تحقیق مقاله نیروگاه گازی

فصل اول

مقدمه ای بر توربین های

GE,MS5001-25MW-Frame5

واحد های نیروگاه گازی از نوع GE ,MS5001-25MW Frame 5 ساخت کشور آمریکا می باشند که هر واحد آن از اجزاء کمپرسور ، اتاق احتراق ، قطعات انتقال ، توربین ، اگزوز، گیربکس و ژنراتور تشکیل می گردند.

توربین گازی یکی از انواع مولد قدرت که بدلیل کاربرد وسیع آن در تولید انرژی در نیروگاههای زمینی و نیز عامل حرکت کشتیهای در حمل و نقل تجاری و نظامی در زندگی انسان اهمیت فراوان یافته است . توربین  گاز در حقیقت نوعی از موتورهای احتراق داخلی محسوب می شود .

در این دستگاه بعوض اینکه اعمال اصلی تراکم ،احتراق و انبساط در داخل عضو واحدی رخ می دهد بصورت متناوب و یکی بعد از دیگری در محفظه های خاصی صورت می گیرد . سه عضو اصلی هر نیروگاه عبارتند از : کمپرسور که جریان پیوسته ماده را فراهم میسازد ، اتاق احتراق که بر انرژی جنبشی گازهای در حال حرکت می افزاید و ماشین انبساط(توربین)که گاز در آن انبساط یافته و انرژی مکانیکی تولید می کند [1] .

هوای محیط مطابق شکل 1-1 بافشار جو از نقطه 1 وارد کمپرسور می شود و در طبقات مختلف آن متراکم و فشار آن بالا می رود ، تا به نقطه 2 برسد .

شکل 1-1 سیکل باز یک توربین گاز ساده]2[

هوای فشرده تولید شده آنگاه وارد اتاق احتراق یعنی جائیکه سوخت در آن محترق می گردد ، شده و در آنجا درجه حرارت گاز بالا می رود که باعث می شود حجم گاز با فشار ثابت افزایش یابد و گاز عامل کار برای توربین فراهم گردد . پس از انبساط گاز در توربین و تبدیل مقدار از انرژی گاز به کار مکانیکی روی شافت توربین ، گاز بداخل ناحیه اگزوز میرود و بالاخره بداخل هوای آزاد تخلیه می گردد .

پره هایی که روی روتور کمپرسور نصب شده اند هوا را تحت زاویه معینی بر می گردانند ، تغییر جهتی که به این طریق ایجاد می شود سرعت هوا را کم و فشار آنرا زیاد می کند . اگر سرعت هوا را تقریباً ثابت بماند ، ارتفاع طبقه بعدی می تواند کوچکتر باشد زیرا غلظت هوای فشرده زیاد می شود . هوا که وارد پروانه کمپرسور می شود با گردش پروانه هوا بسمت بیرون یعنی به سوی متفرق کننده (Diffuser) پرتاب می شود . متفرق کننده هوای خارج شده از کمپرسور را با تبدیل سرعت به فشار ، به انرژی (فشار) تبدیل می کند [2] .

در نیروگاههای گازی مقدار گازی مقدار کمی از هوایی وارد کمپرسور می شودبه مصرف احتراق می رسد و بیشترین مقدار آن در اطراف بیرونی شعله فروزان جریان یافته و برای خنک کردن اتاق احتراق پره های توربین و اگزوز استفاده می گردد .

ساختمان هر اتاق احتراق شامل قسمتهایی به شرح زیر است [3] :

الف – آستر(Liner)

سیلندری است که از یک ورقه فلزی مشبک ساخته شده است. سوراخها طوری ترتیب داده شده اند که اختلاف هوا و سوخت به بهترین وجهی انجام بگیرد و در ضمن شعله در وسط استوانه فلزی نگه داشته شود . هوا از قسمت کمپرسور بداخل اتاق احتراق جریان می یابد ، قسمتی از هوا بداخل سیلندر های احتراق راه یافته و در آنجا با سوختی که توسط نازلهایی در قسمت جلویی اتاق احتراق پاشیده می شود ، مخلوط می گردد بقیه هوا بصورت یک پوشش خنک کن و محافظ روی بدنه داخلی و بیرونی اتاق احتراق عمل می کند  .

ب – شمع های جرقه زن(Spark plugs)

مخلوط هوا و سوخت را محترق می سازند . شعله توسط لوله های انتقال عرضی (Crossfire Tubes) به سیلندر دیگر سرایت می کند . شعله در مرکز سیلندربه وجود می آیدو توسط یک بالشتک هوا که سوراخ های لاینر سیلندر وارد می شود احاطه می گردد تا از گرم شدن بیش از حد بدنه سیلندرجلوگیری نماید . قبل از خروج گازها از سیلندر احتراق تمام سوخت بطور کامل می سوزد و گاز انبساط می یابد و به این ترتیب بر سرعت گازها افزوده می شود .

