Kolegium redakcyjne: mgr inż. Fryderyk Czudejko (redaktor sekretarz), inż. Eugeniusz Głowacki, mgr inż. Artur Jasiński, mgr inż. Edward Magiera, mgr inż. Ludwik Pinko (redaktor naczelny) Rok 2016 (LXI) Nr 1 (260) Artur Jasiński ENERGOPOMIAR Sp. z o.o., Zakład Chemii i Diagnostyki Adam Zieliński Instytut Metalurgii Żelaza Trwałość resztkowa materiału rurociągów parowych, pracujących w układzie kolektorowym, po przepracowaniu obliczeniowego czasu pracy Residual durability of a material of pipings working in a steam distribution header after elapse of the design working life Długotrwała eksploatacja materiału głównych rurociągów parowych w warunkach pełzania wywołuje zmiany strukturalne, które pociągają za sobą spadek właściwości wytrzymałościowych materiału [1-13, 17]. Czynniki te wpływają bezpośrednio na dalszą przydatność eksploatacyjną materiału. Na rurociągi pary świeżej powszechnie stosowano trzy gatunki stali żarowytrzymałych: 13HMF (14MoV6-3), 10H2M (10CrMo9-10) i 15HM (13CrMo4-5). Różne stany naprężeniowe powodują zróżnicowaną szybkość degradacji materiału w trakcie eksploatacji [6]. Stan techniczny obszarów najbardziej wytężonych limituje zdolności do przenoszenia obciążeń całej instalacji. Praca rurociągów w układzie kolektorowym jest specyficzna, dlatego też wymaga odmiennego podejścia w zakresie diagnostyki systemu zamocowań takich układów. Z uwagi na znaczące wyeksploatowanie niektórych urządzeń przeprowadza się gruntowne modernizacje pojedynczych kotłów i turbozespołów, pozostawiając bez zmian instalacje wysokoprężne rurociągów lub tylko nieznacznie ingerując w ich trasę. Istotne jest przy takich inwestycjach dysponowanie wiedzą na temat stopnia wyeksploatowania rurociągów już na etapie planowania inwestycji [1]. W niniejszym artykule zaprezentowano wyniki badań materiałowych elementów rurociągu pary wysokoprężnej, pracującego w układzie kolektorowym, wykonanych ze stali 13HMF ( 14MoV6-3) po przepracowaniu obliczeniowego czasu pracy. Rurociągi te w przeszłości poddawano różnym modyfikacjom związanym z potrzebami technologicznymi. Próbki do badań pobrano podczas prac rewitalizacyjnych dwóch kotłów. Wynikało to z konieczności potwierdzenia przydatności do dalszej eksploatacji rurociągów wraz z wyznaczeniem bezpiecznego czasu ich dalszej pracy. Próbki do badań Próbki do badań pobrano z instalacji rurociągu pary wysokoprężnej pracującej w układzie kolektorowym, tj. łączących w tym przypadku 5 kotłów, 4 turbozespoły i 2 stacje marzec 2016 www.energetyka.eu strona 165 (1)
Rys. 1. Schemat analizowanego układu kolektorowego rurociągów pary świeżej. Pięć kotłów zasila cztery turbozespoły. Niebieskimi strzałkami pokazano lokalizację pobrania materiału do badań [1] redukcyjno-schładzające. Na rysunku 1 pokazano schemat całej instalacji przed obecną modernizacją oraz miejsca pobrania materiału badawczego. Wykonanie badań niszczących związane było z rewitalizacją dwóch kotłów oraz potrzebą sprawdzenia, czy i jak długo istniejące w ich obrębie rurociągi, których czas pracy przekraczał już 200 000 h, będą mogły być dalej bezpiecznie eksploatowane. Celem wykonanych badań była zatem ocena ich stanu i przydatności do dalszej pracy oraz oszacowanie czasu dalszej bezpiecznej eksploatacji. Dla zapewnienia możliwości pracy na pełnych parametrach pozostałej instalacji na czas modernizacji konieczne było trwałe