Rozporządzalna trwałość resztkowa eksploatowanego materiału rurociągu pary i złączy spawanych ze stali 10H2M oraz wpływ spawania remontowego na własności pełzaniowe Adam Zieliński, Tadeusz Jóźwik, K. Sówka Wysokoprężne kotły parowe są konstrukcjami, których wiele elementów części ciśnieniowej pracuje w warunkach pełzania, tzn. projektowane są na ściśle określony czas pracy. Na przykład wysokoprężne rurociągi parowe na parametry konwencjonalne projektowane były na 100 000 lub 200 000 godzin. Aktualna sytuacja eksploatacyjna, spowodowana brakiem w Polsce inwestycji w nowe bloki energetyczne, zmusza od pewnego czasu elektrownie i elektrociepłownie zawodowe do uruchamiania procesów modernizacyjnych, których efektem jest przedłużanie projektowego czasu pracy nawet o dalsze 150 000 godzin. Praktycznie istnieje możliwość eksploatacji na przykład elementów rurociągów parowych poza obliczeniowy czas pracy. Związane jest to z występowaniem tzw. trwałości resztkowej [1 8]. Obliczeniowa trwałość rozporządzalna w praktyce jest zwykle znacznie mniejsza od rzeczywistej rozporządzalnej trwałości elementów konstrukcyjnych. Wynika to z braku dokładnych danych dotyczących rzeczywistych warunków eksploatacji, zróżnicowanej struktury i właściwości materiału w stanie wyjściowym, znacznego rozrzutu czasowej wytrzymałości na pełzanie oraz przyjmowanych do obliczeń konstrukcyjnych najbardziej niekorzystnych warunków pracy. Również przyjmowane współczynniki bezpieczeństwa, a także dobór większych od obliczonych grubości ścian elementów i niejednorodne obciążenie w różnych miejscach instalacji ma wpływ na występowanie trwałości resztkowej [1]. Instalacje energetyczne są urządzeniami o wysokich kosztach inwestycyjnych oraz długim okresie zwrotu poniesionych nakładów. Dlatego podejmowane są działania zmierzające do maksymalnego wydłużania ich eksploatacji, przy zapewnieniu ich bezpiecznego funkcjonowania. Ponieważ rzeczywista trwałość rozporządzalna jest najczęściej większa od wyznaczonej obliczeniowej, to po dokonaniu oceny stanu technicznego można sporządzić prognozę dalszej bezpiecznej pracy. Można tego dokonać w oparciu o posiadaną wiedzę w zakresie zachowania się elementów instalacji będących w eksploatacji, szczególnie pracujących w najtrudniejszych warunkach temperaturowo-naprężeniowych, nazywanych krytycznymi. Jedną z najistotniejszych składowych dokonywanej oceny jest ocena stanu i prognoza dalszej bezpiecznej eksploatacji materiału poza obliczeniowy czas pracy dla przyjętych parametrów dalszej pracy. Aby dokonywać takiej oceny materiałów i opracowywać prognozę dalszej bezpiecznej ich eksploatacji, niezbędne są charakterystyki materiałów po eksploatacji oraz sprawdzone i zweryfikowane nieniszczące i niszczące metody ich oceny. W poniższej pracy zaprezentowano wyniki badań umożliwiające wyznaczenie rozporządzalnej trwałości resztkowej materiału rurociągu pary wtórnej oraz obwodowego złącza spawanego eksploatowanego ok. 215 000 godzin. Na podstawie uzyskanych wyników przedstawiono również własne stanowisko dotyczące procesów spawania materiałów po długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania. Materiał do badań Materiałem do badań był odcinek rurociągu pary ze stali 10H2M o wymiarach f 508 mm x 18 mm z jednoimiennym obwodowym złączem spawanym po eksploatacji przez czas około 215 000 godzin, przy ciśnieniu 2,7 MPa i w temperaturze 540 C, oraz nowe złącze spawane wykonane z materiału