Pełzanie jako zjawisko ograniczające długotrwałą eksploatację rurociągów parowych 1)

Transkrypt

1 Pełzanie jako zjawisko ograniczające długotrwałą eksploatację rurociągów parowych 1) Autorzy: Michał Kwiecień, Arkadiusz Goławski ENERGOPOMIAR Sp. z o.o., Zakład Chemii i Diagnostyki ( Energetyka nr 7/2013) Jednym z głównych czynników wpływających na bezpieczną pracę energetycznych urządzeń ciśnieniowych stosowanych w szeroko pojętej energetyce jest zdolność materiału, z którego zostały wykonane, do przenoszenia zadanych obciążeń pochodzących od czynnika roboczego, jakim jest para podczas pracy w wysokiej temperaturze. Zdolność ta jest określana mianem żarowytrzymałości. Zachowanie wysokotemperaturowej wytrzymałości przez elementy kotłów czy rurociągów w perspektywie długiego czasu eksploatacji ograniczone jest przez szereg czynników, w tym przez zjawisko pełzania. Dotyczy to przede wszystkim elementów pracujących powyżej temperatury granicznej. Ponieważ zdecydowana większość bloków energetycznych w Polsce przekroczyła ponad dwukrotnie czas obliczeniowy, należy spodziewać się, że zjawisko pełzania będzie pojawiać się na coraz większej liczbie elementów urządzeń energetycznych. Zjawisko pełzania w rurociągach parowych W przypadku rurociągów parowych transportujących parę pierwotną po przekroczeniu 250 tysięcy godzin pracy wystąpienie zmian dekohezyjnych w strukturze materiału na skutek zjawiska pełzania jest dalece prawdopodobne. Ze względu na swoją naturę elementy te łączą w sobie szereg zjawisk wpływających na degradację materiału i skutkujących pojawieniem się zmian pełzaniowych. Do czynników tych można zaliczyć: pracę rurociągu powyżej temperatury granicznej; układ geometryczny rurociągów, który powoduje występowanie w niektórych jego odcinkach podwyższonych stanów naprężeń związanych z rozszerzalnością termiczną jego materiału [2]; występowanie dodatkowych naprężeń związanych z nieprawidłową praca układu zamocowań i podparć; 1) Artykuł oparty na referacie wygłoszonym na IX Forum Dyskusyjnym Diagnostyka i chemia dla energetyki, zorganizowanym przez ENERGOPOMIAR w dniach maja w Szczyrku.

2 złożony stan naprężeń wywołany cyklami pracy, liczony w setkach uruchomień bloku na przestrzeni kilkudziesięciu lat; dodatkowe naprężenia obwodowe spowodowane zmianami geometrii w przekroju poprzecznym (owalizacja rury oraz grubość ścianki w strefie rozciągania), wynikające z nieodpowiedniej technologii gięcia kolana. Czynnik ten może mieć znaczenie w przypadku bloków, których elementy pochodzą jeszcze z dostaw radzieckich. W ich przypadku owalizacja rur mogła dochodzić w skrajnych przypadkach nawet do 12% [3]. Do oceny stanu technicznego, w tym oszacowania stopnia degradacji struktury materiału elementów po długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania, stosuje się metody badawcze, takie jak: badania metalograficzne, badania własności mechanicznych, skrócone próby pełzania z wyznaczeniem trwałości resztkowej oraz rozporządzalnej trwałości resztkowej oraz metody obliczeniowe. Szczególne znaczenie w przypadku oceny stopnia degradacji materiału elementów rurociągów mają badania metalograficzne nieniszczące. Ponieważ nie wymagają one pobierania materiału do badań (wycinania próbek np. z rurociągu), umożliwiają w relatywnie tani i szybki sposób określenie stanu struktury materiału oraz wychwycenie początku ewentualnych zmian pełzaniowych. Regularne wykonywanie tych badań wpływa znacząco na bezpieczeństwo pracy elementów rurociągów, ponieważ możliwe jest wyeliminowanie elementów, którym grozi uszkodzenie (rozszczelnienie) podczas pracy. Stopień degradacji struktury oraz idący za nią stopień wyczerpania materiału określa się według metody przedstawionej na rysunku 1 [6].

