Remont i regulacja systemu zamocowań

Artur Jasiński, Michał Kwiecień ENERGOPOMIAR Sp. z o.o. Zakład Chemii i Diagnostyki Remont i regulacja systemu zamocowań poprawa bezpieczeństwa pracy rurociągu parowego 1 Nieodpowiedni rozkład naprężeń oraz zła kompensacja wydłużeń cieplnych rurociągów w istotny sposób wpływają na przyspieszone tempo degradacji materiału w najbardziej obciążonych obszarach, co w przypadku przekroczenia wartości dopuszczalnych stanowi znaczące zagrożenie bezpieczeństwa pracy całego układu. Kontrola stanu technicznego układów zamocowań służy określeniu poprawności przenoszenia rozkładów zadanych przez projektanta danego urządzenia. Projektant dobiera rozkład sił w zamocowaniach układów (ich wartości dla każdego zamocowania), uwzględniając zmienność warunków pracy w taki sposób, aby zminimalizować naprężenia występujące w stanach rzeczywistych pracy i zapewnić prawidłową kompensację ewentualnych wydłużeń termicznych. Zamocowania rurociągów dzielą się zasadniczo na dwie grupy: stałosiłowe oraz o zmiennej sile obciążenia. W zależności od przeznaczenia i konstrukcji zamocowań możemy wyodrębnić zawieszenia i podpory sprężynowe, zawieszenia cięgnowe, ograniczniki ruchu, zawieszenia ciężarkowe i inne, w zależności od producenta. Użytkownik danego obiektu zawsze powinien posiadać pełną dokumentację zawierającą rozmieszczenia, typy i wartości sił przenoszonych przez zamocowania. Prawidłowa praca układu zamocowań danego rurociągu w znacznym stopniu wpływa na poprawność jego działania. Dane urządzenie nie powinno być eksploatowane, jeśli stan techniczny zamocowań jest zły. Dbałość o prawidłowe działanie systemu zamocowań w przypadku rurociągów wysokoprężnych odgrywa zatem kluczową rolę w ich eksploatacji. W trakcie normalnej eksploatacji diagnostyka systemu zamocowań rurociągów oraz sukcesywne dokonywanie niezbędnych remontów, korekt i regulacji poprawiają bezpieczeństwo pracy, pozwalając jednocześnie na wydłużenie ich żywotności. W niniejszym artykule przedstawiono wynik przeprowadzonego remontu systemu zamocowań fragmentu rurociągu pary świeżej pracującego w układzie kolektorowym, dla którego w trakcie okresowej rewizji UDT stwierdzono nieprawidłowości zagrażające bezpieczeństwu eksploatacji. 1 Artykuł w skróconej wersji został opublikowany w Energetyce Cieplnej i Zawodowej nr 4/2013 pod tytułem Bezpieczeństwo w zawieszeniu. Remont i regulacja systemu zamocowań Strona 1 z 14

Przedmiot analizy Przedmiotem analizy był fragment rurociągu pary świeżej łączącego niewielki kocioł parowy z kolektorem. Rurociąg z 219,1 x 14,2 mm wykonany z materiału 13HMF był zainstalowany pomiędzy zasuwami M162 i M163 (rys. 1). Ilość godzin pracy rurociągu oddanego do eksploatacji na początku lat 80. to około 72 tys. godzin. Zgodnie z informacjami uzyskanymi od użytkownika oraz danymi zawartymi w dokumentacji projektowej parametry pracy rurociągu to: 10,4 MPa i 510 C. Z uwagi na zasygnalizowane przez ekipę diagnostyczną nieprawidłowości, stwierdzone podczas okresowej rewizji, uzgodniono z UDT i użytkownikiem, że dla zapewnienia bezpieczeństwa eksploatacji konieczny jest remont systemu zamocowań rurociągu. Celem pracy było w pierwszej kolejności określenie rzeczywistego stanu technicznego i zakresu koniecznych napraw systemu zamocowań. Rys. 1. Model analizowanej nitki rurociągu z oznaczeniem zamocowań i armatury Po zapoznaniu się z dokumentacją przeprowadzono inwentaryzację stanu rzeczywistego zamocowań zainstalowanych na analizowanym rurociągu. W trakcie prac zwrócono uwagę na: zgodność i kompletność ilości zamocowań z dokumentacją projektową, w tym zgodność rozmieszczenia zamocowań rozpatrywanego układu; Strona 2 z 14

