Diagnostyka kotłów wodnych główne przyczyny awarii elementów ciśnieniowych Artur Jasiński ENERGOPOMIAR Sp. z o.o., Zakład Chemii i Diagnostyki Wstęp Związane z eksploatacją procesy niszczenia orurowania powierzchni ogrzewalnych w istotny sposób wpływają na dyspozycyjność kotłów wodnych, co w okresie ich wzmożonej eksploatacji powoduje zwiększenie nakładów na remonty awaryjne i straty finansowe wywołane ich postojami w okresach grzewczych. Przeprowadzenie w niezbędnym zakresie remontów planowanych kotłów wraz z wymianą zużytych obszarów orurowania może powyższe zjawiska w dużym stopniu ograniczyć. Aby wyeliminować obszary o potencjalnie największym ryzyku wystąpienia nieszczelności powierzchni ogrzewalnych, wskazana jest ocena stanu technicznego orurowania. Diagnostyka materiałowa odgrywa istotną rolę w ocenie stanu technicznego kotłów, prognozowaniu bezpiecznej eksploatacji i sposobie ich prawidłowej eksploatacji. Do podstawowych czynników wpływających na trwałość eksploatacyjną i zbyt wczesne uaktywnienie katastrofalnych w skutkach procesów niszczenia elementów kotłów można zaliczyć: błędy projektowe, nieodpowiednie wykonanie i montaż elementów oraz źle prowadzoną eksploatację. Często awarie części ciśnieniowej kotłów są skutkiem więcej niż jednego procesu niszczenia; bywa, że jest to proces złożony, dlatego istotne jest opracowanie zasad oceny wielkości i szybkości niszczenia oraz uszkodzeń. Charakterystyka kotła WR25 Kocioł WR-25 jest kotłem wodnym z wymuszonym przepływem przez powierzchnie ogrzewalne. Z reguły jest opalany węglem kamiennym. Kocioł zbudowany jest w układzie trzyciągowym. Ściany szczelne kotła tworzą przestrzeń komory paleniskowej II ciągu. W III ciągu kanale spalin zabudowany został dodatkowy pęczek podgrzewacza wody. Kocioł przeznaczony jest do wytwarzania gorącej wody do celów grzewczych lub technologicznych. Kocioł typu WR-25 jest jednym z najbardziej popularnych kotłów wodnych w kraju. Jego powierzchnie ogrzewalne wykonane są na ogół ze stali kotłowej niestopowej węglowej przystosowanej do pracy w podwyższonej temperaturze z gatunku K10 lub K18. Strona 1 z 10
Procesy niszczenia powierzchni ogrzewalnych kotłów wodnych W praktyce przemysłowej awarie części ciśnieniowych kotłów są przeważnie efektem więcej niż jednego procesu niszczenia. W przypadku powierzchni ogrzewalnych kotłów wodnych do głównych procesów niszczenia należy zaliczyć: przekroczenie temperatury pracy rur, korozję wżerową, erozję korozyjną oraz błędy montażowe i nieprawidłowo wykonywane remonty. Jakość wykonania i montażu oraz sposób prowadzenia eksploatacji urządzeń są wynikiem poziomu kultury technicznej producentów urządzeń, ekip montażowych i pracowników eksploatacji, która czasem pozostawia wiele do życzenia. Nie zawsze jest rezultatem niedbalstwa, lecz często ma związek z brakiem świadomości o potencjalnych skutkach zaniedbań. Częstym błędem popełnianym przez służby eksploatacji kotłów jest próba utrzymania odpowiedniej podziałki i geometrii rur poprzez stosowanie prowizorycznych wsporników, które montowane są bezpośrednio do rur ekranów lub grodzi (rys. 1 i 2). Wsporniki w formie płaskowników montowane są poprzez spoiny szczepne powodując osłabienie rur, a w skrajnych sytuacjach ich rozszczelnienie (rys. 3). Rys. 1. Widok na fragment lewej grodzi kotła typu WR-25. Zbliżenie na miejsce prowizorycznego wspornika mającego za zadanie utrzymanie pozycji rur [1] Rys. 2. Widok na jeden z ekranów grodziowych kotła typu WR-25. W przedniej części kotła widoczne prowizoryczne wsporniki usztywniające gródź na całej jej wysokości [1] Strona 2 z 10