odcięcie dwóch nitek rurociągów. W tym celu, w uzgodnieniu z UDT, zamontowano zaślepki na trójnikach na czas rewitalizacji kotłów (rys. 2). Wytypowane i pobrane do badań niszczących odcinki charakteryzowały się największym dla poszczególnych nitek oszacowanym stopniem wyczerpania. Pobrano je z obszarów o najwyższych wskaźnikach naprężeń oszacowanych na podstawie analizy rozkładu naprężeń z uwzględnieniem rzeczywistej pracy systemu zawieszeń i podparć. Pobrane próbki do badań materiałowych były reprezentatywne dla poszczególnych nitek. Zestawienie badanych wycinków rurociągów zamieszczono w tabeli 1. Rys. 2. Schemat instalacji rurociągów pary świeżej w obrębie rewitalizowanych kotłów po trwałym zaślepieniu trójników w celu umożliwienia eksploatacji turbozespołów [1] Charakterystyka rurociągów z jakich pobrano materiał do badań [1] Tabela 1 Rodzaj rurociągu Oznaczenie próbki Wymiary znamionowe Ø z x g nom Czas eksploatacji wg inwestora Zastosowany Parametry robocze pracy materiał mm p rz, MPa T rz, o C t rz, h Rurociąg pary świeżej próbka nr 1 273x30 14,3 540 215 000 13HMF (14MoV6-3) próbka nr 2 273x30 14,3 540 209 000 strona 166 (2) www.energetyka.eu marzec 2016
W ramach badań wykonano: badania struktury w skaningowym mikroskopie elektronowym, badania właściwości wytrzymałościowych w temperaturze pokojowej i podwyższonej zbliżonej do temperatury pracy, badania udarności w celu określenia temperatury przejścia w stan kruchy, skrócone próby pełzania w celu wyznaczenia rozporządzalnej trwałości resztkowej będącej czasem bezpiecznej eksploatacji w założonych parametrach dalszej pracy. Wyniki badań metalograficznych Na rysunkach 3-4 przedstawiono obrazy mikrostruktur wraz z klasyfikacją stopnia rozpadu obszarów bainitycznych, procesów wydzieleniowych oraz uszkodzeń. Badania metalograficzne wykonano na zgładach w skaningowym mikroskopie elektronowym. Ogólnie stopień wyczerpania struktury badanych materiałów oszacowano na około 0,3-0,4 dla próbki nr 1 i około 0,3 dla próbki nr 2 (według tabel klasyfikacyjnych IMŻ [8]). W odniesieniu do badanych materiałów nie ujawniono zapoczątkowania procesów uszkodzeń wewnętrznych. Nie stwierdzono ich również wcześniej w trakcie badań metodą replik matrycowych obserwowanych w skaningowym mikroskopie elektronowym. Wyniki badań wytrzymałościowych i udarnościowych Wyniki badań wytrzymałościowych otrzymanych w statycznej próbie rozciągania w temperaturze pokojowej i podwyższonej wraz z oceną stanu struktury zamieszczono w tabeli 2. Rysunek 5 obrazuje uzyskane wyniki granicy plastyczności w zestawieniu z minimalnymi wymaganymi według normy dla zastosowanych stali i ich odpowiedników. Rys. 3. Obrazy mikrostruktury próbki nr 1. Struktura ferrytyczno-bainityczna. Częściowo lub znacznie skoagulowane obszary bainityczne. Zróżnicowana wielkość wydzieleń na granicach ziaren ferrytu. Liczne bardzo drobne równomiernie rozmieszczone wydzielenia wewnątrz ziarn. Brak zmian dekohezyjnych. Ogólnie strukturę zaklasyfikowano do 2 klasy głównej struktury, co oznacza szacunkowe wyczerpanie trwałości eksploatacyjnej materiału w granicach 30-40% [1, 18] Rys. 4. Obrazy mikrostruktury próbki nr 2. Struktura ferrytyczno-bainityczna. Częściowo skoagulowane obszary bainityczne. Zróżnicowana wielkość wydzieleń na granicach ziaren ferrytu. Liczne bardzo drobne równomiernie rozmieszczone wydzielenia