nr 1/2011 Szanowni Państwo, Zespół redakcyjny: mgr inz. Jerzy Dobosiewicz, dr inz. Jerzy Trzeszczynski

Transkrypt

1 nr 1/2011 Zespół redakcyjny: mgr inz. Jerzy Dobosiewicz, dr inz. Jerzy Trzeszczynski Szanowni Państwo, Pro Novum, od kiedy istnieje, tj. od 24 lat, systematycznie rozwija i oferuje diagnostykę, której kwintesencją jest praktyczna użyteczność wyników badań; ma to miejsce wtedy, gdy konkluzją z nich jest ocena stanu technicznego i prognoza trwałości. Pozwoliło to nam stworzyć obszerną bazę wiedzy i doświadczeń dających możliwość opracowania i wdrożenia dużej liczby aplikacji przydatnych do przedłużania trwałości i wydłużania czasu pracy urządzeń cieplno- -mechanicznych elektrowni. Aplikacje te mają formę innowacyjnych metod badawczo-pomiarowych, technologii przedłużających żywotność, projektów modernizacji oraz oprogramowania wspierającego zarządzanie majątkiem produkcyjnym. Niektóre z nich, jak rewitalizacje staliwnych elementów turbin i przedłużanie czasu pracy głównych rurociągów parowych, to prawdziwe hity znane powszechnie w kraju i zagranicą. Inne, jak systemy diagnostyczne i zarządzania infrastrukturą techniczną elektrowni, to prawdopodobnie najbardziej zaawansowane technicznie aplikacje diagnostyki w krajowej elektroenergetyce. Przedłużanie czasu pracy urządzeń energetycznych staje się faktem, bo... jak na razie nie ma alternatywy. Z myślą o tym zadaniu, jako nieliczni, a może nawet jedyni opracowaliśmy: rekomendacje w zakresie kwalifikowania elementów urządzeń cieplno-mechanicznych bloków 200 MW do pracy do godzin, specjalne metody badań pozwalające na określanie długoterminowych prognoz trwałości, oprogramowanie wspierające: oceny stanu technicznego, prognozowanie trwałości, nadzór diagnostyczny w okresie przedłużonej eksploatacji, technologie przedłużania trwałości elementów kotłów, turbin, rurociągów i wymienników ciepła, aby zapewnić: bezpieczną eksploatację, wysoką dyspozycyjność, urządzeń energetycznych eksploatowanych po przekroczeniu trwałości projektowej. Zachęcamy do skorzystania z naszej wiedzy i doświadczeń. Redakcja Biuletynu Pro Novum PRONOVUM_reklama_205x30_ok.indd :53:43 czerwiec strona 339 (1)

2 Jerzy Trzeszczyński Pro Novum Katowice Możliwość i warunki przedłużania czasu eksploatacji zrewitalizowanych elementów staliwnych turbin parowych Possibilities and conditions necessary to extend the service life of steam turbines cast steel elements Przedłużanie czasu pracy urządzeń energetycznych weszło w fazę realizacji [1,2]. Zabiegi te wykonuje się na bardzo różne sposoby; dotyczą głównych urządzeń energetycznych o mocy od parudziesięciu do 500 MW. Oczekuje się, że po przeprowadzeniu w odpowiednim zakresie remontów modernizacyjno-odtworzeniowych okres bezpiecznej eksploatacji będzie można przedłużyć o ok. 20 lat. To oznacza, że sumaryczny czas eksploatacji niewymienionych wcześniej elementów przekroczyć może godzin fizycznych oraz ok godzin ekwiwalentnych 1). Do elementów niewymienionych zalicza się przede wszystkim zrewitalizowane staliwne elementy turbin, których w Polsce i zagranicą pracuje ponad 300 sztuk. Dotychczas, wg naszej wiedzy, nie wycofano z eksploatacji żadnego zrewitalizowanego elementu ze względu na jego stan techniczny. Rewitalizacja najważniejsze informacje Rewitalizacja to technologia, która święci sukcesy od siedemnastu lat. Dotyczy to procesu realizowanego przez firmy Pro Novum i ZRE Katowice na zamówienie elektrowni, firm remontowych, a nawet dostawców turbin [3,4]. Współpraca firmy diagnostycznej i remontowej jest nieprzypadkowa, co najmniej z dwóch powodów: rewitalizacja to w istocie aplikacja zaawansowanej diagnostyki, zrewitalizowany kadłub to element o nowej fabrycznej geometrii, który może sprawić trudności monterom, jeśli nie mają wystarczającej wiedzy i doświadczenia do montażu starej turbiny z fabrycznymi luzami układu przepływowego i nowej optymalnej osi układu wirującego. Rewitalizacja staliwnych kadłubów wg technologii Pro Novum i ZRE Katowice to proces, który: 1) Godzina ekwiwalentna = K x godzina fizyczna, gdzie K - współczynnik zależny od rodzaju niestacjonarności. przedłuża trwałość (o ok godzin), przywraca fabryczną sprawność układu przepływowego. Istotę rewitalizacji stanowi: poprawa plastyczności metalu, której miarą jest udarność KCV 3,5 daj/cm 2, wykrycie i usunięcie: pęknięć powierzchniowych, obszarów wykazujących fizyczne uszkodzenia pełzaniowe, korekta deformacji - jeśli bardzo duża - także na drodze termicznej. Rewitalizacji mogą, a nawet powinny, towarzyszyć prace podnoszące trwałość, np. regeneracja otworów gwintowanych. Poprawy plastyczności nie da się uzyskać bez wykonania wysokotemperaturowej (znacznie powyżej temperatury AC 1 /AC 3 dla danego wytopu staliwa) obróbki cieplnej. Jeśli proces taki zostanie wykonany w odpowiedni sposób, to regenerację struktury, której towarzyszy wzrost plastyczności można osiągnąć bez obniżenia wytrzymałości staliwa (R e, R m ). Doświadczenia eksploatacyjne wskazują, że wytrzymałość staliw w grubościennych kadłubach turbin produkcji Zamech Elbląg i większości innych dostawców jest własnością drugorzędną ponieważ konstrukcyjnie kadłuby są znacznie przewymiarowane. Dotychczas nie spotkaliśmy przypadku