Dwunaste Seminarium NIENISZCZĄCE BADANIA MATERIAŁÓW Zakopane,14-17 marca 2006

Transkrypt

1 Dwunaste Seminarium NIENISZCZĄCE BADANIA MATERIAŁÓW Zakopane,14-17 marca 2006 Badania Eksploatacyjne Przyczyny powstawania wad eksploatacyjnych, ich wykrywanie i ocena Marta WOJAS Urząd Dozoru Technicznego, Wydział Certyfikacji Osób, marta.wojas@udt.gov.pl 1. Wstęp Badania eksploatacyjne są elementem krajowego systemu certyfikacji personelu badań nieniszczących UDT-CERT, w którym prowadzona jest certyfikacja osób z podziałem na metody i stopnie kwalifikacji głównie w sektorach 6 i 7. Wynika stąd jednoznacznie obowiązek wręcz znajomość przyczyn powstawania wad eksploatacyjnych, sposobów ich wykrywania i oceny oraz wpływu wykrytych wad na dalszą eksploatację, obiektu to ważne elementy wiedzy osób wykonujących badania nieniszczące. EN 473:2000 będąca normą odniesienia systemu certyfikacji wymaga od osób certyfikowanych znajomości stosowanych materiałów, technologii wytwarzania wyrobów / obiektów w celu wyboru metod badań nieniszczących i technik badania oraz brać udział w ustalaniu kryteriów akceptacji, jeśli takich brak. Od osób tych wymaga się także umiejętności interpretacji i oceny wyników badań. 2. Wady eksploatacyjne 2.1 Przyczyny powstawania wad eksploatacyjnych Wszystkie etapy życia" obiektu mogą w mniejszym lub większym stopniu przyczyniać się do powstawania wad prowadzących w konsekwencji do uszkodzeń eksploatacyjnych. Na podstawie obserwacji praktycznych i publikacji, wyróżnić można wśród nich, w kolejności od najczęściej powodujących powstawanie wad etapy omówione poniżej Eksploatacja prowadzona niezgodnie z założeniami projektowymi, podczas której przekroczone zostały założone parametry eksploatacji (stosowano wyższe niż zakładane temperatury, ciśnienia, obrotów, napięcia, sił nacisku itp.) najczęściej przyczynia się do powstawania wad eksploatacyjnych. W warunkach przekraczających założone parametry eksploatacji materiał dobrany na podstawie założonych parametrów nie jest w stanie przenieść obciążeń wynikających z rzeczywiście ostrzejszych warunków eksploatacji Projektowanie, podczas którego nie uwzględniono wszystkich rzeczywistych warunków eksploatacji, dobrano nieodpowiedni pod względem rodzaju i właściwości materiał do budowy projektowanego obiektu i / lub popełniono błędy w obliczeniach stanowi drugą pod względem wagi przyczynę wad eksploatacyjnych. Każdy obiekt powinien posiadać takie właściwości, które gwarantują jego eksploatację w sposób oczekiwany przez użytkownika. Eksploatacja powinna być bezpieczna i ekonomiczna. 2

