تطبيق الأنبوب المسماري ASME A335 P9 في غلايات محطات توليد الطاقة التي تعمل بالفحم

في محطات توليد الطاقة التي تعمل بالفحم، وخاصة في الوحدات فائقة الحرجة المتقدمة التي تسعى لتحقيق أقصى كفاءة، يمثل استخدام أنابيب الزعانف المرصعة ASME A335 P9 خيارًا هندسيًا دقيقًا لمعالجة ظروف التشغيل القاسية واختراق حواجز الكفاءة. تعمل مراجل المرافق الحديثة باستمرار على دفع حدود معلمات البخار لتحقيق كفاءة حرارية أكبر، مما يؤدي إلى درجات حرارة جدار المعدن في مناطق السخان الفائق والمعيد ذات درجة الحرارة العالية باستمرار ضمن النطاق الحرج من 580 درجة مئوية إلى 650 درجة مئوية، مع تحمل ضغط بخار داخلي هائل في نفس الوقت. تقدم هذه البيئة متطلبات متناقضة على ما يبدو للمادة: يجب أن تمتلك قوة عالية بما يكفي لتحمل التشوه الزحفي، وتحمل تآكل الأكسدة وتآكل الرماد المتطاير من غاز المداخن المحتوي على الكبريت، وأن تتمتع بمقاومة الإجهاد الحراري للتكيف مع دورات التحميل المتكررة والتشغيل/الإيقاف. في مواجهة هذا التحدي الشامل، توفر مادة ASME A335 P9 حلاً أساسيًا. كفولاذ سبائكي من الفولاذ الفريتي القياسي 9 كروم -1 موليبدينوم، يمنحه محتواه من الكروم البالغ حوالي 9٪ مقاومة أكسدة فائقة مقارنة بالفولاذ منخفض السبائك الشائع، بينما يؤدي إضافة الموليبدينوم إلى تعزيز مقاومته للزحف بشكل كبير في درجات الحرارة المرتفعة. هذا يجعل قدرته على تحمل الأحمال متميزة حول درجة الحرارة الرئيسية البالغة 600 درجة مئوية، مما يشكل الهيكل الأساسي الذي يدعم التشغيل الآمن لمعلمات البخار العالية.

ومع ذلك، فإن أنبوبًا قويًا لتحمل الضغط وحده غير كافٍ لالتقاط الطاقة الحرارية الهائلة في غاز المداخن بكفاءة، حيث أن معامل انتقال الحرارة الحملي المنخفض على جانب الغاز في المرجل هو عنق الزجاجة الرئيسي الذي يقيد الكفاءة الإجمالية. هذا هو بالضبط المكان الذي تلعب فيه بنية الزعانف المرصعة دورها الحاسم. من خلال لحام العديد من الزعانف القوية الشبيهة بالمسامير على الجدار الخارجي لأنبوب فولاذ P9، يعمل هذا التصميم على توسيع مساحة انتقال الحرارة على جانب غاز المداخن بعدة مرات إلى أكثر من عشر مرات، مما يؤدي بقوة إلى كسر حاجز انتقال الحرارة ونقل الطاقة الحرارية عالية الجودة بكفاءة إلى البخار داخل الأنبوب. والأهم من ذلك، أن هذه البنية المرصعة تظهر مزايا فريدة في غاز المداخن المحمل بالرماد المتطاير: مسارات التدفق الواسعة وغير المعوقة أقل عرضة للاتساخ بالرماد، ونقاط اللحام القوية تتحمل بشكل فعال التآكل على المدى الطويل بواسطة الغبار. جنبًا إلى جنب مع مقاومة التآكل الجيدة المتأصلة في مادة P9، يضمن ذلك الموثوقية طويلة الأجل لعنصر تبادل الحرارة في البيئات القاسية.

