شاهکار مهندسی ایرانی؛ آجر نسوز توربین مقاوم در برابر 200 تُن مذاب

محمد حسین‌زاده؛ بنیان‌گذار و مدیرعامل شرکت دانش‌بنیان «اطلس سرام کویر» در توضیح محصول تخصصی تولیدی این شرکت، اظهار کرد: این محصول برای شرکت زیمنس طراحی شده است و نقش اصلی آن در عملکرد توربین‌های نیروگاهی تعیین‌کننده است. بالای هر توربین محفظه‌هایی وجود دارد که در آن گاز توسط مشعل می‌سوزد و حرارت ایجادشده باعث چرخش پره‌ها می‌شود؛ این چرخش، در نهایت منجر به تولید برق می‌شود.

وی گفت: داخل این محفظه‌ها از آجرهای ویژه‌ای استفاده می‌شود که هر کدام به وسیله هولدرهایی نگهداری می‌شوند. در اثر حرارت بالا، این آجرها ممکن است دچار فرسایش شوند و اگر از بین بروند یا پرتاب شوند، خطرات جدی برای توربین به وجود می‌آید، چرا که برخورد آجر با پره‌های توربین می‌تواند خسارت‌های جبران‌ناپذیری را به سیستم وارد کند؛ به همین دلیل، به هیچ عنوان نباید چنین اتفاقی رخ دهد.  

وی افزود: یکی از ویژگی‌های مهم این سیستم، استفاده از فیلترهای بسیار پیشرفته برای هوای ورودی به محفظه احتراق است تا گرد و غبار موجود در هوا گرفته شود، چراکه همین ذرات بسیار ریز می‌توانند مانند ساچمه عمل کرده و به پره‌ها آسیب بزنند. اگر کوچک‌ترین تکه‌ای از آجر کنده شود و به داخل محفظه بیفتد، خسارتی شدید به بار می‌آورد. در اصطلاح فنی، زمانی که چنین تکه‌ای به بخش «میکسینگ چمبر» برخورد کرده و منجر به از بین رفتن فوری آن شود، وضعیت بسیار خاص و بحرانی‌ای برای آجر ایجاد می‌شود و باید از بروز چنین وضعیتی به طور کامل جلوگیری شود.  

بنیان‌گذار اطلس سرام کویر با اشاره به حساسیت بالای تولید این نوع آجرها، گفت: در ایران حدود 70 کارخانه تولیدکننده مواد نسوز فعالیت دارند، اما به دلیل سنگینی تعهدات تضمین عملکرد در نیروگاه‌ها، تقریباً هیچ‌یک از آنها سمت تولید این قطعه نرفته‌اند؛ زیرا این قطعات در شرایط حرارتی بسیار بالا خاصیت اصلی خود را از دست می‌دهند و تولید آنها نیازمند فناوری دقیق و کنترل کامل کیفیت است. متأسفانه سالانه بین پنج تا شش مورد حادثه ناشی از شکست یا پرتاب این آجرها در نیروگاه‌های کشور رخ می‌دهد، در حالی که حتی یک مورد در ده سال هم نباید اتفاق بیفتد.  

مدیرعامل این شرکت دانش‌بنیان ادامه داد: پره‌های توربین معمولاً به صورت سه‌تایی و پشت سر هم هستند؛ هر سری از این پره‌ها حدود 300 میلیارد تومان ارزش دارد و معمولاً زمانی که یک آجر برخورد کند، به‌دلیل چرخش سریع توربین چند سری از آنها به‌طور هم‌زمان آسیب می‌بینند. این مسئله علاوه بر خسارت مالی سنگین، توقف طولانی نیروگاه و مشکلات جدی در تأمین پره‌ها را در پی دارد، زیرا این قطعات در داخل کشور قابل تأمین نیستند و باید از خارج وارد شوند. وی افزود: به عنوان نمونه، در چند نیروگاه کشور شاهد بروز چنین مشکلاتی بوده‌ایم که توقف‌های طولانی و خسارات فراوانی به‌جا گذاشته‌اند.  

