Politechnika Warszawska Wydział Inżynierii Materiałowej

Politechnika Warszawska Wydział Inżynierii Materiałowej Zapewnienie bezpieczeństwa instalacji przemysłowych z wykorzystaniem metod badań nieniszczących Krzysztof Jan KURZYDŁOWSKI Maciej Marian SPYCHALSKI Wojciech Leon SPYCHALSKI III Sympozjum Klubu Paragraf

Zapewnienie bezpieczeństwa instalacji Diagnozowanie stanu technicznego na etapie - Produkcji - Odbioru - Eksploatacji Badania całej konstrukcji i wybranych elementów Kryteria wyboru miejsc badania - Analiza ryzyka - Analiza warunków pracy (wytężenie, temperatura, środowisko) - Historia eksploatacji (miejsca wcześniejszych awarii, zmiany konstrukcyjne, wymiana elementów) - Doświadczenie i praktyka inżynierska - Obliczenia numeryczne 2/58

Zapewnienie bezpieczeństwa instalacji Celem badań jest ograniczenie ryzyka awarii poprzez wykrycie wad materiałowych, ocena ich szkodliwości oraz monitorowanie ich rozwoju Ryzyko awarii w warunkach prawidłowej eksploatacji jest zależne od procesów zachodzących w materiałach pod wpływem naprężeń, temperatury i środowiska eksploatacji. 3/58

Degradacja materiałów Degradacja materiałów konstrukcyjnych - zmiany struktury (z reguły niekorzystną) zachodzące pod wpływem oddziaływania czynników środowiskowych. Zmiany te powodują zwykle spadek, szeroko rozumianych, właściwości użytkowych materiałów (w tym powodują zmiany właściwości mechanicznych). W praktyce przemysłowej degradacja materiałów zachodzi zawsze, choć z różną intensywnością, której tempo może ulegać wahaniom lub (co jest częstsze) intensyfikacji w końcowym okresie eksploatacji. 4/58

Skutki degradacji materiałów Uszkodzenie zgrzewów wymiennika w wyniku korozji Uszkodzenie rury pieca pirolitycznego w wyniku przegrzania 5/58

Skutki degradacji materiałów Wybuch instalacji rozszczelnienie w wyniku zmęczenia materiału 6/58

Czynniki wywołujące degradację materiałów Podwyższona Temperatura Wysoka, stała Nawęglanie, odwęglanie, utlenianie, rozrost ziarn, koagulacja wydzieleń, dyfuzja pierwiastków stopowych, kruchość odpuszczania, kruchość 475 C, kruchość fazy sigma Zmienna zmęczenie termiczne Środowisko (gazowe lub ciekłe) Suche korozja chemiczna (narastanie warstw - utlenianie, nawęglanie) Wilgotne korozja galwaniczna, równomierna, szczelinowa, wżerowa, międzykrystaliczna, selektywna, naprężeniowa, zmęczeniowa, wodorową Zmienne Erozja, Erozja-korozja Obciążenia mechaniczne Stałe Niebezpieczne w połączeniu z innymi czynnikami: wysoką temperaturą pracy pełzanie, obniżoną temperaturą kruche pękanie Zmienne Niskocyklowe, Wysokocyklowe (podkrytyczny rozwój pęknięć), Udarowe (kruche pękanie) 7/58

Degradacja materiałów Degradacja powierzchni Jest procesom zachodzącym w warstwie wierzchniej mogą jej również towarzyszyć zmiany geometrii powierzchni, w skali mikroskopowej, związane pojawieniem się warstw skorodowanych, ich pękaniem i łuszczeniem się. Degradacja w objętości Jest zdiagnozowania. Może objawiać (pęknięcia, mikro pory pustki) właściwości (korozja wodorowa, stopowych). znacznie trudniejsza do wykrycia i się w postaci lokalnych nieciągłości lub globalnych zmian struktury i rozrost ziaren, dyfuzja pierwiastków 8/58

Korozja Korozja jest jedną z głównych form degradacji materiału. Różne typy korozji charakteryzują się różnym obrazem powstających defektów: Galwaniczną Równomierną Szczelinową Wżerową Międzykrystaliczną Selektywną Naprężeniową Zmęczeniową Wodorową 9/58

Korozja korozja wżerowa lokalne utlenienie dyszy wtryskiwacza warstwa zgorzeliny warstwa odwęglona 10/58

