1.2. Để các chi tiết máy tuabin khí làm việc được ít nhất 24.000 giờ của một chu kỳ đại tu thì giữa kỳ đại tu (thường 12.000 giờ) phải phun phủ lại ống vòi voi (ống chuyển tiếp), đế cánh, khớp nối .v.v... bằng các lớp phun chịu nhiệt và chịu ăn mòn. Cho tới nay, công nghệ này ở nước ta chưa có, vì vậy các chi tiết máy tuabin khí phải phục hồi ở nước ngoài, rất tốn kém và bị động.
Việc nghiên cứu công nghệ phục hồi các chi tiết máy tuabin khí tải trọng nặng trở nên bức xúc, có ý nghĩa to lớn về kinh tế và xã hội.
2. Quá trình nghiên cứu
ống vòi voi (ống chuyển tiếp - transition piece) tuy không có cấu tạo phức tạp lắm, nhưng đòi hỏi khắt khe về vật liệu. Vì vậy, người ta đã tiến hành nghiên cứu từ rất sớm để chọn vật liệu thích hợp cho ống vòi voi.
Đầu những năm 1950, ống vòi voi được làm từ thép không gỉ AISI309, đầu những năm 1960, các hợp kim nền niken Hastelloy - X và RA - 333 được dùng trong một số bộ phận giới hạn, những hợp kim đó được tiêu chuẩn hoá cho ống vòi voi từ năm 1970.
Đầu những năm 1980, một loại vật liệu mới Nimonic 263, được đưa vào ứng dụng cho ống vòi voi của các máy kiểu MS7001 và MS9001. Vật liệu này là hợp kim nền niken tăng bền lắng với độ bền cao hơn Hastelloy - X. Các ống vòi voi Nimonic 263 vận hành tốt trên 25000 giờ máy MS7001. Vật liệu Nimonic 263 (N-263) được sử dụng trong các kiểu máy nén tua bin khí nhiệt độ cao hơn và được dùng trong các máy tốc độ cao [4].
Để đảm bảo được thời gian làm việc trong các máy nén tuabin khí tải trọng nặng nhiệt độ và tốc độ cao, từ đầu những năm 1980, các lớp phun chống nhiệt (Thermal Barrier Coatings TBC3) được ứng dụng cho ống vòi voi.
Vai trò của tất cả các lớp phủ là cung cấp cho bề mặt vật liệu sự dự trữ các nguyên tố tạo nên các lớp oxit bám dính tốt để bảo vệ vật liệu nền khỏi bị oxi hoá, gỉ và sự giảm độ bền. Các khí cháy luôn chứa một lượng chất thải từ hỗn hợp dầu, khí và nước. Lượng chất tạp càng lớn thì thời gian công tác của các chi tiết máy tuabin khí càng giảm do tác dụng của quá trình gỉ nóng. Ngoài gỉ nóng, khi nhiệt độ cháy của tuabin khí càng cao, thì sự oxy hoá ở nhiệt độ cao càng mạnh.
Gỉ nóng là dạng tấn công nhanh có liên quan đến các chất tạp kiềm như natri và kali phản ứng với lưu huỳnh trong dầu tạo thành các sunphit lỏng. Sự có mặt chỉ vài phần triệu các chất tạp như vậy trong dầu hoặc không khí là đủ để gây nên sự gỉ. Ngoài các kim loại kiềm như Na và K còn có các nguyên tố hoá học khác gây nên gỉ, như vanadi và chì.
Có hai dạng gỉ công nghiệp : dạng I - gỉ nóng nhiệt độ cao và dạng II - gỉ nóng nhiệt độ thấp. Gỉ nóng nhiệt độ cao là dạng oxy hoá mãnh liệt xảy ra ở khoảng nhiệt độ 816 - 9270C khi có mặt của sunphat natri (Na2SO4), phát sinh trong quá trình cháy bởi phản ứng giữa natri, lưu huỳnh và oxi.
Sự ôxi hoá kim loại xuất hiện khi các nguyên tử oxi kết hợp với các nguyên tử kim loại tạo thành các màng oxit. Nhiệt độ càng cao thì quá trình đó xảy ra càng mạnh, tạo nên tiềm năng phá huỷ kết cấu nếu vật liệu nền bị tiêu hao quá nhiều bởi các oxit đó.
