چکیده:

یاتاقانها از جمله قطعات حساس توربین گازی می باشند که حین سرویس تحت آسیب های مختلف نظیر سایش ،خستگی و لهیدگی قرار میگیرند. عملکرد نادرست بیرینگ ها عمده ترین دلیل ایجاد مشکل در تجهیزات دوار مانند پمپ ها، کمپرسورها و توربین های گازی میباشد.با توجه به اهمیت کاری توربین ها  و همچنین به خاطر ایجاد پیامدهای جدی ناشی از حادث شدن چنین عیوبی، دانش شناخت مکانیزم شکست و واماندگی بیرینگ و علل ایجاد آن منجر به شناخت راه هایی برای جلوگیری از به وجود آمدن آنها میگردد.  در این مقاله عیوب ایجاد شده در یاتاقان های بابیتی از جمله ژورنال و تراست بیرینگ ها استفاده شده در توربین های گازی مورد بررسی قرار گرفته وتاثیر آنها بر روی عملکرد توربین مورد بحث قرار گرفته است.پس از شناخت عوامل و آثار عیوب ها، ارتباط این موارد به صورت ماتریس آورده شده است. 

واژه ها ی کلیدی:بیرینگها- توربین های گازی- عیوب – عملکرد.

مقدمه:

به طور کلی میتوان عیوب تاقان ها را به دو حالت کلی قبل از راه اندازی توربین و بعد از راه اندازی توربین تقسیم بندی نمود. عیوب قبل از راه اندازی عمدتا ناشی از مشکلات ناشی از طراحی ، ساخت، کنترل ،مونتاژ و تست بوده و خرابی های بعد از راه اندازی مربوط به مشکلات به وجود آمده از در هنگام راه اندازی، متریال، سایش، ارتعاش، کاهش میزان روغن، وجود آلودگی در روانکارها و غیره می­باشد[1].

تخریب یاتاقانها یکی از دلایل عمده در توقف­هاي پیش ­بینی نشده­ ي تجهیزات دوار است. بررسی­ها نشان می­دهد که روغن آلوده، از کار افتادگی سیستم تامین روانکار و لرزش روتور عمده ­ترین دلایل تخریب یاتاقانهاي ژنراتور توربینها هستند. به طور کلی می­توان انواع تخریب یاتاقانها را به شانزده گروه کلی تقسیم ­بندي کرد که از بین این عیوب خراشیدگی توسط ذرات خارجی، سائیدگی و خوردگی از دلایل رایج تخریب یاتاقانها هستند. برخی از دلایل ایجاد خوردگی وجود ترکیبات سولفور، اسیدهاي آلی، آب داخل روغن و نفوذ عوامل خورنده خارجی هستند. به علاوه دماي بالا، رطوبت زیاد، حباب­دار شدن و ورود هوا به روغن (ایجاد پدیده کاویتاسیون)، استفاده طولانی مدت از یک روغن به تشدید خوردگی منجر می­شوند. دلایل ایجاد خراشیدگی را می­توان روانکار آلوده محیط آلوده، تشکیل ذرات گرد و غبار و سایر آلودگیهاي تجهیزات، عایق­بندي ناکافی، ضخامت بسیار کم روانکار و سطح ناصاف ژورنال دانست. در کنار این دلایل، می­توان حرارت­ دهی بیش از حد، کمبود روغن، هندسه­ ي نامناسب یاتاقان، منابع حرارتی خارجی، جابجایی، اعمال بار زیاد روي یاتاقان، ناپایداري یا ارتعاشات زیاد، بارگذاري ناگهانی، ویسکوزیته بسیار پائین روغن را عمده­ ترین دلایل ایجاد سائیدگی دانست[1و2].

