عوامل خوردگی کوره دیگ بخار

کوره ها و دیگ های بخار در کلیه صنایع از جمله صنایع نفت یکی از ادوات کلیدی هستند که بیش از هر قسمت دیگر در معرض اختلال، توقف و یا شرایط خطرناک و ناایمن قرار دارند. از این رو بررسی عامل خوردگی کوره دیگ بخار حائز اهمیت است.

بروز اشکال، منجر به از سرویس خارج شدن آنها می شود و کل سیستم عملیاتی به اجبار متوقف شده و از مدار تولید خارج می شود.

علاوه بر این، هزینه های فراوانی را (که با توجه به واحد مربوطه میزان آن متفاوت است) بایستی جهت رفع مشکلات بوجود آمده و به کار اندازی سیستم متحمل شد. هم چنین با توجه به نیاز بازار و کاهش مواد تولیدی توقف تولید طی این مدت ضمن کاهش بهره برداری از سیستم ممکن است مشکلات اقتصادی و اجتماعی را نیز به همراه داشته باشد.

 

چه بخش هایی از کوره بخار در معرض خوردگی قرار دارند؟

یکی از مشکلات اساسی که می تواند باعث بروز مشکل برای کوره ها باشد، خوردگی در نقاط و وسایل مختلف آن است که ضمن هدر رفتن مقدار زیادی انرژی، آسیب های مکانیکی متعددی به کوره وارد می کند.

از آنجا که هر کوره از بخش های متعددی همچون بدنه، اطاقک احتراق (Fire Chamber)، دودکش، مشعل و سایر تجهیزات جانبی تشکیل شده، لذا علل خوردگی و راه حل های پیشنهادی در هر یک از بخش ها به منظور برطرف کردن عامل خوردگی کوره دیگ بخار به طور مجزا مورد بحث و بررسی قرار می گیرد.

•  بدنه کوره

معمولاً بدنه یا دیواره خارجی کوره ها را از ورقه استیل ۱۶/۳ و کف آن را از ورقه ۴/۱ می سازند.

در طراحی ها عموماً اتلاف حرارتی از بدنه کوره حدود ۲ درصد منظور می شود. نوع و ضخامت عایق کاری بدنه داخلی کوره باید طوری در نظر گرفته شود که دمای سطح خارجی کوره بیش از (۱۸۰۰° F ) نشود.

اصولاً عایق کاری و عایق های به کار رفته در کوره ها از نظر سرویس دهی مناسب، عمر معینی دارند و به مرور زمان ساختمان کریستالی آنها تغییر یافته و ضخامت آنها کم می شود و این تغییرات ساختمانی سبب تغییر ضریب انتقال حرارت و اتلاف انرژی به بیرون خواهد بود. مطالعات میکروسکپیک و کریستالوگرافیک چند نمونه عایق کار کرده، با نوع تازه آن موید این مطلب است.

• ترک عایق دیواره های کوره

در صورتی که عایق دیواره های کوره بر اثر بنایی ناصحیح، عدم انجام صحیح Curing بر مبنای دستورالعمل، حرارت زیاد و یا شوک های حرارتی ترک بردارد، نشت گازهای حاصل از احتراق که عبارتند از: So x ، No x، N۲،Co۲ (درصورتی که نفت کوره به عنوان سوخت مصرف شود) و بخار آب در لابلای این ترک ها و تجمع آنها در لایه بین بدنه کوره و عایق دیواره و سرد شدن تدریجی آنها تا دمای نقطه شبنم، باعث خوردگی بدنه می شود.

تداوم این امر ضمن اتلاف مقدار بسیار زیاد انرژی (از طریق بدنه کوره به محیط اطراف)، باعث ریختن عایق و در نتیجه اتلاف بیشتر انرژی و گسترش خوردگی بر روی بدنه کوره و سایر نقاط آن خواهد شد.

در یک بررسی ساده بر روی کوره ای که چندین سال از عمر عایق آن می گذشت ملاحظه شد که دمای اندازه گیری شده واقعی سطح کوره در اکثر نقاط بسیار بیشتر از میزان طراحی است. این مقدار در بعضی از موارد به (۱۸۰۰° F) نیز می رسید.

• گرم شدن بدنه عامل خوردگی کوره دیگ بخار

در این کوره ضمن جدا شدن عایق از دیواره کوره و گسترش خوردگی در نقاط مختلف بدنه، گرم شدن بدنه کوره نیز موجب خم شدن دیواره ها شده و سرعت خوردگی را افزایش داده و باعث خرابی قسمت های مختلف کوره شده است.