ống chuyển tiếp (transition piece) làm nhiệm vụ chuyển và phân phối khí cháy nhiệt độ cao (trên 10000C) và tốc độ cao vào buồng tuabin, do vậy nó phải chịu tác dụng của các quá trình gỉ và oxi hoá nói trên. Lớp phủ ống vòi voi phải thực hiện hai chức năng: một là ngăn chặn các quá trình gỉ và ôxi hoá do môi trường tác dụng, và hai là cách ly làm giảm nhiệt độ vật liệu nền và giảm bớt ảnh hưởng của sự phân bố không đều của nhiệt độ khí nóng. Chức năng thứ nhất được thực hiện bởi một lớp liên kết (lớp phun trực tiếp trên mặt nền) với chiều dày 0,3556 - 0,5080mm. Chức năng thứ hai đảm nhận bởi lớp phủ (lớp phun trên lớp liên kết) với chiều dày 0,0508 - 0,1016mm. Lớp chịu nhiệt kép (lớp dưới + lớp trên) có hai loại : loại A có chiều dày lớp dưới 0,3556mm và chiều dày lớp trên 0,1016mm; loại B có chiều dày lớp dưới 0,5080mm và chiều dày lớp trên 0,0508mm [3].
Điều quan trọng và trước hết là sự chọn vật liệu phun. Theo [5] các loại bột dùng để phun các lớp phủ bền nhiệt (Thermal Barrier Coatings - TBS3) như sau :
Cho lớp lót ( lớp liên kết ): Ni-164 - 2, đây là bột hợp kim NiCrAlU hình cầu với thành phần hoá học như sau: nhôm (Al) 9-11%, ytri (U) 0,8-1,2%, niken (Ni) nền. Nhiệt độ nóng chảy 2560 - 26100C; độ chặt (mật độ) 3,74g/cm3. Lớp phun bằng bột Ni164-2 có độ cứng Rockwell 15T là 75 (~60RB) và độ bám tối thiểu là 2750 psi (~193,2kg/cm2).
Bột hợp kim Ni-164-2 là hợp kim nền niken chứa nhôm, crom và ytri, nó được sử dụng rất nhiều trong máy tuabin khí. Độ bền chống oxi hoá có được là nhờ crom và nhôm tạo nên một lớp màng kín trên mặt lớp phun. Màng này được bảo trì bởi ytri bổ sung. NiCrAlU được áp dụng tốt cho kim loại nền làm việc ở nhiệt độ 9890C với chiều dày lớp phun tới 0,381mm.
Cho lớp phủ (lớp trên): ZRO - 182. Đây là bột hình bán cầu chứa 0,8% oxit ytri (U2O3) được ổn định hoá bởi dioxit ziricon (ZrO2) - nền. Nhiệt độ nóng chảy 26910C; độ chặt 1,83g/cm3. Lớp phun bột ZRO-182 có độ cứng Rockwell 15N là 3500psi (~30-40RC).
Quá trình thí nghiệm được tiến hành theo hai giai đoạn: Giai đoạn 1 nhằm xác định các thông số phun thích hợp để tạo được lớp phủ phun đảm bảo các tiêu chuẩn yêu cầu; giai đoạn 2 áp dụng các kết quả của giai đoạn 1 vào việc phun thí nghiệm trên nền ống chuyển tiếp, điều chỉnh các thông số phun đáp ứng được yêu cầu của lớp phun trên ống chuyển tiếp.
Giai đoạn 1 : Được tiến hành thí nghiệm trên các mẫu thép X23H18C2. Chỉ tiêu đánh giá chất lượng lớp phun gồm: Độ cứng, độ bám và độ xốp. Độ cứng được kiểm tra theo tiêu chuẩn E18-20ASTM và E384-99ASTM [5, 6]; độ bám - tiêu chuẩn (633-01 ASTM [7]. Độ xốp đo trên kính hiển vi theo phương pháp của Knoop.
