Program ramowy Energetyka 200+

Transkrypt

1 Program ramowy Energetyka 200+ Modernizacja bloków energetycznych długotrwale eksploatowanych w warunkach pełzania a kwalifikowane procedury spawania Tadeusz Jóźwik Ogólnie dostępne informacje dotyczące aktualnie realizowanej przez Polskę polityki energetycznej, przedstawianej przez Ministerstwo Energetyki i osobiście przez ministra Krzysztofa Tchórzewskiego na przykład na Forum Gospodarczym w Krynicy (2017 r.), niestety również sugerują możliwość perspektywicznego uzależnienie się od zewnętrznych dostawców (import energii). 48,11% 5,86% 6,16% 13,22% 3,22% Elektrownie przemysłowe Elektrownie zawodowe gazowe Elektrownie zawodowe na węglu kamiennym Elektrownie wiatrowe i inne odnawialne Elektrownie zawodowe na węglu brunatnym Najprostszym uzasadnieniem moich obaw niech będą dwie publikacje, które adresowane były do ogółu naszego społeczeństwa, a umieszczone w Rzeczpospolitej [1] i w Gazecie Wyborczej [2] opracowane na podstawie danych Ministerstwa Energetyki, Krajowej Izby Gospodarczej i wypowiedzi Joanny Maćkowiak-Pandery, prezesa Forum Energii. Aktualnie rozważane scenariusze strategii dywersyfikacji paliwowej w energetyce na lata 2030 i 2050 przedstawiono w tabeli nr 1 [3]. Główny Urząd Statystyczny analizując zużycie paliw i nośników energetycznych na przykładzie struktury krajowych mocy osiągalnych na (moc zbliżona do aktualnych osiągalnych mocy 2017 r.), przedstawia następujące dane Scenariusz z atomem 2030 rok (moc w GW) 2050 rok (moc w GW) Scenariusz bez atomu 2030 rok (moc w GW) 2050 rok (moc w GW) Elektrownie jądrowe 1, Elektrownie węglowe 19,1 6,7 18,4 5,5 Kogeneracja węglowa 4,4 2,8 4,4 2,8 Elektrownie gazowe, w tym kogeneracyjne 6,9 19,3 7,6 26,1 OZE 18, ,8 47,7 Rezerwa zimna w blokach węglowych Rezerwa w jednostkach gazowych 2 5,5 3,5 6,5 Sumaryczne zapotrzebowanie mocy [GW] 53,7 78,3 55,7 89,6 Tabela 1 Scenariusze dywersyfikacji paliwowej 23,44% Rys. 1 Struktura procentowa mocy osiągalnej w KSE, stan na Ogółem Elektrownie zawodowe Elektrownie zawodowe wodne Elektrownie zawodowe cieplne, w tym: na węglu kamiennym na węglu brunatnym gazowe Elektrownie wiatrowe i inne odnawialne Elektrownie przemysłowe Elektrownie zawodowe wodne MW MW MW MW MW MW 973 MW MW MW Tabela 2 Struktura mocy osiągalnej r. [MW] tabela 2. Struktura procentowa mocy osiągalnej w KSE, stan na , przedstawiona jest na rys 1. Analizując podane w tabeli 1 informacje, odnieść można wrażenie, że oparte one zostały raczej na nieuzasadnionym pozytywnym nastawieniu autorów do przedstawionych przez nich prognoz rozwojowych, a na pewno nie zostały oparte na polskich doświadczeniach i realiach. Proszę zastanowić się jak to możliwe, aby w ciągu najbliższego okresu ( ) moc krajowych wytwórców energii elektrycznej wzrosła z około 40 GW na około 55 GW, wzrost o 37,5%. Obecne krajowe roczne zapotrzebowanie na energię elektryczną wynosi około 160 TWh, a planowane w 2030 roku ma wynieść około 220 TWh wzrost o 37,5%. Aktualnie realizowane krajowe inwestycje w sektorze energetyki zawodowej pozwalają szacunkowo określić przyrost mocy do 2020 roku. W elektrowniach cieplnych opalanych węglem przyrost ten wyniesie około 4,3 GW, a opalanych gazem 54 SPAJANIE 1(39)/2018

2 około 2,5 GW. W sumie moc osiągalna w 2020 roku w stosunku do obecnej wzrośnie o około 17%. Następne plany inwestycyjne są nieprecyzyjne faza koncepcji, brak dokumentacji technicznej, brak strategii dywersyfikacji, dalej nie rozstrzygnięta kwestia udziału węgla jako paliwa podstawowego, wiele się mówi na temat OZE, a administracyjne decyzje w tych zagadnieniach raczej nie wpływają korzystnie na rozwój tych źródeł i na koniec brak pieniędzy na te bardzo kosztowne inwestycje. Wydaje się więc, szczególnie w związku z brakiem jednoznacznie przyjętej strategii dywersyfikacji, że przewidywane sumaryczne zapotrzebowanie mocy w 2030 roku na poziomie 55 GW nie jest możliwe do osiągnięcia. Dodatkowo wszyscy zajmujący się branżą wytwarzania energii elektrycznej mają świadomość niebezpiecznej dekapitalizacji technicznej polskich elektrowni. Większość bloków energetycznych (szczególnie wysokoprężnych rurociągów parowych) pracujących obecnie w