Analiza przyczyny uszkodzenia rur przegrzewacza pary kotła typu OR50 w okresie wczesnej pracy kotła

Transkrypt

1 technologie, produkty informacje firmowe Analiza przyczyny uszkodzenia rur przegrzewacza pary kotła typu OR50 w okresie wczesnej pracy kotła U szkodzenia powierzchni ogrzewalnych kotłów energetycznych są zjawiskiem typowym, ponieważ elementy te zawsze należały do jednych z najbardziej awaryjnych w kotłach. Jednym z częściej występujących mechanizmów rozszczelnienia rur jest zjawisko przegrzania materiału spowodowane ekspozycją materiału rury na warunki pracy (temperaturę) wyższe, niż materiał może przenieść. Przyczyny przegrzania mogą być różnorodne. Ograniczony przepływ czynnika obiegowego powodujący upośledzone chłodzenie jest najczęstszą przyczyną przegrzania. Każdorazowo w przy- padku wystąpienia awarii na skutek przegrzania warto jednak przeanalizować, co spowodowało awarię, aby podjąć kroki zapobiegawcze podobnym uszkodzeniom w przyszłości. Obiekt analizy Przedmiotem analizy były uszkodzone fragmenty rur kotła typu OR50, które uległy awarii po niecałych 3 miesiącach od jego pierwszego rozruchu. Z informacji uzyskanych od Zamawiającego wewnętrzne powierzchni kotła po montażu zostały oczyszczone poprzez gotowanie alkaiczne i wydmuchanie parowe przegrzewacza. W pierwszym etapie prac do Labora- torium Energopomiaru dostarczono 2 odcinki uszkodzonych rur przegrzewacza (rys. 1 4). Po samych oględzinach dostarczonego materiału badawczego wiadomo było, iż mamy do czynienia z przegrzaniem materiału, jednak w celu określenia możliwych przyczyn przegrzania wykonano dodatkowe analizy laboratoryjne oraz badania materiału rur nieuszkodzonych pobranych z okolicy awarii oraz rury nowej (dla potwierdzenia prawidłowych własności rury nowej), a także przeprowadzono rewizję kotła, w ramach której endoskopowo skontrolowano wybrane powierzchnie Rys. 1. Widok ogólny na rurę A. Widoczne uszkodzenie rury w postaci rozwarcia z jednoczesnym odkształceniem [2] Rys. 2. Element jak na rys. 1. Miejsce rozwarcia w przybliżeniu [2] Rys. 3. Widok ogólny na rurę B. Widoczne uszkodzenie rury w postaci rozwarcia z jednoczesnym odkształceniem [2] Rys. 4. Element jak na rys. 3. Miejsce rozwarcia w przybliżeniu. Widoczne bruzdy biegnące równolegle do krawędzi uszkodzenia [2] 2

2 Rys. 5. Gruba warstwa spękanych osadów na zewnętrznej powierzchni rury B [2] Rys. 6. Powierzchnia rury jak na rys. 5 w powiększeniu [2] wewnętrzne i przyjrzano się stanowi skorodowania i zanieczyszczenia zewnętrznych powierzchni rur. Standardowo dla takich sytuacji w ramach badań laboratoryjnych rur wykonano: y szczegółowe oględziny dostarczonych próbek; y badania metaloznawcze w zakresie: metalografia, pomiar twardości, statyczna próba rozciągania; y analizę chemiczną osadów wraz z wyciągiem wodnym. Dodatkowo w celu weryfikacji ewentualnego wpływu jakości wody zasilającej na powstanie uszkodzeń wykonano jakościową i ilościową analizę chemiczną osadów pobranych z wewnętrznej powierzchni rury ekranowej. Oględziny wizualne rur przegrzewacza Powierzchnia zewnętrzna rury A pokryta była niejednorodną warstwą osadów o barwie od czarnego, poprzez brunatny, do pomarańczowego. Osady były kruche i łatwo usuwalne. Na powierzchni zewnętrznej w okolicy uszkodzenia widoczne były również wyżłobienia biegnące równolegle do krawędzi uszkodzenia (rys. 2). Zewnętrzna powierzchnia rury B pokryta była dużo grubszą warstwą kruchych osadów w kolorze