عیوب یاتاقانهای توربین گازی

خرابی (عیب) عبارت است از هرگونه عیب و نقص قابل مشاهده بر روی بیرینگ که منجر به ایجاد مشکل در عملکرد تریبولوژیکی آن می­گردد. علل عیوب نیز رویدادهایی است که باعث ایجاد عیوب می­شود. شواهد عیوب عیوبی که با چشم دیده شده و بنا به دلیل خاص یا مجموعه ای از دلایل حادث شده ­اند. همانطور که اشاره شد، عیوب­ متداول در یاتاقان­ها عبارتند از خوردگی، انواع ساییدگی، ترک و جداشدن پوشش از فلز پایه ناشی از خستگی و فرسایش. بعد از شناسایی عیوب، مرحله منطقی بعدی تعیین دلیل شکست می‌باشد. این احتمالا چالش انگیزترین بخش این رویه است، زیرا چندین دلیل مختلف و مشترک می‌تواند منجر به ایجاد نوع مشخصی از عیوب شوند، در حالی‌که گاهی نشانه‌ها مربوط به نوع خاصی از عیوب هستند. معمولا قبل از آنکه بتوان دلیل مشخصی از شکست را بیان نمود، باید اطلاعات مورد نیاز را از شرایط ثبت شده تجهیزات، شرایط راه اندازی، تجربیات گذشته و حال و سایر شواهد جمع ­آوری نمود. نوع عیوب را می­توان از شواهد و آثار آن بررسی کرده و پیدا کرد[1و2].

انواع شواهد و آثار عیوب

ویژگی­های عیوب در حقیقت شرح آنچه در عیوب اتفاق می­افتد، بر اساس ترکیبی از شواهد آن است. در ادامه مهمترین عیوب و آثار آنها شرح داده شده است.

تغییر شکل خزشی: شامل تغییر شکل پلاستیک بدون ایجاد ترک در لایه پوشش بیرینگ در جهت چرخش آن است. تغییرشکل خزشی در اثر فشار زیاد ایجاد و با افزایش دما افزایش می­یابد. لایه‌های بابیتی معمولا تحت تاثیر این مورد قرار گرفته مگر اینکه با عناصر خاصی سخت شده باشند. ایجاد تحدب باعث کاهش لقی و جریان روانکار و ساییدگی می­گردد (شکل1)[1].

ترک ناشی از تکرار چرخه­ های دمایی:  دماهای بالا در چرخه‌های دمایی باعث می­شود که لایه پوشش با پایه قلع (بخصوص زمانیکه مواد ناهمگن و شامل زمینه نرمی باشد که در آن ذرات سخت نفوذ کرده­ اند) نتواند در مقابل چرخه‌های دمایی مقاومت کند و ترک‌هایی در مناطق مرزی ایجاد می­شود. این ترک­ها به شکل یک مسیر غیرمستقیم و به صورت آماس کردن (ورم کردگی) خطی در این مسیر دیده می­شود (شکل2) [1].

ترک ناشی از خستگی: ترک‌های خستگی ناشی از استحکام خستگی بیش از حد مواد است. این ترک ها از سطح پوشش شروع شده و به صورت عمودی در داخل پوشش به سمت محل اتصال دو جنس پیشروی می­کند. در نتیجه ترک­های مجاور هم با هم برخورد کرده و منجر به لایه لایه شدن پوشش و شکافدار شدن آن می‌شود. قطعات جدا شده تا زمانی‌که بیرینگ در محل خود نصب است به همان صورت باقی مانده ولی با باز کردن بیرینگ،تکه‌های پوشش به روغن و شفت توربین می‌چسبند. ظاهر این عیوب مشابه عیوب کاویتاسیون و ترک‌های ناشی از چرخه دمایی است. بازرسی دقیق قطعه خستگی را به صورت شعاعی در محل اتصال پوشش در طول ضخامت پوشش نشان می­دهد(شکل 3و 4). ارتعاشات بیش از حد توربین باعث ایجاد خستگی در قطعه می‌شود[1].

