EKSPLOATACJA RUROCIĄGÓW PARY DIAGNOSTYKA I WNIOSKI EKSPLOATACYJNE

Podobne dokumenty
Energetyczne rurociągi wysokoprężne instalacje po długoletniej eksploatacji

WYMAGANIA DIAGNOSTYCZNE PODCZAS EKSPLOATACJI RUROCIĄGÓW CIŚNIENIOWYCH

BADANIA URZĄDZEŃ TECHNICZNYCH ELEMENTEM SYSTEMU BIEŻĄCEJ OCENY ICH STANU TECHNICZNEGO I PROGNOZOWANIA TRWAŁOŚCI

Pełzanie jako zjawisko ograniczające długotrwałą eksploatację rurociągów parowych 1)

Pełzanie jako zjawisko ograniczające długotrwałą eksploatację rurociągów parowych 15 sierpnia 2013

OCENA STANU TECHNICZNEGO RUROCIĄGÓW WYSOKOPĘŻNYCH - DOBÓR KRYTERIÓW

Janusz Dobrzański, Adam Zieliński. Trwałość resztkowa i resztkowa rozporządzalna. Instytut Metalurgii Żelaza, Gliwice. /t r

NIEKTÓRE WŁASNOŚCI SPAWANYCH ZŁĄCZY MIESZANYCH STALI P91 ZE STALĄ 13HMF W STANIE NOWYM I PO DŁUGOTRWAŁEJ EKSPLOATACJI

Trwałość resztkowa materiału rurociągów parowych, pracujących w układzie kolektorowym, po przepracowaniu obliczeniowego czasu pracy

złączy spawanych pracujących w warunkach pełzania

OCENA STANU MATERIAŁU ELEMENTÓW KRYTYCZNYCH CZĘŚCI CIŚNIENIOWEJ KOTŁÓW ENERGETYCZNYCH Z FERRYTYCZNEJ STALI 12Cr-lMo-V PRACUJĄCYCH W WARUNKACH PEŁZANIA

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki PROBLEMY ZWIĄZANE Z OCENĄ STANU TECHNICZNEGO PRZEWODÓW STALOWYCH WYSOKICH KOMINÓW ŻELBETOWYCH

System diagnostyczny jako sposób na wydłużenie czasu bezpiecznej eksploatacji rurociągów parowych

Wymogi UDT stawiane urządzeniom ciśnieniowym eksploatowanym ponad obliczeniowy czas pracy w warunkach pełzania 1)

Obliczeniowa trwałość rozporządzalna w praktyce jest

RECENZJA rozprawy doktorskiej mgr inż. Artura Jasińskiego pt.

Metody badań materiałów konstrukcyjnych

STATYCZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA

Artur Jasiński, Zakład Chemii i Diagnostyki, ENERGOPOMIAR Sp. z o.o.

STABILNOŚĆ STRUKTURALNA STALI P92 W KSZTAŁTOWANYCH PLASTYCZNIE ELEMENTACH RUROCIĄGÓW KOTŁÓW ENERGETYCZNYCH ANDRZEJ TOKARZ, WŁADYSŁAW ZALECKI

i sposoby ich eliminacji

Diagnostyka i ocena trwałości elementów kotła ze stali 16Mo3 pracującego w warunkach pełzania

Materiały do budowy kotłów na parametry nadkrytyczne

Wytyczne oceny spoin, kolan rurociągów i komór pracujących w warunkach pełzania

Wpływ pełzania na uszkodzenia złącza spawanego rurociągu pary świeżej

Badania właściwości zmęczeniowych bimetalu stal S355J2- tytan Grade 1

Ermeto Original Rury / Łuki rurowe

MOŻLIWOŚCI ZMNIEJSZENIA EMISJI GAZÓW CIEPLARNIANYCH I ZWIĘKSZENIA SPRAWNOŚCI KOTŁÓW ENERGETYCZNYCH POPRZEZ MODERNIZACJĘ ŚCIAN SZCZELNYCH

Degradacja mikrostruktury stali 13CrMo4-5 pracującej w warunkach pełzania w kontekście trwałości konstrukcji kotłowych

ĆWICZENIE Nr 7. Laboratorium Inżynierii Materiałowej. Akceptował: Kierownik Katedry prof. dr hab. B. Surowska. Opracował: dr inż.

PROJEKTOWANIE KONSTRUKCJI STALOWYCH WEDŁUG EUROKODÓW.