Polsce przekroczyło projektowy czas pracy. Dotyczy to szczególnie około 20 bloków o mocy 120 MW, około 60 bloków o mocy 200 MW, 16 bloków o mocy 360 MW i 2 bloków o mocy 500 MW [4]. Sumaryczna zainstalowana moc w tych elektrowniach wynosi około 21,2 GW, co stanowi około 71% całkowitej osiągalnej mocy elektrowni opalanej węglem kamiennym i brunatnym. Wymienione bardzo ogólnie uwarunkowania uzasadniają moje zaniepokojenie o przyszłość naszego sektora energetycznego, a także uzasadniają twierdzenie, że niestety świadomie tracimy suwerenność energetyczną. Trudno uwierzyć, że jakoś w cudowny sposób osiągniemy w 2030 roku planowany wzrost podaży energii elektrycznej. Jednym ze strategicznych działań krajowych specjalistów ds. problemów energetycznych, które według mojej oceny mają przeciwdziałać utracie suwerenności energetycznej, jest Program ramowy Energetyka Rewitalizacja i odbudowa mocy na bazie bloków 200 MW. Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w związku z tą strategią ogłosiło w 2017 roku konkurs na innowacyjną modernizację i przedłużenie życia bloków energetycznych klasy 200 MW. NCBR poprzez ten konkurs dopiero rozpoczyna poszukiwania nowych technologii, zabezpieczeń, a także innowacyjnego monitorowania pracy bloków po tak długiej eksploatacji. Jednym z efektów tego naukowo-technicznego przedsięwzięcia, a raczej nadzieją, jest utrzymanie w pracy tych starych jednostek, ale jak licznych w polskiej energetyce. Realizacja tego projektu ma zapobiec niedoborom mocy oraz wydłużyć żywotność bloków, których część zamiast wyłączać będziemy mogli pozostawić w rezerwie. Według autorów tej ratunkowej koncepcji realizacja tego projektu to wydłużenie żywotności bloków 200 MW do o około lat i uzupełnienie kosztownych inwestycji nowych konwencjonalnych bloków oraz w OZE i w energię jądrową. Również dla urealnienia tej koncepcji podawany jest fakt, że część jednostek energetycznych 200 MW przeszły już kosztowną modernizację, dostosowującą je do wymagań obowiązująych od 2016 roku A pozostałe jednostki, jeżeli mają być dopuszczone do eksploatacji najpóźniej od 2021 roku, będą musiały spełniać jeszcze bardziej wyśrubowane normy wynikające między innymi z konkluzji BAT (best available techniques z ang. SPAJANIE 1(39)/2018 najlepsze dostępne techniki) dotyczące emisji tlenków siarki i azotu, chlorowodoru, fluorowodoru, amoniaku, rtęci, pyłów czy ścieków. Zakładanie w koncepcji programu Energetyka 200+ spełnienia głównie wymagań dotyczących ochrony środowiska, czy też pracy bloków w regulacyjnym systemie elektroenergetycznym, a na margines odsuwanie problemu zabezpieczenia wzrostu konstrukcyjnej żywotności dotychczas eksploatowanych bloków 200 MW jest bardzo poważnym błędem. Ocena możliwości wzrostu żywotności elementów konstrukcyjnych długotrwale pracujących w konwencjonalnych blokach energetycznych 200 MW stanowi obecnie cele ścisłej współpracy naukowej z przemysłem wytwarzającym energię elektryczną. Jednymi z wielu zagadnień technicznych, które w przypadku układów rurociągowych eksploatowanych długotrwale w elektrowniach w warunkach pełzania wymagają uzgodnienia na przykład w formie dyrektywy unormowania pomiędzy zainteresowanymi stronami, są technologiczne zagadnienia spawania i obróbki cieplnej rurociągowych wyrobów konstrukcyjnych. Wiele podstawowych teoretycznych i praktycznych informacji z tego zakresu ma Instytut Metalurgii Żelaza w Gliwicach. Wiedza ta jest między innymi wynikiem realizacji w latach Projektu Narodowego Centrum Badań i Rozwoju pod nazwą Metodyka, ocena i prognoza eksploatacji powyżej obliczeniowego czasu pracy złączy spawanych elementów ciśnieniowych kotłów energetycznych [5]. Zagadnienia spawania i obróbki cieplnej W obecnej, a także perspektywicznej praktyce remontowej lub modernizacyjnej, w której występują procesy spawania stalowych elementów konstrukcyjnych po długoletniej eksploatacji w warunkach pełzania, mamy do czynienia z kilkoma uwarunkowaniami. Dla potrzeb niniejszego artykułu przedstawiam dwa przypadki występujących w praktyce połączeń spawanych, w których materiały podstawowe są z tego samego gatunku stali ale o różnej budowie strukturalnej: jednorodne połączenie