به طور کلی برای جلوگیری و یا رفع عامل خوردگی کوره دیگ بخار لازم است به هنگام تعمیرات اساسی ضمن توجه به عمر عایق دیواره در صورتی که عمر آنها از حد معمول گذشته باشد

(البته با توجه به درجه حرارتی که درهنگام کار کردن واحد درمعرض آن بوده اند) آنها را با عایق مناسب و استاندارد تعویض کرد و در صورت وجود ترک (قبل و یا بعد از بنایی)، محل ترک ها را با الیاف مخصوص KAOWOOL پر کرد.

همچنین در بنایی، عملیات Curing را مطابق دستور العمل انجام داد تا پیوند هیدرولیکی در عایق های بکار رفته در بنایی، به پیوند سرامیکی تبدیل شده و میزان رطوبت باقیمانده در دیواره از ۰.۴ gr/m۲ بیشتر نشود.

البته چنانچه Ceramic Fiber (الیاف سرامیکی) به عنوان عایق دیواره کوره مورد استفاده قرار گیرد، بدلیل عدم نیاز به Curing و Drying و سبکی وزن، مشکلات احتمالی استفاده از عایق های نیازمند به Curing را نخواهیم داشت. ضمن این که عمر بیشتر و چسبندگی بهتری به دیواره، نسبت به دیگر عایق های موجود دارند.

 

دلایل خوردگی دیگ بخار: تیوب ها یا لوله های داخل كوره

معمولاً كوره ها متشكل از دو بخش RADIATION و CONVECTION هستند كه بایستی ظرفیت گرمایی (DUTY) كوره از نظر درصد، تقریباً به نسبت 70 و 30 درصد بین این دو بخش تقسیم شود.

از آنجا كه لازم است سیال به اندازه دمای مورد نظر گرم شود بایستی حرارت مورد نیاز خود را از طریق هدایتی از لوله ها و تیوب های داخل كوره دریافت كند، این لوله ها نیز حرارت

مورد نیاز برای این انتقال حرارت را از طریق تشعشعی و جابجایی در اثر احتراق سوخت در داخل كوره جذب می كنند.

انتخاب آلیاژ مناسب جهت لوله با توجه به نوع سیال و تركیبات آن و میزان حرارت دریافتی توسط لوله و در معرض شعله قرار گرفتن از اهمیت بسزایی برخوردار است.

 

مسائلی كه به بروز مشكلاتی برای تیوب‌ها منجر می شود عبارتند از:

• سرد و گرم شدن ناگهانی لوله، گرم شدن بیش از حد لوله و بالا رفتن دمای تیوب از حداكثر مجاز آن، در معرض شعله قرار گرفتن و برخورد شعله به لوله (impingement)،سرد و گرم شدن ناگهانی لوله، ممكن است به Creeping (خزش) كه نتیجه آن ازدیاد قطر لوله می باشد منجر شود كه در این صورت احتمال پارگی لوله و شكنندگی آن را افزایشم می دهد. چنانچه در اثر Creeping مقدار ازدیاد قطر از 2 درصد قطر خارجی لوله بیشتر شود، لوله مزبور بایستی تعویض شود.
• ایجاد یك لایه كُك بر روی جداره داخلی لوله، Carborization، Hogging، Bending، Bowing، Sagging، Creeping
• خوردگی جداره داخلی لوله بر اثر وجود مواد خورنده در سیال عبوری
• خوردگی جداره بیرونی لوله در اثر رسوبات حاصل از احتراق سوخت مایع بر روی جداره خارجی لوله
• كاركرد لوله بیش از عمر نامی آن (80 هزار الی 110 هزار ساعت)

برای تیوب “8

OD = 8.625 (اصلی)

OD = 8.75 (اندازه گیری شده)

(OD = (0.125 (افزیش قطر لوله)

(OD ALLOWABLE = (8.625×2%=0.1725

هنوز می توان از تیوب مزبور استفاده كرد.

برای تیوب “6

OD = 8.625 (اصلی)

OD = 8.675 (اندازه گیری شده)

(OD = (0.05 (افزایش قطر لوله)

(OD ALLOWABLE = (6.625×2%=0.1325

كه هنوز می توان از تیوب شش اینچی مزبور استفاده كرد.

همان طور كه مشخص است تیوب 8 حدوداً بیش از دو برابر تیوب 6 ازدیاد قطر داشته است.