Rys. 3. Widok na fragment lewej ściany kotła typu WR-25. Zbliżenie na miejsce prowizorycznej naprawy po rozszczelnieniu rury w miejscu spoiny szczepnej prowizorycznego wspornika mającego za zadanie utrzymanie pozycji rur [1] Naprawianie nieszczelności poprzez napawanie rur lub wymianę odcinków o nieodpowiednich długościach (rys. 4) jest nie tylko niedopuszczalne z punktu widzenia technologii spawania, ale może być także przyczyną kolejnych uszkodzeń. Niestety często zdarza się tak, że efekty szybkich napraw, mających z założenia zapewnić jedynie doraźną pracę kotła (do postoju planowego), są pozostawiane na dłużej i rury w takim stanie pracują dalej. Obszary takie charakteryzuje duże przegrzanie materiału, co w konsekwencji prowadzi do jego osłabienia, a zagęszczenie wypływek spoin po wewnętrznej stronie rur tworzy miejsca szczególnie podatne na nadmierne gromadzenie się osadów. Zdarza się także, że w celu prostowania rur stosuje się ich miejscowe podgrzewanie palnikiem (rys. 5), co powoduje osłabienie własności wytrzymałościowych i tworzy miejsca potencjalnego rozszczelnienia. W celu utrzymania odpowiedniej geometrii rur należy stosować tzw. zamki, które utrzymują wymagane podziałki, pozwalając jednocześnie na termiczne przemieszczanie się rur względem siebie. Miejsca doraźnych napraw należy docelowo naprawić poprzez wymianę odcinka rur o odpowiednich długościach. Korozja wżerowa, zwana również korozją postojową, to odmiana korozji o charakterze elektrochemicznym. W przypadku powierzchni ogrzewalnych kotłów jest z reguły wynikiem niekonserwowania wewnętrznych powierzchni rur na okresy postojów kotłów zalanych wodą (okresy dłuższe niż 20 dni). Skutkiem korozji postojowej są wżery korozyjne, których rozmiary uzależnione są od intensyfikacji procesów korozyjnych, mogących w skrajnych sytuacjach Strona 3 z 10
powodować perforację rur (rys. 6). Efekty korozji postojowej są szczególnie widoczne na poziomych odcinkach i kolanach, czyli miejscach, które z uwagi na konstrukcję są trudno odwadniane. Rys. 4. Nieprawidłowo wykonane połączenie spawane nowej rury z istniejącą. Kocioł typu WR-25 [1] Rys. 5. Widok na gródź kotła WR 25. Widoczne ślady podgrzewania rur palnikiem w celu ich prostowania [1] Strona 4 z 10
Rys. 6. Próbka pobrana z podgrzewacza wody kotła WR-25. Widoczna ujawniona perforacja rury po oderwaniu narośli w czasie preparatyki próbki [1] Rys. 7. Próbka pobrana z ekranu kotła WR-25. Widoczne pojedyncze narośla oraz gruba warstwa osadów [1] Rys. 8. Próbka pobrana z ekranu kotła WR-25. Skupiska narośli i gruba warstwa osadów [1] Rys. 9. Próbka wytrawiona w inhibitowanym roztworze kwasu solnego pobrana z ekranu kotła WR-25. Skupisko głębokich wżerów korozji postojowej [1] Strona 5 z 10
Przekroczenie temperatury pracy rur oznacza, że materiał rur z pewnych względów pracował w temperaturach wyższych niż obliczeniowe. Nawet nieznaczny wzrost rzeczywistej temperatury pracy rur powierzchni ogrzewalnych w stosunku do temperatury obliczeniowej w istotny sposób wpływa na trwałość eksploatacyjną materiału rur. Przekroczenie temperatury pracy o 10 C może skrócić trwałość eksploatacyjną nawet o połowę, gdyż zmiany strukturalne w takim przypadku mogą spowodować znaczące obniżenie czasowej wytrzymałości na pełzanie materiału przegrzanych rur, co oznacza duże obniżenie zdolności do przenoszenia wymaganych obciążeń cieplnych przy