3 PROCESY USZKODZENIA: 0 bez zmian, jak w materiale rodzimym; A pojedyncze pory; B pory zorientowane; C mikropęknięcia; D makropęknięcia. ZMIANY STRUKTURY: 0 - bez zmian, jak w materiale rodzimym; I częściowy rozpad obszarów perlit/bainit; II rozkład, ferryt + węgliki. PROCESY WYDZIELENIOWE: 0 bez zmian, jak w materiale rodzimym; a koagulacja, rozrost węglików w bainicie, węgliki na granicach ziaren; b rozkład i sferoidyzacja węglików, siatka węglików. STOPIEŃ WYCZERPANIA: t m maksymalny czas pracy; t rzeczywisty czas pracy. Rys.1. Związek składowych procesów degradacji mikrostruktury badanego materiału z klasą struktury i stopniem degradacji [6] Zjawisko pełzania na przykładzie kolana rurociągu parowego Przedmiotem prezentowanej analizy z praktyki badawczej jest fragment rurociągu pary pierwotnej łączącego kocioł OP-650 z turbiną. Podstawowe dane techniczne i warunki pracy tego rurociągu zestawiono w tabeli 1. Badania nieniszczące Podczas wykonywania rewizji rurociągu pary pierwotnej z kotła OP-650 po przepracowaniu około 650 tysięcy godzin wykryto metodą magnetyczno-proszkową (MT) pęknięcia widoczne okiem nieuzbrojonym, długości wynoszącej około 35 mm (rys. 2) w strefie rozciąganej jednego z kolan. W miejscu wykrytej wady przeprowadzono badanie metalograficzne metodą replik triafolowych, które wykazało trwałe uszkodzenia struktury materiału wywołane zjawiskiem pełzania. Stopień degradacji tej struktury określony wyżej przedstawioną metodą (rys. 1) został oceniony na około 70% stopnia zużycia materiału.

4 Tabela 1 Dane techniczne i warunki pracy badanego rurociągu Wyszczególnienie Jednostka Opis / Wartość Typ kotła - OP-650k Producent - Rafko Racibórz Rok budowy Przybliżony czas pracy h * Materiał rurociągu - 13HMF Wymiary geometryczne rurociągu mm Ø324,0x40,0 Temperatura robocza C 540 Ciśnienie robocze MPa 13,6 * czas do momentu stwierdzenia wskazania na kolanie rurociągu Rys. 2. Pęknięcie o długości około 35 mm wykryte podczas badań magnetyczno-proszkowych w strefie rozciąganej kolana rurociągu [4]

5 Rys. 3. Wynik badań nieniszczących struktury materiału przy pomocy metody replik triafolowych. Widoczne zmiany dekohezyjne pory zorientowane po granicy ziaren miejscami tworzące tzw. łańcuszki [4]. Negatywne wyniki badań nieniszczących zobligowały właściciela obiektu do podjęcia dalszych działań. Uruchomiono procedurę wymiany całego uszkodzonego kolana. Z uwagi na uwarunkowania ruchowe po szczegółowej analizie uzyskanych wyników i w uzgodnieniu z UDT dopuszczono warunkowo rurociąg do eksploatacji na okres jednego roku. Pęknięcia w materiale zostały wybrane aż do zaniku, jednak zapas grubości elementu był już zbyt mały, dlatego po około 5 tysiącach godzin pracy kolano to zostało wymienione na nowe [2]. Wycięcie tego fragmentu rurociągu było okazją do pozyskania materiału, który posłużył do badań niszczących mających na celu szczegółowe określenie własności mechanicznych i struktury w rejonie wykrytej wady. Badania niszczące Z dostarczonego odcinka kolana rurociągu (rys. 4) pobrano z dwóch rejonów zestawy próbek badawczych w celu porównania własności mechanicznych i struktury materiału z danymi katalogowymi. Materiał z odcinka prostego (dalej zwanego prostką) oraz ze środkowej części strefy rozciąganej kolana (dalej zwanego kolanem) poddano badaniom metalograficznym, pomiarom twardości, statycznej próbie rozciągania oraz próbie udarności.

