7. Podsumowanie i uwagi ko cowe

Transkrypt

1 7. Podsumowanie i uwagi ko cowe Rozwój gospodarczy kraju i wzrost produkcji przemysłowej w Polsce zale od zaspokojenia zapotrzebowania na energi elektryczn. W okresie do 2020 roku zwi kszy si ono prawie dwukrotnie w porównaniu z rokiem 1997 [436]. W giel kamienny w tym okresie nadal b dzie stanowił ok. 30% ogólnego bilansu surowców energetycznych. Rozwój technologii energetycznych w du ej mierze zale y od czynników materiałowo-technologicznych [ ]. Wytrzymało ć materiałów w podwy szonej temperaturze zale y głównie od kombinacji temperatury, napr enia i czasu eksploatacji, a tak e od agresywno ci rodowiska, decyduj c o przebiegu procesów niszczenia, w tym głównie wskutek pełzania, które jest podstawowym procesem determinuj cym mechaniczne zachowanie si metali i stopów w podwy szonej temperaturze, jako procesu degraduj cego własno ci, a tak e od czynników technologicznych i konstrukcyjnych. W praktyce czas bezpiecznej i wydajnej pracy jest jedynym interesuj cym wska nikiem ilo ciowym, zwi zanym bezpo rednio z trwało ci, jako miar ogólnie poj tego wyt enia materiału lub elementu konstrukcyjnego urz dze i instalacji energetycznych, ciepłowniczych i petrochemicznych. Materiały stosowane do budowy urz dze energetycznych i petrochemicznych powinny si cechować mał podatno ci na p kanie, w tym szczególnie na tworzenie kruchego złomu w warunkach współdziałania czynników mechanicznych, korozyjnych i aktywowanych cieplnie, a nade wszystko wymagan odporno ci na odkształcenie plastyczne w podwy szonej temperaturze, a powy ej temperatury granicznej T g wymagan wytrzymało ci na pełzanie. Poniewa ok. 90% eksploatowanych w Polsce bloków energetycznych przekroczyło obliczeniowy czas pracy , a wi kszo ć nawet godzin, a ich okres u ytkowania nierzadko osi gn ł 40 a nawet 50 lat, zapewnienie dyspozycyjno ci pracuj cych jednostek i ich dalszej bezpiecznej eksploatacji, jest determinant zapewnienia obecnego poziomu produkcji energii elektrycznej w Polsce, zwa ywszy e obserwuje si nadal niewielkie zaanga owanie inwestycyjne w sektorze energetycznym. Decyzje o przedłu eniu eksploatacji elementów instalacji energetycznych poza czas obliczeniowy stały si wi c konieczno ci, zwa ywszy e ich rzeczywiste zu ycie eksploatacyjne jest zwykle znacznie mniejsze od całkowitego, na co wpływa m.in. liczba i wielko ć współczynników bezpiecze stwa stosowanych w projektowaniu, a wynikaj cych z uproszcze przyjmowanych w tym procesie i niewiedzy projektantów, rednia czasowa wytrzymało ć na pełzanie charakterystyczna dla ka dego z gatunków 7. Podsumowanie i uwagi ko cowe 191

2 Open Access Library Volume stali b d cych przedmiotem bada, której warto ć rzeczywista zwykle jest wi ksza od warto ci przyj tej do oblicze, rzeczywista grubo ć cianki rur wi ksza od przyjmowanej do oblicze i powi kszona o wymagane naddatki, rzeczywiste warunki temperaturowo-napr eniowe pracy najcz ciej ni sze od przyj tych w obliczeniach, a podejmowanie decyzji w tym zakresie wymaga racjonalnej diagnostyki, przegl dów i napraw. Zło ono ć wymienionych zagadnie stała u podstaw opracowania niniejszej monografii powstałej w oparciu o wyniki własnych długoletnich bada autora w tym zakresie [1-435] i w celu ich podsumowania, której teza stanowi, e obiektywna ocena trwało ci materiału pracuj cego w warunkach pełzania mo liwa jest jedynie w oparciu o zespół materiałoznawczych metod i technik