خوردگی اصطکاکی: در سطح تماس بین هوزینگ و پشت‌بند بیرینگ وقتی که به طور مناسب باهم جفت نشده باشند، ایجاد می­شود. حرکت کوچک این دو نسبت به هم باعث گیرکردن دو قطعه شده و رد تیره رنگی روی سطح باقی می‌گذارد. بعد از پیشروی عیوب، یک قشر به صورت جوش خوردگی قابل مشاهده است. این عیب معمولا در قسمت بیرونی بیرینگ با بلند شدن لایه پوشش از روی فلز پایه در اثر خستگی رخ می­دهد (شکل5) [1و3].

ذوب شدن: این عیب به صورت واضح روی سطح قابل مشاهده است. در ژورنال بیرینگ­ها مواد ذوب شده جامد شده و باعث ایجاد خراش در جهت چرخش می­شوند. بدون شک متالوگرافی این قطعه تفاوت شبکه بلوری را در محل ایجاد خراش نشان می­دهد(شکل6) [1].

براق شدن سطح و وجود خط و خش: زمان کوتاهی پس از شروع به کار دستگاه تاثیر بار بیش از حد روی لایه پوشش دیده می­شود. این اثر به صورت عیوب در استارت و استپ­ های مداوم دستگاه ایجاد می­شود. در اصل این یک نوع سایش است که به صورت براق شدن سطح نسبت به سایر مناطق بیرینگ پدیدار می­شود و در عملکرد بیرینگ تاثیر منفی ندارد. درصورتی که این ناحیه به صورت نامتقارن دیده شود نشانه‌ای برای عدم هم مرکز بودن شفت و بیرینگ است. در زمان تماس ممکن است ذرات بسیار ریزی در جهت چرخش ایجاد شود که منجر به ایجاد خط و خش سطحی روی سطح پوشش شده که معمولا در عملکرد آن بی تاثیر است(شکل7و8) [1و3].

سایش: روانکاری مختلط یا جزیی در لیه انتهایی نشانه ای از وجود سایش است. وقتی ژورنال بیرینگ در شرایط روانکاری مختلط کار می‌کند، بیرینگ و شفت توربین ناهم محور می­باشند. در منطقه بیشترین بار در امتداد سطح و با کاهش شکاف روغنکاری اثرات سایش به طور یکنواخت توزیع شده است. علل ایجاد این عیب می‌تواند بار بالا، دمای کاری بالا، کاهش روغن، ویسکوزیته کم روانکار یا هرگونه آلودگی با ذرات باشد. نشانه­ های ایجاد روانکاری مختلط در منطقه دور از محل بارگذاری نشان دهنده انحراف ابعادی قطعه است(شکل9) [1و3].

ذرات نفوذ یافته در پوشش: ذراتی که در پوشش نفوذ می­کنند باعث ایجاد خراش در جهت حرکت می­شوند. بررسی متالوگرافی نوع ذرات را مشخص می­کند(شکل10) [1و3].

خوردگی کاویتاسیون: کاویتاسیون ایجاد شده در روانکار در اثر ایجاد حباب در داخل روانکار می‌شود. کاهش فشار منجر به ترکیدن این حبابها در سطح قطعه می شود. عیوب باعث از بین رفتن بیشتر و بیشتر لایه پوشش می‌شوند. ظاهر این عیب شبیه ترک های ناشی از دما به نظر می‌رسد با این تفاوت که فرسایش کاویتاسیون علامت خرابی دیگری ندارد این عیب بیشتر در ژورنال بیرینگ­ها و گاهی نیز در تراست بیرینگ‌ها ایجاد می‌شود. همانطور که در شکل نشان داده شده این عیب به صورت نوک پیکان و در خلاف جهت چرخش دیده می‌شود(شکل11).

جدا شدن پوشش: عوامل مختلفی ممکن است باعث جداشدن پوشش شود. خستگی باعث جدا شدن پوشش می شود. تاول زدن نیز ممکن است باعث ایجاد این پدیده شود. تاول زدن بخصوص در پوشش دهی با روش پاشش حرارتی دیده می شود. استحکام پایین پوشش و عیب در اتصال موجب جدا شدن پوشش می‌شود(شکل12) [1و3].