uszkodzenia kadłuba ze względu na zbyt małą wytrzymałość, natomiast bardzo dużo takich, które popękały ze względu na niską plastyczność, w tym sporo, których niska plastyczność utrudniała lub wręcz uniemożliwiała spawanie. Typowe przykłady jednego z efektów rewitalizacji jednopowłokowych kadłubów WP i SP turbiny 200 MW przedstawiono na rysunkach 1 i 2. Rewitalizację można przeprowadzać wielokrotnie, dotychczas jednak nie spotkaliśmy się z ani jedną technicznie uzasadnioną taką potrzebą. Nieco paradoksalną miarą sukcesu rewitalizacji stało się to, że zniknęli jej oponenci (bardzo liczni w pierwszych latach wdrażania tej technologii), a proces ten zaczęły wykonywać także inne, krajowe firmy remontowe. Z prestiżowego punktu widzenia był to sukces, z handlowego niewielkie straty, strona 340 (2) czerwiec 2011

3 Kadłub WP (jednopowłokowy) połówka dolna, widok od wewnątrz Stan przed rewitalizacją rok 1997 Stan po godz. pracy Stan po godz. pracy Rys. 1. Mapa wskazań o charakterze pęknięć powierzchniowych na powierzchni wewnętrznej jednopowłokowego kadłuba WP turbiny 200 MW Kadłub WP (jednopowłokowy) połówka górna, widok od wewnątrz Stan przed rewitalizacją rok 1997 Stan po godz. pracy Stan po godz. pracy Rys. 2. Mapa wskazań o charakterze pęknięć powierzchniowych na powierzchni wewnętrznej jednopowłokowego kadłuba WP turbiny 200 MW pojawił się jednak problem wizerunkowy samej technologii. Na wojnie, jako pierwsza ginie prawda, w warunkach często ostrej konkurencji ofiarą padają nazwy i określenia oraz rzeczywiste, pierwotne ich znaczenie. Nazwy tracą swoją precyzję i jednoznaczność. Często zdarza się więc tak, że pod określeniem rewitalizacja każdy rozumie co innego, najgorzej jednak, że może to oznaczać, i często oznacza, zupełnie różny efekt, tym bardziej że można się spotkać z wieloma ulepszeniami naszej technologii, które nie koniecznie prowadzą do usługi o wyższej jakości. Czy rewitalizacja może się nie udać? Doświadczenia Pro Novum wskazują, że rewitalizacja może nie przynieść założonego efektu, jeśli nie jest wykonywana właściwie. Z tego powodu rozróżniliśmy dwa procesy: naprawę warsztatową wykonywaną przy temperaturze usuwającej naprężenia poeksploatacyjne oraz spawalnicze, rewitalizację wykonywaną przy temperaturach znacznie przewyższających AC 1 /AC 3, która zapewnia wymaganą poprawę plastyczności przy zachowaniu pierwotnej wytrzymałości (drobne i względnie jednorodne ziarno). Jeśli procesy OC wykonywane są w piecu z odpowiednią kontrolą (i zapisem) temperatury, a właściwy proces OC poprzedzony jest jego symulacją w warunkach laboratoryjnych, istnieje 100-procentowa pewność właściwego przeprowadzenia procesu. Postępując w wyżej opisany sposób nie zdarzyło się dotąd, aby jakość naszych prac zakwestionowała praktyka eksploatacyjna. Rzadko wykrywanych uszkodzeń elementów zrewitalizowanych nie udało się dotychczas powiązać ze źle przeprowadzonym procesem. Nie oznacza to oczywiście, że nie są czerwiec strona 341 (3)

4 incydentalnie zgłaszane, powodowane różnymi motywacjami zastrzeżenia. Zdarza się tak przede wszystkim dlatego, że nie bierze się pod uwagę faktu, iż stan techniczny zrewitalizowanego elementu, zwłaszcza kadłuba, zależy nie tylko od własności materiału, ale także, i wielokrotnie częściej, od: montażu (i jakości elementów złącznych), warunków eksploatacji. Wyjaśnienie tego rodzaju zastrzeżeń jest często bardzo kłopotliwe, gdyż: dokumentacja poremontowa często nie daje szans na precyzyjne ustalenie jakości montażu, stan zapisów warunków pracy rzadko pozwala na wyciąganie jednoznacznych wniosków. Wyjaśnianiu niektórych spornych sytuacji towarzyszą często przypadki zgoła kuriozalne; np. badania wykonywane w takim zakresie, że mogą prowadzić do większych uszkodzeń kadłuba niż wieloletnia eksploatacja. Towarzyszy im prawdopodobnie przekonanie, że wcześniej czy później natrafi się na takie miejsca w materiale, gdzie własności nieco odbiegają od oczekiwanych. Jeśli nie uwzględniać naturalnego rozrzutu własności, to można bez większych problemów zakwestionować własności także kadłubów nowych. Jak widać ocenę jakości elementów staliwnych turbiny należy wykonywać mając odpowiednią wiedzę, doświadczenie i... rozwiniętą potrzebę obiektywizmu. Znane nam modernizacje rewitalizacji prowadzą do znacznie mniej zniuansowanych niekorzystnych efektów, np.: deformacja kadłuba źle zabezpieczonego przy wysokiej (poprawnej) temperaturze OC, możliwa do usunięcia dopiero po wieloetapowym termicznym prostowaniu, spadek udarności do średniej wartości rzędu 1,0 daj/cm 2, będący rezultatem: podwyższania wytrzymałości poprzez pseudo ulepszanie cieplne, zbyt niskiej temperatury OC. Podwyższona wytrzymałość, jeśli nie jest rezultatem klasycznego ulepszania, tj. hartowania i odpuszczania, a jedynie uzyskana szybszym schłodzeniem kadłuba po austenityzacji prowadzi do spadku odporności materiału na pękanie, wprowadzenia wysokiego poziomu naprężeń wewnętrznych oraz obniżenia spawalności. Trudno więc w takim przypadku mówić o przedłużeniu trwałości nie mówiąc już o tym, że podwyższanie wytrzymałości trudno uzasadnić ewidentną potrzebą. W przypadku zbyt niskich temperatur obróbki cieplnej, nawet względnie wysoką plastyczność sprzed rewitalizacji można