Analiza naprężeń w przekrojach poprzecznych segmentowych kolan stopowych rurociągów stosowanych w technologiach górniczych

HTHA - POMIARY ULTRADŹWIĘKOWE. HTHA wysokotemperaturowy atak wodorowy 2018 DEKRA

OCENA TRWAŁOŚCI ELEMENTÓW CZĘŚCI CIŚNIENIOWEJ KOTŁÓW ENERGETYCZNYCH W PROCESIE DOPUSZCZANIA DO EKSPLOATACJI POZA OBLICZENIOWY CZAS PRACY

STATYCZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA

WSTĘPNE MODELOWANIE ODDZIAŁYWANIA FALI CIŚNIENIA NA PÓŁSFERYCZNY ELEMENT KOMPOZYTOWY O ZMIENNEJ GRUBOŚCI

BADANIA STRUKTURY MATERIAŁÓW. Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Program ramowy Energetyka 200+

Maria DZIUBA-KAŁUŻA, Janusz DOBRZAŃSKI, Hanna PURZYŃSKA, Zofia KANIA-PIFCZYK, Radosław ROZMUS

DIAGNOSTYKA I CHEMIA DLA ENERGETYKI

UZNAWANIE TYPU ZŁĄCZY MECHANICZNYCH

ZAKRES AKREDYTACJI LABORATORIUM BADAWCZEGO Nr AB 342

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Konferencja UDT. Mechanizmy degradacji i ocena stanu technicznego elementów kotłów i rurociągów pracujących w warunkach pełzania

POMIARY ODPORNOŚCI NA PĘKANIE STALI NISKOSTOPOWEJ METODĄ CTOD ZGODNIE Z ZALECENIAMI BS

Ich właściwości zmieniające się w szerokim zakresie w zależności od składu chemicznego (rys) i technologii wytwarzania wyrobu.

Spis treści Przedmowa

PEŁZANIE WYBRANYCH ELEMENTÓW KONSTRUKCYJNYCH

WSTĘP OBRÓBKA CIEPLNA KORPUSÓW TURBIN PAROWYCH PRZEPROWADZANA JEST W FAZIE PRODUKCJI ORAZ, JEŚLI ISTNIEJE TAKA POTRZEBA, PODCZAS REMONTU

Materiałowe i technologiczne uwarunkowania stanu naprężeń własnych i anizotropii wtórnej powłok cylindrycznych wytłaczanych z polietylenu

MODELOWANIE POŁĄCZEŃ TYPU SWORZEŃ OTWÓR ZA POMOCĄ MES BEZ UŻYCIA ANALIZY KONTAKTOWEJ

Diagnostyka kotłów wodnych główne przyczyny awarii elementów ciśnieniowych

Spis treści. Przedmowa 11

WPŁYW PARAMETRÓW OBRÓBKI CIEPLNEJ TAŚM ZE STALI X6CR17 NA ICH WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE I STRUKTURĘ

NK315 EKSPOATACJA STATKÓW LATAJĄCYCH. Procesy degradacyjne i destrukcyjne (c.d.)

(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11)

DIAGNOSTYKA ELEMENTÓW URZĄDZEŃ ENERGETYCZNYCH PRACUJĄCYCH POD DZIAŁANIEM CIŚNIENIA W PODWYŻSZONEJ TEMPERATURZE

SPECYFIKACJA TECHNICZNA DLA PRZEWODÓW RUROWYCH

Mechanika i wytrzymałość materiałów instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego

Konstrukcje spawane : połączenia / Kazimierz Ferenc, Jarosław Ferenc. Wydanie 3, 1 dodruk (PWN). Warszawa, Spis treści

KONFERENCJA PROJEKTOWANIE, DIAGNOSTYKA I REMONTY EKSPLOATOWANYCH ELEMENTÓW KOTŁÓW I RUROCIĄGÓW PRACUJĄCYCH W WARUNKACH PEŁZANIA. 5-6 czerwca 2014 r.

PRZEPISY PUBLIKACJA NR 57/P UZNAWANIE TYPU ZŁĄCZY MECHANICZNYCH styczeń

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

KOMPUTEROWE MODELOWANIE I OBLICZENIA WYTRZYMAŁOŚCIOWE ZBIORNIKÓW NA GAZ PŁYNNY LPG

OPTYMALIZACJA KONSTRUKCJI WZMOCNIEŃ ELEMENTÓW NOŚNYCH MASZYN I URZĄDZEŃ

Mgr inż. Marta DROSIŃSKA Politechnika Gdańska, Wydział Oceanotechniki i Okrętownictwa

ZASTOSOWANIE NAŚWIETLANIA LASEROWEGO DO BLOKADY PROPAGACJI PĘKNIĘĆ ZMĘCZENIOWYCH

Rok akademicki: 2013/2014 Kod: MIM IS-s Punkty ECTS: 5. Kierunek: Inżynieria Materiałowa Specjalność: Inżynieria spajania

OBRÓBKA CIEPLNA STALIWA Cr Mo V PO DŁUGOTRWAŁEJ EKSPLOATACJI

Rys. 1. Próbka do pomiaru odporności na pękanie

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

OBLICZANIE KÓŁK ZĘBATYCH

Produkcja i badania obręczy kolejowych. Ireneusz Mikłaszewicz

Mechanika i Budowa Maszyn II stopień (I stopień / II stopień) Ogólno akademicki (ogólno akademicki / praktyczny)

DEGRADACJA MATERIAŁÓW

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Problemy trwałości zmęczeniowej połączeń spawanych wykonanych ze stali S890QL