zgodność typów istniejących zamocowań z typami zamocowań według dokumentacji; kompletność każdego zamocowania (śruby, nakrętki kontrujące, sprężyny, kostki, obejmy, podkładki); prawidłowość działania sprawdzono, czy zamocowanie nie jest zablokowane; sprawdzono też prawidłowość ustawienia, współosiowość, stan sprężyn, obejm i kostek oporowych (jeśli dotyczy). W wyniku inwentaryzacji stwierdzono, że rozmieszczenie oraz typ zastosowanych zamocowań i podparć rurociągu są zgodne z otrzymaną od użytkownika dokumentacją projektową, jednakże dostrzeżono szereg nieprawidłowości oraz zaobserwowano dwie kolizje rurociągu z innymi elementami znajdującymi się w kotłowni. Nieprawidłowości zestawiono w tablicy 1. Tablica 1. Nieprawidłowości stwierdzone w wyniku inwentaryzacji rurociągu Lp. Ozn. Fotografia Opis niezgodności 1 Z1 brak nakrętek kontrujących na obejmie i śrubach regulacyjnych możliwość samoistnego rozkręcenia w czasie pracy 2 Z1-Z2 pancerz izolacji rurociągu na pionowym odcinku pomiędzy Z1 i Z2 jest pogięty z powodu kolizji możliwość utrudnionego wydłużenia cieplnego z powodu blokowania rurociągu Strona 3 z 14

Lp. Ozn. Fotografia Opis niezgodności 3 Z2 nieprawidłowa pozycja ślizgu, który nie leży na stole, lecz opiera się o kątownik służący jako ogranicznik przemieszczeń poprzecznych zawieszenie jest zablokowane w kierunku pionowym poprzez dokręcone nakrętki blokujące 4 Z5 jeden z zespołów sprężynowych koliduje z innym rurociągiem cięgno przechodzi przez kratkę podestu 5 Z6-Z7 pancerz izolacji rurociągu na pionowym odcinku pomiędzy Z6 i Z7 jest pogięty z powodu kolizji z kratką podestu możliwość utrudnionego wydłużenia cieplnego z powodu blokowania rurociągu 6 Z9 nieprawidłowa pozycja ślizgu, który znajduje się na krawędzi stolika (kierunek wzdłużny o około 100 mm od pozycji prawidłowej) i niewspółosiowo (kierunek poprzeczny) zawieszenie jest praktycznie zablokowane w kierunku pionowym braki nakrętek kontrujących na obejmach Strona 4 z 14

Lp. Ozn. Fotografia Opis niezgodności 7 Z10 nieprawidłowa pozycja ślizgu, który znajduje się na krawędzi stolika (kierunek wzdłużny o około 100 mm od pozycji prawidłowej) i niewspółosiowo (kierunek poprzeczny) luźna jedna z obejm braki nakrętek kontrujących na obejmach 8 Z11 nieprawidłowa pozycja ślizgu, który znajduje się niewspółosiowo (kierunek poprzeczny) zawieszenie jest praktycznie zablokowane w kierunku pionowym stolik odchylony od poziomu braki nakrętek kontrujących na obejmach 9 Z13 mocno zanieczyszczone i skorodowane elementy zawieszenia Rurociąg nieprawidłowo ustawiony na podporach mógłby z nich spaść wskutek przemieszczeń cieplnych wynikających z nagrzewania, co w konsekwencji mogłoby spowodować odkształcenie, a przez nadmierny wzrost naprężeń nawet rozszczelnienie rurociągu, dlatego uznano, iż istnieje realne zagrożenie awarią. W uzgodnieniu z UDT zalecono zatem natychmiastowy remont i regulację systemu zamocowań w celu przywrócenia ich prawidłowych pozycji gwarantujących swobodne przemieszczenia w bezpiecznych granicach. Strona 5 z 14