obniżyć do poziomu uniemożliwiającego spawanie. Wiadomo to zarówno z badań własnych, jak również z wykonywanych rewitalizacji korekcyjnych. Jak długo może być eksploatowany zrewitalizowany element? Dotychczasowe, 17-letnie doświadczenia eksploatacyjne wskazują, że zarówno dla kadłubów rewitalizowanych jak i nierewitalizowanych jest tylko, praktycznie, jedno ograniczenie, tzn. fizyczne uszkodzenia pełzaniowe na taką skalę, że ich naprawa może okazać się zbyt pracochłonna i przypominać bardziej rekonstrukcję elementu niż jego rewitalizację. Innych ograniczeń nie ma, każdą deformację można skorygować, każde pękniecie, zwłaszcza zmęczeniowe - naprawić, zdegradowaną strukturę - zregenerować. Rewitalizację, teoretycznie, mogłaby wykluczyć sytuacja, gdyby nowy element okazał się tańszy niż zrewitalizowany. Wyżej opisany, optymistyczny scenariusz nie dotyczy, na razie, elementów staliwnych cienkościennych ulepszanych cieplnie. To spory dyskomfort dla użytkowników nowych turbin, którzy skazali się wyłącznie na nowe... lub regenerowane przez dostawcę turbiny elementy. Podsumowując doświadczenia eksploatacyjne dotyczące zrewitalizowanych elementów należy wspomnieć o nietypowych, często nieoptymalnie zaprojektowanych kadłubach turbin o małej mocy. Trwałość takich kadłubów bardzo ściśle zależy od: jakości montażu, jakości elementów złącznych, przestrzegania wymagań eksploatacyjnych. Konstrukcyjnie uwarunkowanego wysokiego poziomu naprężeń żadna modyfikacja rewitalizacji czy inne, nietypowe zabiegi modernizacyjne nie są w stanie zneutralizować. Tylko spełnienie wyżej wymienionych warunków może wydłużyć czas pracy oraz zapewnić bezpieczeństwo eksploatacji i oczekiwaną dyspozycyjność. Podsumowanie i wnioski Najwcześniej zrewitalizowane, wg technologii Pro Novum ZRE Katowice, staliwne elementy o strukturze ferrytyczno- -perlitycznej lub ferrytyczno-bainityczno-perlitycznej przepracowały ponad godzin bez potrzeby wykonywania napraw w szerszym zakresie. Ich trwałość może przekroczyć kolejne godzin (sumarycznie ok godz.), pod warunkiem wykonania kompleksowych badań w odpowiednim zakresie oraz napraw adekwatnych do wyników badań. Na podstawie badań własnych i znanych nam wyników badań innych firm nie widzimy potrzeby powtórnej rewitalizacji, w szczególności z zastosowaniem zmodyfikowanych wariantów tego procesu. Literatura [1] Trzeszczyński J.: Przedłużanie eksploatacji majątku produkcyjnego realistyczna strategia elektrowni w Polsce. Przegląd Energetyczny 2011, nr 1 (61) [2] Trzeszczyński J.: Wydłużanie czasu pracy urządzeń energetycznych strategia bez alternatywy. Nowa Energia 2009, Nr 3. [3] Dobosiewicz J.: Zasady naprawy turbin parowych. Energetyka 1985, nr 6 [4] Trzeszczyński J., Grzesiczek E.: Wymienić czy rewitalizować? Energetyka 1998, nr 7 strona 342 (4) czerwiec 2011

5 Jerzy Dobosiewicz, Ewa Zbroińska-Szczechura, Filip Klepacki Pro Novum Sp. z o.o. Uszkodzenia rurociągów obiegu zasilającego kotły i wężownic powierzchni ogrzewalnych pracujących poniżej temperatury granicznej Damages of boilers feeding pipelines system and boilers heating surface pipe coils working below the temperature limit Trwałość i niezawodność pracy urządzeń energetycznych, w warunkach progresywnego wzrostu mocy bloków i czasu ich eksploatacji, nabiera coraz większego znaczenia. Niezawodność pracy rur odgrywa tu rolę dominującą. Z kolei przydatność rur zależy od stanu wyjściowego materiału, operacji technologicznych, jakim zostają one poddane u wytwórcy (gięcie, spawanie, obróbka cieplna) i konstrukcyjnych rozwiązań oraz warunków eksploatacji. Przedwczesne zużycie metalu w urządzeniach jest szczególnie dotkliwie odczuwalne w energetyce. Wykonywane w ostatnich latach w światowej energetyce badania i obserwacje ujawniły wiele przyczyn składających się na powstawanie nieprzewidzianych uszkodzeń. Jednym z wyników tych badań jest ujawnienie istotnej roli naprężeń cyklicznych zginających w elementach, które dotąd były liczone tylko na naprężenia statyczne pochodzące od ciśnienia. Często występującą przyczyną wyraźnego skrócenia czasu pracy elementów urządzeń cieplnych jest korozja zmęczeniowa, tj. specyficzne niszczenie metalu (pękanie) wskutek jednoczesnego działania naprężeń zmiennych i ośrodka agresywnego (korozyjnego). Powstająca w czasie eksploatacji szczelna warstwa tlenków na powierzchni metalu chroni go przed działaniem korozji. Jeżeli jednak naprężenia spowodują przerwanie tej warstewki, materiał zaczyna korodować. Warstewki powstające na powierzchni stali wskutek działania gorącej wody lub pary nasyconej to magnetyt. Jeżeli ich grubość wynosi 5-10 µm, to przy wydłużeniu o 0,1 0,3% następuje ich zniszczenie. Przy obciążeniu cyklicznym naprężenie potrzebne do zniszczenia warstewki jest mniejsze od statycznego. Gdy wskutek zmiennych naprężeń dochodzi do zniszczenia warstewki, odsłonięta stal koroduje nawet przy optymalnym składzie wody kotłowej. Tworzące się wtedy wżery, już w fazie początkowej, powodują koncentrację naprężeń, co jeszcze bardziej pogłębia proces niszczenia. Powstają wówczas idealne warunki do korozji elektrochemicznej, a intensywność jej wzrasta wraz z temperaturą oraz zawartością tlenu i jonów Cl -, SO 4 --, OH --, S -- itp. Badania