3. Zmiany własno ci mechanicznych badanych stali po eksploatacji w warunkach pełzania

Open Access Library Volume 3 2011 3. Zmiany własno ci mechanicznych badanych stali po eksploatacji w warunkach pełzania W wyniku procesów aktywowanych cieplnie wywołanych temperatur i ci nieniem w długim czasie nast puj zmiany w strukturze materiału, których skutkiem jest pogarszanie si zespołu jego własno ci u ytkowych, powoduj cych obni anie si zdolno ci do przenoszenia wymaganych obci e eksploatacyjnych. Niezale nie od struktury stanu wyj ciowego, nast puje obni anie si własno ci wytrzymało ciowych (R m, R e, R e t ) przy równoczesnej utracie odkształcalno ci, której odzwierciedleniem s warto ci: wydłu enia w próbie rozci ganie oraz pracy łamania w próbie udarno ci (A, KV). Wyznacznikiem zmniejszaj cych si własno ci wytrzymało ciowych jest ponadto warto ć twardo ci. Je eli charakter zachodz cych zmian mo na uznać za stosunkowo łatwy do przewidzenia, to jego wymiar liczbowy odniesiony do wymaga dla materiału w stanie wyj ciowym dla ró nych stanów zdegradowanej struktury po długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania, jest nie do przewidzenia bez stosownych bada. Dynamika zachodz cych zmian jest przede wszystkim zale na od typu struktury stanu wyj ciowego materiału oraz od rzeczywistych eksploatacyjnych warunków temperaturowonapr eniowych. Ponadto, mo liwe wyst puj ce ró nice w strukturze stanu wyj ciowego dla danego gatunku stali dodatkowo mog zwi kszać lub zmniejszać skłonno ć materiału w stanie wyj ciowym do rodzaju i szybko ci zachodz cych zmian w strukturze, w wyniku eksploatacji. Dlatego w sposobie oceny przydatno ci materiału do dalszej eksploatacji przyj to, e zale y ona od stopnia degradacji struktury, któremu przypisuje si odpowiadaj ce mu warto ci zespołu własno ci, zakładaj c e w materiale jest zapisana historia eksploatacji, a uzyskany obraz struktury jest ł cznym odzwierciedleniem stanu wyj ciowego i jej degradacji w wyniku eksploatacji. Aby oszacować i wyznaczyć bezpieczny czas eksploatacji materiału elementów urz dze pracuj cych w warunkach pełzania, szczególnie po przekroczeniu przyj tego do oblicze czasu, zwanego obliczeniowym, niezb dna jest znajomo ć ich resztkowych własno ci na pełzanie. Poniewa ka da instalacja musi być okresowo odstawiana (odstawienia planowane i nieplanowane), podlegaj c okresowym naprawom i remontom, to niezb dnym jest wykonywanie sprawdzaj cych wodnych prób ci nieniowych szczelno ci instalacji i jej zdolno ci do przenoszenia obci e w temperaturze próby. Dlatego oprócz znajomo ci resztkowych własno ci na pełzanie, istotna jest równie znajomo ć podstawowych własno ci wytrzymało ciowych i plastycznych tych materiałów po długotrwałej eksploatacji w ró nym czasie. 38 J. Dobrza ski

