کدام لوله‌های آلیاژی در صنعت برق در برابر دمای بالا مقاوم هستند؟

چرا لوله‌های آلیاژی با دمای بالا در تولید نیروی مدرن حیاتی هستند

چالش‌های ناشی از افزایش پارامترهای بخار و تخریب مواد

امروزه تأسیسات تولید انرژی، عملکرد خود را با به‌کارگیری دیگ‌های بخار در دمای بین ۶۰۰ تا ۶۵۰ درجه سانتی‌گراد و فشار بالاتر از ۳۰ مگاپاسکال افزایش می‌دهند. این شرایط شدید تأثیر جدی بر سیستم‌های لوله‌کشی فولاد کربنی معمولی دارد، زیرا این لوله‌ها به دلیل اکسیداسیون و تغییرات در ساختار داخلی‌شان به سرعت دچار تخریب می‌شوند. در همینجا است که آلیاژهای کروم-مولیبدن وارد عمل می‌شوند. این مواد خاص لایه‌های اکسیدی محافظتی حاوی عمدتاً کروم تری‌اکسید تشکیل می‌دهند که در طول زمان به‌صورت خودبه‌خودی ترمیم می‌شوند. به عنوان مثال، فولاد P91 حدود ۸ تا ۹٫۵ درصد کروم دارد و می‌تواند در دمای پیوسته ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد کار کند — چیزی که فولاد کربنی معمولی بدون دچار تخریب سریع و از دست دادن خواص مقاومتش نمی‌تواند انجام دهد. داده‌های صنعتی نشان می‌دهند که هنگامی که نیروگاه‌ها از این آلیاژهای تخصصی استفاده نمی‌کنند، تقریباً ۳۰ درصد مشکلات تعمیر و نگهداری غیرمنتظره در توربین‌ها افزایش می‌یابد که البته به‌وضوح هزینه‌های عملیاتی و زمان توقف را تحت تأثیر قرار می‌دهد.

حالت‌های اصلی خرابی: خزش، اکسیداسیون و خستگی حرارتی

لوله‌های آلیاژی دمای بالا سه مکانیسم خرابی مرتبط با هم را کاهش می‌دهند که در دسترس‌پذیری و ایمنی نیروگاه تهدید به شمار می‌روند:

• تغییر شکل خزشی : تحت تنش و دمای ثابت، دیواره لوله به تدریج نازک می‌شود. درجه‌های بهبود یافته با وانادیوم و نیتروژن مانند P92 بر اساس داده‌های ASME B31.1-2023 نسبت به مواد قدیمی، نرخ خزش بلندمدت را تا ۶۰٪ کاهش می‌دهند.
• اکسیداسیون : بخار با سطوح لوله واکنش داده و پوسته‌های شکننده و جداشونده تشکیل می‌دهد که از دست‌دادن دیواره را تسریع می‌کند. آلیاژهای غنی از کروم، لایه‌های محافظ چسبنده CrO ایجاد می‌کنند و تا ۸۰٪ از اتلاف ماده جلوگیری می‌کنند.
• خستگی حرارتی : گرم‌شدن و سرد شدن متناوب، ترک‌های ریز در محل جوش‌ها و انحناءها ایجاد می‌کند. آلیاژهای پایه نیکل — از جمله Inconel 625 — در کاربردهای نیروی خورشیدی متمرکز (CSP) در بیش از ۱۰,۰۰۰ چرخه حرارتی مقاومت اثبات‌شده‌ای نشان داده‌اند.

در مجموع، خرابی‌های بدون کنترل ناشی از این حالت‌ها به طبق گزارش مؤسسه Ponemon، منجر به توقف‌های برنامه‌ریزی‌نشده می‌شوند که هزینه آن برای نیروگاه‌ها به حدود ۷۴۰,۰۰۰ دلار در روز می‌رسد.

لوله‌های آلیاژ کرومومولی (P11–P92): تعادل بین استحکام، هزینه و قابلیت اطمینان

تکامل از P22 به P91/P92: بهبود استحکام خزشی در دمای 600–650°C

هنگامی که دمای بخار به منظور افزایش بازده ترمودینامیکی افزایش می‌یابد، فولاد سنتی P22 (حاوی 2.25٪ کروم و 1٪ مولیبدن) در حدود دمای 565 درجه سانتی‌گراد به محدودیت می‌رسد. در این نقطه، توانایی آن در تحمل تنش به شدت کاهش می‌یابد و حدود 40٪ نسبت به آلیاژهای جدیدتر مانند P91 و P92 ضعیف‌تر می‌شود. پیشرفت واقعی با تکنیک‌های ریزآلیاژدهی رخ داد. به عنوان مثال، ساختار مارتنزیت تمپر شده P91 از ذرات ریز کربونیترید MX که با وانادیوم و نیوبیوم تشکیل شده‌اند، استحکام اضافی به دست می‌آورد. این ویژگی به آن حدود 35٪ استحکام بیشتر در برابر تنش در دمای 600 درجه سانتی‌گراد نسبت به P22 قدیمی می‌دهد. سپس P92 آمده که با جایگزینی برخی از مولیبدن با تنگستن (حدود 1.8٪ تنگستن همراه با 0.5٪ مولیبدن) کار را پیش می‌برد. این تغییر اجازه می‌دهد تا این آلیاژ تا دمای 650 درجه سانتی‌گراد به طور قابل اعتماد کار کند و مقاومت خزشی آن 20٪ نسبت به P91 بیشتر باشد.