در هنگام بابیت ­ریزی قطعه، در صورتیکه قلع زنی قبل از بابیت­ ریزی انجام نشود، خستگی اتفاق می­افتد. این مورد در شکل 13 نشان داده شده است در محل وجود نقص خوردگی سطحی در فلز پایه مشاهده می­شود[1و3].

علل عیوب:

علل عیوب، توصیف آنچه درضمن عیوب رخ می­دهد بر اساس ترکیبی از شواهد عیوب است. از علل عیوب ایجاد شده در یاتاقانهای توربین­های گازی می­توان به: پیش ­باری استاتیکی و دینامیکی، سایش توسط اصطکاک، افزایش دمای بیش از حد، کاهش میزان روغن، آلودگی، خوردگی کاویتاسیون و واماندگی اتصال اشاره نمود.

بیش ­باری استاتیک: شواهد مربوط به این دلیل تغییر شکل خزشی، شواهد روانکاری ترکیبی با مقداری سایش، ایجاد رسوب و ترک­های ناشی از دما است. بیرینگ بخصوص در زمان شروع به کار دستگاه و در زمان پیش بارگذاری بیش از ظرفیتش بارگذاری می­شود. دمای بالای ناگهانی ظرفیت تحمل بار را کاهش می­دهد. بیش باری استاتیک باعث کاهش لقی روانکاری شده و این عامل دما را افزایش می­دهد. در این شرایط تغییر شکل خزشی و روانکاری ترکیبی می­گردد. در ادامه نیز رسوب کربن و روغن و ترکهای ناشی از دمای بالا ایجاد می­گردد.

بیش ­باری دینامیک: آثار این علت عیوب شامل ترک­های خستگی، و خوردگی اصطکاکی بین قطر بیرونی بیرینگ و هوزینگ است. بیرینگ در شرایطی بیشتر از ظرفیت بار دینامیکی کار کند. افزایش دما به صورت غیرعادی ظرفیت بار را کاهش می­دهد. طراحی بدون انطباق صحیح پوسته بیرینگ و هوزینگ باعث فزایش تغییر شکل خمشی لایه پوشش و بدنه  شده و استحکام خستگی آن را کاهش می_­دهد. در این شرایط خوردگی اصطکاکی به وضوح قابل دیدن است. در شرایط بار دینامیکی بیش از حد لایه پوشش در لبه ها از بیرینگ جدا می­شود.

سایش توسط اصطکاک: آثار این دلیل عیوب صیقلی شدن، خط و خش و روانکاری ترکیبی است (مشابه تماس فلز-فلز). استارت و استپ­ های مکرر روانکاری ترکیبی را ایجاد می­کند. سرعت دوران پایین و بار بالا باعث به طول انجامیدن این شرایط می­شود. سایر علل سایش اصطکاکی شامل انحرفهای ابعادی، تغییر شکل شفت و تغییر شکل هوزینگ است.

افزایش دمای بیش از حد: از آثار این علت می­توان تشکیل رسوب، تغییر شکل خزشی، ترک­های ناشی از دما و روانکاری ترکیبی را نام برد. دمای اطراف بیرینگ توسط چرخش روانکاری از آن دور می­شود. اگر گرما حذف نشود، بیش از حد افزایش می­یابد.

کاهش میزان روغن: کاهش میزان روغن توسط آثار عیوب از قبیل روانکاری ترکیبی، ذوب شدن لایه پوشش، تغییر رنگ به سیاه و آبی قابل مشاهده است. در صورتیکه میزان روانکار برای کارکرد هیدرودینامیکی کافی نباشد، دما به طور پیوسته بالا رفته و ادامه این حادثه باعث کار بیرینگ در شرایط بدون روغن است.