ج – قطعات مکانیکی منتقل گازهای داغ (Transition Pieces) :

گاز پس از انبساط (مرحله ب) با سرعت مکانیکی سریع السیر وارد مکانیکی منتقل کنندۀ گازهای داغ می گردد ،بعد ازعبورگازهای داغ از این قطعات مکانیکی  به قسمت توربین می رسند .

توربین ها که از دو سری نازل مرحله اول و دوم سری پرۀ مرحله اول دارای 120 عدد پره و در مرحله دوم دارای 90 عدد پره می باشند نازلها به گازهای داغ جهت داده تا با زاویه مناسب به سمت پره ها هدایت شوند . پره ها انرژی جنبشی گازها را گرفته و در شافت بصورت حرکت دورانی یا قدرت مکانیکی ظاهر می سازند . دور شافت توسط یک گیربکس از 5100 به 3100 دور در دقیقه رسانده شده تا قابل استفاده در ژنراتور گردد . گاز عبور کرده از پره های مرحله دوم وارد اگزوز شده و سیلندر داخلی بعد از هر 20000 ساعت (850 روز کار مداوم) باید تعویض گردد . بیشترین خوردگی که بر روی سیلندر داخلی مشاهده می گردد مربوط به منطقه نزدیک لوله های انتقال عرضی شعله و لبه خود خود این لوله ها می باشد بطوریکه این مناطق ترک برداشته و در حالت حادتر سوراخهایی در آنها ایجاد می گردد . به وجود آمدن ترک سوراخ در این ناحیه بعلت درجه حرارت بالایی است که در این ناحیه وجود دارد و حدوداً 1200 درجه سانتیگراد است.

فصل دوم

مروری بر

خوردگی داغ

 2-1 خوردگی داغ

پدیده خوردگی داغ به نوعی از خوردگی اجزاء فلزی یا در حضور فیلم نمک مذاب یا خاکستر و غلیظ در درجه حرارت بالا در محیط اکسید کننده اطلاق می گردد . تخریب ناشی از این فرایند ، در برگیرنده پدیده هایی همچون اکسیداسیون و سولفیداسیون در دمای بالا خواهد بود .

پدیده تخریب مواد از طریق خوردگی داغ از دهه چهل میلادی مورد توجه بوده است . در همین راستا مطالعات زیادی پیرامون مکانیزمهای آن صورت گفته است . این پدیده خصوصاً در توربینهای گازی که با سوخت فسیلی ، گازوئیل ویا گاز کار می کنند بسیار جدی بوده و منجر به شکسته شدن پره ها ، ترک برداشتن قسمتهایی از آستر های محافظ و سایر قسمتها و اجزاء توربینهای گازی می شود .

پدیده خوردگی داغ در محیط های احتراق نظیرتوربینهای گازی دریایی ، هوایی وصنعتی ، بویلرهای با سوخت فسیلی و بویلرهای با سوخت ضایعات شهری ، وسائل ذخیره سازی انرژی خورشیدی، سلولهای سوخت ، کوره های عملیات حرارتی و کلیه مکانهایی که با سوخت فسیلی در دمای بالا در تماس می باشند و همچنین محیطهای حاوی نمک مذاب ، مشاهده شده اند . نوع سوخت موجود در محیطهای احتراق در ایجاد پدید خوردگی داغ دارای اهمیت خاصی می باشد . از آغاز کشف سوختهای فسیلی از آنها در تولید انرژی الکتریکی بدلیل پایین بودن نسبی قیمت به همراه توان حرارتی بالای آنها مورد توجه خاصی بوده است . اما به مرور زمان در جهت افزایش راندمان سوختهای فسیلی دمای کاری توربین ها افزایش یافته که مشکل خوردگی داغ از این جهت بیشتر مطرح می شود با توجه به اهمیت این موضوع از دهه شصت میلادی مطالعات تئوریک زیادی بر روی مکانیزم های خوردگی داغ انجام گرفت . عمده ترین این مسائل که به دلیل بالای تصفیه سوخت مورد مصرف در توربین ها می باشد ، خلوص پایین گازهای موجود در این محیط ها می باشد و با توجه به اینکه ناخاصیهای موجود در سوخت عمدتاً از نوع گوگرد و سدیم و وانادیم بوده و در هوای احتراق خصوصاً اتمسفر های دریایی ناخالصی های ویژه آن محیط یافت می شوند ، در طی فرآیند احتراق مواد مذکور در هنگام عبور از مشعل و بعد داخل شدن در محیط تشکیل رسوبات سدیم یا ترکیبات وانادیم در فاز گازی را موجب می شود . در حالتی که فشار بخار ترکیبات مذکور از نقطه شبنم آن در شرایط سرویس بیشتر باشد ، لایه ای از نمک مذاب بر اجزاء سردتر توربین رسوب می نمایند که نتیجه حاصل از این فرایند تخریب مواد واکنشهای اکسیداسیون – سولفیداسیون خواهد بود [3] .

