بررسي دلايل آسيب‌ديدگي ياتاقان ژورنال توربين گازي GE- F5

به گزارش "برق نيوز" در مقاله حاضر به بررسي تخريب ياتاقان‌هاي توربين گاز و علل اين مسئله پرداخته شده و برخي از مهمترين عيوب توضيح داده شده‌اند. با توجه به لزوم بازسازي ياتاقان‌هاي آسيب ديده و جزئيات روش‌هاي بازسازي كنترل تركيب شيميايي بابيت مورد استفاده در ياتاقان‌ها به عنوان يك پارامتر مهم، اهميت بسزايي دارد. در اين پروژه تحقيقاتي به بررسي اثر بابيت غيراستاندارد بر عملكرد ياتاقان بازسازي شده و علت‌يابي اين مسئله پرداخته شده است. عمده‌ترين نتيجه اين پژوهش ايجاد حجم بالاي تركيبات بين فلزي در ريزساختار بابيت و در نتيجه آن ضعف اتصال بابيت به پشت‌بند و در نتيجه تخريب زودرس ياتاقان است.

نيروي اصطكاك علي‌رغم فوايدي كه در برخي موارد براي انسان دارد در مواردي هم به عنوان مانعي در سر راه انسان بوده و باعث اتلاف بسيار زياد انرژي مي‌شود. يكي از موارد نيروي اصطكاكي بين شفت‌هاي دوار و ديواره تكيه‌گاه آن‌ها است. به منظور كاهش اين اصطكاك در تكيه‌گاه شفت‌هاي دوار از ياتاقان استفاده مي‌شود. در يك تعريف كلي، به هر تكيه گاهي كه اصطكاك را كاهش دهد ياتاقان مي‌گويند.

ياتاقان‌هاي تكيه‌گاه اصلي اجزاي در حال چرخش هستند و معيوب‌شدن آنها ممكن است موقعيت اجزاي در حال چرخش را تغيير داده و باعث برخورد قطعات ثابت و متحرك شود. معيوب‌شدن كلي ياتاقان‌ها ممكن است موجب خم شدن محور شده و در نهايت باعث شكستگي محور مي‌شود. در ساير موارد نيز به افزايش دماي ساير اجزا منجر مي‌شود.

درصورت آسيب‌ديدن ياتاقان، عملكرد كلي تجهيزات دچار مشكل خواهد شد. اين مسئله باعث افزايش هزينه‌ها، مدت زمان برنامه تعميرات، توقف غيرضروري تجهيزات و زمان تحويل به مشتري نهايي مي‌شود. در بسياري از كاربردهاي صنايع سنگين، ياتاقان‌ها پيش از دستيابي به حداكثر عمر مفيد و مقرون به صرفه خود از شرايط سرويس خارج مي‌شوند. تعمير ياتاقان‌ها مي‌تواند روشي موثر جهت افزايش عمر ياتاقان تا حدود عمر نظري آن‌ها باشد. به همين دليل امروزه تعمير ياتاقان‌ها جايگزيني اقتصادي براي خريداري يك ياتاقان جديد، پس از اولين تخريب‌هاي ايجاد شده در ياتاقان‌ موجود محسوب مي‌شود.

ياتاقان‌هاي توربين گاز به طور كلي به دو دسته ياتاقان‌هاي ژورنال و تراست تقسيم‌بندي مي‌شوند. ياتاقان‌هاي ژورنال به منظور جلوگيري از حركت محور در راستاي عمومي مورد استفاده قرار مي‌گيرند. اين در حالي است كه ياتاقان‌هاي تراست به منظور ممانعت از حركت طولي محور و مقابله با نيروي طولي در اين تجهيزات استفاده مي‌شود.