ZAKRES AKREDYTACJI LABORATORIUM BADAWCZEGO Nr AB 342

SPIS TREŚCI: Przedmowa Spawalność stali Definicja spawalności stali Wpływ składników stopowych na spawalność stali 19

PRZYCZYNY PĘKANIA WSPOMAGANEGO PRZEZ WODÓR ROZDZIELACZY PALIWA W SILNIKACH OKRĘTOWYCH

Stale konstrukcyjne Construktional steels

Wytrzymałość Materiałów

EKSPLOATACYJNE METODY ZWIĘKSZENIA TRWAŁOŚCI ROZJAZDÓW KOLEJOWYCH

EPSTAL stal zbrojeniowa o wysokiej ciągliwości. Centrum Promocji Jakości Stali

Zespół Szkół Samochodowych

Projektowanie konstrukcji stalowych według Eurokodów / Jan Bródka, Mirosław Broniewicz. [Rzeszów], cop Spis treści

Doświadczenie PGE GiEK S.A. Elektrociepłownia Kielce ze spalania biomasy w kotle OS-20

Diagnostyka powierzchni ogrzewalnych kotłów zainstalowanych w TAURON - Wytwarzanie SA

Konstrukcje spawane Połączenia

NADZOROWANIE EKSPLOATACJI SYSTEMÓW OBRONY POWIETRZNEJ POD KĄTEM ICH NIEZAWODNOŚCI I BEZPIECZEŃSTWA

Naprężenia i odkształcenia spawalnicze

BADANIA WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNYCH I BADANIA NIENISZCZĄCE

Przekładnie ślimakowe / Henryk Grzegorz Sabiniak. Warszawa, cop Spis treści

Normy do projektowania nowych linii elektroenergetycznych

DETEKCJA FAL UDERZENIOWYCH W UKŁADACH ŁOPATKOWYCH CZĘŚCI NISKOPRĘŻNYCH TURBIN PAROWYCH

Logistyka I stopień (I stopień / II stopień) Ogólnoakademicki (ogólno akademicki / praktyczny)

SPECYFIKACJA ISTOTNYCH WARUNKÓW ZAMÓWIENIA. dla zamówienia publicznego udzielonego w trybie przetargu nieograniczonego na realizację zadania:

Stale konstrukcyjne Construktional steels

SAS 670/800. Zbrojenie wysokiej wytrzymałości

DRGANIA ELEMENTÓW KONSTRUKCJI

Transkrypt:

Prace Instytutu Metalurgii Żelaza 2018, 70 (4), s. 39 44 39 Dariusz MĘŻYK DOI: 10.32730/imz.0137-9941.18.4.4 EKSPLOATACJA RUROCIĄGÓW PARY DIAGNOSTYKA I WNIOSKI EKSPLOATACYJNE Materiały konstrukcyjne bloków energetycznych są eksploatowane w warunkach długotrwałego oddziaływania zmiennych pól naprężeń i temperatur oraz są narażone na oddziaływanie środowiska gazów i cieczy. Czynniki te powodują postępujące w czasie zmiany mikrostruktury materiałów i w rezultacie pogorszenie ich właściwości mechanicznych. Efektem wzrostu wartości i koncentracji naprężeń jest pękanie złączy spawanych i awarie elementów kształtowych instalacji. Szczególną opieką diagnostyczną należy objąć rurociągi wysokoprężne, eksploatowane przy wysokim ciśnieniu i temperaturze pary, połączenia rurociąg turbina oraz zawory bezpieczeństwa w rurociągach pary wtórnie przegrzanej. Należy kontrolować system zamocowań oraz prowadzić badania diagnostyczne stanu naprężeń i stopnia degradacji struktury materiału. Zastosowanie w procesie diagnostycznym odpowiednich metod badawczych pozwala na formułowanie trafnych prognoz czasu bezpiecznej eksploatacji obiektów. Wśród metod tych szczególnie użyteczne są metody badań nieniszczących prowadzonych bezpośrednio na obiekcie. Generalnie o stanie rurociągów decyduje stan elementów poddanych największym obciążeniom eksploatacyjnym, tzw. elementów kryterialnych, którymi są elementy kształtowe, takie jak kolana, trójniki i czwórniki, a także obszary zmian średnic i grubości ścianek, co ma miejsce na styku rurociąg trójnik, gdzie koncentracja naprężeń może powodować pękanie złączy spawanych. Słowa kluczowe: rurociągi pary, diagnostyka, wytrzymałość, bezpieczeństwo eksploatacji THE OPERATION OF STEAM PIPELINES DIAGNOSTICS AND OPERATING CONCLUSIONS Construction materials of power units are operated under conditions of long-lasting variable stress and temperature fields and are exposed to the environment of gases and liquids. These factors cause the material microstructure to change over time and, as a result, deteriorate their mechanical properties. The effect of the increase in value and concentration of stress is the cracking of welded joints and failures of the molded parts of the installation. Particular diagnostic care should be extended to include high-pressure pipelines operated at high pressure and steam temperature, connections pipeline-turbine and safety valves in secondary superheated steam pipelines. It is necessary to control the fastening system and conduct diagnostic tests of the state of stress and the degree of degradation of the material structure. The use of appropriate research methods in the diagnostic process allows for the formulation of accurate time forecasts for the safe operation of facilities. Among these methods, non-destructive testing methods carried out directly on the site are particularly useful. In general, the condition of pipelines is determined by the condition of the elements subjected to the greatest operational loads, the so-called criterion elements, which are shaped elements, such as elbows, tees and cross-sections, as well as areas of changes in diameters and wall thicknesses, which takes place at the pipe-to-tee intersection, where the concentration of stresses may cause cracking of welded joints. Keywords: steam pipelines, diagnostics, durability, operational safety 1. WPROWADZENIE Podczas długotrwałej eksploatacji bloków energetycznych materiały konstrukcyjne stosowane w przemyśle energetycznym pracują w warunkach zmiennych pól naprężeń i zmiennych temperatur. Materiały te są narażone na oddziaływanie środowiska gazów i cieczy oraz na działanie obciążeń mechanicznych. Czynniki te powodują w okresie eksploatacji ciągłe zmiany mikrostruktury materiałów i w rezultacie pogorszenie ich właściwości mechanicznych. Efektem wzrostu wartości i koncentracji naprężeń jest pękanie złączy spawanych i awarie elementów kształtowych instalacji cieplnych i ciśnieniowych obiektów energetycznych. 2. GŁÓWNE CZYNNIKI AWARYJNOŚCI UKŁADÓW RUROCIĄGOWYCH Szczególną opieką diagnostyczną należy objąć rurociągi wysokoprężne z uwagi na ich wyjątkowy charakter. Wysoka temperatura w zakresie temperatur rzędu 540 C, wartości ciśnienia dochodzące do 20 MPa powodują, że elementy z jakich zbudowana jest instalacja nie zawsze są w stanie przenieść obciążenia i rurociągi mogą ulec zniszczeniu. Bardzo istotnym problemem występującym podczas eksploatacji urządzeń energetycznych jest wzajemne oddziaływanie układu rurociąg turbina. Mechanizm wzajemnego oddziaływania ww. elementów nie został jednoznacznie określony. Z uwagi na wagę problemu, Dariusz Mężyk (dariusz.mezyk@ien.com.pl) Instytut Energetyki