مطالعات انجام شده در مورد مکانیزم های خوردگی داغ نشان می دهند از لحاظ نوع مورفولوژی محصولات ، نوع محیط و درجه حرارت فرآیند ها عملاً دو نوع خوردگی داغ وجود دارد.

نوع اول خوردگی در دمای بالا (High -Temperature Hot-corrosion) بوده که در حرارتهای بالاتر از نقطه ذوب سولفات سدیم (C ْ884) مشاهده می گردد و طیف حرارتی این نوع خوردگی بیشتر در حدود 800 تا 950 سانتیگراد می باشد . مورفولوژی این نوع خوردگی همراه با پدیده سولفیداسیون و تخلیه زمینه از عناصر آلیاژی بوده و نسبتاً غیر حساس به ترکیب اتمسفری می باشد.

نوع دوم تحت عنوان خوردگی در دمای پائین (Low- Temperature Hot- corrosion) مطرح است که در دمای بین 650 تا 800 درجه سانتیگراد رخ می دهد و مورفولوژی این نوع خوردگی در بر گیرنده بخش کوچکی از پدید سولفیداسیون و فرایند تهی شدن عناصر آلیاژی مشاهده نمی گردد و مورفولوژی بارز این نوع تخریب خوردگی حفره ای می باشد . برای رسیدن به افزایش راندمان در توربینهای گازی رسیدن به دماهای بالاتر الزامی است با توجه به این مطلب آلیاژهایی که بتوانند در این دماها مقاوم باشند حائز اهمیت بوده ، لذا افزودن عناصری برای جلوگیری از تشکیل فازهای ترد کاهش مقدار کرم موجود در آلیاژ مد نظر است ، اما با کاهش مقدار کرم مقاومت آلیاژ ها نسبت به اکسیداسیون وخوردگی داغ کاهش خواهد یافت .

برای بدست آوردن خواص مطلوب از لحاظ مقاومت به عوامل مکانیکی و شیمیایی ، پوشش دادن آلیاژها مود توجه قرار دارند زیرا در عین نگهداری خواص مکانیکی مطلوب آلیاژ ، مقاومت به خوردگی داغ  اکسیداسیون را نیز می توان توسط پوشش بدست آورد .

2-2 واکنش های مربوط به تشکیل مواد خورنده در فرآیند های احتراق

 بویلر ها، توربین های گاز و انواع دیگری از سیستم ها که انرژی سوخت را به طورمستقیم به حرارت تبدیل می کنند، باید مدت های طولانی در شرایط دمای بالا در حضور محصولات حاصل از احتراق هوا و سوخت و نا خالصی ها وارد شده ناشی از سوخت و هوا، به طور مناسب عمل نمایند. فاکتور کلیدی در کنترل عمر اجزا مواجه با این چنین حملاتی تنوع و مقدار ناخالصی ها می باشد. لذا بررسی چگونگی تشکیل و رفتار آنها در سیستم احتراق  می تواند مهم باشد. عناصر مضر در چنین محیط هایی سدیم، وانادیم و گوگرد می باشند [5].

در سوخت های مشتق از نفت خام  و زغال سنگ غیر از کربن و هیدروژن مقادیر قابل ملاحظه ای از عناصر دیگر نیز  وجود دارد، بطوریکه در محیط های احتراق ناشی از سوخت زغال سنگ ناخالصی های عمده گوگرد، سدیم، وانادیم، پتاسیم و گوگرد می باشند در حالیکه در محیط های احتراق نفتی عمده عناصر مضر گوگرد، وانادیم و سدیم می باشند و غلظت عناصر مذکور بسته به نوع نفتی که استفاده می شود، متفاوت خواهد بود. غالب خسارات حاصل از خوردگی ناشی از وجود عناصر سدیم، وانادیم و گوگرد می باشد.