تخريب سيستم ياتاقان توربين‌ها يكي از دلايل عمده در توقف‌هاي پيش‌بيني نشده تجهيزات تامين نيرو است. بازديد صنعتي كه در كارگاه آموزشي EPRI در سال 1982 در زمينه ياتاقان‌هاي توربين و ديناميك روتور انجام شد، آشكار ساخت كه روغن آلوده، از كار افتادگي سيستم روانكار و لرزش روتور عمده‌ترين دلايل تخريب ياتاقان‌هاي ژنراتور توربين‌ها بوده‌اند. به علت نتايج زيانبار چنين از كارافتادگي‌هايي، تعيين دلايل تخريب ياتاقان و روش‌هاي موثر تعمير و پيش‌گيري اهميت عمده و بسزايي دارند.
آسيب‌هاي ايجاد شده در ياتاقان توربين‌ها به طور كلي به 16 گروه تقسيم‌بندي مي‌شوند. اين عيوب به شرح زير هستند.
خراشيدگي ، تخريب اتصال، فرسايش حفره‌دارشدن، خوردگي (اثرات شيميايي)، ايجاد حفره در اثر تخليه الكتريكي، فرسايش، خستگي، خردايش، آسيب كروم بالا، غيريكنواختي، حرارت بيش از حد، گيرپاژ، آسيب ساختاري، فرسايش سطحي، اكسيد قلع و سائيدگي. در اين بين برخي از عيوب رايج‌تر بوده و نقش مهم‌تري در تخريب ياتاقان دارند. در اينجا به شرح مختصري درمورد اين عيوب پرداخته مي‌شود.

خراشيدگي يكي از عيوبي است كه به علت ذرات خارجي موجود در روانكار مورد استفاده ايجاد مي‌شود. اين امر يكي از مهمترين دلايل تخريب ياتاقان‌ها است. مشخصه‌ي اصلي خراشيدگي وجود شيارهاي محيطي موازي است كه روي بخش عمده‌اي از قسمت تحت بارگذاري ياتاقان ايجاد شده است. بالا و پائين رفتن ذرات كوچك بين شفت و ياتاقان به ايجاد خراش‌هاي غيرپيوسته و متناوب منجر مي‌شود. به علاوه انتهاي حفرات صاف بوده و ظاهر ذوب شده‌اي از خود نشان نمي‌دهند. غالبا مجموعه‌اي از حفرات با شكل‌هاي مشابه در فواصل منظم به طور محيطي روي بخشي از ياتاقان قرار خواهند گرفت. اين مسئله مشخصه ظاهري ايجاد حفره در اثر وجود ذرات خارجي است. تصوير اين عيب روي ياتاقان ژورنال در شكل (1) نشان داده شده است. ساير مشخصه‌هاي ظاهري اين عيب عبارتند از: وجود شيارهاي دندانه‌دار و سطحي با ظاهر كدر در صورت كوچك بودن ذرات، وجود هاله‌هايي براق روي سطح در صورت بزرگ‌بودن ذرات به علت پوليش شدن حلقه‌هاي برجسته‌ي ايجاد شده روي بابيت در تماس با شفت.

خستگي و تخريب اتصال دو آسيب ديگر هستند كه به تخريب ياتاقان منجر مي‌شوند. خستگي عمدتا در اثر ارتعاش‌هاي ايجاد شده در تجهيزات به وجود مي‌آيد، حال آن كه تخريب اتصال علي‌رغم شباهت‌هايي كه به خستگي دارد، عمدتا در اثر ضعف اتصال بابيت به پشت‌بند ايجاد شده و به عبارتي مي‌توان آن را خستگي زودرس ناميد.

اگرچه بارگذاري تناوبي كه براي خستگي لازم است، شرايط عمده‌ي كاري در تجهيزات قابل چرخش صنايع الكتريكي نيست، اما چنين تخريبي به علت بارهاي غيرمتعادل و استحكام پائين بابيت‌ها اتفاق مي‌افتد. خستگي معمولا از سطح در نقطه‌اي با حداكثر فشار آغاز مي‌شود و اولين بار به صورت ترك‌هاي سطحي ظريف كه با زاويه 45 تا 90 درجه نسبت به سطح در بابيت نفوذ مي‌كنند، ديده مي‌شود. اين زاويه به حالت بارگذاري وابسته است. به طور ميكروسكوپي، خستگي روي سطح به حالت يك الگوي پيوسته ديده مي‌شود و ترك‌هاي موجود شروع به رشد بازشدن در جهت چرخش مي‌كنند.

