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Valutazione dei fenomeni di degrado di rivestimenti di turbine a gas in impianti IGCC e tecniche di controllo non distruttive per la stima del danno

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Valutazione dei fenomeni di degrado di rivestimenti di turbine a gas in impianti IGCC e tecniche di controllo non distruttive per la stima del danno

Studio dei meccanismi di degrado di rivestimenti con funzione di barriera termica per parti calde di turbine a gas IGCC attraverso prove di esposizione a gas caldi in burner rig e prove di erosione da particolato solido, misure di diffusività termica mediante tecnica termografica, analisi micro strutturali al SEM, analisi con spettroscopia Raman.

Nella prospettiva dell’utilizzo di turbine a gas di nuova generazione in impianti IGCC ((Integrated Gasification Combined Cycle) a maggiore efficienza, risulta fondamentale lo studio dell’effetto di composti corrosivi/erosivi e del vapore acqueo sulle parti calde della turbina, normalmente realizzate in superleghe a base nichel e protette da un rivestimento metallico anticorrosione/ossidazione (bondcoat) e da un rivestimento ceramico poroso con funzione di barriera termica (TBC) In questa ottica, sono state effettuate prove di ossidazione/corrosione, anche in presenza di erosivo, in burner rig su campioni di TBC impiegati nelle turbine delle ultime generazioni: il degrado è stato valutato attraverso misure di diffusività termica mediante tecnica termografica, analisi micro strutturali eanalisi con spettroscopia Raman, eseguite sulla superficie e in sezione su alcuni campioni significativi. I principali risultati possono sintetizzarsi come segue:
– Dalle analisi microstrutturali sembra emergere che la permanenza per poche centinaia di ore in un flusso di gas caldi con elevato tenore di vapor acqueo promuova un degrado significativo dell’interfaccia tra barriera termica e substrato metallico
– la tecnica termografica ha confermato le proprie potenzialità nell’identificare lo stato di danneggiamento all’interfaccia tra barriera termica ceramica e il substrato metallico. Sono state effettuate prove di erosione da particolato solido ad alta temperatura su diverse tipologie di barriere termiche (standard e di nuova concezione), ed è stato studiato l’effetto delle diverse condizioni sperimentali rispetto alla diversa microstruttura dei rivestimenti. I risultati ottenuti hanno mostrato che irivestimenti porosi, prodotti per spruzzatura al plasma, sono caratterizzati da una resistenza nettamente inferiore rispetto alle barriere termiche depositate in fase vapore aventi una struttura colonnare e a quelle al plasma ma dense e segmentate. Per tutti i tipi di rivestimenti considerati, nelle diverse condizionisperimentali, è stato osservato un aumento del tasso di erosione in relazione all’aumento sia della granulometria che della durezza della polvere erosiva. Nei rivestimenti porosi il meccanismo di danneggiamento è risultato legato alla rimozione di aggregati di particelle causata dalla propagazione di cricche lungo i confini delle lamelle, mentre per i sistemi colonnari si verifica generalmente unadensificazione dello strato superficiale del rivestimento e l’erosione ha luogo attraverso la propagazione di cricche tra lo strato densificato e quello sottostante. Sono state valutate le reali potenzialità della spettroscopia Raman come tecnica diagnostica, con riferimento alla mappatura della fase monoclina della zirconia; inoltre è stata avviata un’indagine volta ad ottenere indicazioni correlabili alla temperatura media di esposizione delle barriere termiche: 
è stato possibile correlare lo spostamento dei picchi della fase tetragonale con tempo e temperatura d’esposizione espressi mediante il parametro di Larson Miller, sebbene macrosollecitazioni all’interno delle barriere termiche contribuiscano anch’esse a tale fenomeno.

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