badawczych, obejmuj cych wyniki bada metalograficznych, bada własno ci mechanicznych i metod obliczeniowych. Poznawcze i praktyczne cele niniejszej pracy dotycz przedstawienia opisu procesu degradacji materiału podczas długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania, zmian jego struktury i rozwoju wewn trznych uszkodze i zwi zanych z tym zmian własno ci mechanicznych, jako podstawy opracowania obiektywnej metody oceny stanu materiału i jego przydatno ci do dalszej eksploatacji w warunkach pełzania, z uwzgl dnieniem materiałoznawczej interpretacji przyczyn zmian struktury i własno ci oraz oceny trwało ci stali stosowanych na elementy energetyczne pracuj ce w warunkach pełzania. Dokonywana ocena ka dorazowo wymaga wykonania komplementarnych bada i pomiarów, których dobór jest zale ny m.in. od rodzaju i warunków pracy analizowanego elementu konstrukcyjnego, a tak e od mo liwo ci dost pu do tego elementu. Oszacowanie stanu materiału wymaga wyznaczenia stopnia wyczerpania (t e /t r ) b d cego stosunkiem czasu dotychczasowej eksploatacji t e do czasu do zerwania t r odniesionego do warunków temperaturowo-napr eniowych. Znajomo ć czasu dotychczasowej eksploatacji odniesiona do oszacowanego lub wyznaczonego stopnia wyczerpania pozwala wyznaczyć trwało ć resztkow t re b d c czasem pozostaj cym do zniszczenia materiału dla zdefiniowanych warunków dotychczasowej pracy. Czasem dalszej bezpiecznej eksploatacji jest cz ć tego czasu, nazywana resztkow trwało ci rozporz dzaln t be, definiowana jako czas do osi gni cia ko ca drugiego okresu pełzania. Wymienione badania i pomiary wykonano na elementach po długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania przy rzeczywistym czasie znacznie dłu szym od obliczeniowego czasu pracy godzin (tabl. 2) z wybranych stali niskostopowych 16Mo3, 14MoV6-3, 13CrMo4-5, 10CrMo9-10 oraz wysokochromowej X20CrMoV11-1 (tabl. 1), w szczególno ci dotycz cych wyczerpania i zwi zanych z tym procesów wydzieleniowych 192 J. Dobrza ski

3 oraz uszkodzenia tych stali, jak równie oryginalnej autorskiej metodologii oceny trwało ci resztkowej, wł cznie z wykorzystaniem metod sztucznej inteligencji do modelowania wybranych procesów oraz predykcji bezpiecznego czasu dalszej eksploatacji. Zmiany w strukturze badanych materiałów w czasie pracy w warunkach pełzania zachodz w jej podstawowych składnikach fazowych oraz wyst puj cych wydzieleniach, powoduj c w ko cu powstawanie i rozwój wewn trznych uszkodze. Udział poszczególnych procesów i ich intensywno ć zale od typu struktury stanu wyj ciowego i stopnia wyczerpania. W pierwszym okresie najwi ksze zmiany s zwi zane z rozpadem perlitu i/lub bainitu w stalach niskostopowych oraz odpuszczonego martenzytu w stali wysokochromowej. Ze wzrostem stopnia wyczerpania intensywno ć tych zmian maleje, natomiast ro nie intensywno ć procesów wydzieleniowych. Zaawansowany stan rozwoju procesów wydzieleniowych wi e si z zapocz tkowaniem i rozwojem wewn trznych uszkodze, powoduj c inicjacj nieci gło ci najcz ciej pod koniec drugiego lub z pocz tkiem trzeciego okresu pełzania. Zale y to od rodzaju struktury i parametrów eksploatacji. Dla opracowywania systemu oceny stanu materiału po długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania konieczna jest znajomo ć poziomu własno ci u ytkowych odpowiadaj cych okre lonemu stanowi struktury i odpowiadaj cemu mu stopniowi wyczerpania, natomiast nie jest wymagana