40 Prace Instytutu Metalurgii Żelaza 2018, 70 (4), s. 39 44 z którym boryka się większość krajowych elektrowni i elektrociepłowni prowadzone są wielokierunkowe badania zmierzające do określenia wzajemnego oddziaływania wymienionych elementów bloków energetycznych [1]. Na wytężenie materiału elementów ciśnieniowych poza naprężeniami od ciśnienia wewnętrznego i naprężeniami temperaturowymi wpływ mają obciążenia mechaniczne pochodzące od ciężaru rurociągu i zamontowanej na nim armatury oraz pochodzące od ograniczenia swobody dylatacji cieplnej i obciążeń związanych z niewłaściwą pracą systemu zamocowań. Ze względu na warunki pracy i związane z nimi obciążenia najistotniejsze znaczenie mają rurociągi pary świeżej, a głównie ich elementy kształtowe (kolana, trójniki, czwórniki, mieszacze pary, zasuwy główne). Rurociągi pary wtórnie przegrzanej pracują w wysokiej temperaturze, lecz przy znacznie niższych ciśnieniach. Na rurociągach pary wtórnie przegrzanej znajdują się zawory bezpieczeństwa. Ta część rurociągów pracuje w cyklu okresowym, przez co dochodzi do gwałtownych schłodzeń i wzrostów temperatury wpływając na niszczenie niskocyklowe. Z tego powodu tę część rurociągu należy objąć szczególna troską. 3. DIAGNOSTYKA STANU TECHNICZNEGO Zakres badań rurociągów pary do wtórnego przegrzewu obejmuje rurociągi o pracy okresowej, elementy kształtowe, odwodnienia. Pozostałe rurociągi należy objąć diagnostyką materiałową zgodnie z obowiązującą instrukcją, a wszędzie tam gdzie wystąpią zauważalne zmiany własności materiału lub kształtu, zwiększyć częstotliwość badań [2]. Istotne znaczenie dla monitoringu położeń przestrzennych rurociągów wysokoprężnych mają pomiary geodezyjne prowadzone w stanach zimnych rurociągów, jak i w stanach pełnego obciążenia cieplnego. Wyniki tych pomiarów są podstawą do określenia rozkładu naprężeń termicznych wzdłuż trasy rurociągu ze szczególnym uwzględnieniem elementów kształtowych. Ważnymi elementami węzła technologicznego pod nazwą główne rurociągi parowe są części zabudowanej na nich armatury. Znajdują się one głównie pod turbiną, ale armatura ta zabudowana jest na rurociągach i łącznie z nimi powinna być rozpatrywana. Armaturę stanowią zawory szybkozamykające, główne zasuwy parowe i zasuwy obejściowe głównych zasuw parowych. Zawory szybkozamykające są istotnym elementem układu, gdyż one w sytuacjach awaryjnych odcinają dopływ pary do turbiny. Prawie wszystkie układy automatyki zabezpieczeniowej bloku, zarówno cieplnej, technologicznej jak i elektrycznej w konsekwencji oddziałują na natychmiastowe zamknięcie zaworów szybkozamykających i odcięcie pary do turbiny. Zawory te sterowane są hydraulicznie i są ściśle powiązane z układem oleju regulacyjnego turbiny. W związku z tym, że ich pełna sprawność techniczna ma zasadnicze znaczenie dla bezpieczeństwa eksploatacji bloku energetycznego winny one być również objęte systemem diagnostycznym. Bezpieczeństwo eksploatacji obiektu wiąże się z trwałością, którą można włączyć w zakres ogólnie pojętego wytężenia materiału. Pojęcie trwałości wymaga określenia: czasu granicznego do zniszczenia granicznej liczby cykli do zniszczenia liczby operacji technologicznych innych wielkości mierzalnych. Wśród czynników wpływających na trwałość elementów urządzeń ciśnieniowych znajdują się: czynniki związane z wykonaniem elementu czynniki związane z montażem czynniki związane z eksploatacją czynniki związane z eksploatacją, diagnostyką, naprawami i modernizacją [3]. Aby zapobiec sytuacjom awaryjnym należy kontrolować pracę systemu zamocowań, sprawdzać geodezyjnie położenie rurociągów w stanach zimnych i gorących oraz prowadzić badania diagnostyczne pozwalające określić stan naprężeń, stopień degradacji struktury materiału, a także przeprowadzić obliczenia oparte o rzeczywiste dane uwzględniające przemieszczenia dylatacyjne i położenie rurociągu w stanie zimnym i gorącym. Ze względu na zmienność stanu wytężenia materiału obliczenia stopnia wyczerpania trwałości eksploatacyjnej możliwe są w sposób przybliżony. Przeliczenia elastyczności rurociągu prowadzone w oparciu o dane zgromadzone podczas badań rurociągów wraz z armaturą potrafią przybliżyć odpowiedź dotyczącą prawidłowości prowadzonej eksploatacji oraz rozpatrywać symulowane stany przeciążeń i ograniczeń w pracy rurociągów. 4. UWARUNKOWANIA MATERIAŁOWE EKSPLOATACJI RUROCIĄGÓW WYSOKOPRĘŻNYCH NA PRZYKŁADZIE MATERIAŁU 13HMF (14MOV63) Rys. 1. Ilustracja obrazująca zmiany położenia osi rurociągu tzw. spadki osi rurociągu Fig. 1. Changes in the position of the pipeline axis, drop of the pipeline axis W eksploatowanych krajowych obiektach energetycznych od wielu lat w instalacjach rurociągów pary pierwotnej stosowano materiał 13HMF (14MoV63) zastępowaną obecnie innymi materiałami jak np. P91, P92.