tworzą dwa elementy po długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania, które mogą różnić się stopniem degradacji struktury, mieszane (częściej występujące) połączenie tworzą dwa elementy, jeden po długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania o znanym stopniu degradacji struktury, drugi nieeksploatowany o tzw. strukturze pierwotnej. Dla umownie przyjętych dwóch przypadków złączy spawanych w technologii spawania i obróbki cieplnej muszą być podane kryteria kwalifikowania tych technologii. Kryteria te stanowią jednocześnie informacje o różnicach jakie niosą one w stosunku do wymagań normy PN-EN ISO [6] i zapisów raportu technicznego ISO/TR 14745:2015 [7]. I tak dla przykładu, po wykonaniu procesu spawania elementów, które nie były eksploatowane w warunkach pełzania najogólniej obróbka cieplna złączy, a głównie zakres temperatury i czasu wygrzewania, musi uwzględniać wymagania norm materiałowych łączonych wyrobów oraz wytwórców materiałów dodatkowych. Wymienione wyżej wymagania w procesach spawania remontowego (modernizacyjnego) muszą być uzupełnione podstawowymi wymaganiami, jakie zawarte są w informacji o rzeczywistej strukturze i właści- 55

3 wościach łączonych wyrobów. Konsekwencją informacji o charakterze zmian struktury w wyniku pełzania jest znajomość przybliżonych, przewidywalnych na podstawie doświadczeń właściwości mechanicznych tych materiałów. Zgodnie wieloma normami i przepisami spawanie elementów konstrukcyjnych nieeksploatowanych możliwe jest, gdy wykonawca posiada instrukcje technologiczne spawania uznane dla odpowiedniego zakresu stosowania, między innymi grupy materiałowe, grubości, a także spawaczy mających odpowiednie kwalifikacje i certyfikaty. W przypadku spawania remontowego elementów konstrukcyjnych długotrwale eksploatowanych w warunkach pełzania wspomniana instrukcja winna również uwzględniać stopień degradacji struktury. Uwzględnianie kryterium materiałowego jest w większości przypadków pomijane. Z wielu rozmów jakie prowadziłem z certyfikowanymi spawalnikami, a także z ich opinii jednoznacznie wynika, że w praktyce posiadanie odpowiedniej instrukcji WPS dla grupy stali o strukturze wyjściowej jest wystarczające. Nikt z moich rozmówców nie ma żadnych wątpliwości i nie dostrzega potrzeby różnicowania WPS-ów dla wyrobów ze stali na początku eksploatacji i wyrobów z tej samej gatunkowo stali ale eksploatowanych w warunkach pełzania, często ponad czas projektowy. Pomimo takiej opinii uważam, że realizator remontowych robót spawalniczych na wyrobach o strukturze i właściwościach po procesach pełzania, aby mógł je oferować musi praktycznie przejść wszystkie etapy kwalifikowania technologii spawania oparte głównie na zapisach normy PN-EN ISO Przepisy te winny być dostosowane do rzeczywistego stany technicznego materiału podstawowego biorącego udział w procesie spawania. W tym przypadku oferent i wykonawca operacji spawalniczych musi posiadać protokół kwalifikowania technologii spawania WPQR wydany przez jednostkę notyfikowaną i opracowaną instrukcję technologiczną spawania WPS. Zapisy znanych dokumentów odniesienia norm, raportów technicznych i innych przepisów związanych z technologiami spawalniczymi dotyczą praktycznie nowych wyrobów, norm materiałowych dla tych wyrobów. Już z tego powodu dokumenty te nie mogą być w całości dokumentami odniesienia w przypadku spawania materiałów po długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania wysokotemperaturowego. Podstawowe różnice występują: na etapie przygotowania do spawania, w tym rodzaju badań materiałów, które podlegać mają łączeniu, a także racjonalny wybór spawalniczych materiałów dodatkowych, w wyborze temperatur podgrzewania wstępnego i temperatury międzyściekowej, dla wybranej metody spawania w doborze jej parametrów, co ma znaczący wpływ na właściwości stref wpływu ciepła, a szczególnie późniejsze właściwości pełzaniowe całego złącza spawanego (rozporządzalną trwałość resztkową), w doborze parametrów obróbki cieplnej pospawalniczej i ich wpływie na wspomniane wyżej właściwości pełzaniowe, na etapie zakresu badań po spawaniu wymagany rodzaj badań i kryteria kwalifikacyjne. Dla przykładu