Tua bin hơi nước là thiết bị phát điện cốt lõi, và hiệu suất ổn định và hiệu quả của chúng liên quan trực tiếp đến hiệu suất hoạt động và lợi ích kinh tế của các nhà máy điện. Là một thành phần quan trọng cho việc chuyển đổi năng lượng, việc lựa chọn, thiết kế và tối ưu hóa vật liệu cánh tua bin hơi nước càng trở nên quan trọng hơn. Các cánh tua bin không chỉ phải chịu được nhiệt độ và áp suất cao, quay với tốc độ cao và các trường dòng chảy phức tạp, mà còn phải có khả năng chống ăn mòn tốt, chống mỏi và đủ độ bền để đảm bảo hoạt động ổn định trong môi trường khắc nghiệt. Bài viết này sẽ bắt đầu với các vấn đề phổ biến và giải pháp cho việc lựa chọn và tối ưu hóa vật liệu cánh tua bin hơi nước.
1. Tua bin hơi nước là gì?
Tua bin hơi nước là một thiết bị quan trọng trong các nhà máy nhiệt điện. Nó làm quay máy phát điện để tạo ra điện bằng cách mở rộng hơi nước có nhiệt độ và áp suất cao. Đây là một cầu nối quan trọng để chuyển đổi hiệu quả năng lượng nhiệt của hơi nước thành năng lượng cơ học, trực tiếp quyết định hiệu suất chuyển đổi năng lượng và sự ổn định hoạt động của các nhà máy điện.
Tua bin hơi nước được cấu thành từ các bộ phận quay phức tạp và các bộ phận cố định. Các bộ phận quay chủ yếu bao gồm trục chính, cánh quạt và cánh tua bin, cùng nhau chuyển đổi chuyển động thẳng của hơi nước thành chuyển động quay. Các bộ phận cố định bao gồm xi lanh, vòi phun, con dấu hơi, vách ngăn, v.v., cung cấp các kênh và điều kiện cần thiết cho dòng chảy hơi nước và chuyển đổi năng lượng.
2. Tầm quan trọng của các cánh tua bin hơi nước
Các thành phần chuyển đổi cốt lõi: Cánh tua bin hơi nước là các thành phần cốt lõi trong quá trình chuyển đổi năng lượng. Hình dạng, vật liệu và hiệu suất của chúng trực tiếp quyết định hiệu suất và chất lượng của việc chuyển đổi năng lượng hơi nước thành năng lượng cơ học.
Môi trường hoạt động phức tạp: Môi trường hoạt động cho các cánh tua bin rất khắc nghiệt. Chúng phải chịu tác động của hơi nước có nhiệt độ và áp suất cao, cũng như sự xói mòn của các tạp chất, độ ẩm và các chất ăn mòn trong hơi nước. Ngoài ra, các cánh tua bin phải chịu lực ly tâm và rung động do quay với tốc độ cao. Những yếu tố này đặt ra yêu cầu cao đối với vật liệu, cấu trúc và quy trình sản xuất của các cánh tua bin.
3. Vấn đề phổ biến của tua bin hơi nước là gì?
Các vấn đề phổ biến với các cánh tua bin hơi nước bao gồm hư hỏng và gãy, ăn mòn và rỉ sét, và xói mòn nước. Những vấn đề này không chỉ ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của tua bin hơi nước, mà còn có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến an toàn của thiết bị và quy trình sản xuất. Do đó, một loạt các biện pháp phải được thực hiện trong quá trình thiết kế, sản xuất, lắp đặt, vận hành và bảo trì tua bin hơi nước để ngăn ngừa và xử lý các vấn đề này nhằm đảm bảo hoạt động an toàn và ổn định của tua bin hơi nước.
4. Phân tích nguyên nhân gây ăn mòn hoặc xói mòn cánh tua bin.
4.1 Ăn mòn axit
Trong khu vực ngưng tụ ban đầu của xi lanh áp suất thấp, các chất axit trong hơi nước (như carbon dioxide, sulfur dioxide, v.v.) được làm giàu trong nước ngưng tụ, dẫn đến giảm pH và ăn mòn các bộ phận kim loại. Sự ăn mòn này không chỉ làm giảm độ bền và tuổi thọ của các cánh tua bin, mà còn ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể và an toàn của đơn vị.
4.2 Ăn mòn oxy
Oxy hòa tan là một trong những yếu tố chính gây ra ăn mòn oxy. Nếu màng bảo vệ trên bề mặt cánh tua bin (chẳng hạn như màng oxit sắt) bị hư hỏng, oxy hòa tan sẽ phản ứng điện hóa với nền kim loại, gây ra sự kết tủa của các ion sắt và ăn mòn vật liệu. Ngoài ra, các yếu tố như pH, nhiệt độ, tải trọng và tốc độ dòng chảy cũng sẽ ảnh hưởng đến tốc độ và mức độ ăn mòn oxy.