Prace Instytutu Metalurgii Żelaza 2018, 70 (4), s. 39 44 Właściwości mechaniczne elementów rurociągowych wykonanych ze stali 13HMF określane w temperaturze pokojowej, wśród stosowanych stali niskostopowych do pracy w podwyższonych temperaturach, charakteryzują się już nawet po eksploatacji w warunkach pełzania powyżej 100 000 godzin niskimi wartościami. Wyniki badań granicy plastyczności czy energii łamania są znacznie niższe niż wymagania minimalne dla stanu wyjściowego tej stali. Pogorszenie tych właściwości spowodowane jest zmianami struktury stali, do których zalicza się: rozpad obszarów bainit/perlit rozwój procesów wydzieleniowych węglików (przemianami węglików, zmianą morfologii kształtu, wielkości i rozmieszczeniu faz wtórnych, zubożenie osnowy w dodatki stopowe). W stali 13HMF po długotrwałej eksploatacji obserwuje się powstawanie nowych węglików wewnątrz jak i na granicach ziarn oraz rozrost już istniejących. Przy założeniu stosunkowo stabilnego poziomu temperatury pracy, wzrost naprężeń może przyczynić się do znacznego wzrostu wydzieleń, rozpadu obszarów perlit/ bainit, co w konsekwencji prowadzi do nadmiernej utraty trwałości. Długotrwała eksploatacja elementów rurociągowych pracujących w warunkach pełzania powoduje degradację materiału poprzez zmiany strukturalne, które w konsekwencji prowadzą do obniżenia odporności na pełzanie oraz do przesunięcia temperatury przejścia w stan kruchy w kierunku wyższej temperatury [4]. Nie powoduje to jednak jednoznacznej konieczności dokonania wymiany takich elementów na nowe. W większości przypadków elementy te mogą pracować znacznie poza obliczeniowy czas pracy, co związane jest z istnieniem trwałości resztkowej. Wymagane właściwości mechaniczne stali 13HMF oraz część uzyskanych wyników badań kolana w temperaturze otoczenia przedstawiono w tabeli 1. Przeprowadzone badanie składu chemicznego próbek potwierdziło zgodność z wymaganiami normy PN-75/H-84024. Analizując otrzymane wyniki stwierdzić należy, że: właściwości uzyskane podczas statycznej próby rozciągania we wszystkich badanych miejscach potwierdzają zgodność R m i A 5 z wymaganiami normy PN-74/H-74252 umowna granica plastyczności R e0,2 we wszystkich badanych miejscach jest nieznacznie niższa od wymagań normy PN-74/H-74252 41 energia łamania w temperaturze otoczenia próbek Charpy V pobranych ze wszystkich badanych miejsc kolana jest niska co jest charakterystyczne dla stali 13HMF po długotrwałej eksploatacji i świadczy znacznym postępie w zmianach struktury. Ponadto badania wykazały, że umowna granica plastyczności R 0,2t w temperaturze 500 C (zawierająca się w granicach 230 242 N/mm 2 ) we wszystkich badanych miejscach jest zgodna z wymaganiami normy PN-74/H-74252 (wartość normatywna 226 N/mm 2 ). Wstępne badanie progu kruchości prowadzone na próbkach pobranych z prostki wskazują, że dla tej stali w tym stanie struktury próg kruchości znajduje się w pobliżu 100 C. Wyniki badań pracy łamania J (próbka KV) mieszczą się w zakresie 25 31 J. Przeprowadzone zostały obserwacje zgładów, wszystkie zgłady posiadały strukturę bez widocznych trwałych uszkodzeń pełzaniowych.analiza uzyskanych wyników badań strukturalnych, a także właściwości mechanicznych prowadzonych w temperaturze otoczenia potwierdzają niekorzystne skłonności stali 13HMF poddanej długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania do niskiej pracy łamania i niższej granicy plastyczności. Na podstawie analizy wyników, można stwierdzić, że rozpatrywane kolano mogłoby pracować w instalacji rurociągowej około 30 000 h do następnych badań diagnostycznych.w innych przypadkach długoletnia praca materiału w warunkach eksploatacji w temperaturach rzędu 540 C skutkuje szybciej postępującą degradacją materiału rodzimego oraz występowaniem pęknięć złączy spawanych z reguły w strefie wpływu ciepła. Rys. 2. Widok pęknięcia trójnika Fig. 2. Tee crack Tabela 1. Wyniki badań właściwości mechanicznych kolana po długotrwałej eksploatacji (13HMF) Table 1. Test results for the elbow s mechanical properties after long-term operation (13HMF) Oznaczenie badanej próbki Kierunek poboru próbek Właściwości mechaniczne stali 13HMF R e0,2 R m wg PN-74/H-47252 poprzeczny min 355 490 690 min 18 prostka poprzeczny 321 531 26,0 rozciągana poprzeczny 313 524 26,4 A 5 [%] KCU [J/cm 2 ] HB KV [J] min 60 135 180 48 27,5 20 20 155 155 22 16 16 153 17,5 20 17,5 157 155 14 16 14 157