metalograficzne uszkodzonych elementów wykazały, że pęknięcia rozpoczynają się na wżerach korozyjnych (rys. 1) i rozprzestrzeniają się początkowo po granicach ziarna, a następnie poprzez ziarno. Obok pęknięcia głównego powstają rozgałęzione mikropęknięcia (rys. 2). Pęknięcia zazwyczaj są zorientowane prostopadle do kierunku działania naprężeń i przyjmują kształt klinów wypełnionych produktami korozji (rys. 3). W miarę rozprzestrzeniania się kaskadowo uszkodzenia pęknięcie centralne łączy się poprzez łańcuch workowatych ubytków (rys. 4). Pęknięcia biorą początek na powierzchni wewnętrznej w obojętnej strefie kolana (rys. 5). Przełom ma charakter kruchy, często z widocznymi liniami spoczynku, charakterystycznymi dla zmęczenia (rys. 6). Rys. 1. Poprzeczne pęknięcia propagujące od wżerów korozyjnych Rys. 2. Początkowa faza propagacji pęknięć po granicach ziarna [5] czerwiec strona 343 (5)

6 Rys. 3. Uszkodzenia w postaci klinów wypełnione produktami korozji Środowiskiem agresywnym jest najczęściej: woda (kotłowa, zasilająca, kondensat, para nasycona). W warunkach panujących w urządzeniach energetycznych (ciśnienie, temperatura, pękanie warstwy ochronnej) staje się ona czynnikiem korozjotwórczym. Agresywność wody wzrasta wraz z zawartością tlenu, soli (zwłaszcza chlorków i siarczków) oraz z odchyleniami od ph = 7. Istotny wpływ ma również jakość wody używanej do napełniania obiegu w postojach i do prób wodnych kotłów. Na działanie korozji zmęczeniowej narażone są przede wszystkim kolana rur powierzchni ogrzewalnych i rurociągów komunikacyjnych pracujących w temperaturach niższych od granicznych. Lokalizacja i charakter uszkodzeń Rys. 4. Pęknięcia główne z łańcuchem workowatych ubytków [1] Uszkodzenia powierzchni wewnętrznej w postaci pęknięć podłużnych porażają najczęściej strefę obojętną wężownic oraz kolanek rurociągów wody zasilającej, mieszanki parowo-wodnej i pary nasyconej, pracujących poniżej temperatury granicznej dla danego gatunku stali. Ich przekroje poprzeczne wyraźnie odbiegają od kołowego. Uszkodzeniom tym nie towarzyszy odkształcenie średnicy rury, a złom ma charakter kruchy, niejednorodny, z licznymi pęknięciami wychodzącymi na powierzchnię. Wszystkie pęknięcia są wypełnione produktami korozji. Na krawędzi pęknięcia zazwyczaj nie ma warstwy ochronnej. Metal rury w strefie uszkodzenia ma wyraźnie zmniejszoną plastyczność. Pęknięcie centralne ma rozwarte brzegi i przyjmuje kształt klina. Powierzchnia wewnętrzna uszkodzonych kolan pokryta jest wżerami. Charakter uszkodzeń jest typowy dla jednoczesnego działania dwóch czynników, tj.: naprężeń rozciągających, zmiennych, czynnika korozyjnego. Przyczyny uszkodzeń Rys. 5. Uszkodzenie na powierzchni wewnętrznej [3] Rys. 6. Kruchy charakter przełomu Przyczyną powstawania tego typu uszkodzeń jest praca metalu przy zmiennych naprężeniach w środowisku agresywnym. Źródłem naprężeń zmiennych w czasie eksploatacji mogą być naprężenia mechaniczne oraz pulsacje przepływu czynnika. Naprężenia mechaniczne powstają przy nadmiernej owalizacji kolan. Ujemny wpływ tych naprężeń zwiększa się ze wzrostem ich amplitudy i liczby cykli. Obliczając naprężenia w powierzchniach walcowych zakłada się, że ich przekrój poprzeczny ma idealny zarys kołowy. Przy takim założeniu powstały wzory obliczeniowe do wyznaczania grubości ścianki rur. W rzeczywistych elementach ciśnieniowych, wykonanych z rur prostych, następnie giętych, mimo stosowania najnowszych technologii trudno jest uzyskać przekrój kołowy. Przekrój może przyjmować dowolne kształty, rozmaite pod względem symetrii i regularności, aż do braku obu tych cech łącznie. Podczas produkcji, w częściach giętych powstaje z reguły owalizacja i ścienienie ścianki, których stopień zależy od metody gięcia i wymiarów rury. W rurach pracujących pod ciśnieniem wewnętrznym, które wywołuje odkształcenia przekroju poprzecznego występują dodatkowe naprężenia zginające, których wartość zależy od kształtu i wielkości zarysu oraz odchyłki przekroju kołowego (rys. 7). W przekroju na łuku o małym promieniu (strefa obojętna gięcia) na ściance wewnętrznej występują naprężenia rozciągające. Największe naprężenia występują w miejscu przecięcia się dużej osi elipsy z obwodem rury (rys. 8). strona 344 (6) czerwiec 2011

7 Współczynnik ψ zależy do sztywności rury Rys. 7. Rozkład naprężeń rozciągających na powierzchni wewnętrznej wywołanych owalizacją Rys. 8. Odkształcenie przekroju kolana oraz zdefiniowanie odkształceń a i b uwzględnianych w obliczeniach Ponieważ kierunek działania naprężeń zginających pokrywa się z kierunkiem działania naprężeń obwodowych, największe naprężenie obwodowe, i tym samym wytężenie materiału, wystąpi na ściance wewnętrznej, na łuku o najmniejszym promieniu. Dodatkowe naprężenia zginające dla przypadku zależności sinusoidalnej oblicza się wg wzoru: σ zg = σ o kg/mm 2 (1) σ o naprężenie od ciśnienia wewnętrznego w rurze o przekroju kołowym, w kierunku obwodowym. 