jasnym beżowym (rys. 5 i 6), rozłożonym nierównomiernie na obwodzie rury. Widoczne były również w okolicy uszkodzenia wyżłobienia (rys. 4) podobne do tych stwierdzonych dla rury A. Wewnętrzna powierzchnia rur w okolicy uszkodzenia pokryta była grubą warstwą trudnego do usunięcia osadu o barwie grafitowej (rys. 7). Zaobserwowane objawy uszkodzeń i stan rur wskazywały, że prawdopodobną przyczyną ich powstania było przegrzanie materiału. Badania metaloznawcze Przeprowadzone badania metalograficzne struktury materiału rur uszkodzonych wykazały całkowity rozpad obszarów perlitycznych, wydzielenia cementytu trzeciorzędowego na granicach ziaren oraz rozrost i koagulacje wydzieleń. Strukturę rur charakteryzowało również odwęglenie (rys. 9). Badania materiału wycinka rury nieuszkodzonej pobranej z okolicy występujących uszkodzeń nie ujawniły żadnych procesów degradacji ani niekorzystnych zmian w morfologii (rys. 10). Była to typowa dla zastosowanego materiału struktura ferrytyczno-perlityczna odpowiadająca stanowi rury materiału wyjściowego. Średnie wyników pomiaru twardości materiału rur uszkodzonych, rur nieuszkodzonych oraz rury nowej zamieszczono na rys. 11. Obliczona wg normy PN- -92/M-34031, na podstawie wymaganych zgodnie z normą PN-H-74252:1998 własności materiału 13CrMo4-5, twardość powinna się mieścić w zakresie HV. Uzyskane wyniki pomiarów dla nowej rury są więc większe niż górna granica wymagań. Twardość rur eksploatowanych w przypadku rur nieuszkodzonych była niższa o około 7%, a dla rur uszkodzonych o 20% od dolnej granicy wymagań. Wykonana statyczna próba rozciągania materiału wykazała właściwe własności wytrzymałościowe materiału. Rys. 7. Miejsce uszkodzenia rury B. Widoczne osady na wewnętrznej powierzchni rury [2] Rys. 8. Wewnętrzna powierzchnia rury nieuszkodzonej pobranej z okolic awarii. Osad szarej barwy i punktowy narost osadu barwy rudej 3

3 Rys. 9. Struktura rury uszkodzonej. Całkowity rozpad fazy perlitu. Koagulacja i rozrost wydzieleń. Struktura odwęglona [2] Rys. 10. Struktura rury pobranej z okolic uszkodzeń. Struktura ferrytyczno perlityczna bez niekorzystnych zmian [2] Twardość HV rura uszkodzona "A" rura uszkodzona "B" rura nieuszkodzona "C" rura nieuszkodzona "D" rura nowa Rys. 11. Średnie uzyskanie wyniki pomiarów twardości HV materiału rur przegrzewacza dostarczonych do badań 30,00 28,11 25,00 zawartość składników osadu [%] 20,00 15,00 10,00 5,00 17,55 13,69 18,23 21,90 0,28 0,13 0,04 0,04 0,03 0,00 Fe3O4 Mn3O4 ZnO Cu CaO MgO Na2O SiO2 P2O5 SO3 Rys. 12. Zawartość procentowa składników osadu z wewnętrznej powierzchni rury ekranowej 4

4 40,00 38,50 zawartość składników osadu [%] 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 21,50 29,20 6,00 2,37 0,00 Fe3O4 CO2 CaO MgO SiO2 Rys. 13. Zawartość procentowa niektórych składników osadu w osadzie pobranego z walczaka Analiza chemiczna osadów Podstawowym składnikiem osadów pobranych z wewnętrznych powierzchni uszkodzonych rur przegrzewacza pary były produkty korozji materiału rur, czyli związki żelaza, które w przeliczeniu na Fe 3 O 4 wynosiły 98,49 98,55%. Zawartość pozostałych składników osadu (związków Mn, Zn, Cu, Ca, Mg, Na, P i S) była śladowa - zawartość żadnego z nich nie przekraczała 1%. Całkowita ilość osadów była znacząca 4921,4 g/m 2 dla rury A i 3169,8 g/m 2 dla rury B. Ponieważ powstanie takiej ilość osadów zakwalifikowano jako wtórne, czyli takie, które powstały przez szybkie utlenianie materiału rur