42 Prace Instytutu Metalurgii Żelaza 2018, 70 (4), s. 39 44 W zależności od stopnia degradacji materiału stosowane są różne technologie napraw, rozszlifowanie, napawanie z obróbką cieplną lub wymiana spoiny. Częstą przyczyną uszkodzeń jest poziom naprężenia rzeczywistego wynikającego z rzeczywistych wymiarów geometrycznych, głównie grubości ścianki oraz występowania złożonego stanu naprężenia w wyniku oddziaływania momentów gnących i skręcających. inne przyczyny. Stwierdzone szybkie zmiany pełzaniowe w badanym kolanie musiały być spowodowane nieprzewidywalnym lokalnym wzrostem obciążeń. W rejonie pękniętego kolana stwierdzono niesprawność w pracy układu zamocowań powodującą wzrost naprężeń w materiale rurociągu podczas eksploatacji w zmiennych warunkach cieplnych przez ograniczenie możliwości dylatacyjnych rurociągu. 5. DYSKUSJA AWARII RUROCIĄGU W trakcie długoletniej eksploatacji rurociągów pomimo prowadzonych badań diagnostycznych mających na celu zapewnienie bezawaryjnej pracy instalacji rurociągowych spotyka się co jakiś czas sytuacje awaryjne wynikające z przyczyn konstrukcyjnych, eksploatacyjnych i materiałowych. Poniżej przedstawiony przykład ilustruje zaobserwowaną awarię rurociągu wysokoprężnego pęknięcie kolana w trakcie eksploatacji (ponad 150 000 h) obiektu energetycznego. Przedstawiony przypadek awarii kolana (pęknięcie wzdłużne w wyniku procesów pełzaniowych) jest pierwszym w skali polskich obiektów energetycznych. Pęknięcia wzdłużne jednego z głównych rurociągowych elementów kształtowych pary świeżej stanowi bardzo poważną awarię mogącą pociągnąć za sobą katastrofalne skutki. Rozkład naprężenia obliczony na podstawie pomiarów dylatacji cieplnej przy założeniu nieprawidłowej pracy zamocowania Z13a i Z12a ujawnia wzrost naprężenia na trójniku widlastym (duże przekroczenie naprężeń dopuszczalnych) oraz wzrost naprężenia na kolanie w rejonie zamocowania Z12a i trójnika przy zamocowaniu Z13a. Obliczenia prowadzone przy założeniu obciążeń projektowych oraz poprawności działania zamocowań, nie wykazały przekroczeń naprężenia zredukowanego w kolanie, które uległo zniszczeniu. Wytężenie w tym kolanie (stosunek naprężenia od temperatury do naprężenia dopuszczalnego) nie przekraczało wskaźnika 0,5. a) b) Rys. 4. a) pęknięcie zlokalizowane na rurociągu, b) fragment materiału pobranego do badań Fig. 4. a) crack located on the pipeline, b) section of the material for testing Rys. 3. Rozkład naprężenia przy nieprawidłowej pracy zamocowań (Z12a i Z13a) Fig. 3. Distribution of stress in the case of improper operation of clamps (Z12a and Z13a) Wyniki obliczeń w świetle faktu pęknięcia kolana, przy braku wad produkcyjnych jak i niedopuszczalnych zmian pełzaniowych, wyraźnie wskazują na dodatkowe Badania składu chemicznego próbek potwierdziło zgodność ze składem materiału 13HMF. Wartości wyjściowe stali 13HMF zawiera tabela 1. Wyniki uzyskane podczas statycznej próby rozciągania w części giętej kolana, po długim czasie eksploatacji są praktycznie zgodne z wymaganiami normy PN-74/H-74252. Wymienione wyżej własności w prostych częściach kolana są znacznie gorsze od wymagań normy PN-74/H-74252. Energia łamania w temperaturze otoczenia próbek Charpy V pobranych z odcinków kolana jest bardzo niska, co świadczy o poważnych,