3y g ψ 1 ψ = p(1 μ)d (4) E g 3 E - współczynnik sprężystości μ - współczynnik Poissona Maksymalne wytężenie materiału w obojętnej strefie gięcia wyniesie więc σ kg/mm 2 (5) c = σ o + σ zg σ c naprężenie całkowite σ o naprężenie obwodowe σ zg naprężenie gnące Dopuszczalną owalizację przekroju można obliczyć z następującego wzoru: A = 66,6 y D R ( et 1 σ o )(1 + ψ) σ o = p D 200g R et granica plastyczności metalu w temp. pracy, MPa σ o naprężenie obwodowe y współczynnik charakteryzujący odchylenie przekroju kolana od kształtu kołowego D znamionowa średnica, mm W pewnych wycinkach przekroju wskutek nadmiernej owalizacji naprężenia rzeczywiste (sumaryczne) przekraczają granicę plastyczności metalu rury i naprężenie dopuszczalne. Ponieważ rzeczywisty przekrój kolana odbiega wyraźnie swym kształtem od elipsy, naprężenia te mogą być znacznie większe. Ze względu jednak na brak możliwości określenia wpływu czynnika korozyjnego na pocienienie grubości ścianki i wzrost naprężeń owalizacja przekroju nie powinna przekraczać: A dop < 0,5A Największe względne naprężenie występuje na powierzchni wewnętrznej w punktach 1 i 2 zaznaczonych poniżej (6) (7) σ o = p D 200g p ciśnienie, MPa D znamionowa średnica, mm g grubość ścianki, mm kg/mm 2 (2) y = (D max D min ) D max + D min mm (3) D max, D min maksymalna/minimalna średnica zewnętrzna kolana y współczynnik charakteryzujący odchylenie przekroju kolana od kształtu kołowego. Z analizy rzeczywistego kształtu przekroju charakteryzującego się brakiem deformacji półobwodu przy mniejszym promieniu gięcia kolana wynika, że faktyczną owalizację można opisać następująco: A rzecz = b a (8) b, a wielkości podane na rysunku 8. czerwiec strona 345 (7)

8 Ponieważ naprężenia działające w strefie obojętnej kolana na powierzchni wewnętrznej zależą od sumy naprężeń, to zmniejszanie jednego ze składowych naprężeń będzie miało istotny wpływ na podniesienie trwałości kolana. Naprężenie można zmniejszyć przez powiększenie grubości ścianki uwzględniając w obliczeniach wpływ owalizacji. Dla rur giętych na zimno można zmniejszyć naprężenie własne i zwiększyć plastyczność metalu przez wyżarzanie odprężające. Badania tensometryczne wykazały, że owalizacja rury ok. 10% daje naprężenie własne o wartości kg/mm 2. Suma wysokich naprężeń roboczych i własnych kolana o przekroju niekołowym oraz zmniejszona plastyczność metalu zwiększają jego potencjał elektrochemiczny, co prowadzi do powstawania na powierzchni wewnętrznej miejsc aktywnych anodowo. Metal w takim stanie, stykając się z wodą kotłową zawierającą sole (alkalia, chlorki) i tlen, ulega intensywnemu rozpuszczeniu. Za bezpośrednią przyczynę uszkodzeń kolan rur z nadmierna opalizacją, pracujących w kontakcie z wodą kotłową lub zasilającą, należy uważać zmęczenie korozyjne. Proces niszczenia zachodzi w dwóch stadiach: okres stopniowego (mechaniczno korozyjnego) powstawania na powierzchni metalu pierwotnych szczelin korozyjno-mechanicznych pod wpływem wysokich naprężeń rozciągających (niszczenie warstwy ochronnej) i rozwijania się w tych miejscach procesu korozyjnego (wżery-szczeliny w postaci klina - niszczenie metalu); trwa to dość długo poprzedzając rozpoczęcie właściwego pękania metalu; szczeliny powstają w płaszczyznach prostopadłych do kierunku maksymalnych naprężeń rozciągających i mogą rozprzestrzeniać się w początkowej fazie nie tylko wzdłuż granic ziarn, ale i przez poszczególne kryształy; pękanie śródkrystaliczne aktywizuje się pod wpływem czynnika mechanicznego, a międzykrystaliczne pod wpływem korozji; rozwój szczeliny następuje pod działaniem ciągle przebiegającego procesu elektrochemicznego, silnie intensyfikowanego działaniem naprężeń rozciągających; szybkość rozwoju szczeliny decyduje o sposobie niszczenia materiału; gdy szczelina zwiększa się przy przewadze czynnika mechanicznego, to ma charakter śródkrystaliczny i nie rozwijają się szczeliny równolegle, a jeśli przeważa czynnik korozyjny, to szybkość rozwoju pierwotnej szczeliny maleje i powstaje wiele szczelin równoległych o charakterze międzykrystalicznym, rozwijających się ze współmierną szybkością i dopiero w ostatniej chwili wzdłuż jednej z nich następuje rozerwanie. Warunkiem powstania zmęczenia korozyjnego jest jednoczesne działanie - zwykle zmieniających się cyklicznie - naprężeń przekraczających granicę plastyczności metalu i środowiska czynnego chemicznie, agresywnego. Wskaźniki chemiczne jakości wody zasilającej i kotłowej są szczytowym osiągnięciem istniejących ostatnio możliwości uzdatniania i nie ma obecnie sposobu ich poprawy. Skutki działania zmęczenia korozyjnego można ograniczyć jedynie poprzez zmniejszenie sumarycznych naprężeń w elementach giętych lub usunięcie kolan z nadmiernymi naprężeniami (owalizacją). Ponieważ naprężenie działające w strefie neutralnej zależy od sumy naprężeń składowych, zmniejszenie jednego ze składowych naprężeń będzie miało istotny wpływ na polepszenie trwałości kolana. Naprężenia od ciśnienia można zmniejszyć przez pogrubienie ścianki rury przeznaczonej do wykonania kolana, wprowadzając do wzoru na obliczenie grubości współczynnik uwzględniający owalizację. Dopuszczalna owalizacja nie powinna przekraczać 10% dla rur o promieniu gięcia 2D z R 5D z oraz 4% dla rur o promieniu gięcia R 5D z. Dla kolana o promieniu R = 305 = 4D z dopuszczalna owalizacja wyniesie 5%, a o promieniu gięcia R = 230 = 3D z wyniesie 6,7%, a więc już leży w pobliżu wartości dopuszczalnej według wzoru. Opracowane przez Pro Novum wykresy dopuszczalnej owalizacji