6 Rys. 4. Wycięte kolano rurociągu przeznaczone do badań materiałowych. Miejsca pobrania próbek do badań W ramach badań statycznej próby rozciągania dokonano zerwań w temperaturze pokojowej i w temperaturze pracy rurociągu, to jest 540 o C. Dodatkowo zbadano własności mechaniczne materiału rurociągu w temperaturach 520 i 560 o C. Badania przeprowadzono zgodnie z normami PN- EN ISO oraz PN-EN W ramach tej próby określano wytrzymałość materiału (R m ), granicę plastyczności (R p0,2 ) oraz wydłużenie względne (A). Próbę udarności przeprowadzono zgodnie z normą PN-EN ISO 148-1, stosując do badań próbki o wymiarach 10x10x55 mm, usytuowane wzdłużnie i poprzecznie do osi rurociągu z naciętym karbem typu Mesnager (KCU2). Jako kryterium odniesienia dla własności mechanicznych przyjęto wartości dla stali 13HMF według normy PN-75/H Zgłady metalograficzne wycięte do badań szlifowano na papierach ściernych, polerowano mechanicznie przy użyciu past diamentowych i trawiono w 4% roztworze alkoholowym kwasu azotowego (popularnie zwanym nitalem). Na przygotowanych zgładach metalograficznych zmierzono również twardości metodą Vickersa. Zbadane własności mechaniczne materiału prostki i kolana zestawiono w tabelach 2 i 3 oraz przedstawiono na rysunkach 5, 6 i 7. Porównanie granicy plastyczności w podwyższonych temperaturach przedstawiono dodatkowo na rysunku 8.

7 Z przeprowadzonych badań mechanicznych wykonanych w temperaturze pokojowej wynika, że wytrzymałość na rozciąganie R m oraz granica plastyczności R p0,2 materiału kolana rurociągu nie spełnia kryteriów stawianych przez wymagania normy PN-74/H Dla odcinka prostego natomiast odnotowano wartości tylko nieznacznie przewyższające minimalne dopuszczalne granice normowe. Zarówno praca łamania z próbek wzdłużnych i poprzecznych dla odcinka prostego oraz kolana przewyższa minimalne granice normatywne dla materiału 13HMF. Statyczna próba rozciągania przeprowadzona w temperaturze 520, 540 oraz 560 C wykazała, że granice plastyczności materiału w miejscu rozciąganego łuku kolana różnią się o MPa od granic plastyczności materiału pobranego z prostki. Pomiary twardości materiału na odcinku kolana ujawniły spadek wartości poniżej przyjętej dla tego materiału granicy. Najniższą średnią wartość twardości zanotowano w strefie rozciąganej kolana wyniosła zaledwie 116 HB, co stanowi 20- procentowy spadek w stosunku do pozostałych stref kolana. Jest to niewątpliwie związane z degradacja struktury materiału oraz zmianami dekohezyjnymi. Tabela 2 Zestawienie uśrednionych własności mechanicznych zbadanego materiału prostki rurociągu (13HMF) w zestawieniu do wymagań normy PN-75/H w temperaturze pokojowej Własności mechaniczne Symbol Jednostka Graniczne wymagania wg normy Zbadane własności Różnica pomiędzy własnościami wymaganymi a zbadanymi Wytrzymałość na rozciąganie R m MPa ,9% Granica plastyczności R p0,5 MPa ,1% Udarność próbek wzdłużnych KCU2 J/cm ,1% Udarność próbek poprzecznych KCU2 J/cm ,0% Wydłużenie względne A % p.p. 35,0%