wewnątrz ziarn. Brak zmian dekohezyjnych. Ogólnie strukturę zaklasyfikowano do 1/2 klasy głównej struktury, co oznacza szacunkowe wyczerpanie trwałości eksploatacyjnej materiału w granicach 30% [1, 18] Wybrane wyniki badań wytrzymałościowych dla próbek, jak w tabeli 1 [1] Tabela 2 Oznaczenie próbki Próbka nr 1 Zastosowany materiał R m, MPa R e 20, MPa R e 550, MPa A 5, % HV Klasa struktury wg skali IMŻ 495 302 168 17 150 2 13HMF Próbka nr 2 (14MoV6-3) 493 311 178 16 138 1/2 marzec 2016 www.energetyka.eu strona 167 (3)
Granica plastyczności, R e min [MPa] Rys. 5. Uzyskane wyniki R e/t dla próbek rzeczywistych w zestawieniu z wymaganymi dla 13HMF (14MoV6-3) wg przedmiotowych norm [1, 14-16] Jak wynika z rysunku 5 zarówno wartości uzyskane dla temperatury pokojowej, jak i podwyższonej są niższe od minimalnych wymagań normy PN-74/H-74252, czyli wymagań dla zastosowanego materiału obowiązujących w momencie wytwarzania. Nie świadczy to jednak o nieprzydatności badanego materiału do jego dalszej eksploatacji. Elementy pracujące w warunkach pełzania są projektowane na podstawie wartości naprężenia dopuszczalnego k uwzględniającego średnią czasową wytrzymałość na pełzanie R z/t/t lub granicę pełzania R x/t/t na obliczeniowy czas pracy. Uzyskane wyniki rzeczywistej granicy plastyczności w podwyższonej temperaturze oraz temperatura przejścia w stan kruchy są istotne z punktu widzenia eksploatacji na ich podstawie konieczne jest bowiem zweryfikowanie i późniejsze przestrzeganie szybkości nagrzewania i chłodzenia instalacji oraz warunków prowadzenia prób ciśnieniowych. Powstające na tych etapach naprężenia nie mogą bowiem spowodować zniszczenia instalacji. Praca łamania [J] 400 350 300 250 200 150 0 100 200 300 400 500 600 Temperatura badania, T b [ o C] 140 120 100 80 60 40 20 próbka nr 1 (215 000 h) próbka nr 2 (209 000 h) PN-74/H-74252 PN EN 10216-2:2009 próbka nr 2 (209 000 h) próbka nr 1 (215 000 h) 0-30 -20-10 0 10 20 30 40 50 Temperatura badania, T b [ o C] Rys. 6. Uzyskane wyniki udarności materiału badanych rurociągów w zestawieniu z kryterium 27 J [1, 18] Wyznaczona w próbie udarności temperatura przejścia materiału w stan kruchy wyniosła około 20 C dla próbki nr 1 i około 0 C dla próbki nr 2 (rys. 6). Przy wyznaczonym dla badanych próbek poziomie wytrzymałości na rozciąganie i granicy pla- styczności ewentualna próba ciśnieniowa rurociągu może mieć jedynie charakter próby szczelności, ale nie może być próbą wytrzymałościową rurociągu. Dodatnia temperatura przejścia w stan kruchy wymaga natomiast bezwzględnego przestrzegania wymaganych warunków uruchomień i odstawień. Wyniki skróconych prób pełzania Wskaźnikiem decydującym o przydatności do pracy materiałów rurociągów pary wysokoprężnej jest wytrzymałość na pełzanie. Ma on szczególne znaczenie w przypadku instalacji eksploatowanych ponad obliczeniowy czas pracy. Wyznaczenie trwałości resztkowej poprzez przyspieszone próby pełzania daje wiedzę o rzeczywistych możliwościach dalszej eksploatacji danego materiału i pozwala na wyznaczenie czasu dalszej bezpiecznej eksploatacji materiału w określonych warunkach. W celu wyznaczenia trwałości resztkowej (w tym rozporządzalnej trwałości resztkowej) materiału rurociągów wykonano skrócone próby pełzania do zerwania. Badania wykonano przy stałym poziomie naprężenia, odpowiadającym przyjętemu roboczemu naprężeniu (σ 0 = σ r = const) i różnym poziomie temperatury, wyższym od przyjętej eksploatacyjnej (T b > T r ), umożliwiającym wyznaczenie trwałości resztkowej i rozporządzalnej trwałości resztkowej dla parametrów roboczych dalszej eksploatacji. Uzyskane wyniki skróconych prób pełzania badanych materiałów przedstawiono na rysunku 7 w postaci zależności logt z = f(t b ) przy σ b σ r oraz zestawiono w tabeli 3. Temperatura badania, T b [ o C] 720 700 680 660 640 620 600 580 560 próbka nr 1 (215 000 h) próbka nr 2 (209 000 h) 540 10 100 1000 10000 100000 1000000 Czas do zerwania, t r [h] Rys. 7. Wyniki skróconych prób pełzania przedstawione w postaci zależności logt r = f(t b ) dla stali 14MoV63 (13HMF) przy σ b = 55 MPa [1, 18] Analizując wyniki uzyskane w skróconych próbach pełzania można stwierdzić, że dotychczasowa długotrwała eksploatacja materiałów wywołała zbliżoną ich degradację. Materiał analizowanych rurociągów pomimo długoletniej eksploatacji i przekroczenia obliczeniowego czasu pracy posiada stosunkowo duży zapas trwałości. Wyznaczona trwałość jest osiągalna pod pewnymi warunkami. Jednym z najistotniejszych z nich jest przestrzeganie parametrów pracy, zwłaszcza temperatury. Jej wzrost o 10 C może spowodować obniżenie trwałości materiału aż o 30-40%. Kolejnym warunkiem jest odpowiednio kompensujący wydłużenia cieplne i niedopuszczający do powstania strona 168 (4) www.energetyka.eu marzec 2016
Tabela 3 Wyznaczona na podstawie skróconych prób pełzania trwałość resztkowa i rozporządzalna trwałość resztkowa dla próbek, jak w tabeli 1 [1, 18] Oznaczenie próbki Zastosowany materiał Przyjęte naprężenie robocze dalszej eksploatacji σ r, MPa Przyjęta temperatura dalszej eksploatacji T r, o C Trwałość resztkowa, h Rozporządzalna trwałość resztkowa (bezpieczny czas dalszej pracy), h Próbka nr 1 13HMF 55 540 150 000 82 000 Próbka nr 2 (14MoV6-3) 55 540 160 000 88 000 nadmiernych naprężeń materiału system zamocowań i podparć. Nieodpowiednia praca systemu może wywołać przyspieszoną degradację materiału. Bardzo istotne jest również przestrzeganie optymalnych szybkości nagrzewania i chłodzenia podczas rozruchów i odstawień, zwłaszcza przy odstawieniach awaryjnych. Część wyników badań zamieszczonych w artykule uzyskano w ramach badań współfinansowanych przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju na podstawie umowy NR PBS/ B5/42/2015 Projekt: Metodyka, ocena i prognoza eksploatacji powyżej obliczeniowego czasu pracy złączy spawanych elementów ciśnieniowych kotłów energetycznych. Podsumowanie Materiały pobrane z rurociągów po obliczeniowym czasie pracy przedstawione w niniejszym artykule wykazują stosunkowo dobre właściwości. Zarówno stan struktury, a wiec stopień jej degradacji, jak i właściwości wytrzymałościowe oraz wyznaczona trwałość resztkowa pozwalają na dalszą eksploatację tych materiałów przez kolejne 80 000 h, a nawet dłużej. Uzyskane wyniki muszą jednak być uwzględnione w przyszłości zarówno przy opracowywaniu warunków prób ciśnieniowych, jak i warunków odstawień i uruchomień, a wyznaczona trwałość będzie osiągalna pod warunkiem przestrzegania parametrów pracy oraz prawidłowej pracy systemu zawieszeń i podparć. Zróżnicowane stany naprężeniowe występujące w różnych fazach eksploatacji rurociągów powodują, iż procesy niszczenia przebiegają z różną szybkością. Dla każdej instalacji, mimo zbliżonej