يحكم معيار ASME A335 الأنابيب الفولاذية السبائكية الفريتية غير الملحومة للخدمة في درجات الحرارة المرتفعة، وتمثل درجة P9 (9Cr-1Mo) درجة متوسطة إلى عالية من الفولاذ السبائكي من الكروم والموليبدينوم.
يحتوي P9 على ما يقرب من 9٪ كروم (Cr) و 1٪ موليبدينوم (Mo). يعزز الكروم بشكل كبير مقاومة الأكسدة والتآكل في درجات الحرارة المرتفعة؛ يعزز الموليبدينوم بشكل كبير القوة ومقاومة الزحف في درجات الحرارة المرتفعة.
يضمن المعيار ليس فقط التركيب الكيميائي ولكن أيضًا، من خلال تحديد عمليات المعالجة الحرارية (التطبيع والتلطيف) والخصائص الميكانيكية (الحد الأدنى من الخضوع وقوة الشد في درجات الحرارة المرتفعة)، استقرار المادة الهيكلي الدقيق على المدى الطويل والقدرة على تحمل الأحمال في درجات حرارة الخدمة.

تمت زيادة معلمات البخار للوحدات فائقة الحرجة الحديثة إلى 600-620 درجة مئوية و 25-30 ميجا باسكال وما فوق، مما يطرح تحديات "ثلاثية" لمواد سطح تسخين المرجل: قوة درجة الحرارة العالية، ومقاومة تآكل غاز المداخن، ومقاومة الإجهاد الحراري. توفر الخصائص الفيزيائية لـ P9 حلولاً مستهدفة:

في أقسام المرجل الرئيسية مثل السخان الفائق والمعيد ذي درجة الحرارة العالية، تعد قوة درجة الحرارة العالية لأنابيب P9 هي الأساس، و هيكل الزعانف المرصعة هو "المضخم" الذي يحول هذا الأساس إلى قدرة نقل حرارة فعالة.

• التناقض الأساسي: معامل انتقال الحرارة الحملي المنخفض على جانب غاز المداخن في المرجل هو عنق الزجاجة الذي يحد من كفاءة تبادل الحرارة الإجمالية.
• حل الزعانف المرصعة:
  1. عن طريق لحام المسامير الكثيفة، فإنه يوسع مساحة انتقال الحرارة على جانب غاز المداخن بمقدار 8-15 مرة، مما يعزز بقوة كفاءة استعادة الطاقة الحرارية عالية الجودة ويزيد بشكل مباشر من الكفاءة الحرارية للمرجل.
  2. القنوات الواسعة بين المسامير لا يتم حظرها بسهولة بواسطة الرماد الناعم ويمكن أن توجه غاز المداخن لخلق اضطراب، مما يعزز انتقال الكتلة. هيكلها الملحوم القوي هو أيضًا متفوق على الزعانف الملفوفة أو المضمنة المعرضة للخطر، مما يجعلها أكثر ملاءمة للبيئات عالية السرعة وعالية الغبار.
  3. تضيف المسامير الملحومة بشكل فعال دعامة شعاعية إلى الأنبوب، مما يحسن مقاومة البنك الأنبوبي للاهتزاز والتأرجح داخل غاز المداخن.

في نطاق درجة الحرارة 580-650 درجة مئوية، وهو أمر بالغ الأهمية لكفاءة محطة الطاقة، تتجاوز قوته في درجات الحرارة المرتفعة بكثير قوة الفولاذ منخفض السبائك الأرخص مثل P22، في حين أن تكلفته أقل بكثير من تكلفة الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي المتقدم مثل TP347H. إنه الخيار المادي الأكثر فعالية من حيث التكلفة والموثوقية لتحقيق تقنية فائقة الحرجة من الدرجة 600 درجة مئوية.
يتيح أداؤه الممتاز للإجهاد الحراري للمراجل المجهزة بأسطح تسخين من هذا القبيل التكيف بشكل أفضل مع عمليات التشغيل/الإيقاف المتكررة ودورات التحميل العميقة، وهو أمر حيوي لشبكات الطاقة التي تزداد فيها حصة الطاقة المتجددة.