حسین‌زاده در تشریح فعالیت‌های صادراتی این شرکت گفت: با توجه به اینکه از این نوع توربین‌ها در روسیه بسیار زیاد استفاده می‌شود، در جریان جنگ روسیه و اوکراین نیاز شدیدی به خرید این آجرهای نسوز در آن کشور به وجود آمد. اما با توجه به اینکه عمده نیروگاه‌های روسیه در اختیار شرکت‌های وابسته به یهودیان هستند، ارتباط مؤثری با شرکت‌های ایرانی برقرار نشده است.

وی تصریح کرد: با وجود این، شرکت اطلس سرام کویر نمونه‌هایی از این محصول را ارسال کرده و برخی تعاملات اولیه را انجام داده است، زیرا روس‌ها پول آن را از طریق شرکت زیمنس پرداخت کرده‌اند و درحال‌حاضر در جهان تنها سه شرکت دارای دانش فنی تولید این قطعه هستند؛ یکی شرکت زیمنس آلمان، دیگری جنرال الکتریک آمریکا و سومین شرکت، همین اطلس سرام کویر ایران است.  

وی افزود: شرکت‌های روسی به دلیل تحریم‌های گسترده، نتوانستند پول خود را از زیمنس یا قطعات مورد نیازشان را دریافت کنند و اکنون تاجران ایرانی با دور زدن مسیرهای اروپایی، این محصولات را از شرکت‌های ثالث تهیه و برای روسیه صادر می‌کنند تا مشکل تأمین آنها تا حدی حل شود. ارتباطاتی با طرف‌های روسی برقرار کرده‌ایم و منتظر پاسخ رسمی آنان هستیم؛ همچنین با آفریقای جنوبی نیز مذاکراتی انجام شده و پیش‌بینی می‌کنیم ظرف یکی دو ماه آینده به این کشور سفر کنیم.  

مدیرعامل اطلس سرام کویر همچنین اظهار کرد: در منطقه خاورمیانه نیز اقدامات صادراتی آغاز شده است؛ برای مثال به عراق چند نمونه آجر نسوز برای نیروگاه میله ارسال شده و در صورت موفقیت در تست‌ها، مسیر صادرات به عمان و سایر کشورهای عربی نیز باز خواهد شد، چراکه این کشورها معمولاً توجه ویژه‌ای به توانمندی‌های منطقه‌ای دارند.

وی گفت: در حال حاضر صادرات به‌صورت تجاری و عمده انجام نشده، بلکه نمونه‌های آزمایشی و رایگان برای تست عملکرد در اختیار مشتریان خارجی قرار گرفته است.  

در توضیح فنی‌تر، حسین‌زاده درباره نوع توربین‌ها گفت: در کشور دو کلاس اصلی توربین مورد استفاده وجود دارد؛ کلاس «E» که حدود 240 توربین از آن نوع در کشور فعال است و کلاس «F» که پیشرفته‌تر بوده و حدود 15 نیروگاه برای آن تجهیز شده‌اند.

وی افزود: راندمان توربین‌های کلاس «E» حدود 33 درصد است، در حالی‌که توربین‌های کلاس «F» به حدود 39 درصد راندمان می‌رسند. در صورت استفاده از سیکل ترکیبی، حدود 10 درصد راندمان افزایش پیدا می‌کند، اما به‌طور کلی راندمان این توربین‌ها از محدوده یادشده فراتر نمی‌رود.  

وی خاطرنشان کرد: طراحی توربین‌های شرکت زیمنس به‌گونه‌ای است که از کل گاز مصرفی، تنها حدود 35 درصد آن به برق تبدیل می‌شود و مابقی هدر می‌رود. همین مسئله موجب افزایش تولید گازهای گلخانه‌ای از نیروگاه‌ها و تشدید آلودگی هوا شده است، که یکی از چالش‌های جدی در بهره‌برداری از این نوع توربین‌ها به شمار می‌رود.  

مدیرعامل شرکت دانش‌بنیان «اطلس سرام کویر» در ادامه گفت: در کشور حدود پانزده نیروگاه کلاس F فعال است که مجموعاً نزدیک به پنج‌هزار مگاوات برق کشور را تأمین می‌کنند. وی افزود: آجرهای مورد استفاده در این نیروگاه‌ها با نوع کلاس E تفاوت دارند و هر یک از این آجرها توسط شرکت‌های خارجی به قیمت حدود 800 یورو خریداری می‌شوند.