4.3 Xói mòn nước
Trong điều kiện tải thấp, các giọt nước lỏng trong dòng hơi nước sẽ va đập vào bề mặt cánh tua bin, gây ra xói mòn nước. Xói mòn nước không chỉ phá hủy cấu trúc bề mặt của cánh tua bin, mà còn giảm khả năng chống mài mòn của nó, do đó đẩy nhanh quá trình hư hỏng của cánh tua bin.
5. Ưu điểm của hợp kim cobalt
5.1 Độ bền cao ở nhiệt độ cao và khả năng chống oxy hóa
Hợp kim cobalt có độ bền cao ở nhiệt độ cao và khả năng chống oxy hóa tuyệt vời. Tính chất này cho phép các cánh tua bin hợp kim cobalt chịu được tác động của hơi nước có nhiệt độ và áp suất cao trong tua bin hơi nước mà không bị biến dạng hoặc hư hỏng. Ưu điểm này rất quan trọng để cải thiện hiệu suất hoạt động và sự ổn định hoạt động của tua bin hơi nước.
5.2 Khả năng chống ăn mòn và mỏi
Hợp kim cobalt có khả năng chống ăn mòn và mỏi tốt. Trong môi trường làm việc khắc nghiệt của các cánh tua bin hơi nước, hợp kim cobalt có thể chống lại hiệu quả sự xói mòn của các chất ăn mòn trong hơi nước và kéo dài tuổi thọ của các cánh tua bin. Đồng thời, khả năng chống mỏi cao của nó cũng đảm bảo rằng các cánh tua bin duy trì hiệu suất ổn định trong quá trình hoạt động tải cao dài hạn.
5.3 Hiệu suất hàn tuyệt vời
Hợp kim cobalt có hiệu suất hàn tốt, do đó dễ dàng sử dụng công nghệ hàn trong sản xuất và bảo trì cánh tua bin. Độ bền và độ kín của mối hàn có thể được đảm bảo, do đó cải thiện hiệu suất tổng thể và tuổi thọ của cánh tua bin.
5.4 Khả năng chống mài mòn
Hợp kim cobalt cũng có khả năng chống mài mòn tuyệt vời. Trong quá trình hoạt động của các cánh tua bin hơi nước, chúng phải chịu sự mài mòn và mài mòn do các tạp chất và hạt trong dòng hơi nước gây ra. Khả năng chống mài mòn cao của hợp kim cobalt có thể giảm mài mòn cánh tua bin và kéo dài tuổi thọ của cánh tua bin.
6. Ứng dụng cụ thể của hợp kim cobalt trong lưỡi turbine
6.1 Vật liệu lưỡi
Hợp kim cobalt có thể được sử dụng trực tiếp làm vật liệu sản xuất lưỡi và ống lót turbine, đặc biệt thích hợp cho việc sản xuất lưỡi trong môi trường nhiệt độ cao, áp suất cao và ăn mòn cao. Các lưỡi hợp kim cobalt với hình dạng phức tạp và độ chính xác cao có thể được sản xuất bằng các quy trình đúc chính xác, rèn, gia công CNC và các quy trình khác.
Các tấm hoặc dải hợp kim cobalt rắn được hàn cảm ứng vào các lưỡi turbine SUS410Cb để cải thiện khả năng chống mài mòn và xói mòn của các lưỡi. Các dải xói mòn thường được làm từ Co 6 và Co 6B.
6.2 Vật liệu phủ
Ngoài việc được sử dụng làm lưỡi rắn, hợp kim cobalt cũng có thể được sử dụng làm vật liệu phủ trên bề mặt lưỡi turbine. Phủ một lớp hợp kim cobalt lên bề mặt lưỡi sẽ cải thiện khả năng chống mài mòn và ăn mòn của nó và kéo dài tuổi thọ của lưỡi. Công nghệ phủ này đã được áp dụng thành công tại nhiều nhà máy điện.
- Thành phần hóa học STP 6
C: 0,9-1,4%, Mn: ≤1,0%, Si: ≤1,5%, Cr: 27,0-31,0%, Ni: ≤3,0%, Mo: ≤1,5%, W: 3,5-5,5%, Co: Cân bằng.
Mật độ: ≥8.35g/cm3
Độ cứng: 38-44HRC
- Thành phần hóa học STP 6B
C: 0,9-1,4%, Mn: ≤2,0%, Si: ≤2,0%, Cr: 28,0-32,0%, Ni: ≤3,0%, Mo: ≤1,5%, W: 3,5-5,5%, Co: Cân bằng.
