زهرا وجدانی: در سال‌های اخیر صنعت نیروگاهی ایران در نقطه‌ای حساس از تاریخ خود قرار گرفته است؛ نقطه‌ای که همزمان با رشد تقاضای برق و فشار‌های فزاینده ناشی از تحریم‌های خارجی نیاز به خودکفایی فناورانه بیش از هر زمان دیگری احساس می‌شود. در این میان یکی از چالش‌های جدی، شکست و فرسایش آجرهای نسوز محفظه احتراق توربین‌های گازی است؛ قطعاتی کوچک اما حیاتی که نقشی تعیین‌کننده در ایمنی و پایداری شبکه برق کشور دارند. تنها شکست یک آجر میتواند به برخورد قطعه با پره‌های توربین، توقف کامل واحد و خسارتی تا ۹۰۰ میلیارد تومان منجر شود رقمی معادل هزینه احداث یک نیروگاه متوسط.
در چنین شرایطی یک شرکت دانش‌بنیان ایرانی با تکیه بر دانش بومی، مهندسی معکوس و فناوری نانوسرامیک‌ها موفق شده است فرآیند تولید آجرهای نسوز ویژه توربین‌های گازی را به‌طور کامل در داخل کشور توسعه دهد. این آجر‌ها با استفاده از روش نوآورانه فوق سرمایش و بهره‌گیری از نیتروژن مایع با دمای منفی ۱۹۶ درجه سانتی‌گراد ساخته می‌شوند؛ فرآیندی که به آنها خاصیت فداشوندگی می‌بخشد تا در صورت ضربه به جای شکستن و پرتاب شدن به پودر تبدیل شوند و از آسیب به پره‌های چندصد میلیاردی توربین جلوگیری کنند.
دستاورد این شرکت ایران را در کنار آلمان و آمریکا به سومین کشور دارنده دانش فنی تولید آجرهای دیرگداز فداشونده توربین‌های گازی بدل کرده است؛ موفقیتی که نه‌تنها از خروج سالانه میلیون‌ها دلار ارز جلوگیری می‌کند، بلکه مسیر صادرات محصولات دانش‌بنیان نیروگاهی را نیز هموار می‌سازد.
این گزارش خبری، حاصل تور فناورانه ستاد ویژه توسعه فناوری نانو به استان قم در ۱۳ مهرماه۱۴۰۴ است که طی آن گروهی از خبرنگاران حوزه فناوری از نزدیک با فرآیند طراحی، تولید و ویژگی‌های این محصول آشنا شدند.
در ادامه به بررسی جزئیات فنی فناوری سرامیک های محفظه احتراق توربین های گازی V94.2 در نیروگاه های برق، مسیر شکل‌گیری آن، ویژگی‌های مهندسی آجرهای نانویی فداشونده، چالش‌های صنعت نیروگاهی و چشم‌انداز صادرات این دستاورد ملی می‌پردازیم.
بومی‌سازی آجرهای نسوز نیروگاهی؛ از ایده تا تجاری‌سازی
محمد حسین‌زاده، مدیرعامل شرکت دانش‌بنیان شرکت دانش‌بنیان اطلس سرام کویر در حاشیه بازدید خبرنگاران در گفت‌و‌گو با خبرنگار علمی برنا از خطوط تولید با اشاره به ۲۷ سال سابقه کاری خود در صنعت سرامیک و دیرگداز می‌گوید: تخصص اصلی من در حوزه دیرگداز‌ها و سرامیک است. بیش از ۲۵ مقاله در ژورنال‌های داخلی و خارجی چاپ کرده‌ام در داوری مقالات و پتنت‌ها مشارکت داشته‌ام و عضو حدود ۱۰ انجمن تخصصی بین‌المللی هستم.
وی با اشاره به سابقه مدیریتی خود می‌افزاید: پیش از تأسیس این شرکت در مجموعه‌ای در یزد فعالیت داشتم که در سال ۱۳۷۶ به عنوان مرکز تحقیقات نمونه کشوری در صنایع کانی‌های غیر فلزی معرفی شد. پس از آن مجموعه‌ای در بروجن راه‌اندازی شد که در آستانه فروش بود، اما ما بهره‌برداری آن را برعهده گرفتیم و طی هشت سال سود خالص شرکت را از رقم ۷ میلیارد تومان در سال ۱۳۸۳ به حدود ۶۰ میلیارد تومان در سال ۱۳۹۲ رساندیم. سپس طرح‌های توسعه‌ای با هدف افزایش ظرفیت تولید تا سقف ۱۵۰۰ میلیارد تومان در دستور کار قرار گرفت.