بر اساس تحقیقات صورت گرفته توسط Hock و Allen [5] محصولات نهایی اصلی در اتمسفر احتراق توربین ها، سولفات سدیم و وانادات سدیم می باشند و واکنش تشکیل رسوب در محفظه احتراق توربین های گازی بصورت زیر بیان می شود:

(2-1)

در معادله فوق Na ، O2 ،V،S،Cl در فاز بخار می باشند. در سیستم Na-S-O-Cl ، Na2SO4 تشکیل می شود ( معادله 2-7) و در سیستم Na-V-S-O-Cl ، NaVO3 تشکیل می گردد( معادله 2-11) .اثر هر یک از این عناصر در مجموع ترکیبات خورنده به صورت زیر می باشد:

2-2-1 گوگرد

سولفور مو جود در سوخت در طی فرایند احتراق اکسید گردیده و به شکل دی اکسید گوگرد و تری اکسید گوگرد تبدیل خواهد شد. از نقطه نظر خوردگی گاز تری اکسید گوگرد دارای اهمیت خاصی می باشد، زیرا در اثر ترکیب این ماده با آب موجود در جریان گاز و تشکیل اسید سولفوریک بر سطوح نسبتاً سرد، خوردگی شدید قسمتهای مختلف دستگاه ها بوقوع می پیوندد. واکنش های محتمل در طی فرایند عبارتند از:

(2-2)    (فرمولها در فایل اصلی موجود است)                                                                    

(2-3)                                                                                   

(2-4)                                                                                      

گوگرد به صورت عنصری یا ترکیباتی از سولفات های قلیائی می باشد.

2-2-2 سدیم

اساساً عنصر سدیم در سوختهای نفتی به صورت کلرید سدیم بوده و در طی فرآیند احتراق به آسانی تبخیر و سدیم موجود آن در فاز بخار بصورتهای کلرید سدیم و یا هیدروکسید سدیم یافت می گردد. مقدار نسبی این مواد توسط واکنش زیر قابل تعیین است.

(2-5)                                                               H2O + NaCl (g) ® NaOH(g) + HCl       SO3حاصل از سولفور می تواند با NaOH(g) حاصل از واکنش مذکور ترکیب شده و طبق واکنش زیر سولفات سدیم را تولید نماید که این ماده می تواند در سطح فلز تبدیل به مایع گردد.

2NaOH(g) + SO3 ® Na2SO4(g) + H2O(g)                                                                        (2-6) 

از نظر ترمودینامیکی با کاهش درجه حرارت تشکیل سولفات مساعدتر خواهد بود.

همچنین با وجود NaCl موجود در سوخت یا هوای ورودی خصوصاٌ برای محیطهای نزدیک دریا واکنشهای زیر برای تشکیل رسوب سولفات امکان دارد.

2NaCl + SO2 + O2 ® Na2SO4 + Cl2                                                           (2-7)

2NaCl + SO3 + ½O2 ® Na2SO4 + Cl2                                                 (2-8)  

2NaCl + SO3 + H2O ® Na2SO4 + 2HCl                                       (2-9)

2NaCl + H2O + SO2 + ½ O2 ® Na2SO4 + 2                                 (2-10)            

همچنین در صورت وجود وانادیم در محیط، واکنش زیر محتمل است:

2NaCl + H2O + V2O5 ® 2Na VO3 + 2HCl                                (2-11)    

از مقایسه Kp واکنشهای (2-9) و (2-11) می توان به این نتیجه ر سید که تشکیل وانادات مساعدتر از تشکیل سولفات می باشد. ترکیب وانادات بدلایل مذاب بودن در اتمسفر توربین، هدایت یونی بیشتر نسبت به V2O5 وفشار بخار کمتر نسبت به V2O5 مهم می باشد.

2-2-3 وانادایم

رفتار وانادیم نسبت به عناصر مذکور پیچیده تر می باشد. وانادیم بیشتر در سوختهایی با خلوص پائین دیده می شود، احتمالاً وانادیم موجود در سوخت به صورت پارفرین وانادیم (parphyrin Vanadium) می باشد که ماده مذکور یک ترکیب آلی قابل حل است. در طی احتراق هیدروکربنهای سبک سوخته و به مواد سنگین تر تبدیل می گردند و وانادیم دارای فراریت کمتری شده و به محصولات واسطه تبدیل خواهد شد. در طی فرآیند نهایی احتراق وانادیم موجود بین VO(OH)2 فاز بخار و V2O5 یا Na2V2O6 فاز مایع تقسیم می گردد. طبق تحقیقات دیگر VO و VO2 صورتهای اولیه وانادیم در فاز بخار بوده و مقدار نسبی این ترکیبات در جریان گاز از طریق مقدار اکسیژن موجود در آن تعیین می گردد.