در شرايطي كه اتصال بابيت به پشت‌بند شرايط مطلوبي داشته باشد، ترك‌ها از سطح به سمت اتصال اشاعه يافته و سپس دور زده و به موازات، ولي كمي بالاتر از اتصال، گسترش مي‌يابند. ادامه اعمال تنش، ترك‌ها را به صورت افقي گسترش مي‌دهد. اين گسترش زير سطح وسيعي از بابيت تا زماني كه بخش‌هاي بزرگي از بابيت تضعيف شده و كنده شود، ادامه مي‌يابد. در نتيجه اين اتفاق، سطحي كه بار را منتقل مي‌كرد، كاهش مي‌يابد. ذرات بابيت جدا شده نهايتا وارد فضاي موجود شده و به آسيب بيشتري منجر مي‌شوند. آسيبي كه در اثر خستگي به ياتاقان‌ها وارد مي‌شود نشان داده شده است.

اما مشخصه اصلي تخريب اتصال جداشدن واضح لايه‌اي از بابيت از پوسته‌ي حمايت كننده‌ي ياتاقان است. اگر پوسته‌ي ياتاقان با ماشين تراش، ماشين‌كاري شده باشد، شيارهاي ماشين كاري فلز قابل رويت مي‌باشد. اين پديده با ترك خستگي كه مقداري از بابيت را به طور متصل به پشت‌بند نگه مي‌دارد متفاوت است. اين عيب عمدتا در اثر ضعف اتصال ايجاد مي‌شود. دو عامل موثر در اين زمينه تركيب شيميايي بابيت و نحوه بازسازي (يا ساخت) ياتاقان است. اين عيب يكي از مواردي است كه لزوم كنترل فرآيند را حين بازسازي ياتاقان به طور ويژه‌اي آشكار مي‌سازد.

با توجه به آن چه كه به طور مختصر ارائه شد، شرايط نامناسب بهره‌برداري منجر به آسيب ياتاقان‌ها مي‌گردد، اين مسئله در حالي است كه تعويض ياتاقان‌هاي آسيب ديده با ياتاقان‌هاي سالم و جديد بسيار پرهزينه است. به همين دليل بازسازي ياتاقان‌هاي آسيب ديده يكي از مناسب‌ترين راه‌حل‌ها جهت جايگزين كردن آن‌ها است. با اين حال كنترل دقيق فرآيند بازسازي ياتاقان‌ها به منظور ارتقا هرچه بيشتر كيفيت ياتاقان امري ضروري است. روش‌هاي بازسازي ياتاقان‌هاي توربين عمدتا ريخته‌گري است كه به دو صورت ثقلي و گريز از مركز انجام مي‌شود. هرچند روش‌هايي جهت تعمير آسيب‌هاي موضعي ياتاقان هم وجود دارد كه عمدتا بر پايه روش‌هايي مشابه جوشكاري اكسي‌استيلن استوار هستند. كنترل پارامترهاي موثر در اين فرآيندها تضمين كننده كيفيت ياتاقان‌هاي بازسازي شده است.

تعمير ياتاقان بابيت ريزي شده صنعتي و دريايي، كه تحت تخريب جدي و كامل قرار گرفته‌اند، معمولا توسط ذوب فلز قبلي و ايجاد مجدد پوشش بابيت روي سطح پوسته انجام مي‌شود، اين روش همان فرآيند مورد استفاده در ساخت ياتاقان‌هاي جديد است. روش‌هاي مورد استفاده جهت انجام تعميرات اضطراري و يا تعمير موضعي ياتاقان‌هايي كه به صورت جزئي آسيب ديده‌اند، كه مختص تركيبات قلع است، عبارتند از: پاشش بابيت يا روش‌هاي جوشكاري، تامين‌كنندگان چنين تجهيزاتي براي انجام كار تعمير بايستي مشاوره كافي جهت انجام صحيح دستورالعمل‌هاي كاري را در اختيار قرار دهند.

بدون درنظرگرفتن روش توليد بابيت، كيفيت اتصال، به ويژه هنگامي كه انتقال حرارت از بابيت به پوسته براي بالابردن عمر ياتاقان مهم و موثر است، فاكتوري داراي اهميت مي‌باشد. در تمامي موارد، دستيابي به اتصال متالورژيكي (شيميايي) جهت اطمينان از انتقال خوب و مناسب حرارت و عمر خستگي قابل قبول ضروري است. ايجاد اتصالات مكانيكي، از طريق استفاده از نكات طراحي مثل خارها و حفره‌هايي به صورت مانع، نيازهاي مذكور را برآورده نمي‌كند. اما گاهي اوقات در ياتاقان‌هاي بزرگ در كنار اتصال شيميايي از اين روشها به عنوان فاكتورهايي جهت اطمينان از عدم تخريب اتصال استفاده مي‌شود. اين روش‌ها بيشتر درمورد پوسته‌هاي چدني كه آماده‌سازي آنها جهت بابيت‌ريزي مشكل است، استفاده مي‌شوند.

