در صنایع نیروگاهی، هر جزء از تجهیزات باید بتواند در برابر فشارهای مکانیکی، دمای بالا، خوردگی و فرسایش دوام بیاورد. توربینها، کمپرسورها و اجزای چرخان، از حساسترین و پرهزینهترین قطعات در نیروگاههای گازی و بخاری هستند. در چنین شرایطی، استفاده از فناوریهای پیشرفته مهندسی سطح، بهویژه نانوپوششهای PVD (Physical Vapor Deposition)، نقشی کلیدی در افزایش عمر مفید قطعات و بهبود بازده عملکرد ایفا میکند. در این مقاله به کاربرد نانو پوشش های PVD در صنعت نیروگاهی و توربینی می پردازیم
اهمیت نانوپوشش در تجهیزات نیروگاهی
قطعات توربینها – بهویژه پرههای بخش سرد (کمپرسور) و گرم (توربین گازی) – در معرض ترکیبی از پدیدههای سایش، اکسیداسیون، خوردگی شیمیایی و خستگی حرارتی قرار دارند.
بهدلیل هزینه بسیار بالای تعمیر یا تعویض پرهها، حتی افزایش ۲۰٪ در عمر کاری آنها میتواند میلیونها تومان صرفهجویی ایجاد کند.
نانوپوششهای PVD با ایجاد لایههایی نازک، متراکم و نانوساختار روی سطح فلز، سطح را در برابر این عوامل محافظت کرده و باعث افزایش دوام، کاهش زبری و بهبود راندمان عملکرد توربین میشوند.
فناوری PVD؛ مهندسی سطح در مقیاس نانو
فرآیند PVD (رسوبدهی فیزیکی از بخار) در محیط خلأ انجام میشود.
در این روش، عناصر فلزی مانند تیتانیوم، کروم یا آلومینیوم تبخیر و سپس بهصورت بخار بر سطح قطعه مینشینند.
نتیجه، تشکیل لایههایی نانوساختار با ضخامت ۲ تا ۱۰ میکرومتر و چسبندگی بسیار بالا است.
این پوششها دارای ویژگیهای زیر هستند:
- سختی سطحی بالا (تا ۳۵ گیگاپاسکال)
- مقاومت عالی در برابر سایش و اکسیداسیون
- پایداری حرارتی تا دمای ۱۱۰۰ درجه سانتیگراد
- ضریب اصطکاک پایین (در پوششهای DLC کمتر از ۰.۱)
- چسبندگی فوقالعاده به زیرلایههای فولادی، نیکلپایه و تیتانیومی
چالشهای قطعات توربینی در نیروگاهها
پرههای توربین و کمپرسور در نیروگاههای گازی و بخاری با پدیدههای زیر روبهرو هستند:
- فرسایش ناشی از ذرات جامد موجود در جریان گاز (Sand Erosion)
- خوردگی سولفیدی و اکسیداسیون در دمای بالا
- تغییر شکل حرارتی و ترکخوردگی ناشی از خستگی دما–تنش
- تغییر ابعادی و زبری سطحی در اثر عملیات طولانیمدت
برای کنترل این آسیبها، پوششهای نانوساختار PVD به عنوان یک لایه محافظ پایدار در برابر فرسایش و خوردگی عمل میکنند، بدون آنکه بر ابعاد یا وزن قطعه اثر منفی بگذارند.
کاربرد نانوپوششها در پرههای توربین گازی
یکی از بارزترین مثالهای صنعتی در ایران، پوششدهی پرههای بخش سرد توربینهای گازی IGT25 است که با همکاری شرکت فناوران سخت آرا و مجموعه توربینهای گازی صنعتی خاورمیانه (MIGT) انجام شده است.
در این پروژه از پوششهای چندلایهی CrN/AlCrN استفاده شد که:
- در برابر فرسایش ذرات معلق مقاومت بالایی دارد،
- در دمای بالا پایدار باقی میماند،
- و مانع از اکسیداسیون لبههای پره میشود.
تصاویر میدانی نشان داد که پرههای بدون پوشش پس از حدود ۱۳۳ ساعت کارکرد دچار فرسایش شدید شدند، در حالی که پرههای پوششدادهشده با TiN یا CrN پس از ۲۰۰۰ ساعت کارکرد همچنان سالم باقی ماندند.
این دادهها نشاندهندهی افزایش بیش از دهبرابری عمر عملیاتی با استفاده از پوششهای PVD است.