podamy dwa zapisy podane w normie EN :2002 [8]: punkt Kiedy procesy wytwórcze lub warunki eksploatacyjne mogą mieć wpływ na zachowanie się materiału w takim stopniu, że wpływałoby to ujemnie na bezpieczeństwo lub żywotność zbiornika ciśnieniowego, to należy to uwzględnić przy doborze materiału, punkt Ponieważ właściwości udarności mogą ulec pogorszeniu na skutek długotrwałego lub częstego oddziaływania podwyższonych temperatur na materiał, zakłada się, że temperatury i okresy wystawienia na działanie podwyższonych temperatur są zapisywane w czasie eksploatacji, w celu kontroli. Wpływ takiego wystawienia na działanie temperatur na przewidywaną żywotność należy ocenić i odnotować. Wyniki szczegółowych i wieloletnich badań na elementach ciśnieniowych, w tym połączeniach spawanych pracujących w warunkach pełzania ( wystawionych na działanie temperatur ), prowadzone głównie przez Instytut Metalurgii Żelaza w Gliwicach precyzują dla różnych przypadków przewidywaną żywotność tych elementów. Wyniki i prognozy te muszą, po spełnieniu formalnego porozumienia z instytutem, stanowić dokument odniesienia do kwalifikowania technologii spawania i obróbki cieplnej materiałów, które długotrwale eksploatowane były w warunkach pełzania. Zapis formalne porozumienie z Instytutem winien być doprecyzowany i może być ograniczony do wzajemnego ustalenia zasad korzystania z własności intelektualnej IMŻ, jaką bezspornie jest ogólna procedura spawania stali długotrwale eksploatowanej w warunkach pełzania (własność naukowo-przemysłowa). Warunki kwalifikujące technologię spawania o zmienionej w wyniku pełzania strukturze Podstawowym dokumentem odniesienia jest norma PN- -EN ISO :2008. Przywołana norma odnosi się do procesów spawania stali nieeksploatowanych w warunkach pełzania. W przypadku planowania oferowania usług spawalniczych, w których biorą udział stale z grupy 5 i 6 (podgrupy 5.1, 5.2, 6.1 i 6.2) [9] po długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania do kwalifikowania technologii spawania mogą wyłącznie przystąpić wytwórcy, którzy posiadają protokół kwalifikowania technologii spawania WPQR wydany przez jednostkę notyfikowaną i instrukcję technologiczną spawania na odpowiednią grupę stali nieeksploatowanej pełzaniowo, zakres grubości i w przypadku rur średnicy oraz pozycje spawania. Oprócz powyższego oczywistego warunku wytwórcy muszą posiadać udokumentowaną znajomość różnic we właściwościach fizyko-mechanicznych podstawowych łączonych stali po pełzaniu, w stosunku do tych stali nieeksploatowanych w tych warunkach. Znajomość ta stanowi jedno z technicznych uzupełnień podanych w normie PN EN ISO :2008 zasad i kryteriów jakościowej oceny etapów kwalifikowania technologii spawania. Kwalifikowaniu tej nowej technologii spawania podlegają stale, dla których wyniki oceny stanu materiału i szacunku stopnia wyczerpania struktury t nie przekracza 0,5; klasy struktury 3 i klasy uszkodzeń 0. W jednostkowych przypad- 56 SPAJANIE 1(39)/2018

4 kach po uzgodnieniu z UDT można wykorzystywać kwalifikowaną nową technologię spawania, w której stopień wyczerpania struktury zawarty jest w granicach t = 0,5-0,6; klasy struktury 4 i stopnia uszkodzeń do B1. Materiały o stopniu wyczerpania struktury t e >0,6 nie mogą uczestniczyć w procesach spawalniczych. Zasady oceny stanu materiału i stopnia wyczerpania struktury opisane są szczegółowo w Wytycznych Urzędu Dozoru Technicznego nr 1/2015 Zasady diagnostyki i oceny trwałości eksploatacyjnej elementów kotłów i rurociągów pracujących w warunkach pełzania. Materiały złącza próbnego (jeden materiał) po eksploatacji, które kwalifikować będą technologię muszą posiadać odpowiednie referencje użytkownika, na przykład jednej z elektrowni lub placówki naukowo-badawczej. Referencje dotyczą gatunku stali, czasu i parametrów eksploatacji. Oprócz referencji podmiot gospodarczy powinien uzyskać dokument umownie nazwany paszportem materiałowym materiału rodzimego złącza. Wspomniany paszport uzyskuje się w wyniku badań laboratoryjnych. Wymagany obligatoryjnie zakres badań jest następujący (wyniki stanowić będą tzw. paszport materiałowy): skład chemiczny, statyczna próba rozciągania w temperaturze