آغاز پروژه ملی بومی‌سازی در همکاری با سازمان توسعه برق
به گفته حسین‌زاده در سال ۱۳۸۸ سازمان توسعه برق ایران پروژه‌ای ملی را تعریف کرد تا یکی از قطعات کلیدی و مصرفی توربین‌های گازی که تأمین آن در اثر تحریم‌ها متوقف شده بود در داخل کشور بومی‌سازی شود.
او می‌گوید: در آن زمان تامین آجرهای نسوز مخصوص توربین‌ها از طریق واسطه‌ها و با قیمت‌های بسیار بالا صورت می‌گرفت و عملاً وابستگی جدی به شرکت‌های خارجی ایجاد شده بود. به همین دلیل ما وارد این حوزه شدیم و بر اساس تجربه‌های فنی و نتایج تحقیقات خود برنده پروژه ملی بومی‌سازی شدیم.
فناوری منحصر‌به‌فرد تولید؛ از کوره تا فریزر
حسین‌زاده در تشریح نوآوری فنی این محصول می‌گوید: ما دانش فنی تولید این آجر‌ها را از طریق مهندسی معکوس نمونه‌های خارجی به‌دست آوردیم. در حالی که آجرهای معمولی در کوره‌های دمای بالا تولید می‌شوند، فرآیند ما مبتنی بر سرمایش شدید است. در واقع آجر‌ها در فریزر‌هایی با دمای حدود منفی ۷۰ درجه سانتی‌گراد تولید می‌شوند و در بخشی از فرآیند از نیتروژن مایع با دمای منفی ۱۹۶ درجه استفاده می‌کنیم.
به گفته وی این روش باعث ایجاد ساختار خاصی در بافت آجر می‌شود. در اثر انجماد مواد اولیه دچار پدیده‌ای به نام ژلاسیون می‌شوند. این پدیده موجب می‌شود ذرات درون آجر به‌صورت شبکه‌ای به هم پیوند بخورند و محصول نهایی ساختاری بسیار متراکم، مقاوم و فداشونده داشته باشد.
خاصیت فداشونده؛ حفاظت از پره‌های میلیاردی
این فناور درباره عملکرد این آجر‌ها توضیح می‌دهد: آجرهای تولیدشده در اثر ضربه به‌جای خرد شدن به قطعات درشت، به‌صورت پودر درمی‌آیند. این خاصیت که ما آن را “فداشوندگی” می‌نامیم، مشابه عملکرد شیشه‌های سکوریتی است که هنگام شکست به ذرات ریز تبدیل می‌شوند تا از بریدگی جلوگیری شود. در توربین‌ها اگر آجر از محل خود جدا شود و به پره‌ها برخورد کند، پره‌ها ممکن است از مدار خارج شوند. اما با خاصیت فداشوندگی آجر قبل از وارد کردن آسیب، پودر می‌شود و پره‌ها سالم می‌مانند.
او تاکید می‌کند: در کشور بیش از ۲۴۰ توربین گازی فعال وجود دارد که مجموعاً بیش از ۳۵ هزار مگاوات برق تولید می‌کنند. هرگونه آسیب به پره‌های توربین میتواند منجر به توقف واحد و خسارتی تا ۹۰۰ میلیارد تومان شود؛ بنابراین ویژگی فداشوندگی این آجر‌ها برای ایمنی شبکه برق حیاتی است.
مشخصات فنی محصول و ویژگی‌های مهندسی
به گفته مدیرعامل این شرکت آجرهای تولیدی از ویژگی‌های فنی کم‌نظیری برخوردارند:
• تحمل دمایی تا ۱۸۰۰ درجه سانتی‌گراد
• تخلخل ۱۶ درصدی
• دانسیته ۲/۹ تا ۳ گرم بر سانتی‌متر مکعب
• مقاومت مکانیکی ۱۲ مگاپاسکال
• مقاومت به خوردگی بالا در محیط‌های اسیدی و بازی
• تحمل شوک حرارتی بالای ۴۰ بار (در آزمون استاندارد شوک از دمای ۱۰۰۰ درجه تا آب سرد)
• طول عمر مفید بیش از ۳۳ هزار ساعت کاری (معادل حدود پنج سال)
این آجر‌ها دارای تلورانس ابعادی بسیار دقیق با حداکثر خطای ۰٫۲ میلی‌متر هستند و تمامی زوایا، شیار‌ها و قوس‌های آنها با ابزار دقیق CMM اندازه‌گیری می‌شود.
ساختار نانوسرامیکی و نقش نانوذرات
در ترکیب این آجر‌ها از نانوذرات آلومینا و سیلیکا استفاده می‌شود که باعث افزایش چسبندگی، یکنواختی بافت و مقاومت به شوک حرارتی می‌گردد. ترکیب دقیق دانه‌بندی مواد و هموژناسیون کنترل‌شده روی میز ویبره از دیگر مراحل حیاتی فرآیند است.