dla stali w zależności od g/d z dla różnych ciśnień i temperatur pracy kotła i dla różnych materiałów podano na rysunku 9. Naprężenia na powierzchni wewnętrznej w strefie obojętnej gięcia kolana, MPa g n /d n owalizacja kolana 14% owalizacja kolana 12% owalizacja kolana 10% owalizacja kolana 8% owalizacja kolana 6% owalizacja kolana 4% owalizacja kolana 2% owalizacja kolana 0% Rys. 9. Wartość naprężeń w zależności od owalizacji i stosunku grubości ścianki do średnicy kolana. Jak już wspomniano, uszkodzenia zmęczeniowo korozyjne powstają po dłuższym okresie eksploatacji, który na pewno związany jest z sumarycznymi naprężeniami występującymi w rurze, częstością ich zmian i agresywnością środowiska. Obecnie już wiadomo, że najszybciej uszkodzenia tego typu powstają na odgięciach rur ekranowych, kolankach rur podgrzewaczy wody, rurach opadowych i rurach układu zasilającego. Przykład: Rozerwanie kolanka rury wody zasilającej po przepracowaniu koło godzin. Przyczyną uszkodzenia były naprężenia zmienne przekraczające wartości dopuszczalne spowodowane nadmierną owalizacją przekroju kolana. Mechanizm powstawania pęknięć: zowalizowana rura w trakcie oddziaływania ciśnienia dąży do uzyskania kształtu koła, co pociąga za sobą każdorazowo przekraczanie naprężeń dopuszczalnych na powierzchni wewnętrznej rury, czemu w środowisku korozyjnym towarzyszy propagacja pęknięć. strona 346 (8) czerwiec 2011

9 Podsumowanie Większość elementów kotła jest poddawana działaniom środowiska, w którym zachodzą procesy korozyjne, dlatego trwałość kolan zależny nie tylko od wielkości naprężeń, ale również od rozwoju procesów korozyjnych w metalu od strony powierzchni wewnętrznej. Wpływu korozji w czasie wieloletniej eksploatacji nie da się uniknąć i nie można jej ocenić. Doświadczenia eksploatacyjne wykazały, że do uszkodzeń dochodzi w miejscu przejścia dużej średnicy elipsy zowalizowanej rury przez obwód koła; w tym miejscu na powierzchni wewnętrznej występują największe naprężenia i najszybciej rozwijają się procesy korozyjne. Przy nieuniknionych wahaniach obciążenia (stany nieustalone) wskutek naprzemiennych odkształceń zostaje uszkodzona warstwa ochronna i pojawiają się stabilne wżery, mające wpływ na wzrost naprężeń, a następnie na formowanie się mikropęknięć. Dlatego wpływu korozji w czasie wieloletniej eksploatacji zowalizowanych kolan pominąć nie można. W miejscach pękniętej warstwy tlenków na skutek naprzemiennego działania naprężeń pojawiają się drobne pęknięcia, a nawet siatka pęknięć, ulegająca systematycznemu pogłębianiu się. Mając powyższe na uwadze w czasie projektowania celowe jest ustalenie maksymalnego naprężenia, które można dopuścić w kolanie z uwzględnieniem działania procesów korozyjnych. Wartość naprężenia powinna być tak dobrana, aby przy nieuniknionych wahaniach ciśnienia (stany nieustalone) obciążane kolano w określonym czasie mogło pracować niezawodnie. Naprężenia od ciśnienia na powierzchni wewnętrznej sumują się z naprężeniami od momentu zginającego i są liczone dla stanu sprężystego, ponieważ przy przejściu ze stanu sprężystego w plastyczny zachodzi wyrównanie przekroju i naprężenia spadają. Uszkodzenia na skutek zmęczenia korozyjnego porażają miejsce występowania to powierzchnia wewnętrzna w obojętnej strefie gięcia, Przyczyna: dwa występujące jednocześnie czynniki: okresowe działanie wysokich naprężeń zmiennych, obecność agresywnego czynnika. Naprężenia zmienne wywołane są występowaniem momentów zginających w zowalizowanym kolanie pod wpływem działania ciśnienia. Badania diagnostyczne na obecność pęknięć należy wykonywać: pierwsze - po godzin, następne po każdych godzin eksploatacji. Pomiary owalizacji należy wykonywać w terminie możliwie jak najkrótszym od czasu uruchomienia. Dopuszczalną owalizacja (wg wykresów) po przekroczeniu dopuszczalnej wskazanym jest sprawdzić badaniami ultradźwiękowymi (obojętne strefy gięcia kolan). Wnioski i zalecenia Wnioski Jedną z przyczyn uszkodzeń rur pracujących poniżej temperatury granicznej może być korozja naprężeniowa. Korozja zmęczeniowa poraża elementy, których metal poddawany jest działaniu zmiennych, nadmiernych naprężeń w środowisku agresywnym (woda, mieszanka parowo-wodna, para nasycona), Naprężenia zmienne oraz ich przyrost występują na powierzchni wewnętrznej kolan w strefie obojętnej w przypadku, gdy kolana są zowalizowane. Zalecenia Po przepracowaniu pierwszych godzin kolana rurociągów: obiegu zasilającego, do przegrzewacza wtórnego, z podgrzewacza wody do walczaka (kotłowego), rury opadowe należy poddać badaniom nieniszczącym w następującym zakresie: wykonać pomiar owalizacji, przeprowadzić badania ultradźwiękowe na obecność pęknięć w przypadku, gdy owalizacja przekracza wartość dopuszczalną; wyniki odczytać na podstawie wykresów opracowanych przez Pro Novum obliczonych metodą elementów skończonych dla stali ferrytyczno perlitycznych w zależności od g/d z dla różnych ciśnień, promieni gięcia i temperatur pracy dla różnych wymiarów i gatunków stali (rys. 9). LITERATURA [1] Dobosiewicz J.: Podłużne pęknięcia niektórych rur kotłowych. Energetyka 1974, nr 5 [2] Dobosiewicz J., Wojczyk K.: Trwałość kolan rurociągów parowych. Energetyka 1988, nr 3 [3] Parszyn A. A.: Powyszenije