otoczenia i podwyższonej, twardość HV10, kruchości metodą udarności KV2, stopień wyczerpania struktury t e, klasę struktury i klasę uszkodzeń. Ponieważ podstawowe materiały, przynajmniej jeden z nich, przeznaczone na złącze próbne eksploatowany był w warunkach pełzania, należy odcinki rur (blach) poddać w całości powierzchniowym badaniom magnetyczno-proszkowym oraz badaniom objętościowym ultradźwiękowym. Wyniki podane w paszporcie materiałowym stanowić będą wartości odniesienia do uzyskanych wyników z badań złącza próbnego. Dla wybranego złącza próbnego należy opracować wstępną instrukcję technologiczną spawania pwps. Przy zastosowaniu materiałów dodatkowych odpowiednich do spawanego gatunku stali jednoznacznie kształtujemy pod względem wytrzymałościowym połączenie spawane. Powstała podczas spawania niejednorodność właściwości mechanicznych powoduje, że na przykład granica plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie spoiny będzie zawsze wyższa od materiału rodzimego i dodatkowo jeszcze od tak zwanej warstwy miękkiej. Wyniki tych badań w wielu przypadkach będą niższe od właściwości odniesienia dla stali zdegradowanej pełzaniowo. Koncentracja odkształceń podczas eksploatacji występować będzie w zdegradowanym strukturalnie materiale rodzimym [10]. Procesy pełzaniowe negatywnie wpływają na kruchość materiału. Wyniki badania udarności spoiny będą zawsze zgodne z właściwościami odniesienia dla konkretnego stopiwa, natomiast materiału rodzimego w wielu przypadkach będą niższe od właściwości odniesienia dla stali niepracującej, a nawet mniejsze od umownego progu kruchości. Już te dwa przykłady muszą być zauważone przez opracowującego wstępną instrukcję spawania. Głównie podczas doboru temperatury wstępnego podgrzewania, ilości doprowadzonego ciepła i temperatur międzyściegowych EN , ilości ściegów czy też chwilowych szybkości chłodzenia w zakresie temperatur najmniejszej trwałości austenitu. SPAJANIE 1(39)/2018 Integralną częścią kwalifikowania technologii spawania stanowi procedura kwalifikowania obróbki cieplnej po spawaniu. Parametry obróbki cieplnej pospawalniczej złączy spawanych związane są z gatunkiem materiałów podstawowych, a przede wszystkim z wynikami procesów kontrolnych materiałów biorący udział w połączeniu przed spawaniem oraz przyjętymi w technologii spawania gatunkami materiałów dodatkowych. Temperaturę wygrzewania dla połączeń spawanych, w których materiały podstawowe eksploatowane były w warunkach pełzania, a więc posiadają strukturę i właściwości mechaniczne stosowne do negatywnych skutków procesu pełzania, należy przyjąć na minimalnym standartowym poziomie dla tego gatunku stali i materiałów dodatkowych lub niższych w oparciu o parametr Hollomona-Jaffe (P crit ). Stosowane w praktyce czasy wygrzewania podczas wyżarzania połączeń spawanych nie mają większego wpływu na zmianę właściwości materiału rodzimego, który był eksploatowany w warunkach pełzania i posiada stopień degradacji struktury t e do około 0,3. Jednak wysokość temperatury i długość czasu wygrzewania ma wpływ na jakość połączenia spawanego w newralgicznych strefach strefa wpływu ciepła i spoina, a szczególnie dla t e > 0,3. Procedury kontrolne (badania) złączy spawanych Materiały podstawowe po pełzaniu Sygnalnie opisane powyżej informacje o technologicznych zagadnieniach spawalniczych stalowych wyrobów o strukturze ze zmianami wynikającymi z procesu pełzania mają również istotny wpływ na procedury kontrolne oceniające jakości powstałych połączeń. Na wyraźne podkreślenie zasługuje moja sugestia o przestrzeganiu przez uprawnionych do spawania materiałów po pełzaniu zasady dostosowania się podczas tej usługi do powstałej na okoliczność spawania dokumentacji konstrukcyjnej węzła spawanego (warsztatowo-montażowej), która zaakceptowana została przez UDT. Dokumentacja ta stanowi główną wytyczną do stosowania, także w jakościowych kryteriach odniesienia wykonanych prac spawalniczych. Bez dokumentacji konstrukcyjnej (nawet bardzo skróconej) nie można przystąpić do prac spawalniczych. Podstawowe typowe badania nieniszczące i niszczące powinny być w całości zgodne na przykład z zapisem tabeli nr 1 normy PN-EN ISO i