Dodatkowo w trakcie szczegółowej analizy dokumentacji projektowej rurociągu otrzymanej od użytkownika zaobserwowano, że przyjęte przez projektanta przemieszczenia rurociągów na niektórych zawieszeniach oraz ich nośności są nieosiągalne, biorąc pod uwagę układ rurociągu i jego gabaryty oraz zastosowane zamocowania. W celu prawidłowego ustawienia wyprzedzeń cieplnych na podporach ślizgowych dokonano pełnej analizy wytrzymałościowej rurociągu z uwzględnieniem zastosowanych typów zamocowań. Opis prac remontowych Na podstawie przeprowadzonej analizy wytrzymałościowej dokonano korekty ustawienia na podporach oraz regulacji nośności zamocowań sprężynowych. W ramach przeprowadzonych prac remontowych podpór przywrócono prawidłowe ustawienia ślizgów na podporach nr Z2, Z9, Z10 i Z11. Dokonano wymiany śrub oraz nakrętek łączących obejmy do rurociągu. Wykonano konserwację stolików i ślizgów. Wykonano przestawienie całej podpory Z11 do pozycji umożliwiającej wypoziomowanie stolika. Z uwagi na kolizję z rurociągiem, którego trasa biegnie w pobliżu, możliwe było przestawienie podpory o około 50 mm, co dla założonego celu powinno wystarczyć. Po ustawieniu podpór w pozycjach prawidłowych przywrócono możliwość ruchu podpór w kierunku pionowym poprzez regulację wysokości sprężyn i zluzowanie śrub blokujących. Wykonano montaż wskaźników przemieszczeń na podporach ślizgowych służących do kontroli wielkości i kierunków przemieszczeń rurociągu na podporach oraz ograniczników ruchu na stolikach zgodnie z rysunkiem 2. Rys. 2. Schemat przedstawiający sposób zainstalowania ograniczników ruchu i wskaźników przemieszczeń na stole ślizgowym podpory Strona 6 z 14

Ślizgi na stolikach ustawiono z uwzględnieniem wyprzedzeń cieplnych wynikających z dokumentacji projektowej. Dokumentację fotograficzną z remontu podpór ślizgowych zamieszczono w tablicy 2. Tablica 2. Dokumentacja fotograficzna wykonanych napraw na podporach Lp. Ozn. Fotografia Opis sposobu naprawy 1 Z2 wymiana śrub i nakrętek mocujących obejmę do rurociągu poprawne ustawienie ślizgu na stoliku z uwzględnieniem wyprzedzeń cieplnych przyjętych w dokumentacji projektowej montaż wskaźników przemieszczeń zabezpieczenie elementów podpory powłoką antykorozyjną 2 Z9 wymiana śrub i nakrętek mocujących obejmę do rurociągu poprawne ustawienie ślizgu na stoliku z uwzględnieniem wyprzedzeń cieplnych przyjętych w dokumentacji projektowej montaż wskaźników przemieszczeń zabezpieczenie elementów podpory powłoką antykorozyjną 3 Z10 wymiana śrub i nakrętek mocujących obejmę do rurociągu poprawne ustawienie ślizgu na stoliku z uwzględnieniem wyprzedzeń cieplnych przyjętych w dokumentacji projektowej montaż wskaźników przemieszczeń zabezpieczenie elementów podpory powłoką antykorozyjną Strona 7 z 14