znajomo ć struktury i własno ci stanu wyj ciowego, jak równie historii eksploatacji danego elementu, jako głównych czynników o istotnym wpływie na stan struktury materiału po eksploatacji, które s zakodowane w ocenianym materiale. Znajomo ć warunków eksploatacji mo e być jednak pomocna w definiowaniu warunków i prognozowaniu czasu dalszej eksploatacji. Stopie wyczerpania materiałów pracuj cych w warunkach pełzania jest skutkiem nakładania si zmian w strukturze, zwi zanych ze składnikami fazowymi, procesami wydzieleniowymi oraz uszkodzeniami wewn trznymi. Zmianom struktury wszystkich badanych stali przypisano odpowiadaj cy im stopie wyczerpania, a jemu z kolei przyporz dkowano główne klasy struktury, ujmuj ce klasy procesów składowych zmian w strukturze badanych stali i na tej podstawie opracowano klasyfikacj stanu badanych stali pracuj cych w warunkach pełzania. Opracowana klasyfikacja dla ka dej z badanych stali składa si dwóch cz ci, pierwszej obejmuj cej badane stale po eksploatacji bez wewn trznych uszkodze i drugiej uwzgl dniaj cej uszkodzenia wewn trzne. Dla zmian struktury i jej stanów zdefiniowanych dla kolejnych etapów sporz dzonych klasyfikacji, na podstawie wyników bada opracowano wzorce struktury ilustruj ce etapy tych zmian w badanych stalach. 7. Podsumowanie i uwagi ko cowe 193

4 Open Access Library Volume Schematy zmian struktury badanych stali po eksploatacji w warunkach pełzania obejmuj ce klasy rozpadu perlitu/bainitu lub martenzytu, rozwoju procesów wydzieleniowych oraz rozwoju uszkodze wewn trznych w zale no ci od stopnia wyczerpania odniesione do głównej klasy struktury przedstawiono na tle krzywej pełzania odr bnie dla stali niskostopowych o strukturze ferytyczno-perlitycznej lub ferrytyczno-bainitycznej z ewentualnym udziałem perlitu oraz odr bnie dla stali wysokochromowej o strukturze odpuszczonego martenzytu. Zmianom struktury przypisano zatem odpowiadaj cy im stopie wyczerpania, natomiast stopniowi wyczerpania przyporz dkowano główn klas struktury, ujmuj c klasy procesów składowych zmian w strukturze. Metodologia oceny stanu badanych stali po eksploatacji w warunkach pełzania oparta jest na ocenie zmian w strukturze procesów składowych tzn.: zmian w strukturze odpowiednio perlitu, bainitu lub martenzytu, rozwoju procesów wydzieleniowych oraz rozwoju uszkodze wewn trznych, odniesionych do stopnia wyczerpania. Dokonuj c oceny podanych elementów składowych struktury i przypisuj c odpowiadaj ce im klasy ujawnione na podstawie bada strukturalnych, wyznacza si główn klas struktury i odpowiadaj cy jej stopie wyczerpania. Znaj c stopie wyczerpania stali i dotychczasowy czas eksploatacji, mo na oszacować trwało ć resztkow, czyli czas pozostaj cy do zniszczenia materiału, którego cz ci jest rozporz dzalna trwało ć resztkowa, b d ca bezpiecznym czasem dalszej eksploatacji dla dotychczasowych warunków pracy lub dla warunków roboczych dalszej pracy podanych przez eksploatatora. Sposób oceny i kwalifikacji do dalszej pracy badanych stali pracuj cych w warunkach pełzania w dwóch wariantach bez uszkodze wewn trznych i z nimi przedstawiono graficznie na rysunku składaj cym si ka dorazowo z dwóch elementów. Pierwszym elementem jest schematyczna krzywa pełzania b d ca zale no ci trwałego odkształcenia od stopnia wyczerpania materiału t e /t r, na której zaznaczono wyst powanie poszczególnych klas struktury. Drugim elementem jest tabela, na podstawie której, w