پس از ریخته‌گری مواد در قالب و بستن پیچ‌ها قالب‌ها به تونل انجماد منتقل می‌شوند تا فرآیند فریزینگ و ژلاسیون انجام گیرد. این مرحله به گفته حسین‌زاده مهم‌ترین بخش تولید است که کیفیت نهایی آجر را تضمین می‌کند.
خسارت میلیاردی ناشی از نقص در یک قطعه
پره‌های توربین‌های گازی از حساس‌ترین و گران‌ترین قطعات نیروگاهی هستند. حسین‌زاده در این باره توضیح می‌دهد: هر ردیف از پره‌های توربین حدود ۳۰۰ میلیارد تومان ارزش دارد و در صورت شکست آجرهای نسوز و پرتاب آنها به سمت پره‌ها ممکن است چند ردیف از پره‌ها به‌صورت زنجیره‌ای تخریب شوند. این اتفاق در مجموع میتواند تا ۹۰۰ میلیارد تومان خسارت به نیروگاه وارد کند. علاوه بر خسارت مالی، توقف چندماهه توربین و خطرات جانی نیز از تبعات آن است.
وی می‌افزاید: در حال حاضر بیش از ۷۰ کارخانه تولید آجر نسوز در کشور فعالیت دارند، اما تقریباً هیچ‌کدام به سمت تولید آجرهای توربینی نرفته‌اند، زیرا حساسیت فنی و مسئولیت آن بسیار بالا است. تنها یک خطا میتواند منجر به انفجار یا از مدار خارج شدن توربین شود.
اهمیت آجرهای دیرگداز در صنعت نیروگاهی
آجرهای نیروگاهی یا دیرگداز از جمله مصالح حیاتی در صنایع فولاد، پتروشیمی، پالایشگاهی و به‌ویژه نیروگاه‌های حرارتی هستند. این آجر‌ها برخلاف آجرهای معمولی ساختمانی برای مقاومت در برابر دما‌های بالا، شوک‌های حرارتی و خوردگی طراحی شده‌اند و عملکرد صحیح آنها به‌طور مستقیم بر راندمان نیروگاه، کاهش مصرف سوخت و جلوگیری از توقف‌های اضطراری اثر دارد.
هر نیروگاه بزرگ سالانه به هزاران قطعه آجر دیرگداز نیاز دارد و طول عمر هر قطعه بسته به نوع ترکیب بین دو تا پنج سال متغیر است. از این رو توان داخلی در تولید و تعمیر این قطعات نقش مهمی در کاهش وابستگی و جلوگیری از خروج ارز ایفا می‌کند.
چالش سوخت و اثرات تخریبی آن بر مواد نسوز
یکی از عوامل اصلی فرسایش آجرهای نسوز نوع سوخت مصرفی در نیروگاه‌هاست. خاکستر و ترکیبات گوگرددار حاصل از احتراق سوخت‌های فسیلی می‌توانند با ایجاد مواد با نقطه ذوب پایین، سطح آجر‌ها را تخریب کنند. همچنین ترکیباتی مانند اکسید وانادیوم، اکسید آهن و اکسید پتاسیم در گازوئیل موجب واکنش‌های شیمیایی نامطلوب و کاهش عمر نسوز‌ها می‌شوند.
به همین دلیل کنترل دقیق کیفیت سوخت و استفاده از مواد مقاوم در برابر این ترکیبات از الزامات طراحی آجرهای دیرگداز است.
گسترش فناوری ایرانی به بازار‌های جهانی و تعاملات بین‌المللی
مدیرعامل شرکت دانش‌بنیان درباره صادرات این محصول می‌گوید: نمونه‌هایی از این آجر‌ها در نیروگاه‌های داخلی نصب شده و تست‌های موفقیت‌آمیز داشته‌اند. علاوه بر این نمونه‌هایی نیز به روسیه ارسال شده است. پس از آغاز جنگ روسیه و اوکراین نیاز به این آجر‌ها در نیروگاه‌های روسی افزایش یافت. هرچند به دلیل تحریم‌ها و مالکیت اغلب نیروگاه‌های روسیه توسط شرکت‌های یهودی ارتباط مستقیم دشوار بوده، اما از طریق واسطه‌های اروپایی مذاکراتی انجام گرفته است.
وی می‌افزاید: در حال حاضر صادرات رسمی انجام نشده، اما نمونه‌هایی به صورت رایگان برای تست ارسال شده‌اند. در صورت عقد قرارداد رسمی این محصول میتواند ارزآوری چشمگیری برای کشور داشته باشد. همچنین مذاکراتی با کشور‌های آفریقای جنوبی، عراق، عمان و سایر کشور‌های عربی خلیج فارس در حال انجام است.