uzupełnione analizą składu chemicznego, badaniami mikroskopowymi, a w przypadku uzyskania energii łamania 27 J dodatkowo określeniem progu kruchości. Problemem do rozstrzygnięcia w przypadku spawania materiałów o znaczących zmianach struktury w wyniku pełzania jest określenie poziomu akceptacji uzyskanych wyników. Głównie zagadnienia dotyczą: przy badaniach nieniszczących interpretacji wyników: - badań metalograficznych (repliki) struktura różnych charakteryzujących złącze miejsc, kiedy struktury są akceptowalne, - badań rozkładu twardości złącza spawanego, przy badaniach niszczących (króćce kwalifikacyjne) interpretacji wyników: 57

5 - statycznej próby rozciągania złącza spawanego prowadzonych w temperaturach pokojowych oraz podwyższonych, - próby udarności wraz z określeniem progu kruchości na próbkach pobranych z różnych miejsc złącza spawanego, - badań metalograficznych (zgłady) struktura różnych charakteryzujących złącze miejsc, - badań rozkładu twardości złącza spawanego, przy doborze parametrów obróbki cieplnej kwalifikowanie technologii obróbki cieplnej połączeń spawanych jednorodnych i mieszanych opisanych wcześniej w artykule. Przykłady uzasadniające potrzebę uwzględniania różnorodności struktur po pełzaniu w technologicznej praktyce spawalniczej Badania mikroskopowe na zgładach lub replikach matrycowych kryteria oceny metodologii badań i stanu struktury W tabeli 3 przykładowo pokazano różnice w budowie strukturalnej elementów rurociągowych ze stali 14MoV63. Ta różnorodność zobowiązuje do przeprowadzenia przed spawaniem badań mikroskopowych (repliki matrycowe lub jeżeli jest to możliwe zgład) w okolicach przyszłej spoiny. Celem badań jest określenie rzeczywistej budowy strukturalnej, a więc stopnia wyczerpania struktury i klasy jej uszkodzenia. Opis struktur Przykład obrazu mikroskopowego (zgład SEM) Stal 14MoV63 Stan wyjściowy struktura ferrytyczno-bainityczna (perlityczna). Ponadto w mikrostrukturze obserwuje się bardzo drobne wydzielenia węglików typu MC, które występują wewnątrz ziarn ferrytu. W obszarach bainitu występują niewielkie w wyniku odpuszczania sferoidalne wydzielenia M3C, podobnie jak w ziarnach perlitu M3C. Twardość wg VGB-508L HV10 Stal 14MoV63 rurociąg pary świeżej Struktura ferrytyczno- pobainityczna. Obszary byłego bainitu znacznie skoagulowane. Na granicach ziarn liczne w większości znacznej wielkości wydzielenia. Wewnątrz ziarn liczne drobne wydzielenia dość równomiernie rozmieszczone. Nie zaobserwowano nieciągłości i mikropęknięć w strukturze. Nie stwierdzono zapoczątkowania procesów uszkodzenia. Obszary pobainityczne klasa I/II, wydzielenia klasa a/b Procesy uszkodzenia klasa O, stopień wyczerpania struktury t e ~ 0,4, klasa struktury 2/3. Czas eksploatowania w określonych parametrach pełzania godzin. Twardość ok. 131 HV10 Stal 14MoV63 rurociąg pary świeżej Struktura ferytyczna z węglikami ( zanik struktury pobainitycznej ). Koagulacja i koalescencja węglików w ferrycie. Obszary pobainityczne klasa II, wydzielenia klasa b Procesy uszkodzenia klasa B2/3 koalescencja pustek pełzaniowych, stopień wyczerpania struktury t e ~ 0,7, klasa struktury 4/5. Czas eksploatowania w określonych parametrach pełzania około godzin. Twardość ok. 127 HV10 Tabela 3 Przykładowe obrazy struktur stali 14MoV63 o różnym stopniu wyczerpania 58 SPAJANIE 1(39)/2018

6 W tym przypadku jedynym kryterium odbioru wyników badań jest decyzja czy procesy spawalnicze można w ogóle dla tego stanu prowadzić. Materiały o stopniu wyczerpania 0,6 i klasie uszkodzeń do B2 w ograniczony sposób można zakwalifikować do spawania. Przy innych, wyższych klasach uszkodzeniach łączenie materiałów poprzez spawanie nie może być wykonany. Materiały o stopniu wyczerpania struktury 0,4 i klasie uszkodzeń O nadają się do łączenia przez spawanie. Wyniki badań struktury tych materiałów stanowić będą kryteria odniesienie do powstałego złącza spawanego. Właściwości mechaniczne kryteria odbioru Właściwości mechaniczne elementu rurociągowego ze stali 14MoV63 po eksploatacji w udokumentowanych warunkach pełzania przez ponad godzin kilka uzyskanych wyników przedstawia tabela 4. Właściwości mechaniczne króćca próbnego, w którym