آلودگی: این علت عیوب دارای ظواهری مانند تشکیل رسوب، ایجاد خط و خش، خوردگی، فرسایش و نفوذ ذرات است. این ذرات به دو دسته تقسیم می­شوند ذرات خارجی و شیمیایی. این ذرات ممکن است قبل از شروع به کار دستگاه و سهواً وارد تجهیز شوند. ذرات معمول تراشه مته، آخال جوشکاری، کهنه تمیزکاری، شن و ماسه ریخته­ گری، شن و ماسه موجود در جریان هوا هستند. ایجاد خوردگی به این صورت است که ذرات فلز در پوشش نفوذ کرده و باعث تغییر شیمیایی آن و تسریع در خوردگی شود. ذرات سخت اکسید باعث ایجاد خط روی شفت می‌شود در حالتی که سرعت بالا باشد این عیوب شدید­تر است. بعضی از این ذرات ناشی از عملکرد خود ماشین هستند مثل ذرات ناشی از سایش بیرینگ، شفت، دندانه چرخ دنده، رینگ پیستون و رنگ پوسته شده. فیلتر و درزگیری نامناسب باعث ورود ذرات سیمان و ماسه دانه­ ریز گردد. آلودگی­های شیمیایی شامل رسوبات اسیدی تشکیل شده در محفظه احتراق موتور یا آمونیاک موجود در گاز آمونیاک کمپرسور باشد. آلودگی ناشی از استفاده از شفت ساخته شده از فولاد آستنیتی شامل کروم باعث ایجاد آلودگی می­شود. شکل 14 نشان دهنده بروز عیب ناشی از افزایش دما در ناحیه نفوذ ذرات فلز در پوشش بیرینگ است.

خوردگی کاویتاسیون: آثار این عیوب خوردگی بوده و این اثر در مقایسه با ترکهای ناشی از دما که با سایر آثار عیوب همراه است و ترکهای ناشی از خستگی که به صورت شعاعی در امتداد حاشیه لایه دیده می‌شود، منحصر به فرد است. وجود مقدار آب در روانکار بیشتر از 2/0 درصد باعث ایجاد کاویتاسیون می‌گردد. این عیوب در سطح بارگذاری نشده بیرینگ دیده می­شود(زمانی که شفت از بیرینگ دور شود) این عیب در اثر منشعب شدن لایه روانکار در سطح بیرینگ و کاهش فشار در آن ایجاد می­گردد. این نقص در بابیت‌های پایه سرب بیشتر از بابیت‌های پایه قلع مشاهده می‌گردد.

واماندگی اتصال: اثر این عیوب جدا شدن لایه پوشش بیرینگ است. در حاشیه و لبه های محل اتصال، احتمال کاهش دما ریخته­ گری در زمان ساخت وجود دارد که باعث واماندگی اتصال می­شود اما در اغلب موارد به صورت موضعی بوده و می‌توان با عملیات حرارتی صحیح با فرآیند لحیم کاری تعمیر گردد. وضعیت زمانی که تست آلتراسونیک میزان کثیری از عیوب روی سراسر بیرینگ مشخص شود متفاوت است. این مورد استحکام اتصال ضعیف را نشان می­دهد[1و3].

نتيجه‌گيري

در این مقاله عیوب ایجاد شده در یاتاقانهای توربینهای گازی بررسی و عوامل موثر بر آنها مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. سپس ماتریس ارتباط آثار و عوامل خستگی معرفی و بررسی شد. به نظر می­رسد صحبت در خصوص آثار عیوب و علل آن عموماً گیج کننده است. اکثر آثار عیوب با علل مختلفی در ارتباط هستند و علاوه بر این آثار عیوب اولیه و ثانویه در مورد هر علت وجود دارد.

جهت بررسی یاتاقان و علت­ یابی عیوب می­توان از روش­هایی مثل رپلیکا، آنالیز روغن جهت تعیین خواص، کیفیت و ترکیب شیمیایی روانکار، آنالیز پسماندها و بررسی­هاي میکروسکوپی سطح یاتاقانها استفاده کرد. به این مسئله باید توجه کرد که تعیین دلیل اصلی تخریب بسیار مهم است، زیرا ممکن است آسیبی در یاتاقان ایجاد شود که اثر آن به تخریبی دیگر منجر شده و آثار اولیه و اصلی تخریب را بپوشاند. پس باید از روش صحیح و دقت کافی جهت تعیین دلایل آسیب استفاده کرد