nadieżnosti nieobogriewajemych trub parogienieratorow. Eniergomaszynostrojenije 1975, nr 5 [4] Instrukcja oceny stanu oraz kwalifikowania do wymiany komór, kolektorów, rurociągów kotłowych i głównych rurociągów parowych pracujących w warunkach pełzania [5] Urlich E.: Uber Festigkeit von Rohrbogen mit elliptischen Querschnitt bei Innendruck und zusätzlicher, Auffederung. Mitt. der VGB, 1960, nr 64 [6] Gujajew A.: Powrieżdienije gibow pieriechodnoj zony w kotłach PK SP. Elektriczeskije Stancii 1968, nr 11 [7] Werner A.: O napriażenijach w gibach trub imiejuszczich owalnoje sieczienije. Tiepło-energetika 1970, nr 12 [8] Katz L.: Stresses in Pipes Bends. Power Engineering 1972, t. 76, nr 7 [9] Akschod M.: Korrozionno ustalostnyje rozruszenija gibow trub wodianogo ekonomajzerra. Tieploenergetika 1973, nr 1 [10] Wytyczne kontroli rurociągów i elementów powierzchni ogrzewalnych kotłów. Zjednoczenie Energetyki, czerwiec 1974 Nadmierna owalizacja może być przyczyną niebezpiecznych uszkodzeń rur powierzchni ogrzewalnych i rurociągów, w których znajduje się woda, mieszanka parowo-wodna i/lub para nasycona. czerwiec strona 347 (9)

10 Wojciech Brunné Pro Novum Sp. z o.o. Zagrożenie nagłego kruchego uszkodzenia nisko i średnioprężnych rurociągów układu wody zasilającej Risk of sudden brittle damages of low- and medium-pressure feed water pipelines Rurociągi wody zasilającej, stanowią bardzo istotny element pierwszej części procesu technologicznego każdej elektrowni czy elektrociepłowni. Układy wody zasilającej przebiegają w tych obszarach maszynowni i kotłowni, gdzie bardzo często przebywa personel techniczny elektrowni. Ze względu na parametry wody (t o 250 C, p o ~ 23 MPa), układy tych rurociągów są najbardziej niebezpiecznym urządzeniem dla obsługi bloku. Ewentualne nagłe totalne rozerwanie rurociągu spowoduje błyskawiczne rozprężenie wytryskującej wody, co w konsekwencji doprowadzi do wypełnienia całej przestrzeni maszynowni i/lub kotłowni mokrą parą (t < 100 C), która nie daje żadnych szans przeżycia ludziom przebywającym w tym czasie na hali i w pomieszczeniach bezpośrednio przyległych (nastawnie, dyspozytornie itp.). Pomimo tak dużego potencjalnego zagrożenia dla życia i zdrowia obsługi układy rurociągów wody zasilającej traktowane są, niestety, najczęściej, jako urządzenie niewymagające nadzoru a nawet obsługi. Paradoksalnie takiemu podejściu sprzyja sytuacja formalno-prawna, ponieważ rurociągi wody zasilającej nie są objęte dozorem technicznym. Dodatkowym czynnikiem, który tłumaczy uśpienie służb technicznych jest fakt, że rurociągi wody zasilającej projektowane są w oparciu o R et i nie są liczone na wytrzymałość czasową (R z ), co oznacza, że nie jest dla nich wyznaczony dopuszczalny czas pracy. XW3 XW2 XW1 SP4 SP5 SP6 PW PW Schemat rurociągów wody zasilajacej bloków 120 MW PG Część wysokoprężna Część średnioprężna Część ssąca ZZ PG Podgrzewacz wody OP 380/OP 420 Rys. 1. Schemat rurociągów wody zasilającej bloków 120 MW Rozwiązania techniczne rurociągów wody zasilającej bloków 120 MW i 200 MW Rurociągi wody zasilającej bloków 120 MW składają się najczęściej z trzech podstawowych części (rys. 1) tj.: niskoprężnej przed pompą wstępną, średnioprężnej za pompą wstępną, a przed pompami głównymi, wysokoprężnej za pompami głównymi. Część średnioprężna, która między innymi obejmuje regenerację średnioprężną, jest w praktyce najczęściej realizowana na dwa sposoby (rys. 2 i 3) w zależności od czasu projektowania oraz przestrzeni, jaką projektant miał do dyspozycji. Dla bloków 200 MW pompy zasilające mieszczą się bezpośrednio za zbiornikiem wody zasilającej i taki układ dzielimy na część: niskoprężną, wysokoprężną, których schemat pokazano na rysunku 4. Rys. 2. Rurociągi wody zasilającej część średnioprężna układ zwrotny Rys. 3. Rurociąg wody zasilającej część średnioprężna układ rozbudowany strona 348 (10) czerwiec 2011

11 XW1 XW2 XW3 diagnostycznymi) zminimalizowało zakres strat materialnych. Na szczęście czas i miejsce awarii (brak personelu w promieniu 50 m) uchroniły przed niebezpieczeństwem groźnego wypadku. PZ1 PZ2 PZ3 Podgrzewacz wody OP 650 ZZ Schemat rurociągów wody zasilajacej bloków 200 MW Część ssąca Rys. 4. Schemat rurociągów wody zasilającej bloków 200 MW Program badań diagnostycznych do oceny stanu elementów rurociągów Po analizie posiadanej przez Użytkownika dokumentacji rurociągów oraz historii eksploatacji należy opracować indywidualny, dla każdego układu rurociągów wody zasilającej, program badań diagnostycznych. Biorąc pod uwagę medium i parametry pracy ramowy program badań diagnostycznych powinien obejmować następujące elementy krytyczne układu [1]: kolana, spoiny wraz ze strefą wpływu ciepła, armaturę i kształtki, odwodnienia, odpowietrzenia, system zamocowań. Ponadto, dla tych rurociągów, należy wykonać obliczenia konstrukcyjne pozwalające na określenie oczekiwanej reakcji zamocowań i dopiero na takiej podstawie opracować wytyczne do ewentualnej regulacji zamocowań. Ze względu na sytuację, omówioną na wstępie tylko nieliczne elektrownie zawodowe decydują się na kompleksowe badania diagnostyczne rurociągów wody zasilającej, a i to niektóre z nich ograniczyły się tylko do części wysokoprężnej gdzie, teoretycznie, występuje