OCENA STOPNIA USZKODZENIA EKSPLOATACYJNEGO MATERIAŁU RUROCIĄGU PAROWEGO NA PODSTAWIE ANALIZY ZMIAN WŁAŚCIWOŚCI ZMĘCZENIOWYCH I MIKROSTRUKTURY

Transkrypt

1 ata mehania et automatia, vol.5 no.3 (2011) OCENA STOPNIA USZKODZENIA EKSPLOATACYJNEGO MATERIAŁU RUROCIĄGU PAROWEGO NA PODSTAWIE ANALIZY ZMIAN WŁAŚCIWOŚCI ZMĘCZENIOWYCH I MIKROSTRUKTURY Dominik KUKLA *, Leh DIETRICH *, Marin CIESIELSKI ** * Instytut Podstawowyh Problemów Tehniki Polskiej Akademii Nauk, ul. Pawińskiego 5B, Warszawa ** Wydział Inżynierii Materiałowej, Politehnika Warszawska, ul. Wołoska 141, Warszawa dkukla@ippt.gov.pl, ldietr@ippt.gov.pl, m.iesielski@inmat.pw.edu.pl Streszzenie: W pray dokonano oeny stopnia uszkodzenia eksploatayjnego materiału próbek z elementów ruroiągów pary wtórnie przegrzanej po godzin pray na podstawie zmian właśiwośi zmęzeniowyh oraz zmian mikrostruktury. Dokonano testów zmęzenia wysoko yklowego dla zmiennej amplitudy naprężenia z uwzględnieniem rozwoju odkształeń średnih i niesprężystyh. Na tej podstawie opraowano parametry opisująe stopień zniszzenia materiału pod wpływem obiążeń ykliznyh dla próbek w stanie przed i po eksploataji. Analiza porównawza wyznazonyh współzynników pozwala oszaować proentowy stopień degradaji materiału próbek eksploatowanyh. Wykonano badania metalografizne z wykorzystaniem Elektronowej Mikroskopii Skaningowej, na podstawie któryh sharakteryzowano mikrostrukturalne zmiany wynikająe z długotrwałej pray w warunkah eksploataji ruroiągów energetyznyh. 1. WPROWADZENIE Bezpiezeństwo pray elementów instalaji energetyznyh praująyh w warunkah wysokiej temperatury oraz iśnienia wymaga monitorowania rozwoju proesów degradaji mikrostruktury i właśiwośi mehaniznyh. W tym elu opraowywanyh jest szereg proedur i metod ilośiowego opisu stopnia uszkodzenia na podstawie zmian twardośi, wytrzymałośi (zmęzeniowej i na pełzanie), właśiwośi elektryznyh, magnetyznyh, wsp. tłumienia fal ultradźwiękowyh (Dobrzański i inni, 2007; Paradowski i inni, 2007), itd. Inne tehniki opierają się o badania mikrostrukturalne połązone z analizą składu fazowego i hemiznego (Dobrzański, 2003). Warunki pray bloków energetyznyh eksploatowanyh w polskiej energetye wymagają określonyh właśiwośi, takih jak żarowytrzymałość, jakie od kilku lat z powodzeniem spełniają stale niskostopowe, takie jak 13HM, 15HM zy 10H2M. Parametry pray jakie panują m. in. w elementah ruroiągów pary przegrzanej (temperatura o C przy iśnieniu MPa) istotnie wpływają na dynamikę rozwoju proesów degradaji mikrostruktury i właśiwośi tyh elementów. Dlatego też koniezne jest monitorowanie tyh proesów, w elu zapewnienia bezpieznej eksploataji instalaji energetyznyh. W tym obszarze istotnym zagadnieniem jest możliwość ilośiowego opisu stopnia uszkodzenia elementu konstrukji poprzez np. określenie trwałośi resztkowej. W niniejszej pray dokonano oeny rozwoju proesów niszzenia na podstawie zmian właśiwośi zmęzeniowyh oraz zmian mikrostruktury po godzin pray w warunkah pray pary wtórnie przegrzanej (temp. 540 o C). Na tej podstawie wyznazono współzynniki stopnia uszkodzenia eksploatayjnego. 2. MATERIAŁ I METODYKA BADAŃ W pray przeprowadzono badania materiału pobranego z dwóh ruroiągów ze stali 13 HMF. Jeden z wyinków pohodził z elementu ruroiągu o średniy 500 mm eksploatowanego w instalaji pary wtórnie przegrzanej (temp. 540 o C) w zasie h. Drugi element pohodził z elementu ruroiągu w stanie dostawy, o tej samej średniy. Wyinki obu elementów poddano badaniom składu hemiznego dla potwierdzenia zgodnośi ze składem normowym. Wyniki przedstawiono w Tab. 1. Tab. 1. Skład hemizny badanej stali oraz skład wg. PN C Al Si S P Mn Ni Cr Mo Cu V Stan ,26 0,01 0,01 0, ,38 0, ,26 Stan 0, ,19 0,02 0,01 0, ,44 0, , PN- 75/H ,1 0,18 <0, 02 0,15 0,35 <0,04 <0,04 0,4 0,7 <0, 3 0,3 0,6 0,5 0,65 <0,25 0,22 0,35 55