Materiałoznawcza interpretacja trwało ci stali dla energetyki W dalszej cz ci niniejszej monografii przedstawiono tylko wybrane wyniki bada z najcz ciej dotychczas eksploatowanych materiałów w elementach cz ci ci nieniowej kotłów pracuj cych w warunkach pełzania i tak: stali 16Mo3 z w ownic i komór przegrzewaczy pary, stali 13CrMo4-5 i 10CrMo9-10 z w ownic i komór przegrzewaczy pary, stali 14MoV6-3 z głównych ruroci gów pary oraz stali X20CrMoV11-1 z w ownic i komór przegrzewaczy pary. Celem zaprezentowania charakteru zaobserwowanych zmian b d cych skutkiem długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania i warto ci oznaczanych własno ci przedstawiono wyniki bada uzyskane na wybranych wycinkach elementów o typowych parametrach pracy i ró nym czasie eksploatacji dla ka dego z badanych gatunków stali. Dla ka dego z wycinków badanych elementów ze stali niskostopowych wyznaczono rzeczywist temperatur eksploatacji w oparciu o znajomo ć grubo ci warstwy tlenków po stronie parowo-wodnej i dotychczasowego rzeczywistego czasu pracy. Sposób jej okre lania omówiono w dalszej cz ci niniejszego rozdziału. Dla badanej stali X20CrMoV11-1 po eksploatacji rzeczywist temperatur eksploatacji przyj to natomiast w oparciu o uzyskane informacje i wyniki pomiarów eksploatacyjnych. Aby porównywać uzyskane wyniki bada dla ró nych warto ci temperatury eksploatacji, odpowiadaj cych ró nym czasom eksploatacji, R wprowadzono poj cie równowa nego czasu eksploatacji t e odpowiadaj cego przyj tej dla porównywanych materiałów równowa nej temperaturze eksploatacji T R e. Sposób jego wyznaczania przedstawiono w dalszej cz ci niniejszego rozdziału. Równocze nie, uzyskane wyniki bada odniesiono do wymaga dla materiału w stanie wyj ciowym. Temperatur eksploatacji badanych stali mo na wyznaczyć, znaj c rzeczywist grubo ć warstwy tlenków po stronie wewn trznej badanych rur po długotrwałej eksploatacji. Korozja parowo-wodna materiału elementów przegrzewaczy pary z tych stali ma charakter równomierny. W zale no ci od czasu i temperatury w elementach z tych stali powstaje odpowiedniej grubo ci warstwa tlenków elaza, która jest skutkiem korozji parowo-wodnej. Jej pr dko ć jest zale na od stałej utleniania K, temperatury eksploatacji T e oraz czasu eksploatacji t e. Została ona opisana równaniem [482]: 2 ( g w ) = K te (3) gdzie: g w przyrost grubo ci warstwy tlenków, K stała utleniania, t e czas eksploatacji. 3. Zmiany własno ci mechanicznych badanych stali po eksploatacji w warunkach pełzania 39

Open Access Library Volume 3 2011 Do wiadczenie eksploatacyjne i badania laboratoryjne potwierdziły cisłe oddziaływanie temperatury i czasu eksploatacji na przyrost grubo ci warstwy tlenków po stronie parowowodnej g w elementów przegrzewaczy pary. W oparciu o te do wiadczenia wyznaczono empiryczn zale no ć pomi dzy stał utleniania K a temperatur eksploatacji T e dla niskostopowych stali b d cych przedmiotem bada, która została opisana zale no ci [483]: 9856 log K = + 5,20. (4) T e Znaj c grubo ć warstwy tlenków i czas pracy elementów przegrzewacza pary mo na wyznaczyć równowa n temperatur dotychczasowej eksploatacji T e z równania: T 2 e t e = 9856 /[5,20 log ( g / )] (5) gdzie: T e równowa na temperatura eksploatacji, g grubo ć warstwy tlenków, t e czas eksploatacji, b d z nomogramu b d cego zale no ci grubo ci warstwy tlenków od strony parowo-wodnej g w od czasu eksploatacji t e dla ró nych warto ci temperatury eksploatacji T e w zakresie od 500 do 600 C. Czas długotrwałej eksploatacji wyra ony równowa nym czasem eksploatacji t R e, wyznaczono z uogólnionej parametrycznej zale no ci Larsona-Millera [482]: R R LM = T e (C + log t e ) = T e (C + log t e ) (6) gdzie: LM parametr Larsona-Millera, T e temperatura eksploatacji w K, T R e równowa na temperatura eksploatacji w K, t e czas eksploatacji w godzinach, t R e równowa ny czas eksploatacji w godzinach, C stała materiałowa. Czas równowa nej eksploatacji t R e materiałów badanych elementów po długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania wyznaczono dla przyj tej temperatury równowa nej T R e. Badania własno ci mechanicznych, a w tym: wytrzymało ci na rozci ganie i granicy plastyczno ci w temperaturze pokojowej, granicy plastyczno ci w podwy szonej temperaturze 40 J. Dobrza ski