już w trakcie przegrzewania, a zatem nie miały związku z zapoczątkowaniem mechanizmu przegrzewania mogły jedynie poprzez łuszczenie się potęgować zjawisko. Analiza składu osadów z rury nieuszkodzonej z okolic awarii potwierdziły powyższą tezę. Ilości osadów na tych rurach mieściły się w zakresie 123,7 145,2 g/m 2, jednakże uwagę zwróciła zawartość związków wapnia, które w przeliczeniu na CaO wynosiła około 1,43%. Interesujących informacji na temat jakości czynnika obiegowego dostarczyły analizy osadów pobranych z wewnętrznej powierzchni rury ekranowej oraz walczaka. Zestawienie niektórych wyników tych analiz pokazano na rys. 12 (rura ekranowa) i rys. 13 (walczak). Analiza wyciągu wodnego z osadu pobranego z rury ekranowej wykazała, iż ma on odczyn obojętny (ph = 7,07), a przewodność elektryczna kształtowała się na poziomie 365 μs/cm. Ponadto w wyciągu wodnym stwierdzono siarczany (jako SO 4 ) w ilości 70 mg/kg, węgiel organiczny w ilości 3,25 mg/kg oraz śladowe ilości chlorków i fluorków. Całkowita ilość osadu była duża i wynosiła 272,6 g/m 2. Analiza wyciągu wodnego z osadu pobranego z walczaka wykazała, iż miał on odczyn zasadowy (ph = 9,00), przewodność elektryczna była niska i kształtowała się na poziomie 57 μs/cm. Ponadto w wyciągu wodnym stwierdzono siarczany (jako SO 4 ) w ilości 1020 mg/kg, węgiel organiczny w ilości 25,5 mg/kg oraz śladowe ilości chlorków (59,0 mg/kg) i fluorków (2,00 mg/kg). Rewizja wybranych elementów kotła Aby zweryfikować uzyskane wyniki badań laboratoryjnych, wykonano rewizję kotła, w trakcie której wykonano: y badania wizualne zewnętrznej powierzchni rur przegrzewacza; y badania wizualne wewnętrznych powierzchni wytypowanych wężownic i komór przegrzewacza oraz rur i komór ekranowych. Rys. 14. Poziomy odcinek rury ekranowej. Nierównomierna wypływka spoiny łączącej rurę z króćcem komory. Zalegające ciało obce o wymiarach około 35x10x1 mm Rys. 15. Poziomy odcinek rury ekranowej. Nierównomierna wypływka spoiny łączącej rurę z króćcem komory 5

5 Rys. 16. Górna komora ekranowa ściana tylna. Ciało obce wewnątrz komory Rys. 17. Dolna komora ekranu przedniego. Powierzchnia komory pokryta osadem barwy biało-szarej oraz wykwitami korozyjnymi. Brak nieciągłości W trakcie badań stwierdzono, że pozostała część rury, z której wycięto uszkodzoną wężownicę, wyraźnie różni się barwą osadu na zewnętrznej powierzchni. Ciał obcych ani większych ilości osadów w elementach przegrzewacza nie stwierdzono. Odnotowano jedynie występowanie nierównomiernych, miejscami większych wypływek na spoinach montażowych wężownic. Bardziej interesująca okazała się rewizja wewnętrznej powierzchni elementów parownika. Badania wykazały, że: y na poziomym odcinku rury ekranowej oraz wewnątrz tylnej komory ekranu stwierdzono obecność ciała obcego (rys. 14 i 16), a spoiny montażowe rur mają duże wypływki grani (rys. 15); y powierzchnia rur ekranowych oraz komory ekranowe pokryte są osadem barwy białoszarej, z widocznymi wykwitami korozyjnymi (rys. 17); Podczas rozmów z pracownikami eksploatacji wyniknęło, że w trakcie pracy kotła, tuż po jednej z awarii, obsługa zajrzała do wnętrza kotła i zaobserwowała, że jedna z wężownic przegrzewacza jest czerwona. Wskazuje to na fakt, iż była dużo bardziej rozgrzana niż pozostałe, co prawdopodobnie było skutkiem przytkania i zakłóconego chłodzenia. Wnioski z wykonanych badań i analiz Na podstawie analizy wszystkich badań laboratoryjnych stwierdzono, że uszkodzenie