حسین‌زاده اظهار کرد: به‌دلیل تحریم‌ها، نمونه‌های اصلی این آجرها از شرکت‌های معتبر اروپایی قابل تهیه نیست و در اروپا شرکت‌های جعلی و غیر‌اصلی ایجاد شده‌اند که آجرهای تقلبی را تولید کرده و از طریق واسطه‌ها وارد کشور می‌کنند.  

وی تصریح کرد: حوادثی که منجر به شکست یا پرتاب پره‌های توربین می‌شود، معمولاً ناشی از استفاده همین آجرهای فیک است که از مجاری غیررسمی وارد کشور می‌شوند و همین موضوع باعث شده نیروگاه‌ها برای جایگزینی مطمئن، به شرکت اطلس سرام کویر روی آورند.

مدیرعامل این شرکت گفت: خوشبختانه هیچ مورد خرابی یا حادثه‌ای در محصولات تولیدی ما گزارش نشده و در همه پروژه‌ها نامه‌های رضایتمندی از نیروگاه‌ها دریافت شده است. قیمت اصلی آجرهای معتبر خارجی به‌دلیل تحریم‌ها به ایران نمی‌رسد و نمونه‌های فیک حدود 130 یورو قیمت دارند، اما قیمت تولید داخل ما حدود 50 تا 60 یورو برای هر آجر است.  

وی با اشاره به تکمیل مراحل تحقیق و آزمایش فنی کلاس F، توضیح داد: کلیه مراحل تست برق و آزمایشات حرارتی انجام شده است، اما برای ساخت هر قطعه نیاز به قالب اختصاصی همان نیروگاه داریم. ساخت این قالب‌ها تنها در صورت سفارش نیروگاه ممکن است، زیرا هر نیروگاه طراحی مخصوص به خود را دارد.

حسین‌زاده افزود: در حال رایزنی هستیم، اما از آنجا که وزارت نیرو و نیروگاه‌های زیرمجموعه آن در وضعیت مالی نامناسبی قرار دارند و وزارت نیرو از بدهی‌های سنگین رنج می‌برد، امکان سرمایه‌گذاری برای تأمین هزینه ساخت قالب‌ها فعلاً فراهم نیست.  

وی گفت: تأمین آجرهای کلاس F در حال حاضر پروژه شماره یک وزارت نیرو محسوب می‌شود و با وجود استقبال زیاد از محصول شرکت ما، عملاً پیشبرد طرح منوط به پرداخت هزینه‌های اولیه قالب‌سازی از سوی وزارت نیرو یا خود نیروگاه‌هاست که تاکنون اتفاق نیفتاده است.

حسین‌زاده خاطرنشان کرد: معمولاً زمانی به این موضوع توجه می‌شود که نیروگاه وارد وضعیت بحرانی شود؛ در آن شرایط دیگر قیمت اهمیتی ندارد و آجر حتی با چند برابر نرخ، خریداری می‌شود. به‌عنوان مثال، ما اعلام کردیم آجرهای کلاس F را با قیمت 120 یورو تأمین می‌کنیم، در حالی‌که نمونه خارجی آن بین 800 تا 1000 یورو قیمت دارد؛ اما تا زمانی‌که بحران رخ ندهد، نیروگاه‌ها به‌دلیل کمبود بودجه قادر به خرید نیستند.  

مدیرعامل اطلس سرام کویر افزود: هر آجر حدود 33 هزار ساعت عمر دارد و پس از این مدت باید تعویض شود؛ درست مانند تسمه تایم در خودرو که پس از پایان عمر مفید، الزاماً باید جایگزین شود تا خطر شکست قطعات جلوگیری شود. وی ادامه داد: شرکت‌های سنتی که پیش‌تر این محصولات را تولید می‌کردند، هنوز با روش‌های قدیمی فعالیت دارند، اما نیروگاه‌ها دیگر تمایلی به استفاده از محصولات آن‌ها ندارند.  