grubościach rur bliskich nawet wartościom nominalnym. Rys. 10. Zestawienie uzyskanych wyników twardości z obrazami struktur próbek podgrzewacza wody (A), grodzi (B), ekranu ściany przedniej (C) i ekranu ściany tylnej (D) tego samego kotła WR-25. Materiał K10. Zróżnicowane własności w zależności od miejsca ekspozycji materiału [1] Nadmierne gromadzenie się osadów na powierzchniach wewnętrznych rur ekranowych oraz grodziowych (rys. 6 8) może powodować powstawanie lokalnych zatorów. W niedrożnych rurach, w wyniku lokalnego ograniczenia wymiany ciepła, może następować przegrzewanie się materiału rur, czego efektem jest spadek własności mechanicznych materiału rur. W dłuższym okresie Strona 6 z 10
eksploatacji może to doprowadzić do trwałego odkształcenia rur, które w połączeniu z procesami korozyjnymi spowodują całkowite zniszczenie orurowania. Stan taki pokazuje w sposób dobitny rys. 13, na którym widoczne są znaczne odkształcenia rur ekranowych ściany przedniej jednego z kotłów. Rys. 11. Próbka pobrana z ekranu kotła WR-25. Materiał K10. Struktura ferrytyczno-perlityczna. Częściowy rozpad obszarów perlitycznych. Wydzielenia węglików, głównie na granicach ziaren [1] Rys. 12. Próbka pobrana z ekranu kotła WR-25. Materiał K10. Struktura całkowicie zdegradowana składająca się z ferrytu i węglików. Rozrośnięte ziarna ferrytu. Koagulacja i rozrost węglików [1] Rys. 13. Ekran przedni kotła WR 25. Widoczne znaczne odkształcenie plastyczne rur ekranowych [1] Strona 7 z 10
Rys. 14. Ekrany drugiego ciągu kotła nad podgrzewaczem wody kotła WR-25. Widoczne znaczące ilości osadów na rurach ograniczające wymianę ciepła [1] Analiza uzyskanych wyników W ostatnich latach ENERGOPOMIAR Sp. z o.o. wykonał szereg pomiarów obejmujących ocenę stanu technicznego kotłów wodnych. W trakcie badań stwierdzono serię nieprawidłowości, wśród których na szczególną uwagę zasługują te wskazane w dalszej części artykułu. Oględziny wizualne zewnętrznych powierzchni ogrzewalnych kotłów wykazały szereg nieprawidłowości świadczących o problemach eksploatacyjnych mogących wpływać na zwiększoną awaryjność. Do powyższych nieprawidłowości należy zaliczyć: stosowanie prowizorycznych wsporników mających za zadanie utrzymanie prawidłowej geometrii rur, podgrzewanie rur palnikiem w celu ich prostowania, nieodpowiednio wykonane złącza spawane oraz doraźne napawanie rur. W niektórych kotłach, aby utrzymać rury w odpowiedniej geometrii, stosuje się odcinki płaskowników przyspawanych bezpośrednio do powierzchni ogrzewalnych. Powoduje to wzrost naprężeń termicznych w czasie nagrzewania rur, co może wywoływać efekt odwrotny od zamierzonego w wyniku naprężeń rury będą się odkształcały. Zabieg podgrzewania rur w celu ich prostowania powoduje degradację struktury i obniżenie ich własności wytrzymałościowych. Nadmierne wypływki w miejscach napawania powstałych nieszczelności oraz źle położonych spoin mogą być przyczyną gromadzenia się w tych obszarach osadów, ograniczać wymianę ciepła i powodować kolejne awarie. Niepokojące są uzyskane wyniki grubości ścianek. Wykazały one, że duża część zbadanych rur nie posiada odpowiedniego bezpiecznego zapasu grubości, co grozi częstymi nieszczelnościami. Powierzchnia wewnętrzna orurowania kotłów bywa Strona 8 z 10