پيش از انجام فرآيند ريخته‌گري (با هر روشي) قطعه كار بايد از طريق مراحل مختلف تميز كاري، فلاكس گذاري، و قلع‌ريزي به دقت آماده‌سازي شود. به منظور بهترين كيفيت ياتاقان بازسازي شده بايستي نكاتي مورد نظر قرار گيرند. در اينجا برخي از مهمترين نكات بيان مي‌شوند: پوسته‌ي هر نيمه ياتاقان ژورنال جهت حذف تمامي مقادير كثافات، گريس، روغن و آلودگي‌هاي ديگر از سطوح مورد نظر از طريق فروبردن در بخار، در فاز بخار چربي زدايي مي‌شود. اين كار تا زمان تميزشدن و رسيدن دماي قطعه به دماي مناسب جهت تبخير سريع حلال از سطح با خروج ياتاقان از حمام ادامه مي‌يابد.
دماي عامل چربي‌زدا بايستي  ?C‍170 باشد دماي قطعه نيز در هنگام خروج از حلال بايد ?C‍54 يا بيشتر باشد.

تكه‌هاي ياتاقان با استفاده از مواد عايق و لاتون‌هايي با طول و ضخامت مناسب مونتاژ مي‌شوند. تكه‌هاي ياتاقان‌ها با استفاده از فلانژ يا حلقه‌هايي در كنار يكديگر به صورت همراستا نگه داشته مي‌شوند. از تماس تجهيزات و دست با سطوح مورد نظر جهت بابيت ريزي بايستي پرهيز شود.
فلاكس مناسب به سطوحي كه بايد با قلع پوشيده شوند توسط يك برس تميز و زبر اضافه مي‌شود. بايستي از پوشش 100% سطح اطمينان حاصل شود.

ياتاقان ژورنال تا موقعيتي روي حمام قلع بالا برده مي‌شود. اجازه داده مي‌شود تا فلاكس جهت جلوگيري از پاشش حمام كاملاً خشك شود. قطعه در حمام قلع كه تا دماي ?C‍332-321 حرارت داده شده فرو برده شده و تا زماني كه دماي آن به ?C‍332-304 برسد در آن نگه داشته مي‌شود. با رسيدن به اين دما ياتاقان از بستر قلع خارج شده و قلع اضافي آن به دخل حمام برمي‌گردد. سطح قلع اندود با برس تميز اشباع از آب از آلودگي‌ها تميز شده مورد بازرسي چشمي جهت اطمينان از پيوستگي لايه قلع قرار مي‌گيرد. سطح خارجي ياتاقان بايستي توسط پيرومتري كنترل شود تا اطمينان حاصل شود كه دماي ياتاقان كمتر از ?C‍266 نشده باشد. درصورت افت دما زير ?C‍266 ياتاقان در كوره تا دماي ?C‍293-288 حرارت داده شده و دو مرحله قبلي تكرار مي‌شوند.

پس از اين مراحل نوبت به بابيت‌ريزي مي‌رسد. بابيت مورد استفاده بايستي آناليز شيميايي مطابق تركيب شيميايي استاندارد بابيت‌ها داشته باشد. دماي ياتاقان اندازه‌گيري شده و اگر بيش از ?C‍246 باشد مي‌توان مرحله بابيت‌ريزي را انجام داد. بابيت مورد استفاده بايد دمايي بين 400 تا ?C‍440 داشته باشد.

پس از كامل شدن ريخته‌گري بابيت سيستم اسپري آب راه‌اندازي شده (فاصله نازل‌ها mm51) و پاشش آن تا زماني كه مقدار دماي ثبت شده توسط تجهيزات مربوطه به ?C‍163-149 رسد، حفظ مي‌شود.