وی درباره ثبت دانش فنی این محصول گفت: هنگامی که تصمیم به ثبت اختراع گرفتیم، هفت تا هشت مقاله پژوهشی منتشر شد و همین امر باعث افشای روش تولید و از بین رفتن امکان ثبت پتنت جهانی شد.

حسین‌زاده توضیح داد: در حال حاضر پتنت مربوط به این فناوری در اروپا و آمریکا ثبت شده است، اما به‌دلیل تفاوت‌های اقلیمی و شرایط صنعتی، شرکت‌های اروپایی قادر به استفاده از دانش فنی ما نیستند؛ در حالی‌که شرکت‌های آمریکایی و آسیایی امکان بهره‌برداری دارند. با این حال، در ایران به دلیل نبود ثبت رسمی، اگر شخص یا نهادی بخواهد دانش فنی را به‌کار گیرد، ما عملاً نمی‌توانیم مانع شویم.  

وی با بیان اینکه ظرفیت تولید شرکت سالانه حدود 500 تن است، گفت: مصرف داخلی این آجرها در شرایط فعلی حدود 100 تن در سال است، اما ظرفیت تولید پایین‌تر از این برای ما امکان‌پذیر نیست، زیرا حداقل تعریف‌شده برای خط تولید باید بتواند بازار منطقه‌ای شامل خاورمیانه، روسیه و آفریقا را پوشش دهد. هدف‌گذاری شرکت نیز تأمین نیاز همین استان‌های صنعتی و کشورهای اطراف بوده است.  

مدیرعامل اطلس سرام کویر افزود: صادرات رسمی این محصول تازه از سال گذشته آغاز شده است، در حالی‌که برای روسیه دو سال پیش نمونه‌های آزمایشی ارسال شده بود. وی گفت: به‌دلیل مسیرهای تحریم‌شده، روند صادرات زمان‌بر بوده است؛ همان‌طور که در ایران نیز فرایند رسیدن محصول به مرحله بهره‌برداری نهایی، حدود نه سال به طول انجامید.  

حسین‌زاده توضیح داد: پس از تأیید آزمایشگاه‌های بین‌المللی، دو سال طول کشید تا شرکت توانیر آزمون‌های نوعی و بررسی‌های فنی را تکمیل کند و نام اطلس سرام کویر در فهرست تأمین‌کنندگان مورد تأیید (Vendor List) قرار گیرد. پس از آن، حدود نه سال زمان برد تا نیروگاه‌ها اجازه استفاده از محصول را صادر کنند، زیرا هر نیروگاه ابتدا تنها یک آجر را در موقعیتی بسیار حساس نصب می‌کرد و سپس تا چهار سال صبر می‌کرد تا نتیجه عملکرد آن بررسی شود؛ این روند بسیار طولانی اما تضمین‌کننده اعتماد کامل به محصول داخلی بود.  

بنیان‌گذار و مدیرعامل شرکت دانش‌بنیان «اطلس سرام کویر» در ادامه سخنان خود اظهار کرد: هرچقدر هم که بگوییم تمام آزمایش‌ها با موفقیت پشت سر گذاشته شده و تمامی تأییدیه‌های فنی و بین‌المللی اخذ گردیده، نیروگاه‌ها در نهایت نتیجه عملکرد محصول را در شرایط واقعی و محل نصب آن ملاک قرار می‌دهند.

وی گفت: حق هم دارند، چراکه این قطعه بسیار حساس است و هیچ مدیر یا مجموعه‌ای در نیروگاه‌ها حاضر نیست ریسک استفاده از قطعه‌ای را بپذیرد که اگر کوچک‌ترین ایرادی در عملکرد آن رخ دهد، ممکن است به از مدار خارج شدن کامل واحد توربین، توقف تولید برق، و حتی ایجاد اختلال در شبکه سراسری منجر شود.

وی تصریح کرد: اگر در چند نیروگاه به‌صورت هم‌زمان چنین حادثه‌ای رخ دهد، ممکن است کل شبکه برق کشور دچار مشکل شود، بنابراین هیچ‌کس حاضر نیست بدون اطمینان کامل، نیروگاه خود را به آزمایشگاه تبدیل کند؛ به همین دلیل فرآیند اعتمادسازی برای این قطعه زمان‌بر و حساس بوده است.