برای لوله “6

كوره H-101 (اتمسفریك)

OD =6.625 (اصلی)

OD = 6.635 (اندازه گیری شده)

OD =0.01 (اندازه قطر لوله)

(OD ALLOWABLE = (6.625×2%=0.1325

 

بالا نگه داشتن دمای پوسته تیوب ها سبب كاهش مقاومت لوله ها و كاهش عمر مفید و گارانتی حدود یكصد هزار ساعتی آنها می شود. تجربه نشان داده است كه اگر به مدت 6 هفته سطح خارجی (پوسته) لوله ای 900°C بیش از مقدار طراحی در معرض حرارت قرار بگیرد، عمر تیوب ها نصف می شود.

 

یكی دیگر از مشكلات پیش آمده برای لوله ها، برخورد شعله به لوله (IMPINGEMENT) است، كه باعث OVER HEATING كوره و در نهایت HOT SPOT می شود. این امر می تواند ضمن لطمه زدن در محل برخورد شعله به لوله، باعث تشدید عمل كراكینگ مواد داخل لوله شود و مواد مزبور به دو قسمت سبك و سنگین تبدیل گردند.

 

مواد سنگین به جداره داخلی لوله چسبیده و كك ایجاد می كنند. به ازای تشكیل یك میلی لیتر ضخامت كك با توجه به ضریب هدایتی كك كه برابر مقدار خاصی می باشد برای یك شارژ حرارتی معمول در قسمت تشعشعی كوره H-101 (اتمسفریك) می باشد، معادل فرمول زیر است:

می بایستی 300C دمای پوسته تیوب بالاتر رود تا سیال موجود در تیوب به همان دمای موردنظر برسد. در این صورت ملاحظه می شود بالا رفتن دمای تیوب به چه میزان اتلاف سوخت و انرژی، داشته و به طور كلی به مرور زمان چه لطمه ها و آسیب هایی به كل كوره وارد می شود.

 

به عبارت دیگر اختلاف دمای پوسته تیوب های كوره كه در طراحی عموماً 1000F بالاتر از دمای متوسط سیال درون آن در نظر گرفته می شود به مرور زمان با تشكیل كك (با رسوبات بیرونی) بیشتر می شود.

 

مشكل دیگر كه به علت دمای بالا برای تیوب های كوره ها ایجاد می شود، خمیدگی در جهت های مختلف این تیوب هاست.
یكی دیگر از مسائلی كه باعث خم شدن و شكستگی لوله ها می شود پدیده كربوریزیشن (carborization) است كه بر اثر تركیب كربن با آهن پدید می آید:

این واكنش كه باعث تولید كربور آهن خواهد شد در دمای بالاتر از 7000C ایجاد می‌شود (C7000 تا C14000). این حالت عمدتاً در زمان Curing و drying كوره پدید می آید. البته Hot spot نیز بیشتر در این زمان ها اتفاق می‌افتد.

 

اطاقک احتراق

وجود ناخالصی های مختلف مثل فلزات سدیم، وانادیم، نیكل و غیره، فلزاتی مثل گوگرد و ازت به صورت تركیبات آلی در سوخت های مایع، مسائل عدیده ای را باعث می شوند، كه از آن جمله كاهش انتقال حرارت از طریق سطح خارجی تیوب به سیال درون تیوب است كه به علت تشكیل رسوبات مربوط به ناخالصی های مزبور بخصوص رسوبات فلزی بر روی تیوب هاست.

به همین دلیل برای رسیدن به دمای مورد نظر سیال موجود در لوله، مجبور به مصرف سوخت بیشتر خواهیم شد. در نتیجه مشكلات ایجاد گرمای بیشتر در كوره و مسائل زیست محیطی در اثر تشكیل SOX، NOX و … را خواهیم داشت. از طرفی به دلیل نشست این رسوب ها بر روی تیوب ها مسئله خوردگی و سوراخ شدن پیش خواهد آمد.

 

علت خوردگی با سوخت مایع ناخالص

علت این خوردگی كه از نوع High temp corrosion می‌باشد پدیده سولفیدیش است، كه در دماهای بین 630°C تا 700°C به وقوع می پیوندد. همان طور كه گفته شد علت اصلی آن وجود عناصر وانادیم، گوگرد، سدیم و نیكل به همراه گازهای حاصل از احتراق سوخت است.

فلزات ذكر شده (بصورت اكسید) به كمك این گازها بالا رفته و بر روی تیوب های قسمت تشعشع و جابه جایی می نشینند. خوردگی و سوراخ شدن تیوب، بر اصل اكسید شدن و تركیب عناصر مزبور با آلیاژ تیوب استوار بوده كه باعث ایجاد تركیبات كمپلكس با نقطه ذوب پایین می شود.