بهبود بازده توربین با کاهش زبری سطح
پوششهای نانوساختار علاوه بر محافظت مکانیکی، نقش مهمی در بهبود راندمان آیرودینامیکی دارند.
سطح صاف و یکنواخت پوششهای PVD باعث کاهش تلاطم جریان گاز و در نتیجه افزایش کارایی توربین میشود.
تحقیقات نشان داده است که استفاده از پوشش TiN یا AlCrN میتواند تا ۳٪ بازده کلی توربین را افزایش دهد که برای یک نیروگاه بزرگ معادل صرفهجویی چشمگیر در مصرف سوخت است.
کاربرد پوششهای PVD در دیگر بخشهای نیروگاهی
فراتر از پرهها، نانوپوششهای PVD در سایر اجزای نیروگاه نیز کاربرد دارند، از جمله:
- شفتها و یاتاقانها: برای کاهش اصطکاک و جلوگیری از خوردگی روغنی.
- پمپهای تغذیه بویلر: پوشش DLC برای افزایش طول عمر در برابر سایش.
- سوپاپها و شیرآلات بخار: پوشش TiCrN جهت مقاومت در برابر دمای بالا و گازهای خورنده.
- ابزارهای تعمیر و نگهداری: متهها، برشدهندهها و قالبها با پوشش TiAlN برای افزایش دوام در محیطهای پرتنش.
مقایسه با روشهای سنتی
در گذشته از روشهایی مانند آبکاری کروم سخت و نیتراسیون گازی برای بهبود مقاومت سطحی استفاده میشد.
اما این روشها دارای محدودیتهایی هستند:
- آبکاری کروم، آلودگی زیستمحیطی بالا دارد.
- نیتراسیون، چسبندگی و پایداری حرارتی کافی در شرایط توربینی ندارد.
در مقابل، پوششهای PVD با ایجاد لایههای چندفازی و چندلایه (مثل TiAlN، CrAlN و TiSiN) علاوه بر چسبندگی بالا، از ایجاد ترک در شرایط شوک حرارتی جلوگیری میکنند و طول عمر قطعات را چندین برابر افزایش میدهند.
دستاوردهای فناوران سخت آرا در صنعت نیروگاهی
شرکت فناوران سخت آرا با بهرهگیری از فناوری لایهنشانی خلأ و طراحی ترکیبهای چندلایهای نظیر CrN/AlCrN، TiAlN و TiN، توانسته است خدمات پوششدهی صنعتی را در سطح نیروگاهی ارائه دهد.
این پوششها ضمن تطبیق با شرایط خاص هر نیروگاه، بر اساس جنس زیرلایه (فولاد زنگنزن، نیکلبیس یا تیتانیومبیس) و شرایط دمایی طراحی میشوند.
نتایج صنعتی نشان دادهاند که:
- عمر پرههای کمپرسور تا ۵ برابر افزایش یافته است،
- میزان توقفهای تعمیراتی بهشدت کاهش یافته،
- و کارایی حرارتی توربینها بهطور محسوسی بهبود یافته است.
مزایای اقتصادی و زیستمحیطی
پیادهسازی فناوری نانوپوشش PVD در نیروگاهها باعث شده است:
- هزینه نگهداری و تعمیر کاهش یابد؛
- بازده عملکرد توربین افزایش یابد؛
- مصرف سوخت و آلایندههای حاصل از احتراق کاهش پیدا کند؛
- و از واردات قطعات گرانقیمت جلوگیری شود.
به این ترتیب، PVD نهتنها یک فناوری مهندسی سطح، بلکه یک ابزار راهبردی برای بهینهسازی اقتصاد انرژی در کشور محسوب میشود.
جمعبندی
نانوپوششهای PVD با ترکیب خواص مکانیکی، حرارتی و شیمیایی ممتاز، توانستهاند جایگاه ویژهای در صنعت نیروگاهی و توربینی پیدا کنند.
این پوششها نهتنها از پرهها و اجزای حساس در برابر خوردگی و فرسایش محافظت میکنند، بلکه با کاهش اصطکاک و زبری سطح، باعث افزایش بازده و کاهش مصرف سوخت میشوند.
شرکت فناوران سخت آرا با بومیسازی دانش فنی این فناوری و ارائه خدمات صنعتی دقیق، گامی مؤثر در جهت ارتقای کارایی و پایداری نیروگاههای کشور برداشته است — گامی که همسو با استانداردهای جهانی و مبتنی بر فناوری نانو است.