pobranego z badanego odcinka rurociągu. Skład chemiczny materiału rury badanego rurociągu przedstawiono w tabeli 1. Proces technologiczny spawania nowego złącza spawanego, materiały dodatkowe do spawania oraz parametry obróbki cieplnej pospawalniczej były standardowe, odpowiednie dla rur ze stali 10H2M (10CrMo910). Skład chemiczny, % Norma C Mn Si P S Cr Mo V Ni PN-75/H- 84024 0,08 0,40 0,15 maks. maks. 2,0 0,90 maks. 10H2M 0,15 0,60 0,50 0,030 0,030 2,5 1,10 0,30 Badany element 0,10 0,47 0,26 0,009 0,016 2,25 0,97 0,09 Tabela 1 Skład chemiczny rury badanego rurociągu ze stali 10H2M 14 SPAJANIE 2(28)/2015
Zakres badań Badania mikrostrukturalne przeprowadzono za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego Inspect F (SEM) na zgładach metalograficznych trawionych nitalem. Próby pełzania w temperaturze wyższej od temperatury pracy i naprężeniu zbliżonym do eksploatacyjnego wykonano na jednopróbkowych maszynach firmy Instron z dokładnością temperatury w czasie trwania próby ±1 C. Skrócone próby pełzania prowadzone były przy stałym naprężeniu badania odpowiadającym eksploatacyjnemu σ b = σ r =const oraz w stałej temperaturze badania T b dla każdej z prób, ale o różnych wartościach od 620 C do 700 C ze stopniowaniem co 20 C. Wyniki skróconych prób pełzania materiału rodzimego, złącza po eksploatacji oraz dodatkowego złącza przeprowadzono przy stałym poziomie naprężenia wynoszącym σ b = 55 MPa. Trwałość resztkową wyznacza się przez ekstrapolację uzyskanej prostej w kierunku niższej temperatury odpowiadającej eksploatacyjnej T e. Badania rozkładu twardości prowadzono na stacjonarnych twardościomierzach wykorzystujących metodę Vickersa. Badanie twardości w temperaturach podwyższonych napoin stellitowych i stopu typu stal maraging wykonano twardościomierzem przenośnym ERNST STE Szwajcaria. a) b) Rys. 2 Mikrostruktura stali 10H2M: a) materiału w stanie wyjściowym, b) materiału po 200 000 godzin eksploatacji Skrócone próby pełzania Wskaźnikiem decydującym o przydatności do pracy materiałów elementów części ciśnieniowej bloków energetycznych będących w eksploatacji przez czas dłuższy od założonego i wymaganego obliczeniowego jest wytrzymałość na pełzanie. Wyniki badań Badania twardości złącz Na rys. 1 przedstawiono informacyjnie rozkład twardości złącza po eksploatacji (a) oraz nowego złącza wykonanego z odcinków rur po eksploatacji (b). Rys. 3 Stosowana w praktyce inżynierskiej metoda wyznaczania trwałości resztkowej na podstawie skróconych prób pełzania prowadzonych przy stałym naprężeniu odpowiadającym eksploatacyjnemu Złącze spawane Twardość HV 10 wartości średnie/miejsce pomiaru twardości 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Montażowe po eksploatacji a 144 140 170 185 200 195 187 180 180 170 170 Nowe wykonane z rur po eksploatacji b 135 129 130 200 229 235 225 205 205 140 125 Rys. 1 Wyniki pomiarów twardości obwodowych złączy spawanych f 508 mm x 18 mm, a po eksploatacji, b nowe złącze Badania mikrostruktury Na rys. 2 przedstawiono mikrostrukturę materiału rodzimego po eksploatacji na tle mikrostruktury materiału w stanie wyjściowym. Po długotrwałej eksploatacji materiał rodzimy charakteryzował się mikrostrukturą ferrytyczno-bainityczną. Dominującą fazą w mikrostrukturze badanej stali był ferryt quasipoligonalny z bardzo drobnymi, licznymi i równomiernie rozmieszczone wewnątrz ziarn wydzieleniami. W obszarach bainitycznych obserwowano nieliczne węgliki o