2 > materiałowe: skład chemiczny, skład fazowy, mikrostruktura, stan powierzchni, > środowiskowe: rodzaj i skład chemiczny środowiska pracy, stan fazowy, przewodność, środowisko lokalne, prędkość przepływu, grubość warstwy mokrej, ilość cykl mokrych i suchych, zmęczenie i fretting, osady, > naprężenia: naprężenia średnie, maksymalne i minimalne, obciążenie/odkształcenie stałe, rodzaj stanu naprężeń/odkształceń(jednoosiowy, dwuosiowy), współczynnik intensywności naprężeń, częstotliwość cykli oraz źródła naprężeń: zamierzone, resztkowe, powstające w wyniku korozji połączeń i cykli termicznych, > geometria obiektu: nieciągłości intensyfikujące naprężenia (karby konstrukcyjne, strukturalne itp.), > czas: zmiany w składzie chemicznym, w mikrostrukturze, stanu powierzchni, rozwój wad powierzchniowych, pitting oraz/lub erozja, > temperatura: zmiany w mikrostrukturze, stanu powierzchni, własności mechanicznych. Najistotniejszy na etapie projektowania jest dobór materiału uwzględniający fakt, że w czasie eksploatacji wszystkie materiały używane do budowy reagują na środowisko pracy. Dobór materiału powinien wynikać z analizy potrzeb, oczekiwań i warunków eksploatacyjnych i być dokonywany optymalnie na podstawie wielu kryteriów, do których należą przeznaczenie i wielkość urządzenia wynikająca z założonej wielkości produkcji, warunki i parametry eksploatacji (ciśnienie, temperatura procesów produkcyjnych, rodzaj medium produkcyjnego, warunki zewnętrzne eksploatacji - np. powietrze, woda, eksploatacja podziemna i ich istotne dla eksploatacji własności, wymagana / oczekiwana żywotność (czas bezawaryjnej eksploatacji) oraz koszty. Najczęściej jest to kompromis pomiędzy wymaganiami technicznymi i ekonomicznymi. Wybrany materiał powinien zatem mieć optymalne własności użytkowe i technologiczne przy możliwie najniższych kosztach Utrzymanie stanu technicznego obiektu. Często w imię źle pojętej oszczędności lub zaniedbań nie prowadzi się okresowych przeglądów i napraw oraz remontów średnich lub kapitalnych co prowadzi do nieodwracalnych skutków w postaci powstawania wad, uszkodzeń, a konsekwencji do awarii i nieszczęśliwych wypadków. Planowanie działalności remontowej w oparciu o znajomość danych projektowych i eksploatacyjnych, poparte nieniszczącymi badaniami profilaktycznymi, pozwala na długoletnią, bezawaryjną eksploatację. Oszczędności w tej dziedzinie stają się często źródłem nieodwracalnej destrukcji Wytwarzanie i montaż obiektu Błędy wytwarzania i montażu, nawet te spełniające poziom akceptacji, są niezwykle istotne dla żywotności eksploatacyjnej. Ważna jest jakość materiałów konstrukcyjnych - odkuwek, odlewów, wyrobów przerabianych plastycznie itp. czy sposób doboru często wymaganych przez inwestora tańszych" materiałów zastępczych, pozornie identycznych z projektowymi. Niekiedy materiały zastępcze różnią się np. "tylko" zawartością siarki i fosforu przy identycznych własnościach mechanicznych, nie zachowując odpowiedniej odporności korozyjnej w danym środowisku. Wszelkie połączenia elementów obiektu praktycznie zawsze są miejscami koncentracji naprężeń (karbami mechanicznymi, strukturalnymi itd.) i jeśli nie zostaną odpowiednio wykonane, zła jakość potęguje jeszcze działanie karbu. Dotyczy to zarówno połączeń konstrukcyjnych jak i montażowych. Zła jakość połączeń spawanych, zgrzewanych, lutowanych, nitowanych itd., występujące w nich nieciągłości, obniżają wytrzymałość urządzenia, a nieciągłości powierzchniowe sprzyjają dodatkowo zjawiskom korozyjnym. 1

3 Wielokrotnie podczas montażu, wskutek złego dopasowania elementów konstrukcyjnych wprowadzone są dodatkowe naprężenia (np. naciąganie rurociągu"), o których najczęściej nic nie wiadomo, a ich działanie ujawnia się dopiero podczas eksploatacji, po obciążeniu obiektu czynnikami eksploatacyjnymi Nadzór eksploatacyjny Brak reakcji obsługi eksploatacyjnej na zakłócenia technologiczne prowadzące do przekroczeń parametrów, na które zastosowane materiały i technologia wytwarzania urządzenia nie były przewidywane, należy do najrzadziej występujących przyczyn powstawania wad eksploatacyjnych. 3. Rodzaje wad eksploatacyjnych Wady eksploatacyjne, ze względu na przyczyny ich powstawania można podzielić na: > mechaniczne: erozja, kawitacja, zużycie trybologiczne, pękanie na skutek: przeciążenia powyżej granicy plastyczności materiałów plastycznych, obciążenia udarowego, kruchego pękania, obciążeń zmiennych (zmęczenie), wyboczenia, utrata stateczności, > korozyjne: korozja chemiczna poprzez dyfuzję lub reakcje chemiczne oraz elektrochemiczna, > termiczne: przegrzanie (spalenie), stopienie, > złożone korozyjno-mechaniczne: korozja cierna, korozja naprężeniowa, korozja zmęczeniowa, > złożone termiczno-mechaniczne: szok termiczny, pełzanie. 4. Badania eksploatacyjne W planowaniu inspekcji i badań profilaktycznych, a w szczególności w doborze metod badawczych, zakresu i obszarów badania, ważnym aspektem jest analiza ekonomiczna, która powinna uwzględniać kompromis pomiędzy ryzykiem uszkodzenia a kosztami badań. Mając na uwadze przyczyny prowadzące do uszkodzeń oraz względy ekonomiczne, przed przystąpieniem do planowania rodzaju i zakresu badań konieczne jest określenie rodzaju i miejsc występowania spodziewanych wad. Należy więc wziąć pod uwagę: >jakie obiekty instalacji / elementy obiektów badać, > na co położyć szczególny nacisk, >jakie zastosować metody badawcze, > kiedy prowadzić badania. Współczesne metody planowania inspekcji i badań profilaktycznych obiektów / instalacji wykorzystują zasady oceny ryzyka RBI (Risk- Based Inspection). Na rysunku 1 pokazano ideę postępowania z wykorzystaniem RBI. Idea ta wskazuje następujące etapy postępowania: > zidentyfikowanie i ocenę ryzyka związanego z eksploatacją określonego obiektu, > zdefiniowanie przewidywanych nieciągłości oraz etapów postępowania i zakresów badań, > wykonanie badania w celu wykrycia nieciągłości, > ponowną ocenę ryzyka, jeśli ma zastosowanie, > ocenę konsekwencji ekonomicznych i zagrożenia bezpieczeństwa. 4