jeden z odcinków rur wykonany był z elementu o właściwościach podanych w tabeli 4, a drugi odcinek ze stali 14MoV63 przed eksploatacją (tabela 5). dla króćca referencyjnego (przypadek kiedy króciec taki jest wymagany). Procesy pełzaniowe zalecenie dla projektanta Dostępne lub udostępnione przez Instytut Metalurgii Żelaza w Gliwicach wyniki badań pełzaniowej rozporządzalnej trwałości resztkowej informują o udokumentowanych różnicach tej właściwości w eksploatowanych połączeniach spawanych [5]. W tabeli 6 przykładowo pokazano wyniki badań dla eksploatowanego materiału rodzimego (14MoV63) i wykonanych z niego połączeń spawanych. Materiał rodzimy złącza eksploatowanego miał stopień wyczerpania struktury t = 0,2/0,3, klasę struktury 1/2 i klasy uszkodzeń 0. Eksploatowane złącze spawane ze spoiną pierwotną, czyli wykonaną przed rozpoczęciem eksploatacji instalacji rurociągowej, ma w stosunku do materiału rodzimego poza strefą wpływu ciepła rozporządzalną trwałość resztkową w temperaturze t = 540 C i naprężeniu σ = 55 MPa niższą o około 45% (materiał rodzimy t r = h, a złącze spawane t r = h). Nr próbki PN-EN ze stali 14MoV63 g = mm R e [MPa] R m [MPa] A 5 [%] Z [%] KV 2 [J] min min. 20 min. 40 J HV VGB-R 508L I ,7 60 średnio 13 średnio 139 II ,8 67 średnio 8 średnio 142 III ,1 64 średnio 9 średnio 132 IV średnio 12 średnio 137 Tabela 4 Właściwości mechaniczne odcinka rury φ 355x45 14MoV63 po eksploatacji Z tabel 4 i 5 wynika ogólne zalecenie dla projektanta połączenia spawanego, a mianowicie określenie w dokumentacji konstrukcyjno-montażowej poziomów odniesienia do wyników badań właściwości mechanicznych, czyli określenie kryteriów odbioru. Te kryteria (poziomy odniesienia) nie mogą być wyłącznie oparte na normatywnych właściwości mechanicznych dla stali przed eksploatacją. Dokumentacja konstrukcyjno-warsztatowa powinna nakazywać konieczne do realizacji badania kontrolne złączy montażowych oraz Ale to samo złącze w stosunku do nowego złącza montażowego (naprawczego), w którym jednym z materiałów rodzimych pobrany został z opisanego wyżej eksploatowanego materiału, a drugi jest materiałem o tym samym gatunku, ale nieeksploatowanym jest znacznie lepsze. Wyniki badań umownie nazwanego nowego złącza, rozporządzalnej trwałości resztkowej w temperaturze t = 540 C i naprężeniu σ= 55 MPa są niższe niższą o około 25% (złącze eksploatowane stare t r = h, a złącze spawane nowe t r = h). Nr próbki pobranej z króćca V a, b, c R e /R 0,2 [MPa] R m [MPa] A 5 [%] Z [%] Próbki płaskie (R m ) ok So = 175 mm 2 VI a, b Próbki płaskie (R m ) So = 236,6 mm 2 (5,2 45,5) ok ok. 22 KV 2 [J] VWT (spoina) śr. 107 VHT (po eksploatacji) śr. 8,2 VHT (stal nowa ) śr. 36 HV10 VWT VHT ( stary ) VHT ( nowy ) VII Próbki płaskie (R m ) So = 236,6 mm 2 (5,2 45,5) Po dodatkowej pełnej obróbce cieplnej N+O ok. 17 VWT (spoina) śr. 30 VHT (po eksploatacji) śr. 32 VHT (stal nowa ) śr. 43 VWT VHT ( stary ) MR ( stary ) 162 VHT ( nowy ) MR ( nowy ) 174 Tabela 5 Właściwości mechaniczne króćca próbnego φ 355x45 14MoV63 nowe połączenie SPAJANIE 1(39)/

7 Oznaczenie wyrobów, z których pobrano próbki do skróconych badań pełzaniowych Trwałość resztkowa w 540 C Rozporządzalna trwałość resztkowa w 540 C Po h eksploatacji MR h h Po h eksploatacji złącze spawane h h Złącze naprawcze (stary + stary) h h Złącze naprawcze (stary + nowy) h h Tabela 6 Przykładowe wyniki skróconych prób pełzania połączeń spawanych 14MoV63 konstrukcyjnie węzły spawane. Operacje kontrolne elementu planowanego do spawania oraz odcinków w obrębie przyszłych spoin elementów po eksploatacji ( starych ) nie różnią się niczym od przypadku gdy spawane elementy są nowe. Również procesy spawalnicze i obróbki cieplnej realizowane są jak dla materiałów nieeksploatowanych. Technologia spawalnicza i obróbki cieplnej zgodna jest z posiadanym przez wykonującego te prace Protokołem Kwalifikowania Technologii Spawania (WPQR) zatwierdzonym przez Urząd Dozoru Technicznego. Rys. 2 Graficzne przedstawienie wyników skróconych prób pełzania σ = 55 MPa, t = C dla materiału rodzimego i jednego ze złączy spawanych Z przykładowo opisanych wyników skróconych prób pełzania złączy spawanych wynika dla konstruktora