2 Dominik Kukla, Leh Dietrih, Marin Ciesielski Oena stopnia uszkodzenia eksploatayjnego materiału ruroiągu parowego na podstawie analizy zmian właśiwośi zmęzeniowyh i mikrostruktury 2.1. Testy wytrzymałośiowe i zmęzeniowe Statyzną próbę roziągania przeprowadzono w temp. pokojowej przy użyiu statyznej, elektromehaniznej maszyny wytrzymałośiowej ZWICK/Roell Z250. Pomiaru odkształeń dokonano przy użyiu elektromehaniznego ekstensometru wysokotemperaturowego firmy MAYTEC. Badania przeprowadzenia na spejalnie zaprojektowanyh próbkah, któryh wymiary i kształt przedstawiono na Rys. 1. Na podstawie wykonanyh prób wyznazono parametry wytrzymałośiowe takie jak: wytrzymałość na zerwanie, umowną granię plastyznośi dla trwałego odkształenia wynosząego 0,2%, wydłużenie, itp. Badania zmęzeniowe przeprowadzono na próbkah pobranyh z obu elementów w kierunku zgodnym z osią rury. Próbki były płaskie, o kształie klepsydryznym, jak pokazano na Rys. 2. Rys. 1. Kształt i wymiary próbki do statyznej próby roziągania Rys. 2. Kształt i wymiary próbki do prób zmęzeniowyh 2.2. Badania mikrostrukturalne 3. WYNIKI Badania za pomoą mikroskopu świetlnego oraz skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) wykonano na zgładah metalografiznyh trawionyh odzynnikiem Nital 4% wg PN CR 12361:2000. Badania mikrostruktury miały harakter jakośiowy. Dla próbek po 100 tys. godz. eksploataji nastąpił niewielki spadek wytrzymałośi (R m ) przy jednozesnym zwiększeniu wydłużenia do zerwania (A ) i przewężenia (Z). Wyniki wartośi średnih z trzeh prób zamieszzono w Tab. 2. Tab. 2. Wyniki prób wytrzymałośiowyh w temp. pokojowej Wyinek rury Kierunek wyięia próbek Próbka Umowna grania plastyznośi i R 02 [MPa] Umowna grania plastyznośi i R eh [MPa] Umowna grania plastyznośi i R el [MPa] Wytrzymałość na roziąganie R m [MPa] Odkształenie A [%] Przewężenie Z [%] Stan 0 Stan Styzny (prostopadły Osiowy (równoległy Styzny (prostopadły Osiowy (równoległy średnia ,3 62,9 średnia ,3 68,3 średnia ,6 68,0 średnia ,1 67,5 PN-75/H

3 ata mehania et automatia, vol.5 no.3 (2011) W odniesieniu do wartośi wytrzymałośiowyh rekomendowanyh przez normę PN-75 H wytrzymałość na roziąganie, wydłużenie do zerwania oraz przewężenie dla obu stanów materiału mieszzą się w zdefiniowanyh zakresah. Wybrane wyniki statyznej próby roziągania w temp. pokojowej w postai wykresów wytrzymałośi w funkji odkształenia przedstawiono na Rys. 3. zarówno średnih jak i plastyznyh. Dlatego też podjęto próbę sparametryzowania tyh zmian. a) Stan 0 h Rys. 4. Krzywa Wöhlera dla próbek ze stali 13 HMF przed (stan 0) i po 105 h eksploataji (stan ) b) Stan h Rys. 5. Zmiana odkształeń niesprężystyh jako funkja ykli obiążenia w próbkah ze stali 13 HMF przed i po eksploataji Rys. 3. Krzywe roziągania w statyznej próbie dla próbki: a) w stanie dostawy oraz b) po h eksploataji Na podstawie wyznazonej w próbie roziągania wartośi umownej graniy plastyznośi R 0,2 określono zakres obiążeń zmęzeniowyh. Badania zmęzeniowe przeprowadzono w zakresie amplitudy naprężeń od 230 MPa do 400 MPa. Na podstawie uzyskanyh wyników opraowano poglądowe krzywe Wöhlera dla próbek z materiału nieeksploatowanego oraz po h eksploataji. Krzywe pokazano na Rys. 4. Na podstawie opraowanyh krzywyh można oszaować znazne (ok. 20%) obniżenie parametru graniznej wytrzymałośi zmęzeniowej w przypadku serii próbek po