پس از اين مرحله بازرسي چشمي جهت اطمينان از پيوستگي لايه بابيت و سپس آماده‌سازي آن جهت ماشين‌كاري انجام مي‌شود.
علاوه بر تمامي موارد مذكور شرايط سرويس و استفاده از ياتاقان‌ها هم بسيار در ميزان طول عمر ياتاقان‌ها و آسيب‌هاي وارد شده به آن‌ها موثر است. پارامترهايي چون كنترل سيستم روانكاري، ارتعاش‌هاي ايجاد شده در سيستم، كنترل تلورانس‌ها و لقي و نحوه مونتاژ ياتاقان‌ها از عواملي هستند كه حين سرويس و كاركرد ياتاقان‌ها بايستي توسط تيم بهره‌برداري مورد توجه قرار بگيرند. هر يك از عوامل مذكور خود مي‌توانند باعث ايجاد يكي از عيوب بيان شده باشند.
 
روش آزمايش
در اين كار پژوهشي جهت بررسي دلايل آسيب‌ديدگي يك ياتاقان توربين گازي فريم 5 آزمايش مختلفي صورت گرفته است. بدين منظور از آزمونهاي فراصوتي، مايعات نافذ، متالوگرافي، رپليكا و سختي سنجي مخرب و غيرمخرب استفاده شده است. آزمون متالوگرافي با برش يك تاقان آسيب ديده و انجام متالوگرافي در فصل مشترك اتصال بابيت به پشت‌بند انجام شده است. به منظور بررسي و مقايسه ساختار بابيت ياتاقان آسيب ديده با ياتاقان‌هاي مشابه سالم آزمون رپليكا، آزمون سختي سنجي مخرب و آزمون سختي‌سنجي غيرمخرب روي ياتاقان آسيب ديده و سالم انجام شده است. به علاوه آناليز تركيب شيمايي بابيت هم جهت مقايسه آن با تركيبات استاندارد انجام شده است.
 