تركیب اولیه پس از Na2SO4، سدیم وانادیت به فرمول Na2O6V2O5 است كه نقطه ذوب آن 6300C می باشد. عمده تركیبات دیگر كه شامل كمپلكسی از تركیب پنتا اكسید وانادیم و سدیم است در شرایطی به مراتب ملایم تر و درجه حرارتی پایین تر ذوب می شوند.

برای مثال مخلوط وانادیم و انادیت سدیم به فرمول Na2OV2O411V2O5 و متاوانادات سدیم به فرمول Na2OV2O5 در 5270C ذوب می شوند. ذوب این كمپلكس ها شرایط مساعدی را برای تسریع خوردگی بوجود می آورد.

در اینجا تركیبات حاصل از احتراق نه تنها به نوع ناخالصی بلكه به نسبت آنها نیز بستگی كامل دارد و در مورد وانادیم میزان سدیم از اهمیت خاصی برخوردار است.

البته سدیم وانادیل وانادیت پس از تولید و ذوب شدن، با فلز آلیاژ مربوط به تیوب، تركیب شده و بر اثر سیال بودن از سطح آلیاژ كنار رفته و سطوح زیرین تیوب مربوطه در معرض تركیب جدید قرار می گیرد. ادامه این وضع به كاهش ضخامت تیوب و در نهایت سوراخ شدن و از كار افتادن آن منجر می شود.

 

مشعل ها و سوخت

نقش كیفیت نوع سوخت و نوع مشعل ها شاید از همه عوامل یاد شده در كاركرد مناسب، راندمان بیشتر و كاهش خوردگی بیشتر برخوردار باشد.

چنانچه از مشعل های Low excess air و یا نوع مرحله سوز (stage burning) استفاده شود، هوای اضافی مورد نیاز به میزان قابل توجهی كاهش یافته و به حدود 3 و 5 درصد می رسد كه ضمن كاهش و به حداقل رساندن گازهای خورنده و مضر زیست محیطی مثل NOx، Sox، در بالا بردن راندمان كوره بسیار موثر خواهد بود.

این امر باعث كاهش مصرف سوخت شده، و در نتیجه باعث كاهش گازهای حاصل از احتراق و آسیب رساندن به تیوب ها، بدنه كوره و دودكش ها خواهد شد. وضعیت عملكرد مشعل ها بایستی به طور مداوم زیر نظر باشد.

بدسوزی مشعل ها می تواند دلیل متضادی، همچون نامناسب بودن سوخت، عیب مكانیكی، كك گرفتگی سرمشعل و یا بالعكس، رفتگی و سائیدگی (Errosion) بیش از حد سر مشعل، كمبود بخار پودر كننده و … داشته باشد.

وجود مواد آسفالتی، افزایش مقدار كربن باقیمانده (carbon residue) ، بالا بودن مقادیر فلزات مثل سدیم، نیكل، وانادیم و هم چنین سولفور در سوخت مسائل متعددی را در سیستم احتراق ایجاد می كند كه این مسائل به طور كلی به دو دسته تقسیم می شوند.

 

الف – مسائل عملیاتی قبل از مشعل ها و احتراق:

این مسیل در اثر وجود آب و نمك ها و ته نشین شدن آنها در ذخیره سازی نفت كوره بوجود می آیند. در این رابطه عدم تخلیه مداوم مخزن ذخیره سازی، خوردگی و مشكلات ایجاد شده به طور خلاصه عبارتست از:
تشكیل لجن (sludge) در مخزن در اثر عدم استخراج كامل نفت كوره و آب، انباشته شدن لجن در فیلترها در اثر محصولات ناشی از خوردگی و پلیمریزاسیون هیدروكربورهای سنگین به علت اثر كاتالیزوری محصولات ناشی از خوردگی، انباشته شدن لجن و صمغ های آلی در گرم كننده سوخت، گرفتگی و خوردگی در نازل های پودر كننده نفت كوره (Atomizer).

 

ب – مسائل عملیاتی بعد از مشعل ها و احتراق

ایجاد خوردگی در مناطق گرم و سرد كوره ها و دیگ بخار، ایجاد رسوبات بر روی لوله های قسمت جابه جایی كوره و قسمت سوپرهیت دیگ بخار، كاهش ضریب انتقال حرارتی در اثر رسوبات و در نهایت افت راندمان حرارتی در اثر افزایش دمای گازهای خروجی حاصل از احتراق از دودكش كوره.
در اثر احتراق سوخت هایی كه داری مقادیر زیادی كربن باقیمانده و خاكستر باشند، مقادیر متنابهی رسوب در قسمت های جابه جایی كوره و یا قسمت سوپر هیت دیگ های بخار تولید می شوند.