Vo + ½ O2 ® VO2 (g)                                                                                                                  ­ (2-12)                                                 

تبدیل VO2 به V2O5 همراه با کاهش دمای گاز حاصل از احتراق صورت می پذیرد. محصولات حاصل از واکنش وانادیم و سدیم در نقطه ذوب پائین (°C542) قراردارند، بطوریکه دمای یوتکتیک حاصل از 35 درصد مولی Na2O در حدود °C530 خواهد بود. بدلیل نقطه ذوب پائین ترکیبات مذکور، وجود آنها در سوخت بسیار خورنده خواهد بود. ترکیب احتمالی واکنش سولفات سدیم و پنتااکسید وانادیم بصورت زیر خواهد بود:

Na2SO4 + V2O5 ® NaVO3 + SO3 (2-13)                                                             

Na2SO4 + 3V2O5 ® Na2O.3V2O5 + SO3 (2-14)                                                 

Na2SO4 + 6V2O5 ® Na2O.6V2O5 + SO3(2-15)                                                  

مواد حاصله تماماً دارای خورندگی بالا می باشند. ترکیبات مهمی که در فلاکسینگ فیلم پوسته آلیاژی نقش بسزائی دارند V2O5 و Na2OV2O4.5V2O4 می باشند، همچنین دو ترکیب عمده بنام برنزهای وانادیم Na2OV2O4(6-x)V2O5 (برنز b) و 5Na2OxV2O4(12-x)V2O5 (برنزK) نیز در رسوبات یافت می شوند (رنگ این ترکیبات مشابه رنگ برنز بوده و به این خاطر به این نام خوانده می شوند). تمام ترکیباب مذکور در دماهای زیر 700 درجه سانتیگراد ذوب می شود.

2-2-4 کلر

اثر کلر بر خوردگی داغ آلیاژها حداقل به دو طریق زیر امکان پذیر است. نخست آنکه وجود کلر با غلظت در حدود ppm موجب افزایش تمایل به پوسته ای شدن و ترک برداشتن پوسته های اکسیدی( مثلاً Al2O3 و Cr2O3 ) خواهد شد و علت دوم آنکه مقدار کلر موجود در رسوب در غلظت های بالاتر موجب حذف آسان آلومینیوم و کرم از آلیاژ می گردد. وجود کلرید در رسوبات موجب گسترش حفره ها یا کانالهایی در آلیاژ ها شده و به موجب آن حذف مقدماتی کرم و آلومینیوم صورت می پذیرد و پوسته اکسیدی غیر محافظ این عناصر بر سطح آلیاژها تشکیل می گردد. این فرایند شبیه حل شدن اتنخابی روی از آلیاژ Zn-Cu در فرایند روی زدائی (dezineification) می باشد. در شرایطی که اثرات ناشی از کلرید بر روی حمله مهم باشد، فرایند خوردگی داغ در دماهای پائین تر از 700 °C و بالاتر از 1000 °C اتفاق می افتد.

2-3 تشکیل رسوب

در پدیده خوردگی داغ که اساساً با رسوبات سطحی ارتباط دارد شناخت طبیعت و سرعت رسوب گذاری در محیط دارای اهمیت بسزایی می باشد. اغلب مطالعات صورت گرفته با توجه به شیمی احتراق سوخت برپایه گوگرد متمرکز است. بر طبق تحقیقات صورت گرفته توسط Stearns و همکارانش [4] در واکنشهای فاز گازی، تشکیل ترکیبات حاوی سدیم و گوگرد در زمان کوتاهی بوقوع می پیوندند. آزمایش صورت گرفته بر روی سوخت حاوی CH4 ، O2،H2O ، SO2  و NaCl بیانگر تشکیل سولفات سدیم گازی در زمانی کمتر از یک میلی ثانیه می باشد.

پدیده راسب شدن نمک فاکتور مهمی در مطالعات حمله محیطی می باشد فاکتور مذکورتوسط اندازه گیری سرعت رسوب گذاری ، شناسایی رسوب حاصله و تعیین شرایط رسوب گذاری مشخص می شود . همچنین مطالعاتی بر روی رسوب پذیری سولفات سدیم صورت گرفته که نتایج وی بیانگر وابستگی فرایند ها به دمای سطح جمع کننده رسوب ، نسبت هوا به سوخت در زمان معرض قرار گرفتن و زمان اقامت می باشد .

2-4 تأثیر ناخالصیها بر خوردگی داغ

2-4-1 اثر ترکیبات وانادیم

وانادیم می تواند موجب یکسری واکنشهای خوردگی بعلت تشکیل ترکیبات دارای نقطه ذوب پایین گردد که این ترکیبات در دمای عملیاتی محیطهای احتراق به صورت مذاب وجود دارند، سه مکانیزم عمده برای چگونگی نمکهای مذاب وانادیم بر سطوح فلزی به صورت زیر پیشنهاد می شود :

الف – عمل واناداتها می تواند در حمل اکسیژن و تسریع اکسیداسیون باشد .