نتايج و بحث
با توجه به آن چه بيان شد مشاهده مي‌شود آسيب وارده به ياتاقان آسيب ديده از نوع ضعف اتصال و خستگي زودرس است. اين مسئله با توجه به قابل مشاهده بودن شيارهاي ماشين‌كاري پوسته ياتاقان قابل استنتاج است. به علاوه انجام آزمون فراصوتي مطابق استاندارد ISO 4386-2 هم با ارائه نتايجي مبتني بر ضعف اتصال بابت به پشت‌بند اين مسئله را تائيد كرده است.
با توجه به اين نوع آسيب مشاهده شده تيم تحقيقاتي به دنبال بررسي و تعيين علت اصلي اين آسيب برآمد. نتيجه بررسي آناليز شيميايي بابيت ياتاقان آسيب ديده (مهمترين عناصر) و مقايسه آن با تركيب شيميايي نزديكترين شيميايي استاندارد بابيت بر اساس ASTM B23 در جدول (1) ارائه شده است.
همان طور كه از اين جدول مشاهده مي‌شود تركيب شيميايي بابيت مورد استفاده در اين ياتاقان بسيار از تركيب شيميايي استاندارد بابيت دور است. اين مسئله را به نوعي مي‌توان علت آسيب وارد شده به ياتاقان دانست. اما با توجه به گستردگي تركيب شيميايي بابيت‌ها در استانداردهاي مختلف از جمله استانداردهاي ASTM B23، BS 3338، ISO 4381 بايستي اثر غيراستاندارد بودن بابيت مورد استفاده به خوبي روشن شود. جهت بررسي بيشتر ابتدا آزمون سختي‌سنجي مخرب روي اين نمونه‌ها انجام شده است. نتيجه اين آزمون سنجي 38 در مقياس برينل براي بابيت اين ياتاقان است. اين مقدار در مقايسه با حداكثر مقدار سختي بابيت‌هاي استاندارد كه 30 برينل است، بسيار بالاتر است. جهت تكميل مطالعات ريزساختار بابيت ياتاقان مورد بررسي قرار گرفت.
ريزساختار بابيت‌ها از دو فاز تشكيل شده است. يك بخش فاز زمينه‌اي است كه در تصاوير به صورت تيره ديده مي‌شود. اين فاز يك محلول جامد از قلع و آنتيموان است. فاز دوم ذرات سفيد تركيبات بين فلزي و ترد قلع و مس است. مشخص است كه با افزايش درصد مس بيش از مقدار استاندارد مقدار اين تركيبات هم به طور مشخصي افزايش خواهد يافت. اين ذرات ترد به صورت مكعب‌هاي كوچك، سوزني و ستاره‌اي شكل در ريزساختار ديده مي‌شوند. با توجه به اين توضيح مختصر مشاهده مي‌شود كه حجم ذرات فاز ثانويه در ريزساختار بابيت مورد استفاده در ياتاقان آسيب ديده به علت درصد بالاي مس آن به مراتب بيشتر از ريزساختار بابيت استاندارد است.
بررسي ناحيه اتصال بابيت به پشت بند فولادي نشان مي‌دهد كه در اين ناحيه هم درصد فاز ثانويه بسيار زياد است. اما نكته‌اي كه در اين ناحيه هرچه بيشتر خودنمايي مي‌كند ذرات بسيار درشت فاز ثانويه است كه به مقدار زيادي دقيقا در محل اتصال بابيت به پشت‌بند وجود دارند. اين مسئله با توجه به آنچه كه از تركيبات بين فلزي ترد و تمركز تنش در اين نواحي به علت گوشه‌هاي تيز اين ذرات مي‌دانيم مي‌تواند دليل اصلي ضعف اتصال در اين ياتاقان باشد.
به علاوه يك ياتاقان سالم از همان نوع انتخاب شده و با ياتاقان آسيب ديده مورد مقايسه قرار گرفت. جهت اطمينان از كيفيت اتصال ابتدا آزمون غيرمخرب و مايعات نافذ روي اين ياتاقان انجام شده است. آزمون فراصوتي اتصال مناسبي را نشان داده است. نتايج آزمون مايعات نافذ هم حاكي از كيفيت سطحي خوب و اتصال كافي و مناسب در لبه‌هاي ياتاقان است. جهت مقايسه با ياتاقان آسيب ديده سختي سنجي غيرمخرب و آزمون رپليكا از سطح بابيت ياتاقان انجام شده است.
آزمون سختي سنجي غيرمخرب، متوسط 54 و 75 برينل را به ترتيب براي سطح ياتاقان سالم و آسيب ديده ارائه داده است. البته ذكر اين نكته در اينجا ضروري است كه مقدار به دست آمده از آزمون سختي سنجي غيرمخرب به علت محدوديت‌هاي دستگاه صرفا جنبه مقايسه داشته و مقادير حاصل دقيق نيستند. هنگامي كه اين نتايج در كنار نتايج آزمون رپليكاگيري از سطح دو ياتاقان قرار داده مي‌شود، علت رفتار متفاوت اين دو ياتاقان كاملا مشخص مي‌شود. با مقايسه رپليكاي سطح ياتاقان آسيب ديده و رپليكاي سطح ياتاقان آسيب نديده مشاهده مي‌شود حجم فاز ترد در ياتاقان آسيب نديده به مراتب كمتر و بسيار به بابيت‌هاي استاندارد نزديك است. با توجه به آن چه درمورد ياتاقان آسيب ديده مشاهده شد، حجم كمتر تركيبات بين فلزي ترد در بابيت ياتاقان آسيب نديده علت اصلي عملكرد اين ياتاقان بوده است.
 
نتيجه‌گيري
در اين پژوهش به بررسي عيوب و آسيب‌هاي ايجاد شده در ياتاقان‌ها و بررسي اثر تركيب شيميايي بابيت مورد استفاده در ياتاقان بر عملكرد و كيفيت آنها پرداخته شده است. انتخاب تركيب شيميايي بابيت به علت اهميت بسزاي آن و از طرفي توجه كم به كنترل آن در اغلب اوقات است.
با توجه به دستاوردهاي اين پژوهش مشاهده مي‌شود پارامترهاي فرآيندهاي بازسازي (يا توليد) ياتاقان بسيار روي كيفيت و عملكرد ياتاقان‌ها موثر هستند. در اين بين تركيب شيميايي بابيت به عنوان يك پارامتر بنيادي بسيار موثر است، به طوري كه استفاده از بابيت غيراستاندارد با ابعاد حجم بالاي فاز بين فلزي ترد به ويژه در فصل مشترك اتصال بابيت به پشت‌بند، به ضعف اتصال بابيت منجر شده و نهايتا كاهش كيفيت عملكرد ياتاقان را به ارمغان خواهد آورد.