Mật độ: ≥8.38g/cm3
Độ cứng: 36-40HRC
7. Nguyên tắc lựa chọn lưỡi turbine
7.1 Lựa chọn vật liệu
Theo đặc điểm môi trường làm việc của lưỡi, chọn các vật liệu có khả năng chống ăn mòn và mài mòn tốt. Ví dụ, hàn cảm ứng các dải hợp kim cobalt vào các lưỡi SUS410Cb có thể cải thiện đáng kể khả năng chống mài mòn và xói mòn của các lưỡi. Đồng thời, cần xem xét các yếu tố như độ bền vật liệu, độ dẻo dai, ổn định nhiệt và khả năng gia công.
7.2 Thiết kế cấu trúc
Tối ưu hóa thiết kế hình dạng và kích thước lưỡi để giảm tập trung ứng suất và rung động. Hiệu suất khí động học và khả năng chống mỏi của các lưỡi có thể được cải thiện thông qua thiết kế dòng chảy hợp lý và phân bố độ dày. Ngoài ra, cần xem xét các yếu tố như phương pháp kết nối và phương pháp cố định giữa các lưỡi và đĩa bánh xe.
7.3 Quy trình sản xuất
Sử dụng các quy trình sản xuất tiên tiến và các phương tiện kỹ thuật để đảm bảo độ chính xác và chất lượng sản xuất của các lưỡi. Ví dụ, đúc chính xác, rèn hoặc gia công CNC có thể được sử dụng để sản xuất các lưỡi có hình dạng phức tạp và độ chính xác cao. Đồng thời, cần tăng cường các liên kết kiểm tra và kiểm soát chất lượng để đảm bảo mỗi lưỡi đáp ứng các yêu cầu thiết kế và tiêu chuẩn sử dụng.
8. Chiến lược bảo dưỡng và tối ưu hóa lưỡi
8.1 Kiểm tra và bảo dưỡng định kỳ
Thiết lập hệ thống kiểm tra và bảo dưỡng định kỳ để tiến hành kiểm tra và đánh giá toàn diện các lưỡi. Kịp thời phát hiện và xử lý các vấn đề như tích tụ muối, bụi bẩn và hư hỏng trên bề mặt lưỡi để ngăn chặn vấn đề lan rộng. Đồng thời, cần ghi lại và phân tích sự mài mòn và ăn mòn của các lưỡi để cung cấp tài liệu tham khảo cho công việc bảo dưỡng và thay thế sau này.
8.2 Quản lý vận hành
Tối ưu hóa điều kiện vận hành và cài đặt thông số của đơn vị để giảm thời gian và tần suất vận hành ở tải thấp. Giảm nguy cơ ăn mòn và mài mòn lưỡi thông qua phương pháp phân phối và điều chỉnh tải hợp lý. Đồng thời, cần tăng cường giám sát và chẩn đoán thiết bị để kịp thời phát hiện và xử lý các tình huống bất thường.
8.3 Đổi mới công nghệ
Tích cực giới thiệu và áp dụng các vật liệu mới, công nghệ mới và phương pháp quy trình mới để liên tục cải thiện khả năng chống mài mòn, chống ăn mòn và chất lượng sản xuất của các lưỡi. Ví dụ, phát triển các vật liệu mới có khả năng chống ăn mòn và mài mòn cao hơn; sử dụng các công nghệ xử lý bề mặt tiên tiến (như phun, mạ điện, v.v.) để cải thiện khả năng bảo vệ của các lưỡi; sử dụng công nghệ số và phương tiện thông minh để đạt được giám sát và cảnh báo sớm tình trạng của lưỡi, v.v.
9. Kết luận
Là một thành phần quan trọng của nhà máy điện, việc lựa chọn vật liệu cho các lưỡi turbine là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất phát điện và an toàn của nhà máy. Trong số các vật liệu cho lưỡi turbine hơi, hợp kim cobalt có độ bền cao ở nhiệt độ cao, khả năng chống oxy hóa, chống ăn mòn, chống mỏi, độ dẻo và độ bền tốt, khả năng hàn tuyệt vời và khả năng chống mài mòn cao. Bằng cách sử dụng các vật liệu chất lượng cao như hợp kim cobalt, các quy trình sản xuất tiên tiến và chiến lược quản lý vận hành, hiệu suất và tuổi thọ của các lưỡi được cải thiện, đặt nền tảng vững chắc cho hoạt động ổn định lâu dài và phát điện hiệu quả của các nhà máy điện. Do đó, khi lựa chọn vật liệu cho các lưỡi turbine hơi, tốt nhất nên xem xét các ưu điểm của hợp kim cobalt để tối đa hóa hiệu suất phát điện và an toàn của nhà máy.