مدیرعامل اطلس سرام کویر گفت: در حال حاضر 23 نیروگاه در کشور از محصولات ما استفاده می‌کنند که حدود 60 درصد توربین‌های موجود را شامل می‌شود. وی ادامه داد: در کشور حدود 240 توربین از این نوع وجود دارد؛ به‌عنوان مثال نیروگاه دماوند دارای 12 توربین از این نوع است که ما آجرهای مربوط به آن را تأمین می‌کنیم، نیروگاه کرمان 8 توربین، و نیروگاه قائن 4 توربین فعال دارد که هرکدام بخشی از نیازشان توسط محصولات شرکت ما تأمین شده است.

حسین‌زاده افزود: هر توربین باید پس از نصب آجرهای نسوز، حدود دو تا سه هزار ساعت کاری را در معرض سیکل‌های حرارتی متناوب قرار گیرد تا شبکه داخلی آجر، موسوم به ساختار «هانیکا»، بتواند به‌طور کامل تثبیت شود و مقاومت لازم در برابر تغییر دما و تنش‌های نیروگاهی را پیدا کند.

وی گفت: کوره‌ها در شرایط عملیاتی معمولاً در نوک مشعل حرارتی حدود 1500 درجه سانتی‌گراد دارند و باید به‌صورت موضعی نسبت به دما ارزیابی شوند، چراکه دما در نقاط مختلف محفظه احتراق متفاوت است.

وی با اشاره به آسیب‌پذیری آجرها در مقابل شوک‌های حرارتی، توضیح داد: در فرآیندهای گرم و سرد شدن سریع، این آجرها تحت فشار و نوسانات شدید حرارتی قرار می‌گیرند و مقاومت آن‌ها باید به گونه‌ای باشد که در برابر چنین شوک‌هایی از هم نپاشند. علاوه بر آن، توربین‌ها در حال چرخش دائم هستند و این وضعیت سبب می‌شود آجرها به‌طور مستمر در معرض تنش‌های ترکیبی ترمو‌ـ‌مکانیکی قرار گیرند؛ به همین دلیل طراحی و فرمول‌بندی این قطعه باید بتواند پایداری کامل در برابر حرارت، فشار و ارتعاش را تضمین کند.

بنیان‌گذار و مدیرعامل این شرکت دانش‌بنیان در ادامه سخنان خود اظهار کرد: در زمان کار توربین، آجرهای نسوز به‌طور مستمر تحت لرزش قرار دارند و دائماً با ضربه‌های حرارتی و مکانیکی مواجه می‌شوند؛ این تنش‌های ترمومکانیکی و شوک‌های حرارتی برای آجر فاجعه‌آمیز است و دلیل اصلی حساسیت بالای طراحی و تولید این قطعه محسوب می‌شود.

وی افزود: فناوری و نقشه مهندسی این آجرها از نظر طراحی کاملاً متفاوت از صنایع فولادی است، با این حال ما توانستیم دانش فنی مورد استفاده در صنعت نیروگاهی را به صنایع فولاد و حتی صنعت مصر نیز انتقال دهیم و به نتایج بسیار منحصربه‌فردی دست پیدا کنیم.

به گفته وی در صنعت فولاد، در نقاطی که فلز مذاب با دمای حدود 1650 درجه سانتی‌گراد از یک مرحله تولید به مرحله دیگر منتقل می‌شود، قطعه باید بتواند فشار حدود 200 تُن مذاب را تحمل کند؛ آجرهای تولیدی این شرکت در چنین شرایطی آزمایش شده و نتایج نشان داده که طول عمر آن‌ها به‌صورت ضریبی نسبت به نمونه‌های مشابه افزایش چشمگیری داشته است.

حسین‌زاده گفت: این دانش فنی در ابتدا منحصراً برای صنعت نیروگاه‌های شرکت زیمنس طراحی شده بود و پتنت آن به‌صورت انحصاری در اختیار زیمنس قرار داشت، به‌گونه‌ای که شرکت‌های طرف قرارداد اجازه استفاده از فناوری تولید آن را در صنایع فولاد نداشتند.

