كه دمای كاری آنها به اندازه‌ای نیست كه خزش اهمیت داشته باشد و شامل هدرهای واتروال، هدرهای ورودی و خروجی اكونومایزر و هدرهای ورودی و میانی سوپرهیتر هستند. مهمترین عامل تخریب این هدرها خوردگی و در برخی از موارد فرسایش و خستگی حرارتی است.
از سوی دیگر هدرهای واتروال، خارج از ناحیه احتراق قرار دارند. اما هدر ورودی اكونومایزر استثنا است چون غالباً در مسیر گاز قرار دارند.
این هدرها مشكل شوك حرارتی دارند. اندازه شوك حرارتی تابعی از اختلاف دمای بین فید واتر سرد و هدر ورودی است كه تابعی از سیلان آب است و غالباً به دلیل اینكه لوله‌ها / ولوهای فیدواتر برای كار با كل ظرفیت طراحی شده‌اند، اختلاف دما زیاد است. شوك حرارتی در نزدیكی ورودی فیدواتر هدر، بدترین حالت را دارد و با عبور سیال به هدرها و لوله‌ها، سریعاً كم می‌شود. هدرهای ورودی اكونومایزر نیز مشكل خوردگی دارند و به طور كلی مهمترین مطلب در ارتباط با هدرهای دما پایین، خوردگی داخلی و خارجی است.
▪ اثر عوامل بهره‌برداری برای افزایش عمر
بنابر توضیح فوق مهمترین عامل كاهش عمر هدرهای دما پایین، تركیب شیمیایی سیال عبوركننده از آنهاست كه منجر به خوردگی و زوال آنها می‌شود. از این كنترل شیمیایی آب در افزایش عمر آنها اهمیت بسیار دارد.
از طرف دیگر كاهش اختلاف دمای بین فیدواتر سرد و هدر ورودی می‌تواند زوالهای ناشی از شوك حرارتی را كاهش دهد.
▪ برنامه بازرسی پیشنهادی
▪ بازرسی چشمی
▪ تست ذرات مغناطیسی فلورسنت تر (WFMT) برای جوشهای اتصالات، جوشهای هدر و صفحه‌های انتهایی و ۱۰ درصد جوشهای لوله‌ها به هدرها
▪ بازرسی Video Probe
▪ ضخامت سنجی التراسونیك برای نقاطی كه در بازرسی‌های قبلی معلوم شده كه به دلیل خوردگی یا فرسایش دچار كاهش ضخامت شده‌اند.
● دی‌سوپرهیترها
▪ مكانیزمهای اصلی تخریب
دی‌سوپرهیتر‌ها بین لوله‌های سوپرهیتر قرار می‌گیرند و برای كنترل دمای بخار به كار می‌روند. پركاربردترین نوع آنها، نوع اسپری است. درواحد اسپری، آب با كیفیت بالا به صورت مستقیم به جریان بخار سوپرهیت شده پاشیده می‌شود وآب اسپری شده، تبخیر شده و بخار را خنك می‌كند. به علت اختلاف دمایی زیاد بین بخار و آب اسپری شده، قسمتهای مختلف دی‌سوپرهیتر، دچار شوك حرارتی می‌شوند و این به مرور باعث خستگی حرارتی و تخریب می‌شود. بیشترین تخریب دی‌سوپرهیتر‌ها درجوشها واقع می‌شود.
▪ برنامه بازرسی پیشنهادی
جوشها و دهانه‌ اسپری روی نازل، ابتدا به صورت چشمی و سپس با تست ذرات نفوذی (PT) برای بررسی وضعیت تركها، بازرسی می‌شوند. در دی‌سوپرهیترهای بزرگ، برای تست كردن بهتر جوشهای بحرانی تست رادیوگرافی باید انجام شود.
● ‌پایپ‌ها
پایپ‌های بخار اصلی (Main Steam) و دی‌هیت داغ (Hot Reheat) اجزای بحرانی پایپهای نیروگاهی هستند. اینها به علت‌ دما و تنش كاری بالا همواره در معرض خزش قرار دارند. جوشهای درزی پایپهای ری‌هیت داغ و پایپهای بخار اصلی از اهمیت ویژه‌ای برخوردارند، چون جوشهای درزی طولی تحت فشار بالایی هستند. به طور كلی تست كامل حجمی تمام جوشهای بحرانی، شامل جوشهای درزی پایپها و جوشهای محیطی، الزامی است. تست حجمی به روش موج برشی زاویه‌دار آلتراسونیك (UTS)، انجام می‌شود. علاوه بر آن تستهای MFMT، UTT، رپلیكاگیری و اندازه‌گیری ابعادی میزان خزش نیز در مورد این اجزا انجام می‌شود.