eksploataji. Jednak degradaja właśiwośi opisana za pomoą testów zmęzeniowyh widozna jest nie tylko w przebiegu krzywej Wöhlera, ale także w zmianie harakteru rozwoju odkształeń Rys. 6. Zmiana odkształeń średnih jako funkja ykli obiążenia w próbkah ze stali 13 HMF przed i po eksploataji W elu określenia rozwoju uszkodzeń i sformułowania parametru określająego ten rozwój dokonano analizy zmian odpowiedzi materiału w odkształeniah w poszzególnyh yklah na wymuszenia ykliznyh zmian naprężania o różnyh amplitudah. Zahowanie metali w zakresie zmęzenia wysoko yklowego, a wię przy amplitudzie naprężenia poniżej graniy plastyznośi materiału wiąże się z rozwojem 57

4 Dominik Kukla, Leh Dietrih, Marin Ciesielski Oena stopnia uszkodzenia eksploatayjnego materiału ruroiągu parowego na podstawie analizy zmian właśiwośi zmęzeniowyh i mikrostruktury lokalnyh odkształeń niesprężystyh (plastyznyh) oraz odkształeń średnih, które w uproszzeniu można kojarzyć z narastaniem makroskopowyh odkształeń sprężystyh w kolejnyh yklah, ale związanyh z rozwijająymi się lokalnie (wskutek konentraji naprężeń) odkształeniami plastyznymi, zwykle wokół pustek, wtrąeń niemetaliznyh lub innyh defektów mikrostruktury. Aby stwierdzić, który z powyższyh mehanizmów ma wpływ na rozwój uszkodzeń zmęzeniowyh (jak również eksploatayjnyh) opraowano krzywe zmian obu tyh zynników w funkji zasu wyrażonego lizbą ykli. Na Rys. 5 i 6 pokazano rozwój odkształeń niesprężystyh i średnih dla amplitudy 350 MPa. W większośi przebadanyh próbek rozwój uszkodzeń zmęzeniowyh prowadzi do wzrostu odkształeń średnih, jak i plastyznyh, jednak prędkość rozwoju zniszzenia jest znaznie większa w przypadku próbek po eksploataji. Efekt ten jest uwidozniony na zestawieniu rozwoju odkształeń, zarówno plastyznyh jak i średnih, dla próbek przed i po eksploataji. Zmiany prędkośi rozwoju tyh zmian obrazują Rys. 7 i 8, gdzie przedstawiono je jako rozwój odkształeniowego współzynnika uszkodzenia zmęzeniowego (φ) zdefiniowanego wzorem (1), w funkji lizby ykli dla dwóh wybranyh wartośi amplitudy naprężenia: 280 i 350 MPa. Rys. 7. Zmiany rozwoju odkształeń w zasie zmęzenia próbek naprężenia 280 MPa Rys. 8. Zmiany rozwoju odkształeń w zasie zmęzenia próbek naprężenia 350 MPa Na Rys. 9 przedstawiono shemat zmian zmęzeniowyh pętli histerezy obrazująy zmiany odkształeń średnih i amplitudy odkształeń w kolejnyh yklah zmęzenia próbek ze stali 13 HMF zarówno w stanie dostawy jak i po eksploataji. σ [MPa] N 1 ɸ i = ε i() = ε i(a) + ε i(m) ε i(m) ε i(a) N 2 N N i N k Rys. 9. Shemat zmian zmęzeniowyh pętli histerezy ε [%] Shemat przedstawia także ideę wyznazenia współzynnika uszkodzenia zmęzeniowego (φ) zdefiniowanego wzorem φ ε + ε i = (1) i( m) i( a) Na podstawie powyższyh wykresów widać wyraźną różnię w zahowaniu pod obiążeniem próbek z materiału eksploatowanego. Wysoki poziom odkształeń już w pierwszyh yklah obiążenia pod naprężeniem 280 i 350 MPa wskazuje na znaząe zmęzenie eksploatayjne tego materiału. Doświadzalne wykresy zmian średniego odkształenia w yklu i amplitudy odkształenia kolejnyh ykli (plastyzne) dają podstawę oeny rozwoju uszkodzeń zmęzeniowyh oraz zdefiniowania parametru uszkodzeń zmęzeniowyh. W przypadku badanyh próbek ze stali 13 HMF za miarę uszkodzeń zmęzeniowyh można przyjąć rozwój odkształeń niesprężystyh a parametr uszkodzeń zmęzeniowyh (Soha, 2004) zdefiniować zgodnie z zależnośią: ε ( ε ) min D = ( ε ) ( ε ) max min gdzie ε oznaza ałkowitą wartość odkształeń w rozpatrywanym yklu obiążenia, (ε ) min oznaza wartość ałkowitą odkształenia w pierwszym yklu na pozątku proesu rozwoju