Korozja korozja naprężeniowa korozja wżerowa c 20 µm dekohezja na granicach ziaren w kruchej warstwie wodorków 11/58

Wpływ temperatury Zarodkowania na granicach ziaren niepożądanych faz %C strefa odwęglona Odwęglenie 12/58

Wpływ temperatury Zmiana struktury stali ferrytyczno-perlitycznej wywołana długotrwałym wpływem pola temperatury 20 tys. h Wyraźna zmian dyspersji ziaren perlitu 100 tys. h Uwidacznia się przemiana struktury ferrytyczno-perlitycznej w strukturę ferrytyczno-węglikową 13/58

Wpływ temperatury i naprężeń Pustki Y. Nagakawa,AeroEngine Business and Material TechnologiesJapan, Superalloys 2004, TMS, 2004. 14/58

Wpływ temperatury i naprężeń Pasma ferrytu w stali austenitycznej Pustki i mikropęknięcia na granicy faz istotnie różniących się właściwościami mechanicznymi 15/58

Obciążenia mechaniczne Erozja i kawitacja łopatka turbiny zerodowane kierownice wirnik mur z kamienia wapiennego 16/58

Degradacja pod wpływem wodoru Stale niskostopowe, jak i stale odporne na korozję, mogą ulegać degradacji materiałowej, wywołanej degradacją wodorową. Mechanizm degradacji wodorowej w znacznym stopniu zależy od szybkości dyfuzji, a także od zdolności do rozpuszczania wodoru. W stalach austenitycznych pod wpływem wodoru zachodzą zmiany strukturalne związane m.in. z tworzeniem nietrwałych w temperaturze pokojowej faz wodorkowych, które powodują efekt kruchego pękania. Niskostopowe stale Cr-Mo mogą ulegać atakowi wodorowemu, który ujawnia się m.in. uszkodzeniami w postaci wewnętrznego odwęglenia oraz pęcherzy, rozwarstwień i pęknięć. 17/58

Degradacja pod wpływem wodoru 18/58

Degradacja pod wpływem wodoru 19/58

Monitorowanie degradacji materiałów Dobierając metody monitorowania degradacji materiału należy prać pod uwag możliwe mechanizmy degradacji, dostęp do badanych elementów czy możliwość pobrania wycinków materiałów. Nie bez znaczenia są aspekty ekonomiczne. Przy obecnym poziomie rozwoju techniki i wiedzy o procesach degradacji możliwy jest często ilościowy opis kinetyki rozwoju uszkodzeń przy różnych warunkach obciążenia, temperaturach i środowiskach pracy. Wybierając metody monitorowania degradacji materiału należy rozpatrzyć przede wszystkim wszystkie możliwe mechanizmy zniszczenia jakie mogą pojawiać się w rzeczywistych warunkach pracy urządzeń. 20/58

Techniki badań nieniszczących Najczęściej stosowane techniki badań nieniszczących Metoda wizualna - Visual Testing (VT) - Ultraviolet, Infrared, and Visible Light. Metoda penetracyjna - Penetrant Testing (PT) Metoda prądów wirowych - Eddy Current/Electromagnetic Testing (ET) Metoda magnetyczna - Magnetic Particle Testing (MT) Metoda ultradźwiękowa - Utrasonic Testing (UT) Metoda Radiograficzna - Radiography (RT): X-Rays, Gamma Rays, Beta Particles, Protons, Neutrons Metoda emisji akustycznej - Acoustic Emissions (AE) Przy wyborze metody badań nieniszczących należy kierować się informacjami zawartymi w odpowiednich normach dotyczących metod jak i sposobu badania określonych materiałów i urządzeń. Pomocne mogą tu być różnego rodzaju wytyczne określające optymalną metodę NDT w zależności od materiału i typu wady 21/58

Techniki badań nieniszczących Metody lokalne ultradźwiękowe, penetracyjne, prądów wirowych, magnetyczne, radiograficzne, Metody globalne emisja akustyczna, wizualne, próba ciśnieniowa, badania szczelności, Możliwość badania w czasie eksploatacji zależne od warunków pracy tensometryczne, wizualne, emisja akustyczna, badania ultradźwiękowe, 22/58

Techniki badań nieniszczących 23/58

Przykłady 24/58

Monitorowanie uszkodzeń rurociągu Warunki pracy Środowisko:- Węglowodory - sole amonowe (NH4HS) - Wodór - Woda Temperatura: 60 C Prędkość: > 7 m/s erozja - korozja korozja wodorowa - pęcherze 25/58