Prace Instytutu Metalurgii Żelaza 2018, 70 (4), s. 39 44 43 Tabela 2. Wyniki właściwości mechanicznych materiału kolana Table 2. Results of mechanical properties of the elbow s material Oznaczenie badanej próbki Kierunek poboru próbek Właściwości mechaniczne stali 13HMF po eksploatacji R e0,2 R m prostka od strony pęknięcia poprzeczny 370 470 16 8 8 11 162 rozciągana poprzeczny 319 515 23 34 30 24 163 A 5 [%] KV [J] HB niekorzystnych zmianach struktury (umowny próg kruchości 27 J). Wyniki badań zawiera tabela 2. Badania ultradźwiękowe w całej objętości dostarczonych odcinków kolan z wyłączeniem widocznych pęknięć nie wykryły wzdłużnych ani poprzecznych nieciągłości. Podobnie badania magnetyczno-proszkowe na powierzchni zewnętrznej, a także powierzchni wewnętrznej nie ujawniły nieciągłości powierzchniowych i podpowierzchniowych. Wyjątkiem są okolice pęknięcia głównego, w których wykryto wiele makro pęknięć o niewielkiej głębokości. Obserwacje przeprowadzone na zgładach ujawniły strukturę ferrytu z obszarami bainitu. Obszary bainityczne po części skoagulowane. Wewnątrz ziaren ferrytu liczne, w większości drobne, równomiernie rozmieszczone wydzielenia. Po granicach ziaren liczne znacznej wielkości wydzielenia, tworzące łańcuszki. Blisko pęknięcia widoczne liczne nieciągłości mające postać mikroszczelin. Wnioski wynikające z zaistniałej awarii: Stwierdzone szybkie zmiany pełzaniowe w badanym kolanie musiały być spowodowane nieprzewidywalnym lokalnym wzrostem obciążeń. Wzrost naprężeń, a w szczególności momentów skręcających, obciążając uszkodzony element wraz z wyraźnym obniżeniem wskaźników wytrzymałościowych przyczynił się do pęknięcia materiału rurociągu. Opisany przypadek wskazuje również na niebagatelną rolę układu zamocowań dla bezpieczeństwa eksploatacji energetycznych instalacji rurociągowych. Należy zaznaczyć, że wady materiałów w postaci nieciągłości bądź nieodpowiednich własności powstają zarówno w czasie eksploatacji, jak i podczas procesów produkcyjnych. Wady powstające w trakcie eksploatacji to przede wszystkim pęknięcia, uszkodzenia korozyjne i degradacja struktury wskutek procesów zmęczeniowych lub pełzania, szczególnie w przypadku materiałów pracujących w podwyższonych temperaturach. Problem rozwoju uszkodzeń wywołanych procesami pełzaniowymi i zmęczeniowymi mającymi bezpośredni wpływ na żywotność materiału badany jest obecnie niezależnymi metodami [6 9] nieniszczącymi i niszczącymi. Zastosowanie w procesie diagnostycznym odpowiednich metod badawczych stwarza możliwość formułowania trafnych prognoz czasu bezpiecznej eksploatacji ocenianego obiektu lub elementu. 6. PODSUMOWANIE Rozwój nowoczesnych metod badawczych i narzędzi modelowania numerycznego pozwala monitorować postęp degradacji, a w konsekwencji umożliwia przewidywać okres żywotności elementu oraz instalacji ciśnieniowych. Wśród metod tych szczególnie użyteczne wydają się metody badań nieniszczących prowadzonych bezpośrednio na obiekcie. Dodatkowo stosuje się procedury oceny z wykorzystaniem maszyn wytrzymałościowych z próbkami wyciętymi z badanych elementów (badania niszczące). Obliczenia MES pozwalają zbudować ogólny model zużycia rozpatrywanych obiektów pracujących powyżej temperatury granicznej z uwzględnieniem czasowego zużycia od pełzania oraz zużycia termozmęczeniowego. Obecnie do oceny wytrzymałości i niezawodności elementów konstrukcyjnych zawierających pęknięcia wdraża się również narzędzia mechaniki pękania z procedury SINTAP i FITNET [5] oraz metody akumulacji zniszczenia zmęczeniowego. Prowadzenie badań ma na celu kompleksową ocenę materiału z zastosowaniem nowoczesnych technik badawczych, prowadzącą do wczesnego wykrycia ewentualnych zmian mikrostruktury i własności wytrzymałościowych materiału badanych elementów kryterialnych, a w konsekwencji do oceny stopnia zużycia oraz prognozowania żywotności instalacji energetycznych. Pogorszenie własności wytrzymałościowych materiału nie powoduje jednoznacznej konieczności dokonania wymiany eksploatowanych elementów na nowe. W większości przypadków elementy te mogą pracować znacznie poza obliczeniowy czas pracy, co związane jest z istnieniem trwałości resztkowej. Na bezpieczeństwo i niezawodność eksploatacji obiektów energetycznych najistotniejszy wpływ ma stan wytężenia węzłów kryterialnych, co nierozerwalnie łączy się z prawidłowo prowadzoną polityką diagnostyczną. Generalnie o stanie rurociągów decyduje stan poszczególnych elementów poddanych największym obciążeniom eksploatacyjnym, tzw. elementów kryterialnych. Dla układu rurociągów wysokoprężnych są to elementy kształtowe takie jak kolana, trójniki i czwórniki. Dużym obciążeniom podlegają również obszary zmian średnic i grubości ścianek, co ma miejsce na styku rurociąg trójnik. Są to obszary koncentracji naprężeń mogących powodować pękanie złączy spawanych. W przypadku dalszej długookresowej eksploatacji rurociągów z zachowaniem dotychczasowych parametrów pracy należy uwzględnić wymianę najbardziej wyeksploatowanych elementów kształtowych. W praktyce istnieje jeszcze wiele innych zagrożeń, co należy przeanalizować w ścisłych grupach zawodowych. Dla każdej siłowni stopień zagrożenia jest inny, inny dla elektrowni opalanych węglem kamiennym, brunatnym czy paliwem ciekłym lub gazowym.