این رسوبات به سختی در اثر عملیات دودزدایی از سیستم خارج می شوند. مسئله سازترین سوخت ها، سوخت هایی است كه در آنها نسبت وانادیم به سدیم 12Na كمتر از 10 باشد.

به غیر از مشكلات ایجاد شده توسط اكسیدهای سدیم و وانادیم، فلز نیكل نیز كه در سوخت وجود دارد با اكسیژن تركیب شده و اكسیدهای نیكل را به صورت رسوباتی بر روی لوله ها بوجود می آورد.

جلوگیری از ایجاد خوردگی توسط اكسیدهای وانادیم

برای جلوگیری از ایجاد خوردگی توسط اكسیدهای وانادیم و یا كاهش سرعت آن اقدامات زیر لازم است:

1. كاهش مقدار اكسیژن موجود در گازهای حاصل از احتراق، كه این مقدار اكسیژن را می توان با تنظیم مقدار هوای اضافی كوره یا دیگ بخار كنترل كرد و نسبت به كاهش آن اقدام نمود. در این حالت راندمان حرارتی به طور چشمگیری افزایش می یابد.
2. جلوگیری از تشكیل گاز So₃ (انیدرید سولفوریك) یا كاهش آن در اثر كاهش هوای اضافی از 35 درصد به میزان 10 درصد، كه در این صورت میزان تبدیل گاز انیدرید سولفورو (SO₂) نصف می شود.
3. افزایش نقطه ذوب رسوبات تشكیل شده در سطوح لوله ها، به طوری كه در شرایط عملیاتی موجود این رسوبات به نقطه ذوب خود نرسند. این امر با افزودن تركیبات منیزیم، به علت داشتن اختلاف پتانسیل شیمیایی زیاد و اورتووانادیم (3MGO-V2 O5) كه دارای نقطه ذوب بالایی هستند (حدود 1120°C)، میسر می شود.
4. مناسب ترین روش جلوگیری از خوردگی بواسطه وجود ناخالصی های موجود در سوخت مایع، استفاده از سوخت های گازی و بخصوص گاز طبیعی است كه ضمن داشتن صرفه اقتصادی، با یك سرمایه گذاری اولیه به نسبت كم می توان مشكلات خوردگی ذكر شده را به شدت كاهش داد.

برآورد اقتصادی بازگشت سرمایه در تعویض سوخت مایع و جایگزینی آن با سوخت گاز طبیعی

بر اساس برآورد اقتصادی انجام شده، تعویض سوخت مایع و جایگزینی آن با سوخت گاز طبیعی، پس از بیست ماه، بازگشت سرمایه گذاری را در پی خواهد داشت.

در عین حال گاز طبیعی مشكلات ذكر شده مربوط به مصرف سوخت مایع و هم چنین عدم مصرف بخار به عنوان بخار پودر كننده كاهش قابل ملاحظه مسائل زیست محیطی را به همراه دارد.

به واسطه مصرف سوخت مایع (تولید NOx، Sox)، به اندازه تفاضل قیمت جهانی سوخت گاز مصرفی و سوخت مایع، كه یا به فروش می رسد و یا به عنوان خوراك واحد RFCC مورد استفاده قرار می گیرد، سود عاید می كند.

 

تجهیزات جانبی

مهم ترین تجهیزات جانبی مورد استفاده در كوره ها را عموماً دوده زداها (SOOT BLOWERS) و آنالیزرها (O2 ANALAYZER) یا اخیراً (CO2 ANALYZER) تشكیل می دهند.
با استفاده روزانه از دوده زدا (یك بار در روز) در یك كوره ملاحظه شده كه بلافاصله 10C دمای سیال خروجی از كوره افزایش می یابد، به عبارت دیگر به میزان همان 10C اضافی، سوخت مصرفی كوره كاهش می یابد.

ضمن این كه تركیبات مضر و خطرناك كه هم باعث مسائل خوردگی می شوند و هم انتقال حرارت را كاهش می دهند، از روی لوله ها زدوده می شوند.

استفاده از سایر تجهیزات جانبی پیشگرمكن های هوا AIR PREHEATERS و لوازم بازیافت حرارتی از دودكش ها FORCED AND INDUCED FANS، و یا ECONOMIZER در دیگ های بخار باعث كاهش سوخت مصرفی و در نتیجه كاهش مشكلات ایجاد شده در كوره ها و دیگ های بخار می شود.

کنترل خوردگی آب در سیستم تولید بخار

کنترل رسوب و خوردگی لوله های درون کوره دیگ بخار

خوردگی در سرویس و نگهداری دیگ های بخار

سه عامل خوردگی در دیگ بخار

تصفیه و فرآوری آب جهت بویلرهای بخار – ایجاد خوردگی