oparciu o wcze niej dokonan ocen stanu materiału i okre lenie klasy jego struktury, mo na tej klasie przypisać stopie wyczerpania. Ka dej klasie przyporz dkowany jest maksymalny dopuszczalny okres eksploatacji do nast pnego przegl du. Okres ten podany jest w godzinach i w latach. Wa nym staje si ten rodzaj dopuszczalnego okresu eksploatacji do nast pnego przegl du, który pierwszy zostanie osi gni ty. Istotny wpływ na upłyni cie wyznaczonego okresu ma nie tylko rzeczywisty czas eksploatacji, ale równie liczba odstawie i uruchomie oraz ł czny czas postojów kotła. Wyznaczone okresy eksploatacji do nast pnego przegl du s zró nicowane w zale no ci od czasu dotychczasowej eksploatacji, tzn. z przedziału pomi dzy a godzin lub 194 J. Dobrza ski

5 powy ej godzin oraz gatunku stali nale cej do grupy niskostopowych stali ferrytyczno-perlitycznych oraz niskostopowych dwuskładnikowych stali ferrytyczno-bainitycznych lub niskostopowych trójskładnikowych stali ferrytyczno-bainitycznych oraz wysokochromowej stali o strukturze odpuszczonego martenzytu. Ponadto w oparciu o odpowiadaj cy klasie struktury wska nik n, podany w tablicy b d cej cz ci rysunku, mo na z podanego wzoru wyznaczyć prognozowany czas dalszej eksploatacji t ep. Warto ć wska nika n dla danej klasy struktury jest zró nicowana podobnie jak dla wyznaczonych okresów eksploatacji, tzn. dla dwóch grup gatunków stali. Opracowana i opisana w niniejszej monografii metodyka oceny stanu materiału, oceny stanu elementu, jego trwało ci resztkowej i trwało ci rozporz dzalnej oraz oceny jego przydatno ci do dalszej eksploatacji i prognozy czasu dalszej bezpiecznej eksploatacji została poddana weryfikacji do wiadczalnej przez autora w ok przypadków w praktyce przemysłowej, przynosz c miliardowe efekty ekonomiczne, przy czym w adnym przypadku nie stwierdzono popełnienia bł du w zakresie ustalenia czasu dalszej bezpiecznej eksploatacji elementów instalacji energetycznych. Zakres problematyki trwało ci resztkowej i rozporz dzalnej elementów konstrukcyjnych instalacji energetycznych jest znacznie szerszy ni zdołano to opisać w niniejszej pracy i dotyczy mi dzy innymi metodyki diagnozowania uszkodze krytycznych elementów instalacji ci nieniowych kotłów energetycznych, z wykorzystaniem bada materiałoznawczych, w ocenie przyczyn ich awarii oraz trwało ci eksploatacyjnej zł czy spawanych, jak i wykonywania naprawczych zł czy spawanych materiałów po eksploatacji z materiałami w stanie wyj ciowym lub z materiałami po eksploatacji, elementów wymagaj cych naprawy lub dokonania zmian konstrukcyjnych w wykonywanej modernizacji instalacji po długotrwałej pracy, a tak e zachowania si materiałów badanych zł czy w warunkach odpowiadaj cych warunkom eksploatacji oraz technologii wykonywania naprawczych zł czy spawanych. Zagadnienia te omawiane s w innych pracach własnych autora, lecz nie zostały one szczegółowo omówione w niniejszej monografii. Zagadnienia te, wraz z obj tymi problematyk niniejszej monografii, s przedmiotem dalszych bada autora, jak równie wymagaj szerszego zainteresowania. W szczególno ci d enie do rozwoju kotłów i instalacji pracuj cych w warunkach nadkrytycznych, wymaga opracowywania, badania i wdra ania nowych materiałów i adaptacji opracowanej metodyki prognozowania czasu bezpiecznej eksploatacji elementów instalacji energetycznych do nowych warunków eksploatacyjnych oraz nowych materiałów. 7. Podsumowanie i uwagi ko cowe 195