zróżnicowanej wielkości. Na granicach ziarn ferrytu widoczne były wydzielenia o zróżnicowanej wielkości. SPAJANIE 2(28)/2015 Dla materiałów po długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania nazywamy ją resztkową wytrzymałością na pełzanie. Jej wyznaczenie wymaga długotrwałych prób pełzania trwających minimum kilka lat. Dlatego w Instytucie Metalurgii Żelaza stosowane są skrócone próby pełzania pozytywnie zweryfikowane wynikami długotrwałych prób pełzania. Czas trwania poszczególnych skróconych prób pełzania wynosi od kilkudziesięciu godzin do maks. 15 tysięcy godzin, w zależności od gatunku i stanu materiału. Stwarza to możliwość uzyskania wyników badań w ciągu maksimum kilkunastu miesięcy, dając dobre oszacowanie trwałości. Przyspieszenie procesu 15
pełzania oraz skrócenie okresu wykonywania badań uzyskuje się w próbach pełzania wykonywanych przy jednoosiowym rozciąganiu na próbkach pobranych z materiału elementu instalacji pracującej w warunkach pełzania. Próby prowadzone są zatem przy stałym naprężeniu badania odpowiadającym eksploatacyjnemu i w różnych poziomach temperatury badania, wyższej od temperatury eksploatacyjnej. Na rys. 3 pokazano w postaci graficznej sposób wyznaczania trwałości resztkowej z zastosowaniem skróconych prób pełzania. Badania pełzania wycinka rurociągu pary wtórnej prowadzono w jednopróbkowych sześciostanowiskowych maszynach do prób pełzania zaprojektowanych i wykonanych w Instytucie Metalurgii Żelaza w Gliwicach. Maszyny te posiadają układy dźwigniowe do zadawania obciążenia, a próbki są umieszczone w piecach grzewczych o stałej temperaturze, zapewniających stałość poziomu temperatury badania na długości pomiarowej próbki i w czasie trwania próby z dokładnością do ±1 stopnia, przy temperaturze badania do 800 C. Badania przeprowadzono na próbkach standardowych o stosunku l 0 /d 0 = 10, długości pomiarowej l 0 = 50mm i średnicy pomiarowej próbki d 0 = 5 mm, pobranych wzdłuż osi rury. Uzyskane wyniki badań skróconych prób pełzania, prowadzonych przy stałym naprężeniu badania wynoszącym 55 Rys. 4 Wyniki skróconych prób pełzania przedstawione w postaci zależności log tr = f(t b ) dla stali 10H2M przy σ b =55 MPa MPa, zbliżonym do dotychczasowej eksploatacji oraz w stałej temperaturze badania dla każdej z prób w zakresie od 600 C do 700 C, pokazano graficznie na rys. 4. Wyznaczone wartości trwałości resztkowej i resztkowej rozporządzalnej odniesione do stanu materiału i jego stopnia wyczerpania zestawiono w tabeli 2. Ogólne omówienie wyników badań podsumowanie Przeprowadzone badania materiału rurociągu pary wtórnej ze stali Cr-Mo oraz złączy spawanych wykazały, że długotrwała praca przez 215 000 godzin nie dyskwalifikuje materiału do dalszej bezpiecznej eksploatacji. Wyznaczona trwałość resztkowa oraz rozporządzalna trwałość resztkowa materiału rodzimego jest o około 38% większa od trwałości obwodowego montażowego eksploatowanego złącza spawanego i o około 71% większa od trwałości nowego złącza spawanego. Materiały podstawowe (rodzime) nowego złącza spawanego, tak jak opisano wcześniej, pobrano z badanego odcinka rurociągu f 508 mm x 18 mm po eksploatacji przez czas około 215 000 godzin. Ogólny wniosek wypływający z powyższych informacji jest następujący procesy spawalnicze, w których biorą udział materiały po długiej eksploatacji w warunkach pełzania, a w których nie stwierdzono nieodwracalnych uszkodzeń pełzaniowych, wpływają niekorzystnie