وی افزود: با این حال، ما در ایران توانستیم این فناوری را بومی‌سازی کرده و در سایر صنایع نیز از آن بهره ببریم، زیرا منطقه خاورمیانه از نظر حقوق مالکیت صنعتی مستقل از اروپا محسوب می‌شود و امکان استفاده از دانش فنی بومی‌سازی‌شده در این محدوده وجود دارد.

وی ادامه داد: مواد اولیه مورد استفاده در تولید این آجرهای نسوز از اروپا وارد می‌شود، چرا که حساسیت جنس و ترکیب ماده بسیار بالاست و کوچک‌ترین تغییر در آن می‌تواند عملکرد قطعه را مختل کند. این آجرها همان قطعاتی هستند که در محفظه احتراق بالای توربین‌ها نصب می‌شوند و به رنگ سفید قابل مشاهده‌اند.

حسین‌زاده گفت: آجرهای کلاس E و F هرکدام شکل‌ها و ابعاد خاصی دارند و نحوه نصب آن‌ها متفاوت است؛ اشکال هندسی پیچیده و ساختارهای بلوکی آن‌ها باعث می‌شود هر نیروگاه قالب اختصاصی خود را داشته باشد.

وی تصریح کرد: فرآیند تولید این آجر کاملاً متفاوت و بسیار دقیق است. ابتدا مواد اولیه مختلف با دانه‌بندی متنوع و نانو‌ذرات ترکیبی مانند نانو‌ذرات آلومینا مخلوط می‌شوند تا خمیری یکنواخت حاصل شود. این خمیر در قالب ریخته شده و روی میز ویبره هموژناسیون انجام می‌شود، سپس فرایند پرس آغاز می‌شود و قالب در محل خود قفل می‌شود و وارد تونل انجماد می‌گردد. در این مرحله، نیتروژن مایع به سیستم تزریق می‌شود تا سرما و انجماد کنترل‌شده ایجاد شود.

مدیرعامل این شرکت دانش‌بنیان گفت: این مرحله از تولید، مهم‌ترین بخش فرآیند است. در تونل انجماد، به‌دلیل خاصیت فیزیکی آب که در هنگام انجماد منبسط می‌شود، نیروی انبساطی تلاش می‌کند حجم خود را افزایش دهد اما قالب اجازه این گسترش را نمی‌دهد و در نتیجه پدیده‌ای به نام «پرسینگ» یا فشردگی عکس‌العملی صورت می‌گیرد؛ یعنی قالب از هر طرف نیروی فشاری را به بدنه وارد می‌کند و انسجام ساختاری قطعه شکل می‌گیرد. پس از خارج شدن قالب از تونل انجماد، فرآیند «ژلاسیون» اتفاق می‌افتد؛ مشابه همان که در خانه وقتی ژله را در یخچال قرار می‌دهیم، سفت می‌شود.

وی توضیح داد: در این مرحله قطعه به حدی مستحکم می‌شود که حتی با پتک نیز نمی‌شکند و سپس وارد مرحله پخت حرارتی می‌گردد تا ساختار آن تثبیت شود. حسین‌زاده بیان کرد: این روش تولید همان پتنت ثبت‌شده در شرکت‌های خارجی است و نشان‌دهنده نحوه استفاده از نانو‌مواد در ایجاد شبکه ساختاری مقاومت در برابر تنش است.

وی ادامه داد: ذرات درشت مواد اولیه پس از ترکیب با محلول نانو، با یک فیلم نازک پوشش داده می‌شوند؛ به‌گونه‌ای که در حین پخت، واکنشی میان ذرات نانو و سطح مواد ایجاد می‌شود و یک لایه پیوسته شبیه زنجیر بین آن‌ها تشکیل می‌گردد. وی گفت: این شبکه باعث می‌شود وقتی ضربه‌ای به یک نقطه از آجر وارد شود، اثر آن به‌صورت خطی یا نقطه‌ای رشد نکند، بلکه انرژی تنش در تمام سطوح پخش شود؛ یعنی کل مجموعه به‌صورت هماهنگ آن ضربه را حس کند و از تخریب موضعی جلوگیری شود.