کاربرد لوله های پرچ دار ASME A335 P9 در دیگهای نیروگاه های زغال سنگ سوز

در نیروگاه‌های زغال‌سوز، به‌ویژه در واحدهای فوق‌فوق بحرانی پیشرفته که به دنبال راندمان بالایی هستند، استفاده از لوله‌های باله‌دار میخ‌دار ASME A335 P9 نشان‌دهنده یک انتخاب مهندسی دقیق برای مقابله با شرایط عملیاتی شدید و شکستن موانع راندمان است. دیگ‌های بخار مدرن به‌طور مداوم برای دستیابی به پارامترهای بخار بالاتر تلاش می‌کنند تا به راندمان حرارتی بیشتری دست یابند، که منجر به دمای دیواره فلزی در ناحیه‌های سوپرهیتر و گرم‌کن مجدد با دمای بالا می‌شود که به‌طور مداوم در محدوده بحرانی 580 درجه سانتی‌گراد تا 650 درجه سانتی‌گراد قرار دارد، در حالی که همزمان در برابر فشار بخار داخلی عظیم مقاومت می‌کند. این محیط خواسته‌های ظاهراً متناقضی را بر روی مواد ایجاد می‌کند: باید مقاومت بالایی در برابر دما داشته باشد تا در برابر تغییر شکل خزش مقاومت کند، در برابر خوردگی اکسیداسیون و فرسایش خاکستر بادی از گاز دودکش حاوی گوگرد مقاومت کند و مقاومت در برابر خستگی حرارتی را برای مقابله با چرخه‌های بار و راه‌اندازی/خاموشی‌های مکرر داشته باشد. با توجه به این چالش جامع، مواد ASME A335 P9 یک راه‌حل اساسی ارائه می‌دهد. به عنوان یک فولاد آلیاژی فریتی استاندارد 9 کروم-1 مولیبدن، محتوای کروم تقریباً 9 درصدی آن مقاومت اکسیداسیون بالاتری را نسبت به فولادهای کم آلیاژ رایج به آن می‌دهد، در حالی که افزودن مولیبدن مقاومت آن را در برابر خزش در دماهای بالا به میزان قابل توجهی افزایش می‌دهد. این امر باعث می‌شود ظرفیت باربری آن در حدود دمای کلیدی 600 درجه سانتی‌گراد برجسته باشد و اسکلت اصلی را تشکیل دهد که از عملکرد ایمن پارامترهای بخار بالا پشتیبانی می‌کند.

با این حال، یک لوله تحمل‌کننده فشار قوی به تنهایی برای جذب کارآمد انرژی حرارتی وسیع در گاز دودکش کافی نیست، زیرا ضریب انتقال حرارت همرفتی کم در سمت گاز دیگ بخار، گلوگاه اصلی محدودکننده راندمان کلی است. این دقیقاً همان جایی است که ساختار باله میخ‌دار نقش تعیین‌کننده‌ای را ایفا می‌کند. با جوش دادن تعداد زیادی باله محکم و میخ‌مانند بر روی دیواره بیرونی لوله فولادی P9، این طرح سطح انتقال حرارت را در سمت گاز دودکش چندین برابر تا بیش از ده برابر افزایش می‌دهد، به‌طور اجباری مانع انتقال حرارت را می‌شکند و انرژی حرارتی درجه بالا را به‌طور کارآمد به بخار داخل لوله منتقل می‌کند. مهم‌تر از آن، این ساختار میخ‌دار مزایای منحصربه‌فردی را در گاز دودکش آلوده به خاکستر بادی نشان می‌دهد: مسیرهای جریان وسیع و بدون مانع آن کمتر مستعد گرفتگی خاکستر هستند و نقاط جوش محکم به‌طور موثر در برابر فرسایش طولانی‌مدت توسط گرد و غبار مقاومت می‌کنند. همراه با مقاومت در برابر سایش ذاتی خوب مواد P9، این امر قابلیت اطمینان طولانی‌مدت عنصر تبادل حرارت را در محیط‌های خشن تضمین می‌کند.