Pocienienia rurociągu 1-P-1071 na odcinku 8 wejście od 1-E-08 H wejście od 1-E-08 H S E Widok od strony północnej W N Widok z góry Miejsca występowania pocienień 26/58

Wyniki pomiarów grubości odcinka 8 Lp Punkty pomiarowe Przekrój I A B C D 19,9 20,0 18,8 19,6 P34 Prosta 34 ~90mm II 19,3 19,3 19,8 16,3 I II Max 20,0 mm B C A D G nom = 23,01 G min = 13,79 Min 16,3 mm 27/58

Erozja rur 8 Obserwowane ubytki materiału we fragmencie rurociągu 8 1-P-1071 28/58

Phase Array - Rury 8 i 12 29/58

Rura 8 rekonstrukcja 30/58

Modelowanie MES Naprężenia obwodowe 31/58

Modelowanie MES Naprężenia obwodowe 32/58

Modelowanie MES Naprężenia zredukowane w rurze 12 z uszkodzeniem 1 NODAL SOLUTION OCT 9 2006 23:31:35 PLOT NO. 5 STEP=1 SUB =1 TIME=1 SEQV (AVG) DMX =.060071 SMN =42.578 SMX =118.053 MN MX Y Z 42.578 50.964 59.35 67.736 76.122 X 84.508 92.894 101.28 109.666 118.053 33/58

OCT 13 2006 18:39:25 PLOT NO. 9 STEP=1 SUB =1 TIME=1 SEQV (AVG) DMX =.314663 SMN =4.467 SMX =368.328 Modelowanie MES Naprężenia zredukowane w rurze 12 z uszkodzeniem Y Z 0 20 40 60 80 X 100 120 140 160 180 34/58

Rozwarstwienia wodorowe Widok od strony północnej S W W E N S N kolano 169 kolano 179 Korozja wodorowa E Widok od strony wschodniej kolano 171 Zb.1-V-04 Zb.1-V-04 35/58

Monitoring - Badania Emisji Akustycznej 36/58

Pomiary grubości Kolano 179 37/58

Rozwarstwienia wodorowe 850 Lokalizacja wykrytego pęcherza od powierzchni zewnętrznej 38/58

Rozwarstwienia wodorowe 39/58

Modelowanie MES Przepływ czynnika przez kolano - rozkład prędkości, m/s Y Z X Z Y X ANSYS 10.0 AUG 20 2006 09:19:44 PLOT NO. 4 NODAL SOLUTION STEP=1 SUB =1 VSUM (AVG) RSYS=0 PowerGraphics EFACET=1 AVRES=Mat SMX =7.337 0.815178 1.63 2.446 3.261 4.076 4.891 5.706 6.521 7.337 ANSYS 10.0 AUG 20 2006 09:22:29 PLOT NO. 5 NODAL SOLUTION STEP=1 SUB =1 VSUM (AVG) RSYS=0 PowerGraphics EFACET=1 AVRES=Mat SMX =7.337 0.815178 1.63 2.446 3.261 4.076 4.891 5.706 6.521 7.337 40/58

Modelowanie MES Przepływ czynnika przez kolano - rozkład ciśnienia, Pa ANSYS 10.0 AUG 20 2006 09:23:44 Y Z PLOT NO. 7 NODAL XSOLUTION STEP=1 SUB =1 PRES (AVG) RSYS=0 PowerGraphics EFACET=1 AVRES=Mat SMN =.129E+08 SMX =.130E+08.129E+08.129E+08.129E+08.129E+08.129E+08.129E+08.130E+08.130E+08.130E+08.130E+08 ANSYS 10.0 AUG 20 2006 09:25:15 PLOT NO. 8 NODAL SOLUTION STEP=1 SUB =1 PRES (AVG) RSYS=0 PowerGraphics EFACET=1 AVRES=Mat SMN =.129E+08 SMX =.130E+08.129E+08.129E+08.129E+08.129E+08.129E+08.129E+08.130E+08.130E+08.130E+08.130E+08 41/58

Modelowanie MES X Z Y Deformacje w okolicy pęknięcia międzywarstwowego wychodzącego powierzchnie wewnętrzną ANSYS 10.0 AUG 20 2006 18:32:33 PLOT NO. 7 NODAL SOLUTION STEP=1 SUB =1 TIME=1 UX (AVG) RSYS=0 PowerGraphics EFACET=1 AVRES=All(Full) DMX =30.896 SMN =-.141933 SMX =.115576 -.141933 -.113321 -.084709 -.056096 -.027484.001128.02974.058352.086964.115576 42/58