Lp. Ozn. Fotografia Opis sposobu naprawy 4 Z11 wymiana śrub i nakrętek mocujących obejmę do rurociągu przesunięcie podpory o 50 mm celem wypoziomowania stolika poprawne ustawienie ślizgu na stoliku z uwzględnieniem wyprzedzeń cieplnych przyjętych w dokumentacji projektowej montaż wskaźników przemieszczeń zabezpieczenie elementów podpory powłoką antykorozyjną Po przeprowadzeniu wykazanych wcześniej napraw, korekcie ustawień na podporach i regulacji nastaw sprężyn rurociąg został dopuszczony do eksploatacji na parametrach roboczych. W miejscu naprawianych podpór odstąpiono od założenia końcowego pancerza z blachy na czas przeprowadzania badań, aby podpory były lepiej widoczne. Po nagrzaniu się rurociągu przeprowadzono kontrolę wielkości przemieszczeń i ustawienia podpór. Analizując stan zamocowań, można stwierdzić, że przemieszczenia na podporach odpowiadają wielkościom przemieszczeń wynikających z przeprowadzonej analizy wytrzymałościowej, a wprowadzone zmiany zapewniają swobodne przemieszczanie w bezpiecznych granicach, eliminując niebezpieczeństwo spadnięcia rurociągu. Korekty wymaga jedynie ustawienie podpory Z9, dla której przyjęte wyprzedzenie cieplne było zbyt duże. Tablica 3. Dokumentacja fotograficzna dla wybranych podpór w stanie gorącym Lp. Ozn. Fotografia Opis niezgodności 1 Z2 brak uwag Strona 8 z 14

Lp. Ozn. Fotografia Opis niezgodności 2 Z9 przemieszczenia rzeczywiste są mniejsze niż założono w dokumentacji projektowej przyjęte wyprzedzenie cieplne przy naprawie zawieszenia jest zbyt duże wymagana korekta ustawienia ślizgu 3 Z10 brak uwag 4 Z11 brak uwag Wyniki analizy wytrzymałościowej Jak wspomniano wcześniej, przed przystąpieniem do korekty ustawienia zamocowań wykonano pełną analizę wytrzymałościową rurociągu z uwzględnieniem: stanu projektowego z uwzględnieniem nośności projektowej zamocowań; stanu rzeczywistego przed wykonanymi naprawami i regulacjami; Strona 9 z 14

stanu optymalnego z uwzględnieniem swobodnych przemieszczeń i optymalnych nośności zamocowań według wykonanych obliczeń. Analizę wykonano głównie w celu weryfikacji przemieszczeń cieplnych zamieszczonych w dokumentacji projektowej. Analiza wykazała zasadność wątpliwości dotyczących wyprzedzeń cieplnych na podporach zawartych w dokumentacji i pozwoliła na bezpieczne ustawienie podpór z zachowaniem zapasu zakresu pracy dla warunków rzeczywistych. Dodatkowo, posiadając gotowy model rurociągu, wykonano analizę optymalnych nośności zamocowań dla zoptymalizowania występujących stanów naprężeń. Wyniki porównawcze wykonanej analizy pokazujące rozkład naprężeń dla stanu przed modernizacją i symulacji dla warunków optymalnych zamieszczono na rysunkach 3 7. Rys. 3. Wartości naprężeń wynikających z rozszerzalności termicznej stan przed wykonanymi naprawami (po lewej) i optymalny na podstawie wykonanych obliczeń (po prawej) Rys. 4. Wartości wskaźników naprężeń wynikających z rozszerzalności termicznej stan przed wykonanymi naprawami (po lewej) i optymalny na podstawie wykonanych obliczeń (po prawej) Strona 10 z 14

Rys. 5. Wartości naprężeń wynikających z długotrwałej pracy w zadanych warunkach roboczych stan przed wykonanymi naprawami (po lewej) i optymalny na podstawie wykonanych obliczeń (po prawej) Rys. 6. Wskaźniki naprężeń wynikających z długotrwałej pracy w zadanych warunkach roboczych stan przed wykonanymi naprawami (po lewej) i optymalny na podstawie wykonanych obliczeń (po prawej) Rys. 7. Kierunki przemieszczeń w zadanych warunkach roboczych stan przed wykonanymi naprawami (po lewej) i optymalny na podstawie wykonanych obliczeń (po prawej). Rysunek poglądowy Strona 11 z 14