Materiałoznawcza interpretacja trwało ci stali dla energetyki oraz udarno ci przy ró nych warto ciach temperatury badania wykonano, zgodnie z wymaganiami norm dla rur na elementy urz dze ci nieniowych do pracy w podwy szonej temperaturze, na próbkach wzdłu nych. Wyniki uzyskane w opracowaniach własnych [101-435] przedstawiono w postaci zale no ci badanych własno ci od równowa nego czasu eksploatacji t R e dla przyj tej stałej temperatury T R e wycinków elementów z jednego gatunku stali pochodz cych z jednego rodzaju elementów po eksploatacji w warunkach pełzania. Wyniki te odniesiono do wymaga dla rur z tych stali w stanie wyj ciowym. Wpływ długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania na wytrzymało ć na rozci ganie w temperaturze pokojowej badanych stali przedstawiono na rysunkach 23-27, a materiału wybranych w ownic oraz komór przegrzewacza pary cz ci ci nieniowej kotła z niskostopowej stali 16Mo3 przeznaczonej do długotrwałej pracy w temperaturze do ok. 500 C na rysunku 23. Wytrzymało ć na rozci ganie przez do ć długi czas utrzymuje si na poziomie warto ci wy szych ni wymagana warto ć minimalna dla materiału badanych elementów w stanie wyj ciowym. W wi kszo ci przypadków po okresie eksploatacji zbli onym do 200 000 godzin lub dłu szym nast puje jej wyra ne obni enie, ale poni ej warto ci rzeczywistych stanu wyj ciowego badanego materiału elementu. Podobne zmiany obserwuje si dla materiałów w ownic, jak i komór przegrzewaczy pary wykonanych ze stali 13CrMo4-5 przeznaczonej do długotrwałej pracy w temperaturze do ok. 560 C (rys. 24) gdzie równie nast puje znaczne obni enie wytrzymało ci na rozci ganie, ale cz sto poni ej minimalnej warto ci wymaganej dla stanu wyj ciowego. Charakter tych zmian jest jednak zale ny od poziomu wytrzymało ci na rozci ganie materiału elementu w stanie wyj ciowym, jak równie od parametrów temperaturowo-napr eniowych eksploatacji. Podobne zmiany jak dla stali 13CrMo4-5 zaobserwowano równie w materiale w ownic i komór przegrzewaczy pary ze stali X20CrMoV11-1 przeznaczonej do długotrwałej pracy w temperaturze do ok. 590 C (rys. 27). Obni anie si wytrzymało ci na rozci ganie materiału w ownic wykonanych zestali 10CrMo9-10 przeznaczonej do długotrwałej pracy w temperaturze do ok. 580 C zachodzi podobnie, chocia jej wyra ny spadek obserwuje si po znacznym przekroczeniu 200 000 godzin pracy w warunkach pełzania (rys. 25a). Dla materiałów komór przegrzewaczy z tej stali nie stwierdzono natomiast wytrzymało ci na rozci ganie ni szej ni wymagana warto ć minimalna nawet dla materiałów tych komór po najdłu szym równowa nym czasie eksploatacji (rys. 25b). Podobne wyniki uzyskano dla materiałów elementów 3. Zmiany własno ci mechanicznych badanych stali po eksploatacji w warunkach pełzania 41

Open Access Library Volume 3 2011 głównych ruroci gów parowych wykonanych ze stali 14MoV6-3 przeznaczonej do długotrwałej pracy w temperaturze do ok. 580 C (rys. 26). Rysunek 23. Wpływ długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania na wytrzymało ć na rozci ganie w temperaturze pokojowej materiału elementów cz ci ci nieniowej kotłów energetycznych z niskostopowej stali 16Mo3: a) w ownic przegrzewacza pary, b) komór przegrzewacza pary; T e R = 500 C Wytrzymało ć na rozci ganie Rm, MPa Wytrzymało ć na rozci ganie Rm, MPa Wytrzymało ć na rozci ganie Rm, MPa Wytrzymało ć na rozci ganie Rm, MPa Równowa ny czas eksploatacji t e R, h Równowa ny czas eksploatacji t e R, h Równowa ny czas eksploatacji t e R, h Równowa ny czas eksploatacji t e R, h Rysunek 24. Wpływ długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania na wytrzymało ć na rozci ganie w temperaturze pokojowej materiału elementów cz ci ci nieniowej kotłów energetycznych z niskostopowej stali 13CrMo4-5: a) w ownic przegrzewacza pary, b) komór przegrzewacza pary; T e R = 520 C 42 J. Dobrza ski