استاندارد ASME A335 لوله‌های فولادی آلیاژی فریتی بدون درز را برای سرویس در دمای بالا تنظیم می‌کند و درجه P9 (9Cr-1Mo) نشان‌دهنده یک درجه متوسط تا بالا از فولاد آلیاژی کروم-مولیبدن است.
P9 حاوی تقریباً 9٪ کروم (Cr) و 1٪ مولیبدن (Mo) است. کروم به‌طور قابل توجهی اکسیداسیون در دمای بالا و مقاومت در برابر خوردگی را افزایش می‌دهد. مولیبدن به‌طور قابل توجهی استحکام و مقاومت در برابر خزش در دمای بالا را تقویت می‌کند.
این استاندارد نه تنها ترکیب شیمیایی، بلکه از طریق مشخصات فرآیندهای عملیات حرارتی (نرمال‌سازی و تمپرینگ) و خواص مکانیکی (حداقل استحکام تسلیم و کششی در دماهای بالا) را تضمین می‌کند، پایداری ریزساختاری طولانی‌مدت و ظرفیت باربری مواد را در دماهای سرویس تضمین می‌کند.

پارامترهای بخار واحدهای فوق‌فوق بحرانی مدرن به 600-620 درجه سانتی‌گراد و 25-30 مگاپاسکال و بالاتر افزایش یافته است که چالش‌های «سه‌گانه» را برای مواد سطح گرمایش دیگ بخار ایجاد می‌کند: استحکام در دمای بالا، مقاومت در برابر خوردگی گاز دودکش و مقاومت در برابر خستگی حرارتی. خواص فیزیکی P9 راه‌حل‌های هدفمندی را ارائه می‌دهد:

در بخش‌های کلیدی دیگ بخار مانند سوپرهیتر و گرم‌کن مجدد با دمای بالا، استحکام در دمای بالای لوله‌های P9 اساس است و ساختار باله میخ‌دار «تقویت‌کننده» است که این پایه را به قابلیت انتقال حرارت کارآمد تبدیل می‌کند.

• تناقض اصلی: ضریب انتقال حرارت همرفتی کم در سمت گاز دودکش دیگ بخار، گلوگاه محدودکننده راندمان کلی تبادل حرارت است.
• راه‌حل باله میخ‌دار:
  1. با جوش دادن میخ‌های متراکم، سطح انتقال حرارت سمت گاز دودکش را 8-15 برابر افزایش می‌دهد و به‌طور قدرتمند راندمان بازیابی انرژی حرارتی درجه بالا را افزایش می‌دهد و مستقیماً راندمان حرارتی دیگ بخار را افزایش می‌دهد.
  2. کانال‌های وسیع بین میخ‌ها به راحتی توسط خاکستر ریز مسدود نمی‌شوند و می‌توانند گاز دودکش را برای ایجاد تلاطم هدایت کنند و انتقال جرم را افزایش دهند. ساختار جوش داده شده قوی آن نیز برتر از باله‌های آسیب‌پذیر پیچیده یا تعبیه‌شده است، و آن را برای محیط‌های با سرعت بالا و گرد و غبار زیاد مناسب‌تر می‌کند.
  3. میخ‌های جوش داده شده به‌طور موثر پشتیبانی شعاعی را به لوله اضافه می‌کنند و مقاومت لوله را در برابر لرزش و نوسان در داخل گاز دودکش بهبود می‌بخشند.

در محدوده دمایی 580-650 درجه سانتی‌گراد، که برای راندمان نیروگاه حیاتی است، استحکام آن در دمای بالا بسیار بیشتر از فولادهای کم آلیاژ ارزان‌تر مانند P22 است، در حالی که هزینه آن به‌طور قابل توجهی کمتر از فولادهای ضد زنگ آستنیتی پیشرفته مانند TP347H است. این مقرون‌به‌صرفه‌ترین و قابل‌اعتمادترین انتخاب مواد بالغ برای دستیابی به فناوری فوق‌فوق بحرانی درجه 600 درجه سانتی‌گراد است.
عملکرد عالی خستگی حرارتی آن، دیگ‌های بخار مجهز به چنین سطوح گرمایشی را قادر می‌سازد تا بهتر با راه‌اندازی/خاموشی‌های مکرر و چرخه‌های بار عمیق سازگار شوند، که برای شبکه‌های برق با سهم فزاینده انرژی تجدیدپذیر حیاتی است.