4 > podjęcie decyzji o dalszym postępowaniu - naprawie lub wymianie wadliwego elementu. Rys. 1 Postępowanie z wykorzystaniem zasady oceny ryzyka RBI Pierwsza ocena ryzyka powinna być prowadzona na etapie projektowania. Wymagają tego niektóre przepisy prawa europejskiego, np. dyrektywa 97/23/WE dla urządzeń ciśnieniowych. Zasada RBI wskazuje metodologię postępowania w celu uzyskania optymalnej kombinacji: obiekt badany / cel badania / zakres badań / metoda badawcza / plan badania / częstotliwość wykonywania badań. W tym celu konieczna jest znajomość: > budowy i materiału zastosowanego do budowy obiektu wg dokumentacji projektowej i powykonawczej, np. występowania karbów konstrukcyjnych (zmiana przekroju), strukturalnych (złącza spawane), > analizy obciążeń, > rozkładu naprężeń wynikających z warunków eksploatacji - np. temperatury pracy i ciśnienia, > planowanych i rzeczywisty warunków eksploatacji (np. analiza raportów dziennych, zapisów rejestratorów temperatur, ciśnień, ilości podawanych substratów do reaktorów, czystość zastosowanej wody chłodzącej itp. itd.), oraz historii obiektu: > ilości uruchomień i odstawień, jeśli ma zastosowanie, > wykrytych uszkodzeń w poprzednim postoju i zakresu ostatnich remontów, > przebieg obciążenia, > przeciążenia, > skoki temperatury, > zmiany agresywności środowiska. Tak zebrany materiał informacyjny pozwala na: > określenie spodziewanych rodzajów uszkodzeń eksploatacyjnych i miejsc ich występowania,

5 > inwentaryzację miejsc badania i sporządzenie stosownej dokumentacji (szkice, rysunki) miejsc do badań, > ustalenie kryteriów akceptacji, które najczęściej oparte są o wymagania projektowe (niekiedy decyzja o dopuszczalności wykrytych uszkodzeń zapada po analizie stanu rzeczywistego, > dobór metod badania stosownych do spodziewanych uszkodzeń, kolejności ich zastosowania, > opracowanie procedur / instrukcji badania. Bez względu na dobór metod / technik badawczych zawsze jako pierwsze wykonane powinny być badania wizualne ogólne, które mogą być prowadzone równolegle z inwentaryzacją obiektu i mają na celu: > identyfikację obiektu, > ogólną ocenę stanu obiektu i lokalizację na tej podstawie miejsc / obszarów do badań oraz szczegółowych celów badań, > ocenę możliwości dostępu do planowanych i dodatkowo zlokalizowanych obszarów badania oraz ocenę warunków bezpieczeństwa dla osób wykonujących badania (toksyczność środowiska, wysokość, warunki klimatyczne itp.) oraz dla planowanego wyposażenia pomiarowo-badawczego (wybuchowość, agresywność medium, temperatur badania / obiektu). Badania te należy przeprowadzić bez wstępnego przygotowania obiektu, tzn. nie należy usuwać żadnych zanieczyszczeń czy elementów mogących wskazywać na przyczyny występowania uszkodzenia czy ich przebieg (np. wyciek medium przez nieszczelność). Z badań tych należy sporządzić raport zawierający wszystkie konieczne dane o obiekcie pozwalające na: > ostateczne wyznaczenie obszarów do badań i metod / technik badawczych, > dobór wyposażenia pomiarowo-badawczego, y określenie wymaganych kwalifikacji i ilości personelu wykonującego badania, > określenie wymagań w zakresie przygotowania powierzchni do badań. Rysunek 2 przedstawia zasadę postępowania w planowaniu badań eksploatacyjnych. Tak opracowany program badań daje określone efekty ekonomiczne, ponieważ bada się te elementy obiektu / instalacji, które niosą największe zagrożenie, ogranicza się badania elementów najmniej zagrożonych. Rys. 2 Zasada postępowania w planowaniu inspekcji i badań profilaktycznych 6