8 Tabela 3 Zestawienie uśrednionych własności mechanicznych zbadanego materiału kolana rurociągu (13HMF) w zestawieniu do wymagań normy PN-75/H w temperaturze pokojowej Własności mechaniczne Symbol Jednostka Graniczne wymagania wg normy Zbadane własności Różnica pomiędzy własnościami wymaganymi a zbadanymi Wytrzymałość na rozciąganie R m MPa ,6% Granica plastyczności R p0,5 MPa ,7% Udarność próbek wzdłużnych KCU2 J/cm ,8% Udarność próbek poprzecznych KCU2 J/cm ,3% Wydłużenie względne A % p.p. 55,0% Rys. 5. Średnia z prób badania wytrzymałości na rozciąganie R m oraz granicy plastyczności R p0,2 materiału prostki oraz kolana rurociągu (13HMF) w zestawieniu do wymagań normy PN-75/H w temperaturze pokojowej

9 Rys. 6. Średnia z pracy łamania KCU2 próbek wzdłużnych (w) oraz poprzecznych (p) materiału prostki i kolana rurociągu (13HMF) w zestawieniu do wymagań normy PN-75/H w temperaturze pokojowej

10 Rys. 7. Średnia z prób badania wydłużenia względnego A materiału prostki oraz kolana rurociągu (13HMF) w zestawieniu do wymagań normy PN-75/H w temperaturze pokojowej

11 Rys. 8. Granica plastyczności stali 13HMF w podwyższonych temperaturach. Zestawienie wartości przewidzianej normą PN-H oraz wyników badań niszczących z materiału prostki i kolana rurociągu Badania metalograficzne w miejscu wybrania wady w strefie rozciąganej kolana przeznaczonego do badań niszczących (rys. 9) pokazały, że uszkodzenia struktury materiału w badanym obszarze występują na całej grubości ścianki elementu. Zauważono również, że po dalszych 5 tysięcy godzin pracy od momentu wykrycia wady pojawiły się nowe pęknięcia skierowane od zewnętrznej powierzchni kolana do wewnątrz. Obraz zarejestrowany podczas badań na mikroskopie świetlnym prezentuje zakres uszkodzeń pełzaniowych (rys. 10 i11). Można na nim wyróżnić strefy z pojedynczymi pustkami o nierównomiernej dyspersji oraz strefy, w których następuje koncentracja pustek, by tworzyć charakterystyczny układ łańcuszków na granicach ziaren ferrytu. Zmiany te z kolei doprowadziły do pęknięć w obrębie jednego ziarna, propagując do pęknięć międzykrystalicznych obejmujących granice kilku ziaren. Widoczna degradacja materiału jest dowodem rozpoczęcia katastroficznego pękania całego materiału w wyniku intensywnego przebiegu procesu pełzania w badanej próbce. Można również stwierdzić, że w różnych strefach tego samego elementu występują istotne różnice w stopniu degradacji struktury. Poniższe zestawienie zdjęć z różnych miejsc tego samego elementu ma na celu zobrazowanie różnic w degradacji struktury. Na zdjęciu kolana (rys. 12a)

12 można zaobserwować obszary, gdzie powstały już pęknięcia oraz tworzenie się nowych poprzez łączenie się pustek pełzaniowych. Natomiast na zdjęciu prostki (rys. 12b) przedstawiono strukturę składającą się z ferrytu i niewielkich obszarów perlit/bainit. Na tej próbce nie występują pory pełzaniowe, a stopień wyczerpania materiału określono na poziomie 30 40% [5]. Rys. 9. Widok na zgład metalograficzny poprzeczny w miejscu wyszlifowania wady w strefie rozciąganej kolana rurociągu