rur nastąpiło niewątpliwie na skutek krótkotrwałego przegrzania materiału rury. Jako najbardziej prawdopodobną przyczynę uszkodzenia rur uznano lokalne zatkania pojedynczych wężownic ciałem obcym. Potwierdzić może to fakt, iż w trakcie badań endoskopowych wewnętrznych powierzchni pojedynczych rur oraz komory ekranowej stwierdzono nieczystości. Charakter ciał obcych świadczy o tym, że są to pozostałości pomontażowe. Co prawda nieczystości stwierdzono jedynie w ekranach, jednak uszkodzone rury przegrzewacza zostały wycięte i niemożliwe było ich przebadanie pod kątem ewentualnego zatkania. Powyższemu mogły sprzyjać istniejące wypływki spoin montażowych oraz konstrukcja przegrzewacza (duża ilość kolanek 180 ), które mogą stanowić blokadę dla przemieszczających się elementów i powodować ich lokalne gromadzenie się. Taka sytuacja wyjaśniałaby, dlaczego nastąpiło przegrzanie materiału pojedynczych wężownic przegrzewacza oraz ich perforacja przytkanie rur spowodowało ograniczone chłodzenie czynnika obiegowego, a w konsekwencji przegrzanie materiału rur. W zaistniałej sytuacji trzeba zwrócić uwagę na fakt, że przy tak sporych rozmiarach nieczystości wewnątrz kotła nieskuteczne dla ich usunięcia jest nawet dmuchanie parą. Poza tym należy szczególną uwagę zwrócić na sposób przygotowania wody zasilającej kocioł. Analiza jakościowa osadów z walczaka oraz rury ekranowej wskazują, że do obiegu podawana była woda surowa lub złej jakości kondensaty technologiczne. Choć powyższe nie miało bezpośredniego wpływu na powstałe awarie, jednak taka sytuacja może doprowadzić w niedługim czasie do znaczącego wzrostu ilości osadów na rurach parownika, co będzie wiązało się z koniecznością wykonania jego czyszczenia chemicznego. Należy podkreślić, że już w obecnej chwili ilość osadów wewnętrznych jest bardzo wysoka pomimo krótkiego (3 miesięcznego) czasu eksploatacji kotła. Podsumowanie Niniejszy tekst co prawda nie wnosi nic nowego w kwestii przyczyn opisanego uszkodzenia, ich najprawdopodobniejszy mechanizm jest znany od kilkudziesięciu lat przegrzanie na skutek upośledzenia przepływu czynnika obiegowego spowodowane pozostawionymi na etapie montażu obcymi ciałami wewnątrz części ciśnieniowej kotła jednak zwraca on uwagę na fakt, że pomimo znajomości skutków zaniedbań na etapie montażu ciągle, a zwłaszcza dla mniejszych obiektów energetycznych, proces montażu kotłów pozostawia wiele do życzenia. Być może w opisanym przypadku zabrakło w czasie wytwarzania wyobraźni ekipy montującej, być może napięty harmonogram budowy nie pozwolił na dokładną kontrolę jakości. Przy takich rozmiarach nieczystości pomontażowych nie można liczyć na to, że dmuchanie parą w trakcie rozruchu będzie skuteczne. Doświadczenie to pokazuje jednak, że w tzw. małej energetyce warto byłoby zacząć zwracać większą uwagę na kontrolę jakości montażu urządzeń oraz kontrolę chemiczną obiegów wodno-parowych, gdyż zaniechania w tym zakresie wpływają znacząco na awaryjność urządzeń począwszy od wczesnego okresu eksploatacji, a w przyszłości mogą w sposób znaczący ograniczyć trwałość i pewność ruchową urządzeń. Artur Jasiński Zakład Chemii i Diagnostyki ENERGOPOMIAR Sp. z o.o. Literatura: 1. Śliwa A., Gawron P.: Uszkodzenia korozyjne wężownic przegrzewacza pary, Energetyka 2007, nr Kołodziej A., Kwiecień M.: Sprawozdania i wyniki prac pomiarowo-badawczych, opracowanie ENERGO- POMIAR Sp. z o.o., Zakład Chemii i Diagnostyki, Gliwice 2013 (niepubl.). 6