remontowego złącza spawanego (materiał rodzimy po pełzaniu i nieeksploatowany) zalecenie uwzględnienia w obliczeniach wytrzymałościowych obniżonych właściwości projektowanego złącza. Warsztatowa dokumentacja konstrukcyjna opis sygnalny Część węzłów konstrukcyjnych (technologicznych) bloków energetycznych, szczególnie wysokoprężnych rurociągów parowych, eksploatowanych obecnie w Polsce przekroczyło prognozowany na etapie projektu czas pracy. Dotyczy to szczególnie około 20 o mocy 120 MW, około 60 bloków o mocy 200 MW, 16 bloków o mocy 360 MW i 2 bloków o mocy 500 MW [4]. Podczas eksploatacji tych bloków niejednokrotnie występują przypadki wymiany jednej lub kilku części węzłów konstrukcyjnych. Takie wymiany realizowane są poprzez usunięcie części zużytej i zastąpienie ją nową. Łączenie części nowych z częściami, które nie zakwalifikowano do wymiany, realizowane jest w wielu przypadkach z wykorzystaniem technologii spawalniczych. Uważam na podstawie doświadczeń, że koniecznie należy przed decyzją o realizacji tych operacji opracować i zatwierdzić w Urzędzie Dozoru Technicznego stosowną dokumentację konstrukcyjną tego połączenia. Bieżąca praktyka przy prowadzeniu wymienionych wyżej prac remontowo-modernizacyjnych rzadko posiada dokumentację techniczną dedykowaną do konkretnego problemu konstrukcyjno-technologicznego. W najlepszym przypadku prace prowadzone są na podstawie pierwotnej dokumentacji projektowej. A więc gdy należy wymienić element rurociągowy, na przykład łuk (kolano), to zamawia się ten element zgodnie z pierwowzorem ten sam materiał, te same kształty i wymiary, w tym identyczne długości zabudowy, takie same wyciąć wadliwyłuk nr 1 linie cięcia w elementach nr 2 i 3, minimum 1,5 Dz od spoin eksploatowanych linie cięcia poza byłymi strefami wpływu ciepła nowy łuk przygotowany do spawania uwaga długość zabudowy nowego łuku o około 50 mm większa od łuku wadliwego Rys. 3 Schematy obrazujące wymianę wadliwego na skutek pełzania łuku w rurociągu pary świeżej Wydaje się, że taka praktyka nie może być w całości akceptowana przez wszystkie strony uczestniczące w przygotowaniu, realizacji i odbiorze technicznym prac naprawczych, remontowych lub modernizacyjnych, w których materiał lub materiały podstawowe do łączenia posiadają znacznie i niebezpiecznie zmienione na skutek procesów pełzania właściwości mechaniczne, zdegradowaną mikrostrukturę i współczynniki charakteryzujące czas dalszej eksploatacji. Rysunek (schemat) 3 dedykowany jest czytelnikowi niniejszego artykułu. Jeżeli decyzja o wymianie kolana jest wiarygodna i oparta o wyniki badań diagnostycznych, które eliminują ten element (np. t > 0,6) z rurociągu, jakie należy wykonać prace projektowe, kontrolne, spawalnicze żeby odpowiedzialnie podjąć się tej naprawy (wymiany). Skierowana wyżej prośba do czytelnika stanowi podsumowanie mojego, w wielu miejscach pewnie kontrowersyjnego artykułu. l 60 SPAJANIE 1(39)/2018

8 Literatura [1] Wiecerzak-Krusińska Aneta: Prądu z węgla będzie ubywać, Rzeczpospolita, , Rynki i firmy. [2] Sudak Ireneusz: PiS żegna się z czarnym złotem, Gazeta Wyborcza, [3] Analiza Forum Energii [4] Dobrzański Janusz, Hernas Adam: Wytyczne Urzędu Dozoru Technicznego nr 1/2015 Zasady diagnostyki i oceny trwałości eksploatacyjnej elementów kotłów i rurociągów pracujących w warunkach pełzania, Przedmowa, data edycji [5] IMŻ Gliwice, ZRE Katowice, TEDSPAW Kielce, Projekt NCBiR: Metodyka, ocena i prognoza eksploatacji powyżej obliczeniowego czasu pracy złączy spawanych elementów ciśnieniowych kotłów energetycznych, Gliwice [6] PN-EN ISO Specyfikacja i kwalifikowanie technologii spawania metali. Badanie technologii spawania. Część 1: Spawanie łukowe i gazowe stali oraz spawanie łukowe niklu i stopów niklu. [7] ISO/TR 14745:2015 Spawanie. Parametry obróbki cieplnej po spawaniu. [8] EN :2002 Nieogrzewane płomieniem zbiorniki ciśnieniowe. Część 2 Materiały, Część 4 Wytwarzanie. [9] PN-EN :2005/A1 Rurociągi przemysłowe metalowe część 2: Materiały. [10] Myśliwiec Mieczysław: Cieplno-mechaniczne podstawy spawalnictwa, WN-T, Warszawa Tadeusz Jóźwik TEDSPAW Sp. z o.o. Kielce Diagnostyka Techniczna Badania Sp. z o.o. Kielce SPAJANIE 1(39)/