uszkodzeń, (ε ) max oznaza wartość odkształenia w ostatnim yklu na końu proesu rozwoju uszkodzeń. Wartość parametru uszkodzenia dla pozątku z definiji równa zeru, a na końu równa jednośi. Zmiany parametru uszkodzenia wylizonego wg przedstawionyh powyżej założeń został przedstawione jako funkja zasu dla dwóh wartośi amplitudy naprężeń na Rys Zmiany wyznazonego parametru zniszzenia w przypadku próbek z materiału eksploatowanego wykazują szybszy rozwój (współzynnik kierunkowy krzywej) w porównaniu do próbek w stanie 0. Znaznie szybiej też osiągają krytyzną wartość parametru uszkodzenia określająą powstanie i propagaję pęknięia dominująego. W pewnyh warunkah obiążenia, dla któryh szybkość rozwoju odkształeń jest podobna w pierwszym etapie zmęzenia, można próbować oszaować (2) 58

5 ata mehania et automatia, vol.5 no.3 (2011) trwałość resztkową (Hernas i Dobrzański, 2003) na podstawie zmian w zasie osiągnięia krytyznej wartośi parametru zniszzenia związanego z propagają pęknięia i dekohezją próbki. Rys. 10. Zmiany rozwoju parametru zniszzenia dla próbek naprężenia 280 MPa Na tym wykresie widozny jest bardzo szybki rozwój uszkodzenia zarówno dla próbki nowej jak eksploatowanej, dla której już w pierwszyh yklah obiążenia zmęzeniowego, parametr D osiąga wartość 40%. Charakter rozwoju zniszzenia zmęzeniowego pokazany na Rys. 12 wskazuje na koniezność ogranizania lizby zatrzymań (tehnologiznyh i remontowyh) instalaji ponieważ determinują one trwałość poszzególnyh jej elementów, a ih żywotność będzie największa przy iągłej stabilnej pray w warunkah obiążeń o stałej (i możliwie niskiej) amplitudzie. W przypadku próbek po eksploataji widać także zwiększony poziom odkształeń niesprężystyh już od pierwszyh ykli obiążenia (Rys. 3), które dla amplitudy 350 MPa rozwijają się bardzo szybko aż do zerwania próbki. Wybrane wyniki badań mikrostrukturalnyh w formie obrazów z mikroskopu świetlnego oraz SEM pokazano na Rys. 13. Do obserwaji przygotowano próbki pobrane z kilku miejs każdego elementu. Stan 0 Stan powiększenie 500x; powiększenie 500x; Rys. 11. Zmiany rozwoju parametru zniszzenia dla próbek naprężenia 350 MPa a) b) Rys. 13. Mikrostruktura stali 13 HMF a) przed i b) po godzinah eksploataji Rys. 12. Rozwój parametru uszkodzenia dla dwóh wartośi amplitudy w funkji lizby ykli do zniszzenia Na Rys. 12 pokazano rozwój parametru D jako funkję unormowanej lizby ykli wyrażonej stosunkiem N/N f, gdzie N oznaza kolejny ykl a N f ykl ostatni (zniszzenie próbki). Na zdjęiah próbek ze stali w stanie 0 wykonanyh na mikroskopie świetlnym widać strukturę ferrytyzno perlityzną z liznymi, drobnymi wydzieleniami węglikowymi wewnątrz ziaren ferrytu. Po eksploataji nastąpił ałkowity rozpad perlitu i skutkiem tego zwiększył się udział węglików zlokalizowanyh głównie na graniah ziaren. Nie stwierdzono obenośi pustek na graniah, jakie z reguły są generowane pod wpływem eksploataji w warunkah wysokiej temperatury i obiążeń mehaniznyh. Obserwaje SEM wyinków rur uzyskanyh po eksploataji potwierdziły występowanie istotnyh zmian mikrostrukturalnyh w stosunku do materiałów wyjśiowyh. W przypadku 59