13 Rys. 10. Panorama złożona z około 22 zdjęć mikroskopowych zgładu obrazująca skalę propagacji pęknięć, mikropęknięć oraz rozkład pustek pełzaniowych zgład nietrawiony

14 Rys. 11. Obszar zgładu obejmujący uszkodzenia materiałowe w wyniku długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania po wytrawieniu nitalem

15 a) b) Rys. 12. Struktura materiału kolana rurociągu po około 265 tysiącach godzin eksploatacji: a) strefa rozciągana kolana z widocznymi pęknięciami wewnątrz struktury, b) strefa prosta kolana bez widocznych zmian pełzaniowych Podsumowanie Przeprowadzone badania kolana rurociągu pary pierwotnej kotła OP-650 po około 265 tysiącach godzin pracy pozwaliły na sformułowanie niżej podanych wniosków. Główną przyczyną uszkodzenia struktury materiału jednego z odcinków (w tym przypadku kolana) rurociągu pary pierwotnej jest zjawisko pełzania. Różnice we własnościach mechanicznych oraz w stopniu degradacji struktury pomiędzy odcinkiem prostym a strefą rozciąganą kolana wykazały, że właśnie ta druga strefa materiału stanowi najsłabsze ogniwo w wytrzymałościowym łańcuchu takiego elementu ciśnieniowego, jakim jest rurociąg pary pierwotnej. W przypadku grubościennych elementów, jakim jest rurociąg pary pierwotnej, degradacja struktury procesami pełzaniowymi następuje w zróżnicowanym stopniu, obejmując w pierwszej kolejności obszary o największym wytężeniu, czyli strefy rozciągane kolan od strony zewnętrznej. Wczesna reakcja na etapie badań nieniszczących na obiekcie pozwoliła na wczesnym etapie zdiagnozować zagrażający mieniu i życiu stan materiału kolana rurociągu i na bezpieczną jego wymianę. Badania niszczące materiału kolana potwierdziły słuszność tej decyzji, gdyż dalsza eksploatacja tego fragmentu rurociągu mogłaby się zakończyć nawet rozszczelnieniem rurociągu.

16 Opierając się na praktyce inżynierskiej można również stwierdzić, że w przypadku eksploatacji rurociągów parowych pracujących ponad obliczeniowy czas pracy dekohezja struktury materiału wywołana mechanizmem pełzania jest zjawiskiem normalnym i spodziewanym. Należy podkreślić, że powinna ona być przedmiotem badań diagnostycznych podczas większości kampanii remontowych wysłużonych bloków energetycznych w Polsce. Ma to szczególne znaczenie w przypadku elementów pracujących ponad obliczeniowy czas pracy. Literatura [1] Dobrzański J: Materiałoznawcza interpretacja trwałości stali dla energetyki, Open Access Library 2011, nr 3. [2] Jasiński A.: System diagnostyczny jako sposób na wydłużenie czasu bezpiecznej eksploatacji rurociągów parowych, XIV Konferencja Naukowo-Techniczna Projektowanie, Innowacje Remontowe i Modernizacje w Energetyce, Ustroń [3] Dobosiewicz J., Zbroińska-Szczechura E.: Wytyczne oceny spoin, kolan rurociągów i komór pracujących w warunkach pełzania, Energetyka 2009, nr 12. [4] Jasiński A., Zaczkiewicz T.: Sprawozdanie i wyniki prac pomiarowo-badawczych, opracowania ENERGOPOMIAR Sp. z o.o., Zakład Chemii i Diagnostyki, Gliwice 2011 (niepubl.). [5] Jasiński A., Goławski A., Paryż D., Kołodziej A.: Sprawozdanie i wyniki prac pomiarowobadawczych, opracowania ENERGOPOMIAR Sp. z o.o., Zakład Chemii i Diagnostyki, Gliwice 2012 (niepubl.). [6] Hernas A., Dobrzański J.: Trwałość i niszczenie elementów kotłów i turbin parowych, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2003.