ب – واناداتهای مذاب لایه اکسیدی محافظ را حل خواهند کرد .

ج – وانادات ها می توانند موجب اعوجاج در شبکه اکسیدی گردند.

علاوه بر دلایل فوق ، اسیدیته قویO5 V2 ایجاد شرایط اسیدی در نمک مذاب را باعث شده خوردگی به شدت افزایش می یابد .

2-4-2 اثر سولفات سدیم

حضور سولفات سدیم باعث افزایش سرعت اکسیداسیون می شود ، در حالیکه فلز در حالیکه فلز در تماس  نمک باشد ، از طریق عامل احیاء کننده R – فلز پایه یا اجزاء آلیاژی آ«، واکنش سریعی اتفاق خواهد افتاد :

(2-16)                                                                        

مرحله مذکور همراه با تشکیل سوفید فلزی می یابد که به این دلیل نفوذ به داخل فلز تمایل بیشتر فلز با S نسبت به O می باشد .

M+S=MS                                                                     فلز پایه است . M(2-17)     

در مرحله بعد واکنشهای اتوکاتالیتی به وقوع می پیوندند .

   (2-18)                                                                    M+S=MS(2-19)                                                                                                             

3-4-3 اثر کلرید

 حضور کلرید سدیم حتی به مقدار کم در حد یک درصد در سولفات سدیم سبب افزایش حمله به فلز می گردد . حضور NaCl باعث افزایش پدیده پوسته ای شدن لایه محافظ Cr2O3 می گرددکه این عمل همراه با تشکیل سولفید داخلی می باشد .

کلرید سدیم در تداوم خوردگی داغ تأثیر چندانی ندارد اما با تشویق پدیده پوسته ای شدن به آغاز حمله کمک می نماید، موضوع مذکور برای اولین بار توسطAshworth [6] در سال 1951 میلادی در مورد خوردگی فولاد ضد زنگ مطرح گردید و معلوم شد که کلر می تواند آغاز کننده واکنش خوردگی داغ باشد . مقدار کلرید موجود در رسوب تابعی از دما ، مقدار کلرید موجود در سوخت و هوای ورودی ، فرایند راسب شدن ، نحوه و مقدار کندانس شدن ، نحوه برخورد ذرات در گازها و سوخت ، مقدار گوگرد موجود درسوخت ، زمان اقامت ناخالصیها در محفظه احتراق و غیره می باشد . حالت فیزیکی ناخالصی کلرید مهم می باشد ، این عنصر اگر در فاز گازی هم باشد ، تأثیر مهمی در واکنشهای خوردگی در دمای بالا می گذارد . در سال 1970 میلادی بوسیله آزمایشات تکنیک ارتعاشی ثابت شد که کلرید موجب شکست پوسته اکسیدی محافظ سطحی می گردد.

2-4-4 اثر گوگرد

هنگامی که که پوسته محافظ تخریب می شود ، مرحله نهایی خوردگی داغ بوقوع می پیوندد که در طی آن واکنش بین محیط خورنده و فلز اصلی رخ می دهد. مدلهای مربوط به شرح مکانیزم حمله توسط گوگرد در طی مرحله توسط Ashworth [6] بصورت زیر خلاصه شده اند :

الف – گوگرد با تشکیل سولفید کرم ، عنصر کرم را در فلز پایه حذف کرده و زمینه ای بدون اجزاءمقاوم به اکسیداسیون ایجاد می نماید که در نتیجه آن فلز به آسانی اکسید می گردد .

ب – گوگرد وارد آلیاژ گردیده و با کرم واکنش داده و سولفید کرم تشکیل می دهد و در اثر نفوذ اکسیژن در طول مرزدانه های آلیاژ و واکنش با سولفید های موجود، اکسید کرم تشکیل خواهد شد که در نتیجه این عمل گوگرد آزاد و به مقدار بیشتری بداخل فلز نفوذ می نمایند تا با کرم باقیمانده در آلیاژ واکنش داده و سولفید های بیشتری را تولید نماید . این فرایند می تواند توضیح دهندۀ حضور کرم و غیبت گوگرد در پوسته باشد .

ج- مکانیزم دیگری که ابتدا برای آلیاژ های پایه نیکل مطرح شد ، تشکیل سولفید نیکل بصورت Ni2S3 بود که در نتیجه تشکیل این ترکیب ، کرم در فلز زمینه تهی می شود . این ترکیب همراه نیکل باقیمانده تشکیل یوتکتیکی با نقطه ذوب پایین می دهد که اکسیژن را بداخل مرزدانه ها نفوذ می دهد . با سرد شدن نمونه بعد از عملیات ، سولفید های نیکل مذاب به سولفید کرم جامد و پایدار می گردند که این عمل از طریق فرایند نفوذدر حالت جامد یا فرایندهای دیگر می باشد .