44 Prace Instytutu Metalurgii Żelaza 2018, 70 (4), s. 39 44 LITERATURA [1] D. Mężyk. Wpływ przebiegu eksploatacji urządzeń ciśnieniowych w energetyce zawodowej na ich bezpieczeństwo i niezawodność pracy, Zagadnienia projektowo-diagnostyczne. W: Seminarium rozwoju niszczenia materiałów i laserowego modelowania materiałów. Zakopane 2003. [2] D. Mężyk. Eksploatacja i diagnostyka rurociągów energetycznych. W. IX Forum Energetyków. 2004. [3] Sprawozdanie z badań IEn 6/12. [4] J. Dobrzański. Materiałoznawcza interpretacja trwałości stali dla energetyki. Open access library v. 3 2011. [5] A. Neimitz. Ocena wytrzymałości elementów konstrukcyjnych zawierających pęknięcia. Kielce: Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej, 2004. [6] Z.L. Kowalewski. Degradacja materiałów konstrukcyjnych stymulowana procesem pełzania. W: Mat. Konf. Seminarium Szkoleniowego Rozwój zniszczenia materiałów i laserowe modyfikowanie materiałów. 2003. [7] J. Szelążek. Postępy w ultradźwiękowych badaniach naprężeń. Prace IPPT. 2001, (4). [8] T. Płociński, W. Manaj, M. Spychalski, K.J. Kurzydłowski. Nieniszczące badania metalograficzne porównanie technik. W: Seminarium Badania Nieniszczące. 2003. [9] Z.L. Kowalewski, S. Mackiewicz, J. Szelążek, J. Deputat. Ocena uszkodzenia stali w wyniku pełzania na podstawie badań materiałów. W: Mat. Konf. XXI Sympozjum Mechaniki Eksperymentalnej Ciała Stałego. 2004. [10] Polski Komitet Normalizacyjny. PN-75/H-84024. Stal do pracy przy podwyższonych temperaturach Gatunki, PN-74/H-74252 Rury stalowe bez szwu kotłowe.