Modelowanie MES Naprężenia zredukowane w okolicy pęknięcia międzywarstwowego wychodzącego powierzchnie wewnętrzną X Z Y ANSYS 10.0 AUG 20 2006 18:54:41 PLOT NO. 16 NODAL SOLUTION STEP=1 SUB =1 TIME=1 SEQV (AVG) PowerGraphics EFACET=1 AVRES=All(Full) DMX =30.896 SMN =4.898 SMX =157.723 4.898 21.878 38.859 55.839 72.82 89.801 106.781 123.762 140.743 157.723 43/58

Monitoring Monitoring ciągły: pomiary emisji akustycznej pomiary tensometryczne pomiary ciśnienia, temperatury i szybkości przepływu Monitoring okresowy: ultradźwiękowe pomiary grubości ultradźwiękowe pomiary geometrii uszkodzeń metodą PhaseArray 44/58

Monitoring 45/58

Monitoring 46/58

Monitoring - Ultradźwiękowe badania rozwarstwień 47/58

Monitoring - Ultradźwiękowe badania rozwarstwień 48/58

Monitoring - Ultradźwiękowe badania rozwarstwień 49/58

Monitoring - Ultradźwiękowe badania rozwarstwień Statystyka wyników głębokość zalegania rozwarstwienia 23 sierpnia 25 sierpnia 05 września 13 września 20 września 21 września 28 września 02 października 21 listopada Obszar badania [mm x mm] 400x 320 400x 320 400x 320 440x 320 460x 320 540x 540 540x 540 540x 540 540x 540 Średnia [mm] 36,00 39,27 38,06 33,51 38,42 42,54 39,86 39,68 38,98 błąd pomiaru 0,27 0,43 0,38 0,36 0,43 0,35 0,44 0,42 0,34 Min [mm] 18,44 10,31 24,38 12,95 15,62 17,81 13,38 10,76 15,93 Max [mm] 44,06 62,81 61,83 58,80 58,43 63,75 61,66 64,50 63,43 50/58

Monitoring - Badania tensometryczne 51/58

Monitoring - Badania tensometryczne [um/m] 200 Ww_04 Ww_05 Ww_07 150 100 50 0 29-9 30-9 1-10 2-10 3-10 4-10 5-10 6-10 7-10 8-10 9-10 10-10 11-10 12-10 13-10 5-10 6-10 7-10 8-10 9-10 10-10 11-10 12-10 13-10 -50 100 [um/m] Ww_10 Ww_11 50 0 29-9 -50 30-9 1-10 2-10 3-10 4-10 52/58

Monitoring - Badania tensometryczne 100 [um/m] Ww_06 Ww_02 50 0 29-9 30-9 1-10 2-10 3-10 4-10 5-10 6-10 7-10 8-10 9-10 10-10 11-10 12-10 13-10 4-10 5-10 6-10 7-10 8-10 9-10 10-10 11-10 12-10 13-10 -50 150 [um/m] Ww_03 Ww_ref 100 50 0 29-9 -50 30-9 1-10 2-10 3-10 53/58

Monitoring - Badania Emisji Akustycznej 54/58

Monitoring - Badania Emisji Akustycznej Uchwyt Czujnik z przedwzmacniaczem VS30-V Czujnik zintegrowanych z przedwzmacniaczem VS150-RIC Przedwzmacniacz AEP4 55/58

Monitoring - Badania Emisji Akustycznej 56/58

Badania przed eksploatacją - Badania Emisji Akustycznej Zastosowanie metody Emisji Akustycznej podczas wygrzewania nowego reaktora Wynik badań - aktywne źródła emisji akustycznej - pęknięcia (metodą penetracyjną) w spoinie łączącej nakładkę do której przymocowane były uchwyty montażowe 57/58

Podsumowanie Konstrukcje inżynierskie ulegają degradacji materiałowej także w warunkach prawidłowej eksploatacji Degradacja materiałów i uszkodzenia mogą być monitorowane nowoczesnymi metodami z zakresu badań nieniszczących Współczesne metody monitorowanie degradacji pozwalają na bezpieczną eksploatację instalacji o znacznym stopniu degradacji materiału 58/58