ایران سومین کشور صاحب دانش تولید آجرهای نسوز
به گفته حسین‌زاده در حال حاضر تنها سه شرکت در جهان دانش تولید این آجر‌ها را در اختیار دارند: شرکت زیمنس آلمان، جنرال الکتریک آمریکا و شرکت دانش‌بنیان ایرانی. این فناوری پیش از این به‌طور کامل در انحصار شرکت‌های غربی بود و ایران با اتکا به دانش بومی و تحقیقات داخلی توانست در این فهرست قرار گیرد.
بهبود راندمان توربین‌ها و چالش‌های زیست‌محیطی
وی درباره کلاس‌های مختلف توربین‌ها توضیح می‌دهد: در کشور حدود ۲۴۰ توربین از کلاس E و تعدادی از کلاس F وجود دارد. راندمان تولید برق در توربین‌های کلاس E حدود ۳۳ درصد و در کلاس F تا ۳۹ درصد است. در سیکل ترکیبی نیز حدود ۱۰ درصد به راندمان افزوده می‌شود. حتی توربین‌های زیمنس نیز راندمانی بیش از ۳۵ درصد ندارند و مابقی انرژی به صورت حرارت هدر می‌رود. این موضوع باعث می‌شود گاز‌های گلخانه‌ای ناشی از نیروگاه‌ها سهم زیادی در آلودگی هوا داشته باشند.
گام به‌گام تا دستیابی به فناوری نهایی
فرایند تولید آجرهای دیرگداز توربینی در این شرکت از ترکیب دقیق چند مرحله تشکیل شده است:
۱. آماده‌سازی مواد اولیه با دانه‌بندی‌های متفاوت و ترکیب نانوذرات آلومینا و سیلیکا.
۲. ریختن مواد در قالب‌های خاص با هندسه پیچیده.
۳. انجام هموژناسیون روی میز ویبره برای توزیع یکنواخت ذرات.
۴. انتقال قالب‌ها به تونل انجماد حاوی نیتروژن مایع.
۵. انجام فرآیند ژلاسیون برای ایجاد ساختار زنجیره‌ای و منسجم در بافت آجر.
۶. انجام آزمون‌های شوک حرارتی، خوردگی و ابعادی در آزمایشگاه‌های بین‌المللی.
۷. اخذ تأییدیه از پژوهشگاه نیرو و شرکت توانیر و ثبت در وندورلیست توانیر برای استفاده رسمی در نیروگاه‌ها.
این آجر‌ها هم‌اکنون در چند نیروگاه از جمله نیروگاه دماوند، یزد و ایسین نصب شده‌اند و بازخورد‌های مثبت فنی و عملیاتی دریافت کرده‌اند.
تولید آجرهای نسوز نانوساختار با فناوری فوق سرمایش نقطه عطفی در تاریخ صنعت نیروگاهی ایران است؛ دستاوردی که نه‌تنها وابستگی چند ده‌ساله به واردات قطعات راهبردی را از میان برداشته، بلکه نشان داده است که دانش فنی بومی در صورت حمایت هدفمند، میتواند جایگزین تکنولوژی‌های انحصاری غرب شود.
این فناوری با جلوگیری از آسیب‌های چندصد میلیاردی به توربین‌ها و افزایش ضریب اطمینان شبکه برق، نمونه‌ای عینی از تحقق شعار اقتصاد دانش‌بنیان، صنعت مقاومتی است.
در جهانی که رقابت فناورانه هر روز تنگ‌تر می‌شود، چنین ابتکاراتی تنها زمانی ماندگار خواهند بود که مسیر انتقال از موفقیت فناورانه به تولید انبوه و تجاری‌سازی پایدار هموار گردد. استمرار این روند نیازمند هم‌افزایی میان دولت، دانشگاه و بخش خصوصی و شکل‌گیری نظام حمایتی کارآمد از شرکت‌های دانش‌بنیان است؛ نظامی که نه در شعار بلکه در عمل از نوآوری محافظت کند.
اکنون که ایران در کنار آلمان و آمریکا در زمره معدود دارندگان دانش تولید آجرهای فداشونده توربینی قرار گرفته است، این پرسش به‌طور جدی مطرح می‌شود: آیا می‌توان این موفقیت را به نقطه آغاز تحول فناورانه ملی تبدیل کرد یا بار دیگر اجازه خواهیم داد که یک دستاورد بومی در چرخه پیچیده بی‌توجهی فراموش شود؟
انتهای پیام/