Các mẫu trước khi phun được rửa sạch bằng hỗn hợp dung dịch NaOH (20g/l), Na2CO3 (50g/l), Na2SO3 (5g/l), NaPO4 (50g/l). Ngâm trong dung dịch này trong 2 - 2,5 giờ, sau đó rửa nước 40-500C, sấy khô và phun oxit nhôm cỡ hạt 8G24 để làm nhám bề mặt. Phun bằng máy phun Thụy Điển có cơ cấu thu hồi hạt. Chế độ phun: áp suất khí nén 5kg/cm2, khoảng cách phun 100mm, góc phun 900.
Trên 100 mẫu thí nghiệm được phun bằng máy phun plasma SG-100 (Praxair Thermal SG-100 Spray System hình 3). Các chế độ phun thay đổi trong phạm vi rộng rồi thu hẹp dần để chọn những chế độ thích hợp nhất cho phép nhận được lớp phun có độ bám, độ cứng và độ chặt (hoặc độ xốp) theo yêu cầu của các lớp phun từ bột Ni-164-2 và ZRO - 182.
Hình 1: Hệ thống phun Plasma SG-100
Giai đoạn 2 : Tiến hành phun trên 4 ống chuyển tiếp (loại không phục hồi được theo các chế độ đã chọn (ở giai đoạn 1). Trước khi phun, các ống vòi voi được đánh hết lớp phun cũ bằng phương pháp mài, tiếp đó ngâm rửa, sấy khô và phun oxit nhôm cỡ hạt S24 để làm sần sùi bề mặt.
Để kiểm tra chiều dày các lớp phun (lớp lót và lớp phủ), ở những vị trí khác nhau trên bề mặt phun được gắn các mẫu thép phẳng kích thước 20x10x3mm. Các mẫu thép này trước khi phun được chuyển lên bề mặt như đối với ống vòi voi.
Các chế độ phun được chọn sau hai giai đoạn thí nghiệm (bảng 1).
áp dụng cho ống chuyển tiếp :
Độ bám của lớp phun với nền đạt 255 - 382kg/cm2.
Độ cứng tê vi Kockwell 15T đạt 60-65 RB và lớp phủ Rockwell 15N đạt 35-45RC.
Độ xốp lớp lót 2-4%, lớp phủ 6-8%.
1. Vật liệu nền;
2. Lớp lót
3. Lớp phủ
Hai ống chuyển tiếp đã được phun phục hồi thử nghiệm theo các chế độ được chọn và đã nghiệm thu kỹ thuật tĩnh tại Công ty điện Bà Rịa - Vũng Tàu, chất lượng lớp phun được chấp nhận.
3. Kết luận :
* Lớp phun chịu nhiệt để phun phục hồi ống chuyển tiếp được tạo bởi lớp liên kết từ bột Ni - 164-2 và lớp phủ từ bột ZRO - 182 với chiều dày tương ứng là 0,45 - 0,50 và 0,15 - 0,20mm.
* Phương pháp phun được áp dụng là hồ quang plasma. Hỗn hợp khí Art He dùng cho lớp lót; hỗn hợp khí Art H2 - lớp phủ; khí tải bột - Ar. Chế độ phun - bảng 1.
Tài liệu tham khảo
[1]. David J.Taylor and Olivier Crabos. Uprate Options for the MS6001 Heavy Duty Gas Turbine. GE Power Systems GER - 4217.
[2]. Eric Kayfman. Conskderations When Burning Ash - Bearing Fuels in Heavy Duty Gas Turbines. GE Power Generation, GER - 3764A.
[3]. Pallos K.J. Gas Turbine Repair Technology. GE Power Systems, GER - 3957R.
[4]. Schilke P.W. Advanced Gas Turbine Materialsand Coatings. GE Power Systems, GER - 3569F.
[5]. Standard test Method for Rockwell Hardness and Superficial Hardness of Metallic Materials. ASTM & Designation E18-02.
[6]. Standard Test Methol for Microindentation Hardness Materials. ASTM Designation E384-99.
[7]. Standard test Method for Adhesion or Cohesion Strength of Thermal sprays Coatings. ASTM Designation C633 - 01.
[8]. Thermal Spray Powders. Praxair Surface Technologies.