6 Zmniejszenie ryzyka wynika ze zwiększenia efektywności badania dla elementów podwyższonego ryzyka, co ilustruje rys. 3. Poprzez zwiększenie efektywności badań, rozumianej jako zwiększenie zakresu badań, doboru kilku różnych metod badawczych jak i zwiększenie częstotliwości wykonywania badań, uzyskuje się obniżenie ryzyka dla elementów, dla których stwierdza się prawdopodobieństwo przekroczenia poziomu akceptacji ryzyka". Uzyskuje się to kosztem ograniczenia zakresu badań, doboru tańszych metod badawczych jak i częstotliwości wykonywania badań elementów mniej zagrożonych.. Ostatecznie, ponosząc mniejsze koszty uzyskuje się mniejsze ryzyko. Rysunek 4 przedstawia ideowy schemat kosztów badań profilaktycznych. Wysokość słupków przedstawia poziom ryzyka różnych elementów obiektu / instalacji. Linią przerywaną zaznaczono poziom akceptowalny ryzyka, który został określony na etapie projektowania. Krzywa ciągła falista określa poziom kosztów w przypadku tradycyjnego planowania badań profilaktycznych, zaś krzywa czarna gwałtownie opadająca w dół określa takie koszty w przypadku stosowania metody RBI. Wg danych niemieckiej firmy SGS Industrial Services zajmującej się systemami badań profilaktycznych z wykorzystaniem RBI, zaledwie 8% elementów eksploatowanych urządzeń odpowiada za 92% ryzyka eksploatacyjnego całego urządzenia. Ponadto czas i środki zwykle wydawane na usuwanie negatywnych skutków uszkodzeń są co najmniej trzykrotnie większe niż zużywane na planowane działania profilaktyczne. 5. Ocena i interpretacja wyników badań Badania nieniszczące są wykonywane w pierwszej kolejności, a następnie, w zależności od uzyskanych wyników tych badań oraz od warunków i czasu eksploatacji: > badania twardości i / lub mikrostruktury na obiekcie bez trepanacji próbek do badań, > badania niszczące mechaniczne i strukturalne na próbkach pobranych z obiektu. Jeśli wynik któregokolwiek z badań nieniszczących budzi wątpliwości, konieczne jest ich wyjaśnienie poprzez powtórzenie badania lub wykonanie badania inną metodą/ techniką nieniszczącą albo niszczącą. Bardzo ważna jest ocena uzyskanego wyniku badania. Ocena wyniku badania następuje zawsze w odniesieniu do przyjętego dla danego obszaru badania kryterium akceptacji. 7

7 W badaniach urządzeń eksploatowanych bardzo trudne jest ustalenie tego kryterium. Powinno ono opierać się o warunki eksploatacji wyspecyfikowane na etapie projektowania oraz rzeczywiste warunki eksploatacji obserwowane podczas pracy urządzenia, tj.: > obciążenia mechaniczne, > okresowość zmian obciążeń, > obciążenia cieplne, > narażenie na czynniki korozyjne. Wykryte nieciągłości mają różny wpływ na dalszą eksploatację obiektu. Ze względu na obciążenia mechaniczne najbardziej niebezpieczne są nieciągłości w postaci pęknięć we wszystkich obiektach, przyklejeń w spoinach i niespawy w odlewach ze względu na działanie karbu. Nieciągłości w postaci pustek gazowych, szczególnie kuliste, są najmniej niebezpieczne. Przy obciążeniach zmiennych należy zwracać szczególną uwagę na nieciągłości powierzchniowe, gdyż stanowią one ogniska pęknięć zmęczeniowych. Pęknięcia mogą rozwijać się np. na dnie wżerów korozyjnych, co może stać się przyczyną uszkodzenia całego urządzenia lub jego elementu. Przy narażeniu na media korozyjne gmbość projektowana uwzględnia zwykle naddatki na korozję, co jest skutecznym zabezpieczeniem w przypadku korozji równomiernej. Jednak płytkie wżery, które w przypadku obciążeń tylko mechanicznych nie są szczególnie niebezpieczne, w tym przypadku mogą doprowadzić do powstania nieszczelności. Dlatego dla obiektów eksploatowanych przy ustalaniu kryteriów akceptacji korzysta się z kryteriów przyjętych przez projektanta dla urządzenia nowego, a ponadto, w każdym przypadku wykrycia nieciągłości korzystać należy z doświadczenia wszystkich zainteresowanych stron, tj. projektanta, użytkownika i wykonującego badania / oceniającego. Poszczególne metody badań nieniszczących posiadają określone ograniczenia, a także należy brać pod uwagę możliwość występowania wskazań pozornych. 8