2-5 روشهای مطالعه خوردگی داغ

برای ارزیابی کمی و کیفی موادی که به نوعی مواجه با پدیده خوردگی داغ می باشند ، روشهای متعددی گسترش یافته اند و در این راستا دو هدف اصلی برای انجام آزمایشات مورد نظر می باشد [7]:

الف – انتخاب آلیاژ ها  وپوششهایی که برای یک زمان طولانی در یک محیط مخصوص نسبت به خوردگی مقاوم باشند .

ب- مطالعه پارامترهای خوردگی یا به عبارتی مطالعه مکانیزمهای واکنش

در هر یک از روشهای تعیین خوردگی بسته به شرایط عملیاتی آزمایش ، نتایج مخصوص بخود حاصل می گردد . نتایج گروهی از آزمایشات با میزان وزن مواد یا عمق نفوذ همراه بوده و در یک سری از آزمایشات دیگر با استفاده از نتایج تغییرات جریان رفتار نمونه ها مقایسه می گردد. ارتباط بین نتایج حاصله از آزمایشات با نتایج واقعی در عمل از اهمیت خاصی برخوردار می باشد . اولین روش خوردگی داغ در سال 1957 میلادی توسط Shores [8] مطرح شد . در زیر چند نوع از روشهای اصلی برای تعیین خوردگی داغ و مکانیزم های مرتبط با آن گزارش شده است .

2-5-1روش مشعلی (Burner Rig Test)

در روش معمولی نمونه ها در معرض محصولات احتراق ناشی از سوختهای فسیلی حاوی ناخالصیهای مختلف قرار می گیرند . از این دو روش در دو حالت استفاده می شود، در حالت اول از سرعت بالای گاز استفاده می شود و در حالت دوم گازی با فشار بالا استفاده می گردد . حالت دوم بدلیل مطابقت بیشتر با شرایط توربین (خصوصاً در مورد پره ها و آسترها ) گسترش یافته است . مقدار خوردگی داغ توسط این روش به دو صورت قابل اندازه گیری است ، یکی کاهش وزن نمونه ها بعد از حذف پوسته های محافظ و دیگری میزان عمق نفوذ محصولات واکنش می باشد . در روشهای مشعلی می توان برای به وجود آوردن پدیده سایش در محیط احتراق از ذرات جامد در جریان گاز استفاده کرد .

بدلیل هزینه های بالای ایجاد شراط عملی و همچنین زمان زیاد برای انجام آزمایش ، استفاده از این روش دارای محدودیت می باشد، همچنین کنترل تمام پارامتر ها از مشکلات این روش می باشد مزیت این روش ایجاد شرایطی نزدیک به شرایط عملی توربین خواهد بود[9].

2-5-2 روش کوره ای (Furnace Test)

در این روش سطح نمونه با رسوبی از سولفات سدیم به طور یکنواخت پوشانده خواهد شد و یا نمونه های مورد نظر توسط سولفات سدیم یا رسوبات دیگر از قبل پوشش داده می شوند . در تمام این شرایط می توان از اتمسفری هوا یا گاز احتراق شبیه سازی شده استفاده کرد. پارامتر های اصلی در این روشها ، ناخالصی ، ترکیب گاز و دما می باشند. آزمایش مذکور می تواند در شرایط اکسید کننده یا احیاء کننده صورت پذیرد. اندازه گیری میزان خوردگی توسط کاهش وزن مقدور است [10].

2-5-3 روش بوته ای (Crucible Test)

در این روش نمونه ها در ترکیبی از سولفاتها غوطه ور می گردند . در این روش حمله خورنده ای با توجه به غوطه وری جزئی و کلی نمونه در داخل بوته حاوی نمک مذاب صورت می گیرد اتمسفر گازی بر روی مذاب یا جریان گاز از درون مذاب در جهت ایجاد محیطهای اکسید کننده (هوا یا اکسیژن) یا احیاء کننده (CO) یا برای ایجاد شرایط اسیدی (O2+SO2+SO3) موجود می باشد، در این روش حمله خوردگی سریع بوده و بهمین دلیل نتایج رضایت بخشی را نمی توان در مورد پوششهای دارای مقاومت کم در برابر داغ بدست آورد.