mocno skorodowana, wżery korozyjne są znacznej głębokości, co dodatkowo osłabia możliwości eksploatacyjne rur. Zaobserwowano nawet miejscowe perforacje ujawnione po oderwaniu narostów osadów w trakcie preparatyki próbki w laboratorium. Ilości osadów na zewnętrznych i wewnętrznych powierzchniach są bardzo duże i również sprzyjają powstawaniu nieszczelności poprzez ograniczoną wymianę ciepła i możliwość lokalnego przegrzewania rur. Dodatkowo pod grubą warstwą ilości osadów wewnętrznych rozwija się korozja postojowa, której ogniska osłonięte warstwą osadów nie mogą być neutralizowane podczas normalnej pracy kotłów. Dalszy proces narastania osadów na skutek ich łuszczenia może powodować lokalne zatory i kolejne nieszczelności. Analiza chemiczna osadów pobranych z ekranów wykazała duże ilości związków mułotwórczych, tj. związków wapnia i fosforu. Osady o takim składzie świadczą o nieodpowiedniej jakości wody kotłowej, co jest wynikiem przedostawania się do obiegu dużych ilości zanieczyszczeń niesionych z wodą obiegową lub źle przygotowanej wody dolotowej. Podsumowanie Reasumując doświadczenia eksploatacyjne, można stwierdzić, że charakter uszkodzeń i występujące procesy niszczenia elementów ciśnieniowych kotłów zmieniają się w trakcie eksploatacji urządzeń. Awarie i uszkodzenia spowodowane wadami materiałowymi i montażowymi w trakcie eksploatacji ustępują miejsca awariom wynikającym z błędów konstrukcyjnych i obliczeniowych, a także złego doboru materiałów i stosowanych technologii wytwarzania rur (np. gięcia). Eksploatacja prowadzona w sposób odmienny od założeń przyjętych przez konstruktorów również wpływa na zwiększoną awaryjność kotłów. Do tej ostatniej grupy należy zaliczyć: zmianę temperatury pracy, wielkości obciążeń, rodzaju paliwa, charakteru spalania itp. Nakładanie się procesów niszczenia może spowodować przedwczesne zużycie lub nawet zniszczenie elementów ciśnieniowych dużo wcześniej niż wynikałoby to z obliczeń projektowych. Elementami kotłów wodnych narażonymi na powyższe zjawiska są zwłaszcza powierzchnie ogrzewalne kotłów, dlatego tak cenna jest odpowiednio prowadzona polityka remontowa i diagnostyka okresowa tych elementów. Na podstawie analizy wykonanych badań dla szeregu kotłów wodnych można powiedzieć, że orurowanie wielu kotłów jest w bardzo złym stanie technicznym, czego konsekwencją może być zwiększona awaryjność. Rury w badanych obszarach nie posiadają odpowiednich zapasów grubości, a stopień skorodowania dodatkowo je osłabia. Duże ilości oraz skład osadów na wewnętrznych powierzchniach powodują przyspieszone zużycie materiału. Stwierdzone perforacje rur i znaczące pocienienia wykluczają możliwość oczyszczenia wewnętrznych powierzchni poprzez chemiczne czyszczenie. W związku z powyższym często konieczna jest natychmiastowa wymiana dużych obszarów orurowania. Dla bezawaryjnej pracy kotłów i wydłużenia ich żywotności ważna Strona 9 z 10
jest jakość wody w obiegu i wody uzupełniającej. Badania wykazały bowiem, że na zły stan techniczny kotłów wpływ ma również zła jakość wody. Kotły tego typu, z uwagi na charakter pracy, na okresy postojów powinny być konserwowane, co w istotny sposób ogranicza zużycie korozyjne w okresach postojów. Literatura [1] Bielikowski W., Jasiński A., Kwiecień M., Goławski A.: Sprawozdania i wyniki prac pomiarowych i badawczych, opracowania ENERGOPOMIAR Sp. z o.o., Zakład Chemii i Diagnostyki, Gliwice 2010 2012 (niepubl.). [2] Dobrzański J.: Diagnostyka uszkodzeń elementów ciśnieniowych urządzeń energetycznych w ocenie przyczyn powstawania awarii na podstawie badań materiałowych, Prace IMŻ, nr 2, Gliwice 2009. [3] Dąbrowski G.: Konserwacja urządzeń energetycznych w czasie postojów, Energetyka 2011, nr 11. Strona 10 z 10