na mechaniczne właściwości pełzaniowe [9]. Trwałości resztkowe i rozporządzalne badanego złącza spawanego, które od początku jest eksploatowane razem z rurociągiem f 508 mm x 18 mm ze stali 10H2M, są wyższe od tak zwanego nowego złącza spawanego wykonanego z użyciem odcinków rur stali 10H2M po eksploatacji o 28%. Przy założeniu, że opisane wyżej stwierdzenia można uogólnić, to w praktyce należy tam, gdzie jest to możliwe unikać spawania materiałów po długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania. Powstałe w tym przypadku złącza mają obniżone, w stosunku do materiału podstawowego, właściwości pełzaniowe, co wpływa na znaczne skrócenie czasu dalszej eksploatacji powstałych elementów konstrukcyjnych. Jeżeli jednak przyczyny obiektywne nakazują wykonanie nowych naprawczych połączeń spawanych, w których biorą udział materiały po długotrwałej eksploatacji w warunkach wysokotemperaturowego pełzania, to koniecznie należy procesy te poprzedzić specjalistycznymi badaniami. Oznaczenie Przyjęte naprężenie robocze dalszej eksploatacji σr, MPa Przyjęta temperatura dalszej eksploatacji Tr, C Oszacowana trwałość, godziny rozporządzalna resztkowa resztkowa (bezpieczny czas dalszej pracy) Materiał rurociągu 55 540 180 000 99 000 Obwodowe złącze spawane Nowe obwodowe złącze spawane 55 540 130 000 71 000 55 540 105 000 58 000 Tabela 2 Wyznaczona na podstawie skróconych prób pełzania trwałość resztkowa i rozporządzalna trwałość resztkowa dla badanego materiału rurociągu pary wtórnej ze stali 10H2M oraz obwodowych złączy spawanych po długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania 16 SPAJANIE 2(28)/2015
Zakres badań i uzyskane z nich wyniki stanowić będą podstawę do opracowania odpowiedniej procedury postępowania technologiczno-kontrolnego. Jednym z przykładów, występujących w praktyce, ukazujących nieświadome pomijanie negatywnego wpływu spawania na dalszą trwałość pełzaniową, jest stosunkowo częste niepotrzebne wycinanie z instalacji rurociągowych korpusów zaworów bezpieczeństwa z końcówkami do spawania pracujących w warunkach pełzania. Najczęstszą przyczyną, która uzasadnia bezkrytyczną potrzebę wycięcia korpusu zaworu z instalacji jest wadliwe siedlisko organu zamykającego, a jego naprawa według decydentów jest niemożliwa bez wycinania całego korpusu. Nawet przy przyjęciu, że taka decyzja jest jedyna, to jednak podstawowym błędem wykonujących tę naprawę jest po jej zakończeniu ponowne spawanie korpusów zaworu do instalacji rurociągowych dokładnie w miejscu wyciętego poprzedniego spawu. Nowe złącze spawane zawiera w sobie pozostałości poprzedniej spoiny oraz poprzednie strefy wpływu ciepła. Fakt ten powoduje dużo bardziej niekorzystną sytuację, niż ta opisana w niniejszym artykule, a dotyczącą nowego złącza spawanego. Takiego błędu, który jest wynikiem zapewne braku wiedzy i odpowiedzialności, nie można popełniać. Napoina Skład chemiczny w % Twardość [w przeliczeniu na HRC] w temperaturze [ C] C Si Mn Cr Ni - Co Fe 25 350 400 500 550 XHD6804 0,11 0,58 0,06 12,22 0,20 Mo 2,63 15,09 reszta 41-44 36-37 35-37 32-35 27-29 EutecDur 9060N 1,04 0,08 0,79 30,0 2,33 W 5,05 reszta 1,79 44-45 32-34 30-32 25-27 22-24 Tabela 3 Wyniki badań składu chemicznego twardości napoin uzyskanych z elektrod stellitowych EutecDur 9060N i XHD 6804 Doświadczenie wynikające z prowadzenia prac diagnostycznych przy sterowanych zaworach bezpieczeństwa pracujących w warunkach pełzania, jakie