هماهنگی با ASTM A335 و ملاحظات طراحی ASME B31.1 برای سیستم‌های لوله آلیاژی

انتخاب مواد باید مطابق با استانداردههای سختگیرانه صنعتی باشد. به عنوان مثال، ASTM A335 مشخص میکند که لولههای آلیاژی فریتی بدون درز از چه ترکیباتی تشکیل شدهاند، چگونه باید از نظر حرارتی پردازش شوند و چه خواص مکانیکی دارند. مشخصات بسیار دقیق هستند. برای فولاد P91، محتوای کروم باید بین 8.0 تا 9.5 درصد و مولیبدن باید بین 0.85 تا 1.05 درصد باشد. هنگام طراحی این سیستمها، مهندسان از دستورالعملهای ASME B31.1 پیروی میکنند که حدود تنش را بر اساس عوامل دمایی تعیین میکنند. در دمای حدود 600 درجه سانتیگراد، P91 میتواند حدود 2.3 برابر تنش بیشتری نسبت به فولاد کربنی معمولی تحمل کند. نکته دیگری که طراحان باید در نظر بگیرند این است که کرومومولی در هنگام گرم شدن کمتر منبسط میشود. انبساط آن حدود 15 درصد کمتر از فولاد کربنی در دماهای بالا است که در واقع باعث کاهش تنش روی تکیهگاهها و کاهش مشکلات در لنگرهای لوله و خمها میشود. هر سیستم کامل شده تحت آزمونهای فشار هیدرواستاتیکی قرار میگیرد که توسط ASME بخش I الزامی شده است. این آزمونها فشاری معادل 1.5 برابر فشار عملیاتی عادی اعمال میکنند تا اطمینان حاصل شود همه چیز در شرایط واقعی به درستی مقاومت میکند.

لوله‌های آلیاژ نیکل برای محیط‌های شدید: اینکونل، اینکولوی و هستلوی

مقاومت در برابر سولفیداسیون و خوردگی توسط نمک‌های مذاب در نیروگاه‌های تبدیل پسماند به انرژی و نیروگاه‌های خورشیدی متمرکز (CSP)

آلیاژهای استاندارد در نیروگاه‌های تبدیل پسماند به انرژی و نیروگاه‌های خورشیدی متمرکز (CSP) که با حملات شیمیایی شدید روبرو هستند، عملکرد لازم را ندارند. گازهای دودکش حاوی گوگرد باعث مشکلات سریع سولفیداسیون می‌شوند و آن نمک‌های نیترات مذاب بالای 600 درجه سانتی‌گراد واقعاً مواد را فرسوده کرده و منجر به خوردگی و تردشدگی می‌گردند. به همین دلیل مهندسان به گزینه‌های نیکلی مانند اینکونل، اینکولوی و هستلوی روی می‌آورند. این آلیاژها بیش از 60٪ نیکل دارند که به حفظ پایداری ساختار فلزی حتی در دماهای بالا کمک می‌کند. همچنین از کروم برای مقابله با اکسیداسیون و سولفیداسیون و مولیبدن برای محافظت اضافی در برابر حفره‌های ایجاد شده توسط کلریدها و سولفات‌ها در محیط‌های سخت استفاده می‌شود.

برای مثال، هاستلوی C-276 نسبت به فولادهای استنلس استیل معمولی، سرعت سولفیداسیون را در لوله‌های اضافه‌گرمکن بخار دما زباله‌سوزها تا ۹۰٪ کاهش می‌دهد. در نیروگاه‌های CSP، اینکونل ۶۲۵ پس از ۱۰۰۰۰ ساعت در نمک‌های نیترات مذاب، استحکام کششی بیش از ۵۰۰ مگاپاسکال را حفظ می‌کند و این امر امکان عملکرد پیوسته و ایمن را فراهم می‌آورد جایی که فولادهای کربنی یا کرومومولی باید هر ۱۲ تا ۱۸ ماه تعویض شوند.

سوالات متداول

۱. چه عاملی باعث ضروری بودن لوله‌های آلیاژی با دمای بالا در تولید نیروی مدرن می‌شود؟
لوله‌های آلیاژی با دمای بالا از این نظر حیاتی هستند که می‌توانند در برابر دماها و فشارهای بسیار بالای بخار موجود در تولید انرژی مقاومت کنند و در نتیجه تعمیر و نگهداری غیرمنتظره و توقف‌های کار را کاهش می‌دهند.

۲. آلیاژهای کرومیوم مولیبدنوم چگونه در برابر اکسیداسیون محافظت می‌کنند؟
آلیاژهای کرومیوم مولیبدنوم لایه‌های اکسیدی خودتجدیدشونده تشکیل می‌دهند که عمدتاً از تری‌اکسید کروم تشکیل شده‌اند و این لایه‌ها با کاهش اکسیداسیون، عمر لوله را افزایش می‌دهند.

۳. مهم‌ترین حالت‌های خرابی که توسط لوله‌های آلیاژی با دمای بالا برطرف می‌شوند، چیستند؟
آن‌ها به تغییر شکل خزشی، آسیب اکسیداتیو و خستگی حرارتی می‌پردازند و ایمنی و کارآیی نیروگاه را تضمین می‌کنند.

4. چرا فولاد P91 برای کاربردهای دمای بالا ترجیح داده می‌شود؟
فولاد P91 به دلیل محتوای بالای کروم آن مورد توجه است، که مقاومت بهتری در برابر مدیریت تنش و خزش در دماهای بالا ارائه می‌دهد.