از این روش می توان برای ارزیابی مقاومت به خوردگی با ایجاد شرایط الکتروشیمیایی بر روی نمونه استفاده کرد ، زیرا خوردگی داغ توسط نمکهای مذاب پدیده ای الکتروشیمیایی می باشد . مزیت اصلی این روش ثبت مداوم پارامتر های قابل اندازه گیری نظیر پتانسیل یا جریان خوردگی می باشد ، همچنین بدست آوردن نتایج در زمان کوتاه از مزایای این روش بحساب می آید[7].

2-5-4 روشهای جدید در بررسی آلیاژهای مقاوم به خوردگی داغ

نیاز به شناخت رفتار و مکانیزمهای احتمالی داغ موجب مطالعات زیادی در این زمینه شده و روشهای آزمایشگاهی متعددی گسترش یافته اند که جدیدترین این روشها ، می توان به موارد زیر اشاره کرد :

الف: طیف سنجی توسط جذب الکترون (Electronic Absortion Spectroscpy)

 بطور کلی مطالعات خوردگی داغ در نمکهای مذاب توسط اندازه گیری اندازه گیریهای الکتروشیمیایی سابقه نسبتاً طولانی دارد ولی تشخیص طبیعت محصولات خوردگی های در حال ورود  و حل شدن در نمک مذاب از چنین اندازه گیریهای نبوده و تنها ا استفاده از روش طیف سنجی جذب الکترونی (EAS) می توان به این نتیجه رسید .

در طی خوردگی داغ لایه نمک مذاب راسب شده سطح فلز را مورد حمله قرار داده و حل می نمایند و این عمل موجب بوجود آمدن کمپلکسهای یون سولفات و یونهای فلزات انتقالی به داخل مذاب می گردد.  این کمپلکسها دارای طیف جذب الکترونی مخصوص به خود بوده و در نتیجه می توان از نظر کیفی هر کدام ازکمپلکسها ی تشکیل را بر حسب زمان مورد مطالعه قرار داد . روش (EAS) با اصلاح اندازگیریهای شیمی استاندارد شده می تواند سرعت انحلال فلز به داخل مذاب را بطور پیوسته شرایط صنعتی اندازه گیری نماید .

ب- طیف صوتی (Acoustic Emission)

در حالیکه پدیده های برگشت ناپذیری نظیر شروع و انتشار ترک بوقوع می پیوندند ، انرژی الاستیک به صورت امواج الاستیک انتشار می یابد . این امواج توسط یک ترانس دیوسر پیزوالکتریک آشکار شده و می تواند مورد تحلیل قرار گیرد . این روش بطور موفقیت آمیزی برای مطالعه اکسیداسیون فلز و آلیاژ(M=Ni ,Co ,Fe-X=Y , Hf) MCrAlX مورد استفاده قرار گرفته است [4].

ج - تکنیک ارتعاشی(Vibrational Technique)

در این روش فرکانس تشدید ( رزنانس ) از میله در حال ارتعاش اندازه گیری می شود فرکانس مزبور وابسته به متوسط اندازه گیری مدول یانگ مواد میله که در طی فرایند اکسیداسیون افزایش می یابد به طور اولین تقریب می توان گفت که ارتعاش فرکانس متناسب با ضخامت لایه اکسیدی است .

در نتیجه می توان توسط تغییر فرکانس سرعت اکسیداسیون رامطالعه کرد .ترک خوردن و پوسته ای شدن پوسته اکسیدی موجب کاهش فرکانس تشدید نمونه شده و می تواند آشکار شود .اگر چه از این روش در مطالعات اکسیداسیون استفاده عمده ای می شود که به طور مثال برای مطالعه خوردگی داغ سوپر آلیاژ های پایه نیکل نیز استفاده شده است ولی در بعضی مواقع تفسیر فرکانس مشکل است زیرا فازهای مذاب غنی از سولفور تشکیل می شود[4].

د- روش امپدانس (Electroochemical Impedance Spectroscopy)(EIS)

در بررسی مکانیزم واکنش و سرعت آن در پدید الکتروشیمیایی از روش EIS استفاده زیادی می شود . اما برای کاربرد مفید این روش نیاز به استفاده از یک مدل مناسب برای ارتباط دادن داده های بدست آمده می باشد. کاهش مقاومت در برابر انتقال متناسب با شکست پوسته اکسیدی می باشد و در این شرایط شروع خوردگی سریع نشان داده می شود . 

2-6 مکانیزم های خوردگی داغ

بر طبق تحقیقات صورت گرفته در مورد مکانیزمهای واکنش «فلز-رسوب» و«فلز-پوسته»فرایند خوردگی داغ آلیاژها و پوششها به دو مرحله شروع و رشد (پیشرفت ) تقسیم می شوند . پوسته محافظ تشکیل شده در طی مرحله شروع ، در پایان این مرحله « شروع» شکسته شده و سرعت خوردگی به شدت افزایش می یابد .