najmniejsze ryzyko zagrożenia wystąpienia nagłego uszkodzenia. Awaria części średnioprężnej rurociągu wody zasilającej Bardzo poważnym ostrzeżeniem dla Użytkowników kotłów energetycznych (niezależne od tego czy pracują w układzie blokowym czy kolektorowym lub czy reprezentują energetykę zawodową czy przemysłową) była awaria części średnioprężnej rurociągu bloku 120 MW [2]. W jednej z elektrowni zawodowych wystąpiło nagłe, totalne uszkodzenie (rozerwanie) rurociągu na łuku 45 (rys. 5), co w konsekwencji spowodowało zalanie rejonu pomp pośrednich i głównych. Sprawne, awaryjne, odstawienie kotła oraz fakt, że skutecznie zadziałała klapa zwrotna przed podgrzewaczem wody (część wysokoprężna była wcześniej objęta badaniami Rys. 5. Awaria kolana części średnioprężnej rurociągu wody zasilającej Omówienie wyników badań diagnostycznych części średnioprężnej rurociągu wody zasilającej Badania i pomiary diagnostyczne przeprowadzone na wszystkich, nieuszkodzonych w czasie awarii elementach krytycznych części średnioprężnej rurociągu wykazały: nadmierną owalizację pozostałych kolan, nieciągłości na powierzchni wewnętrznej w obojętnej strefie gięcia kolan, niższą, o 25% od nominalnej, grubości ścianki na niektórych kolanach. W ramach usuwania skutków awarii na rurociągach wymieniono, oprócz totalnie zniszczonego kolana, także te elementy, które nie spełniły kryterium bezpiecznej dalszej eksploatacji na podstawie analizy wyników badań diagnostycznych. Wykryte w trakcie badań uszkodzenia powierzchni wewnętrznej kolan (strefa obojętną) ilustruje rysunek 6 [3]. Rys. 6. Widok powierzchni wewnętrznej (strefa obojętna) zdemontowanego kolana po jego rozkrojeniu czerwiec strona 349 (11)

12 Profilaktyczne badania na innych elektrowniach wykazały występowanie podobnych nieprawidłowości (rys.7). a) długość 80mm głębokość 3mm ΔHmax = 1mm + 8dB długość 20mm głębokość 4mm ΔHmax = 1mm + 7dB b) KOLANO NR 3 widok od dołu długość 15mm głębokość 3mm ΔHmax = 1mm + 5dB długość 80mm głębokość 3-7mm ΔHmax = 1mm + 11dB długość 230mm głębokość 3-7mm ΔHmax = 1mm + 11dB Rys. 7. Wykryte wskazania w czasie badań UT-H (a) i przekrój kolana w rejonie wskazań (b) Mechanizm powstawania uszkodzeń Ponieważ rurociągi wody zasilającej pracują poniżej temperatury granicznej dla zastosowanej stali K18 (t gr = 400 C), a co za tym idzie nie jest dla nich określony horyzont czasowy (czas eksploatacji). W czasie eksploatacji, a szczególnie w stanach nieustalonych pracy kotła i co jest bardzo istotne, przy nadmiernej owalizacji, naprężenia występujące w ściance kolan mają charakter zmienny i mogą okresowo przekraczać naprężenia dopuszczalne. Proces ten odbywa się w środowisku agresywnym, jakim jest woda zasilająca, a tym samym, w związku z powyższym, bezpośrednią przyczyną uszkodzeń jest zmęczenie korozyjne. Podsumowanie Nadmierna owalizacja kolan jest pochodzenia technologicznego, co nie ma związku z eksploatacją rurociągu. Najczęściej nakładają się na siebie następujące przyczyny: dopuszczenie do prefabrykacji kolan rur o maksymalnej dopuszczalnej owalizacji hutniczej (ε 4,0%), montaż kolan z tzw. doginaniem, np. w przypadku ograniczeń przestrzeni, odkształcenie przekroju rury w czasie gięcia. Rurociągi wody zasilającej w części średnioprężnej zbudowane są z bardzo wiotkich rur α = g n / Dn 0,03. (dla rurociągu pary świeżej, rury o tej samej średnicy mają α 0,10). Dopasowanie siłowe kolana o α 0,03. do złożonej trasy rurociągu nie nastręcza żadnych problemów, ale zazwyczaj skutkuje nadmierną owalizacją. 520 Rurociągi wody zasilającej, a szczególnie części niskoprężnej, stanowią realne zagrożenie dla obsługi. Ponieważ w większości przypadków, będą one jeszcze eksploatowane przez Użytkownika przez najbliższe lat należy, objąć je wzmożonym i systematycznym nadzorem diagnostycznym [1], tym bardziej, że najczęściej, do tej pory, nie były nigdy poddawane systematycznym badaniom i pomiarom diagnostycznym. Pewną gwarancją dalszej bezpiecznej eksploatacji rurociągów wody zasilającej byłoby objęcie ich stałym dozorem technicznym w podobnym zakresie jak rurociągi parowe. Wnioski Niektóre elementy średnio i niskoprężnych rurociągów obiegu zasilającego kotły, mogą ulegać nagłym uszkodzeniom ze znacznym rozwarciem, dotyczy to szczególnie kolan. Przyczyną tego rodzaju uszkodzeń jest zmęczenie korozyjne wywołane nadmierną owalizacją. Czas pracy do rozerwania zależy m.in. od: stopnia owalizacji, zastosowanego materiału, stosunku grubości ścianki do średnicy rurociągu, agresywności środowiska. Dla uniknięcia tego rodzaju nagłych nieprzewidzialnych a jednocześnie niebezpiecznych uszkodzeń wskazanym jest prowadzić profilaktyczne: badania nieniszczące, pomiary geometrii, wykonać obliczenia sumarycznych naprężeń statycznych i zmiennych wywołanych zginaniem. LITERATURA [1] Rekomendacje w zakresie kwalifikowania elementów urządzeń cieplno-mechanicznych bloków 200 MW w PKE S.A. do pracy do godzin Dokument Pro Novum Nr PN/ /2010, marzec 2011, Uzgadniany z UDT. [2] Sprawozdanie Pro Novum Sp. z o.o. nr /2010 praca niepublikowana [3] Sprawozdanie Pro Novum Sp. z o.o. nr /2010 praca niepublikowana [4] Sprawozdanie Pro Novum Sp. z o.o. nr /2011 praca niepublikowana strona 350 (12) czerwiec 2011