6 Dominik Kukla, Leh Dietrih, Marin Ciesielski Oena stopnia uszkodzenia eksploatayjnego materiału ruroiągu parowego na podstawie analizy zmian właśiwośi zmęzeniowyh i mikrostruktury rur po eksploataji nastąpiła transformaja perlitu poprzez sferoidyzaję i koalesenję płytek ementytu. Zaobserwowano również wyraźne wydzielenia węglików na graniah ziaren. Te twarde wtrąenia niemetalizne, obok innyh defektów mikrostruktury, jak pustki, są istotnym zynnikiem proesu rozwoju uszkodzeń zmęzeniowyh prowadząyh do degradaji właśiwośi eksploatayjnyh. 4. WNIOSKI Proes uszkodzenia próbek zarówno w stanie 0, ale przede wszystkim po eksploataji, przebiega według dwóh mehanizmów. Pierwszym z nih jest mehanizm lokalnyh deformaji wokół defektów mikrostruktury prowadząy do rathetingu, typowego proesu aktywowanego obiążeniami ykliznymi zahodząego w metalah i stopah o dostateznej gęstośi wad mikrostrukturalnyh powstałyh w proesie wytwórzym, niezbędnej do uruhomienia lokalnyh mehanizmów odkształeń wokół defektów w postai pustek i wtrąeń niemetaliznyh. Drugi mehanizm opisuje yklizna plastyzność generowana mikropoślizgami poszzególnyh ziaren i lokalnymi pasmami poślizgów. Zwiększanie się odkształeń niesprężystyh w kolejnyh yklah jest związane ze zwiększaniem się amplitudy odkształeń i zmniejszaniem się graniy plastyznośi w kolejnyh yklah. Charakter rozwoju zniszzenia zmęzeniowego pokazany na Rys. 11 wskazuje, że największy jego rozwój przypada na pozątkowy okres proesu eksploataji. Dlatego też istotne jest ogranizenie lizby zatrzymań instalaji ponieważ jej żywotność będzie największa przy iągłej stabilnej pray w warunkah obiążeń o stałej (i możliwie niskiej) amplitudzie. Zmiany mikrostruktury uwidoznione po proesie eksploataji, które towarzyszą obniżeniu właśiwośi wytrzymałośiowyh elementów ruroiągu wynikają z oddziaływania zarówno wysokiej temperatury w warunkah eksploataji aktywująej proesy dyfuzyjne, ale też pod wpływem obiążeń mehaniznyh. LITERATURA 1. Dobrzański J. (2003), Proesy uszkodzeń wewnętrznyh w niskostopowyh stalah hromowo-molibdenowyh praująyh pow. temp. graniznej, Mat. X Sem N-T Badania materiałowe na potrzeby elektrowni i przemysłu energetyznego, Zakopane. 2. Dobrzański J., Krztoń H., ZielińskiA. (2007), Development of the preipitation proesses in low-alloy Cr-Mo type steel for evolution of the material state after exeeding the assessed lifetime, Journal of Ahievements in Materials and Manufaturing Engineering, Volume 23, Issue 2, Hernas A. Dobrzański J. (2003), Trwałość i nieszzenie elementów kotłów i turbin parowyh, Wyd. Pol. Śląskiej. 4. Paradowski K., Manaj W., Spyhalski W. L., Zagórski A., Lublińska K., Kukla D., Płowie J., Kurzydłowski K. J. (2007), Researh on possibilities of appliation of nondestrutive testing in degradation evaluation of materials used in infrastruture working under the influene of aggressive hydrogen environment, 3rd Int. Conferene on Environmental Degradation of Engineering Materials, Gdańsk-Jastrzębia Góra, Soha G. (2004), Predition of the fatigue life on the basis of damage progress rate urves, International Journal of Fatigue, Vol. 26, No 4, EVALUATION OF STEAM PIPELINE MATERIAL DEGRADATION USING ANALYSIS OF MICROSTRUCTURE AND FATIGUE PROPERTIES CHANGES Abstrat: In this work damage evaluation of a steam pipeline material after exploitation was arried out with regard to hanges in the material fatigue properties and mirostruture. HCF tests were performed in the funtion of stress amplitude. Dynami development of deformations were taken into onsideration. On these basis, parameters desribing the destrution degree of materials undergoing yli stress before and after exploitation were developed. Comparing studies of these parameters enable the estimation of perentage degradation degree of a material after exploitation. Based on the results, hanges in mirostruture aused by long-term exposition to exploitation onditions of energeti pipelines were haraterized. Praę wykonano w ramah realizaji projektów badawzyh nr N i N finansowanyh ze środków MNiSW. 60