konstrukcji, warunki te są inne, na co wpływ ma szereg czynników, począwszy od zróżnicowania stanu wyjściowego materiału i błędów montażowych, poprzez warunki eksploatacji, przestrzeganie (lub nie) krytycznych szybkości nagrzewania i chłodzenia, awarie systemów zamocowań, kieszenie wodne i szereg innych czynników. Utrata trwałości elementów ciśnieniowych spowodowana jest przeważnie nieprawidłową ich eksploatacją, często w powiązaniu z wadami konstrukcyjnymi. Wystąpienie awarii w wyniku nadmiernej utraty trwałości najczęściej jest skutkiem nie tylko nieprawidłowej eksploatacji, ale również niewłaściwej i nierzetelnie przeprowadzonej okresowej diagnostyki. Zadaniem diagnostyki jest odpowiednio wczesne wykrycie przyczyn, których wyeliminowanie lub złagodzenie wpływa w istotny sposób na wydłużenie trwałości eksploatacyjnej. Degradacja struktury materiału wywołana mechanizmem pełzania jest zjawiskiem normalnym i dla długo eksploatowanych instalacji należy się jej spodziewać. W przypadku elementów pracujących ponad obliczeniowy czas pracy szczególnie istotna jest okresowa kontrola stanu technicznego. Ważne jest, aby wykonywana była według dobrze zaplanowanego programu. Doświadczenia wykazują, że okresowe kontrole są w stanie wychwycić pierwsze stadia uszkodzeń materiału, co pozwala śledzić szybkość ich postępu i w odpowiednim momencie zaplanować wymianę elementów. Badania takie muszą być jednak poprzedzone dogłębną analizą pozwalającą na wskazanie rejonów, w których prawdopodobieństwo ich wystąpienia będzie największe. PIŚMIENNICTWO [1] Jasiński A., Kwiecień M.: Sprawozdania oraz wyniki prac pomiarowych i badawczych, opracowania ENERGOPOMIAR Sp. z o.o., Zakład Chemii i Diagnostyki, Gliwice 2013-2016 (niepubl.). [2] Hernas A., Dobrzański J.: Trwałość i niszczenie elementów kotłów i turbin parowych, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2003. [3] Dobrzański J.: Materiałoznawcza interpretacja trwałości stali dla energetyki, Open Acces Library 2011, vol. 3. [4] Jasiński A.: System diagnostyczny jako sposób na wydłużenie czasu bezpiecznej eksploatacji rurociągów parowych, Energetyka 2012, nr 9. [5] Kwiecień M., Goławski A.: Pełzanie jako zjawisko ograniczające długotrwałą eksploatację rurociągów parowych, Energetyka 2013, nr 7. [6] Jasiński A.: Modelowanie rozkładu naprężeń w systemie diagnostycznym rurociągów pracujących w warunkach pełzania, Energetyka 2012, nr 2. [7] Jasiński A.: Wydłużona eksploatacja krajowych bloków energetycznych szanse i zagrożenia, Energetyka 2013, nr 7. [8] Jasiński A.: Diagnostyka jako element planowania, Chemia Przemysłowa 2012, nr 2. [9] Zieliński A., Dobrzański J.: Ocena stanu i przydatności do dalszej pracy materiału rurociągów parowych eksploatowanych powyżej obliczeniowego czasu pracy, Prace IMŻ 2013, nr 3, str. 42-55. [10] Jasiński A.: Wymogi UDT stawiane urządzeniom ciśnieniowym eksploatowanym ponad obliczeniowy czas pracy, Nowa Energia 2013, nr 5 6. [11] Zieliński A., Kwiecień M.: Ocena stanu i przydatności do dalszej pracy rurociągów parowych z niskostopowych stali Cr-Mo i Cr- -Mo-V eksploatowanych powyżej 200 tys. godzin pracy, Energetyka 2015, nr 9. [12] Jasiński A.: Jak typować elementy do badań w przypadku rurociągów wysokoprężnych, Energetyka 2015, nr 9. [13] Jasiński A.: Wpływ długotrwałej eksploatacji na własności wytrzymałościowe i dalszą przydatność eksploatacyjną materiału marzec 2016 www.energetyka.eu strona 169 (5)