پایپهای كم انرژی مثل پایپهای ری‌هیت سرد و به ویژه پایپهای فید واتر نیز مشكلات افت خواص و زوال دارند. خوردگی و خستگی مهمترین علل زوال پایپهای ری‌هیت سرد هستند. به طور كلی بازرسی چشمی و بررسی غیرمخرب جوشها، زانویی‌ها و جاهایی كه محل تجمع آب است برای پایپهای ری‌هیت سرد صورت می‌گیرد. تستهای غیرمخرب شامل WFMT، پروب ویدیویی برای چك كردن داخل پایپ، UTT و UTS هستند.
پایپهای فیدواتر به علت اینكه تحت تاثیر مكانیزم خوردگی بر اثر سیلان شتاب یافته (FAC) قرار می‌گیرند، اهمیت خاصی دارند. این پدیده باعث نازك شدن قسمتهای وسیعی از پایپ می‌شود بنابراین زوالهای ناشی از آن بسیار خطرناكند. از این رو در برنامه كلی بازرسی باید از اولیت برای تست برخوردار باشند.
ضخامت سمجی التراسونیك (UTT) اولین تست این پایپهاست. حساس‌ترین نقاط این پایپها، نقاط تغییر جهت سیال مثل زانویی‌ها، اتصالات T شكل و كاهنده‌ها و نیز نقاطی كه در حركت سیال آشفتگی ایجاد می‌شود، هستند. همچنین نقاط تزریق تغذیه شیمیایی، پایپهای Downstream و محلهای اتصال نیز نقاطی هستند كه باید مورد ارزیابی قرار گیرند.
● نتیجه‌گیری
فرآیند افزایش عمر قطعات بویلر كه مهمترین بخش آن لوله‌ها هستند منجر به صرفه‌جویی بسیار زیادی در هزینه‌ها می‌شود. از طرفی زوال قطعات كه باعث خروج واحد از مدار و ضررهای شدید می‌شوند به تعویق می‌افتد و از سوی دیگر عمر واحد افزایش می‌یابد و این خود به معنی درآمد بیشتر است. با توجه به عوامل موثر به عمر بویلرها برخی غیرقابل كنترل هستند (مثل دمای محیط یا رطوبت نسبی هوا) و برخی قابل كنترلند مثل كیفیت سوخت، عوامل نگهداری و بهره‌برداری.
از این رو برخی از مهمترین عوامل موثر در افزایش عمر لوله‌های بویلر عبارتند از:
▪ كنسروه كردن بویلر جهت تعمیرات میان دوره‌ای و اساسی
▪ آنالیز ماهانه گاز مصرفی و انطباق آن با آنالیز استاندارد گاز
▪ تست مشعلهای بویلر در تعمیرات اساسی جهت تنظیم طول شعله، كنترل احتراق، دمای گاز، زوایه پخش شدن شعله و ...
▪ نصب سیستم اندازه‌گیری دقیق دما در ری‌هیت سرد و گرم
▪ جلوگیری از تولید واحد در شرایط بالا بودن شاخصهای آب تغذیه
▪ آموزش پرسنل بهره‌برداری
▪ اسید‌شویی و قلیاشویی لوله‌ها در هراورهال
▪ آنالیز زوال لوله‌های تخریب شده و تعیین مهمترین مكانیزمهای تخریب
▪ كالیبراسیون و بازرسی از ترموكوپلها
▪ كنترل شیمیایی دقیق آب
▪ كنترل تركیب سوخت
▪ بازرسی‌های دقیق غیرمخرب مانند ضخامت سنجی به منظور ارزیابی و تخمین عمر باقیمانده لوله‌ها
▪ تست‌های مكانیكی مخرب (DT) به منظور ارزیابی و تخمین عمرباقیمانده لوله‌ها
▪ تست رپلیكا برای هدرها و main steam به منظور تخمین عمر باقیمانده
▪ استفاده از روشهای جدید NDT مثل EMAT برای كنترل دقیقتر وضعیت
▪ تست جوشها و كنترل كیفیت آنها

مهندس اعظم باجلقی
مهندس حامد میرابوالقاسمی
مهندس مهدیزاده

منبع : ماهنامه صنعت برق