Analiza uzyskanych wyników pokazuje, że po naprawie zamocowań i korekcji nastaw uzyskano globalny spadek naprężeń, a co za tym idzie zwiększenie bezpieczeństwa eksploatacji rurociągu. Efekt wykonanej analizy w sposób graficzny przedstawiają wykresy 1 i 2, na których zebrano wartości wskaźników naprężeń dla wszystkich punktów analizowanej nitki. Optymalny dobór zamocowań i zapewnienie swobody przemieszczeń na podporach ślizgowych mają wpływ na zmniejszenie wielkości naprężeń w stanach roboczych, dzięki czemu może zwiększyć się trwałość materiału rurociągu. Należy jednak zwrócić uwagę, że w celu optymalizacji pracy systemu zawieszeń analizowanego rurociągu, konieczna byłaby modernizacja istniejących rozwiązań, ponieważ jak pokazała symulacja zastosowane typy i nośności zamocowań nie są optymalne. Przykładowo, dla ślizgów warto byłoby użyć podkładek teflonowych. Wykres. 1. Zestawienie wskaźników naprężeń pochodzących od pełzania dla analizowanego rurociągu zgodnie ze stanem projektowym, rzeczywistym przed modernizacją zawieszeń i optymalnym Strona 12 z 14

Wykres. 2. Zestawienie wskaźników naprężeń długotrwałych dla analizowanego rurociągu zgodnie ze stanem projektowym, rzeczywistym przed modernizacją zawieszeń i optymalnym Podsumowanie Do podstawowych parametrów charakteryzujących zawieszenia należą: typ, nośność, zakres przemieszczeń i histereza. Zapewnienie optymalnych dla zastosowanego układu parametrów zamocowań i ich okresowa kontrola jest niezbędne. Trzeba mieć bowiem na uwadze fakt, że w trakcie eksploatacji rurociągów parametry te mogą ulec zmianie, a z powodu drobnej usterki jednego zamocowania nastąpi zakłócenie pracy zamocowań sąsiednich. Rozmieszczenie systemu zamocowań w przypadku rurociągów wysokoprężnych jest istotne z punktu widzenia bezpieczeństwa ich eksploatacji i powinno być tak dobrane, aby zapewnić odpowiedni i bezpieczny zakres przemieszczeń cieplnych. Konsekwencją źle pracującego systemu zamocowań i braku kontroli przemieszczeń na podporach może być bardzo niebezpieczne w skutkach spadnięcie rurociągu, a w konsekwencji jego rozszczelnienie, co biorąc pod uwagę parametry robocze, stanowi realne zagrożenia dla zdrowia i życia pracowników obsługi. Dlatego tak ważna jest okresowa diagnostyka systemu zamocowań i w razie konieczności dokonywanie bieżących napraw i modernizacji. Nie można jednak wykonywać korekty ustawień zamocowań bez posiadania wiedzy o potencjalnych wielkościach i kierunkach przemieszczeń roboczych. Strona 13 z 14

Do określenia tych wielkości nie wystarczy analiza dokumentacji koncesyjnej, gdyż stan zakładany na etapie projektowania może różnić się od rzeczywistości, a ponadto w projektach mogą zdarzać się błędy. Ingerując każdorazowo w stan zamocowań rurociągów, wskazana jest analiza wytrzymałościowa dla występujących w danym momencie warunków oraz zamodelowanie i weryfikacja zamierzonych operacji. Przedstawiony w niniejszym artykule przykład pokazuje, jak w dość prosty i niewymagający dużych nakładów inwestycyjnych sposób można przywrócić prawidłowe funkcjonowanie systemu zamocowań rurociągu. Literatura [1] Jasiński A., Kwiecień M., Zaczkiewicz T.: Sprawozdania oraz wyniki prac pomiarowych i badawczych, opracowania ENERGOPOMIAR Sp. z o.o., Zakład Chemii i Diagnostyki, Gliwice 2012 (niepubl.). [2] Jasiński A., Zaczkiewicz T.: Diagnostyka systemu zamocowań rurociągów parowych pracujących w układzie kolektorowym, Energetyka 2011, nr 11. [3] Jasiński A.: Modelowanie rozkładu naprężeń w systemie diagnostycznym rurociągów pracujących w warunkach pełzania, Energetyka 2012, nr 2. [4] Jasiński A.: System diagnostyczny jako sposób na wydłużenie czasu bezpiecznej eksploatacji rurociągów parowych, Energetyka 2012, nr 9. Strona 14 z 14