posiadają autorzy niniejszego artykułu, pozwala na stwierdzenie, że opisane wyżej wycinanie jest w wielu przypadkach nie tylko błędne, ale również i nieuzasadnione. Naprawa ujawnionych wad w siedliskach organu zamykającego może być skutecznie zrealizowana bez wycinania korpusów zaworu bezpieczeństwa. W przypadku konieczności wykonania nowego siedliska poprzez napawanie należy mieć odpowiednią wiedzę techniczną oraz mobilne urządzenia do napawania, obróbki cieplnej i obróbki skrawaniem. W remontowych pracach związanych z siedliskami sterowanych zaworów bezpieczeństwa można w wielu przypadkach używać zamiast napoin, wykonanych ze stopów kobaltowych (stellity), materiałów oznaczonych fabrycznie XHD 6804 (stopy typu maraging, w których nikiel zastąpiony został kobaltem i chromem) [10]. Procedury technologiczne związane z napawaniem i obróbką cieplną po napawaniu są przy zastosowaniu stopiwa XHD 6804 znacznie prostsze i łatwiejsze. W tabeli 3 przedstawiono własne wyniki badań składu chemicznego twardości napoin uzyskanych z elektrod stellitowych EutecDur 9060N i XHD 6804. Rys. 5 Mobilna maszyna do obróbki skrawaniem siedlisk zaworów bezpieczeństwa TEDSPAW SPAJANIE 2(28)/2015 17
Literatura [1] Dobrzański J.: Materiałoznawcza interpretacja trwałości stali dla energetyki, Wydawnictwo Open Access Library, volume 3, 2011. [2] Zieliński A., Dobrzański J., Renowicz D., Hernas A.: The estimation of residual life of low-alloy cast steel Cr-Mo-V type after long-term creep service, Fifth International Conference on Advances in Material Technology for Fossil Power Plants, Marco Island, Florida USA, EPRI, 2007, s. 34. [3] Hernas A., Dobrzański J.: Trwałość i niszczenie elementów kotłów i turbin parowych, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice, 2003. [4] Dobrzański J.: Charakterystyki materiałowe stali 10CrMo910 (10H2M) po długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania niezbędne w ocenie stanu i przydatności do dalszej eksploatacji materiału elementów ciśnieniowych kotłów energetycznych, Energetyka, Zeszyt tematyczny XIX (2009), s. 27-33. [5] Dobrzański J., Krztoń H., Zieliński A.: Development of the precipitation processes in low-alloy Cr-Mo type steel for evolution of the material state after exceeding the assessed lifetime, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering 23/2 (2007), s. 19-22. [6] Dobrzański J., Zieliński A.: Trwałość resztkowa stali 13HMF po długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania przez 200 tys. godzin, Prace IMŻ 59/4 (2007), s. 54-57. [7] Dobrzański J., Zieliński A., Paszkowska H.: Wyznaczanie trwałości resztkowej i czasu dalszej bezpiecznej pracy na przykładzie materiału rodzimego i złącza spawanego, Prace IMŻ 61/1 (2009), s. 9-25. [8] Dobrzański J., Paszkowska H., Zieliński A.: Welded repair joints of boiler steels following operation in creep conditions exceeding the design time of operation, 9th Liege Conference on Materials for Advanced Power Engineering, Liege, Belgium, 2010, s. 400-411. [9] Zieliński A., Jóźwik T.: Ocena trwałości eksploatacyjnej różnoimiennego naprawczego złącza spawanego stali 10H2M/13HMF, Spajanie nr 4(26)2014. [10] Jóźwik T.: Napawanie regeneracyjne siedlisk w sterowanych zaworach bezpieczeństwa, Spajanie nr 1/1/2008. Adam Zieliński Instytut Metalurgii Żelaza, Gliwice Tadeusz Jóźwik Tedspaw sp. z o.o., Kielce K. Sówka Zakłady Remontowe Energetyki Katowice S.A. 18 SPAJANIE 2(28)/2015