8 Dlatego do oceny wyniku badania nieniszczącego po uzyskaniu wskazania konieczne jest stwierdzenie, czy jest to wynik badania, a nie wskazanie pozorne, a następnie dopiero stwierdzenie, czy wykryta nieciągłość spełnia przyjęte kryterium akceptacji. Po uzyskaniu wskazania należy zdecydować, czy możne je uznać za wynik badania. W razie wątpliwości konieczna jest konsultacja z osobami posiadającymi odpowiednie kwalifikacje i wiedzę o badanym obiekcie, a jeśli to nie pozwala na rozstrzygnięcie, konieczne jest zastosowanie, jak już wspomniano, innych badań. Jako przykłady trudności w uzyskaniu rzetelnego wyniku badania przy zastosowaniu tylko jednej metody badania mogą służyć: > w badaniu magnetyczno-proszkowym uzyskanie bardzo dobrej informacji o długości wykrytego pęknięcia, jednak nie ma możliwości oceny jego głębokości, > w badaniu radiograficznym na radiogramie łatwe zidentyfikowanie rodzaj i wielkości nieciągłości objętościowej (pęcherz, żużel itp.), natomiast określenie głębokości jej zalegania nastręcza poważnych trudności, > w badaniu ultradźwiękowym uzyskanie dobrej informacji o miejscu położenia nieciągłości, zaś identyfikacja i wielkość nieciągłości objętościowych jest trudne, a niekiedy niemożliwe. Metody objętościowe: ultradźwiękowa i radiograficzna, nie mogą być stosowane zamiennie. Należy zawsze rozważyć, która z metod będzie bardziej przydatna, a w szczególnych przypadkach, gdy ma to uzasadnienie ekonomiczne, zastosować obydwie. Otrzymane wyniki badania należy opisać podając: > lokalizację wykrytej nieciągłości na obiekcie, > jej rodzaj, wielkość i orientację, > wzajemne powiązanie wyników badania różnymi metodami, jeśli takie stosowano. Tak opracowane wyniki poddaje się ocenie, która ma za zadanie wykazać, czy zostało spełnione kryterium akceptacji. Wykrycie w obiekcie eksploatowanym wady nie zawsze jest to jednoznaczne z jego dyskwalifikacją. W niektórych przypadkach, gdy jest to uzasadnione ekonomicznie, możliwe jest dopuszczenie obiektu do eksploatacji w warunkach łagodniejszych, np. przy niższej temperaturze lub ciśnieniu niż dotychczas stosowane. W oparciu o wyniki badań i znajomość warunków eksploatacji, własności mediów oddziaływujących na elementy, stanu naprężeń eksploatacyjnych i wielu innych, trudnych do przewidzenia faktów charakterystycznych dla określonych przypadków, następuje ocena jakości oraz żywotności resztkowej elementów badanych. Dlatego niezwykle ważne w tej dziedzinie jest doświadczenie i odpowiednie umiejętności. 6. Bibliografia [1]. Ashby M.F., Jones D.R.H.: Materiały inżynierskie 2 - Kształtowanie struktury i właściwości, dobór materiałów, WNT, Warszawa 1996 [2]. Dobrzański L.A.: Metaloznawstwo z podstawami nauki o materiałach, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1996, 1998 [3]. Wojas M.: Badania nieniszczące w nadzorowaniu ciśnieniowych urządzeń technolog gicznych w zakładzie chemicznym (nie publikowane), [4]. Wojas M.: Wady wyrobów wykrywane metodami nieniszczącymi.cz.l Wady produkcyjne, Biuro Gamma, Warszawa 2004 [5]. Wojas M.: Wady wyrobów wykrywane metodami nieniszczącymi.cz.2 Wady eksploatacyjne, Biuro Gamma, Warszawa [6]. - strona internetowa firmy SGS Industrial Services, Global Sales &Supply Chain Team, Hamburg. 9