głównych rurociągów parowych bloków typu 200MW, Dozór Techniczny 2014, nr 3. [14] PN-H-74252: Rury stalowe bez szwu kotłowe, 1998. [15] PN-EN 10216-2:2009: Rury stalowe bez szwu do zastosowań ciśnieniowych. Warunki techniczne dostawy. Część 2: Rury ze stali niestopowych i stopowych z określonymi własnościami w temperaturze podwyższonej. [16] PN-75/H-84024: Stal do pracy przy podwyższonych temperaturach Gatunki, 1975. [17] Instrukcja badań i oceny stanu technicznego rurociągów pracujących w warunkach pełzania, opracowanie ENERGOPO- MIAR Sp. z o.o., Gliwice 2012 (niepubl.). [18] Zieliński A.: Metodyka, ocena i prognoza eksploatacji powyżej obliczeniowego czasu pracy złączy spawanych elementów ciśnieniowych kotłów energetycznych, Sprawozdanie IMŻ nr PB0006/2015 (niepubl.). Łukasz Kot, Janusz Skwara ENERGOPOMIAR Sp. z o.o., Zakład Chemii i Diagnostyki Identyfikacja zanieczyszczeń obecnych w oczyszczonym kondensacie turbinowym, z zastosowaniem metod badania składu fazowego i chemicznego Identification of impurities present in a purified turbine condensate with the use of phase and chemical composition testing methods Jakość wody wykorzystywanej do celów energetycznych jest podstawowym wyznacznikiem prawidłowej pracy urządzeń energetycznych. Obecnie obserwuje się stałą tendencję do zaostrzania wymagań dotyczących jakości wody i pary w wysokoprężnych obiegach wodno-parowych, a zwłaszcza wymagań dotyczących wody zasilającej. Woda zasilająca stanowi mieszaninę powracającego kondensatu i wody dodatkowej doprowadzonej do kotła. Kondensat turbinowy może stanowić nawet 95-99% ilości wody zasilającej. Wynika z tego, iż wszelkie zawarte w nim zanieczyszczenia wprowadzone zostaną do układu wodno-parowego. Głównym źródłem zanieczyszczeń mogą być przebicia wody chłodzącej w kondensatorach. Wraz ze zmianami temperatury oraz ciśnienia w obiegach wodno-parowych zachodzą złożone procesy fizykochemiczne, które mogą poważnie zakłócać pracę urządzeń energetycznych. Obecność dodatkowych zanieczyszczeń może być źródłem tworzenia się osadów, które będą odkładać się na powierzchniach poszczególnych urządzeń. Mogą być także powodem występowania procesów korozyjnych o różnorakim charakterze (np. korozja podosadowa). W celu zapewnienia bezawaryjnej pracy urządzeń energetycznych należy w sposób ciągły monitorować skład chemiczny wody zasilającej i kondensatu turbinowego oraz możliwie jak najszybciej reagować na pojawiające się zanieczyszczenia. Tabela 1 Wymagania dotyczące jakości wody zasilającej według normy PN-EN 12952-12:2006 Parametr Jednostka Wartość Ciśnienie robocze bary cały zakres Wygląd - przejrzysta, wolna od zawiesin Przewodność elektryczna właściwa µs/cm nie określa się Przewodność elektryczna kwasowa µs/cm < 0,2 Odczyn ph w temp. 25 o C - 7-10 * Zawartość sodu i potasu (Na + K) mg/l < 0,010 Zawartość żelaza (Fe) mg/l < 0,020 Zawartość miedzi (Cu) mg/l < 0,003 Zawartość krzemionki (SiO 2 ) mg/l < 0,020 Zawartość tlenu (O 2 ) mg/l 0,250 * Zawartość substancji organicznych (jako TOC) mg/l < 0,2 * w zależności od stosowanego reżimu Wymagania stawiane wodzie zasilającej określane są przez producenta urządzeń energetycznych i są ściśle związane z ich konstrukcją oraz stosowanym reżimem eksploatacyjnym. strona 170 (6) www.energetyka.eu marzec 2016