Materiałoznawcza interpretacja trwało ci stali dla energetyki Rysunek 25. Wpływ długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania na wytrzymało ć na rozci ganie w temperaturze pokojowej materiału elementów cz ci ci nieniowej kotłów energetycznych z niskostopowej stali 10CrMo9-10: a) w ownic przegrzewacza pary, b) komór przegrzewacza pary i ruroci gów pary wtórnej; T e R = 540 C Rysunek 26. Wpływ długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania materiału wycinków głównych ruroci gów pary kotłów energetycznych z niskostopowej stali 14MoV6-3 na wytrzymało ć na rozci ganie w temperaturze pokojowej; T R e = 540 C Rysunek 27. Wpływ długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania materiału elementów cz ci ci nieniowej kotłów energetycznych z wysokochromowej stali X20CrMoV11-1 na wytrzymało ć na rozci ganie w temperaturze pokojowej; a) w ownic przegrzewaczy pary; T e R = 570 C, b) komór wylotowych przegrzewacza pary; T e R = 540 C 3. Zmiany własno ci mechanicznych badanych stali po eksploatacji w warunkach pełzania 43

Open Access Library Volume 3 2011 W podobny sposób jak wyniki bada wytrzymało ci na rozci ganie przedstawiono uzyskane wyniki bada granicy plastyczno ci w temperaturze pokojowej (rys. 28-32). Wpływ długotrwałej eksploatacji, wyra ony równowa nym czasem eksploatacji, na granic plastyczno ci w temperaturze pokojowej wycinków elementów kotła ze stali 16Mo3 przedstawiono na rysunku 28. Niezale nie od czasu eksploatacji zarówno dla materiałów w ownic, jak i komór przegrzewaczy pary, granica plastyczno ci jest wy sza od minimalnej wymaganej dla materiału w stanie wyj ciowym. Podobne wyniki uzyskano dla materiału w ownic i komór przegrzewacza pary wykonanych ze stali 13CrMo4-5 (rys. 29a). Rysunek 28. Wpływ długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania na granic plastyczno ci w temperaturze pokojowej materiału elementów cz ci ci nieniowej kotłów energetycznych z niskostopowej stali 16Mo3: a) w ownic przegrzewacza pary, b) komór przegrzewacza pary; T e R = 500 C Rysunek 29. Wpływ długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania na granic plastyczno ci w temperaturze pokojowej materiału elementów cz ci ci nieniowej kotłów energetycznych z niskostopowej stali 13CrMo4-5: a) w ownic przegrzewacza pary, b) komór przegrzewacza pary; T e R = 520 C 44 J. Dobrza ski

Materiałoznawcza interpretacja trwało ci stali dla energetyki Wyniki bada granicy plastyczno ci w temperaturze pokojowej materiałów komór przegrzewacza pary wykonanych ze stali 13CrMo4-5, w ownic i komór przegrzewaczy pary ze stali 10CrMo9-10 oraz materiałów głównych ruroci gów parowych ze stali 14MoV6-3 wykazuj natomiast znaczne zró nicowanie i wi kszo ć materiałów po eksploatacji nawet cz sto krótszej ni 100 000 godzin charakteryzuje si warto ciami znacznie ni szymi ni minimalna wymagana dla stanu wyj ciowego tych stali (rys. 29b, 30, 31). Zbadane materiały w ownic i komór przegrzewaczy pary ze stali X20CrMoV11-1 charakteryzuj si natomiast systematycznym obni aniem warto ci granicy plastyczno ci, która najcz ciej powy ej 150 000 godzin eksploatacji jest ni sza od wymaganej dla stanu wyj ciowego tej stali, co przedstawiono na rysunku 32. Rysunek 30. Wpływ długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania na granic plastyczno ci w temperaturze pokojowej materiału elementów cz ci ci nieniowej kotłów energetycznych z niskostopowej stali 10CrMo9-10: a) w ownic przegrzewacza pary, b) komór przegrzewacza pary i ruroci gów pary wtórnej; T e R = 540 C Rysunek 31. Wpływ długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania materiału wycinków głównych ruroci gów pary wie ej kotłów energetycznych z niskostopowej stali 14MoV6-3 na granic plastyczno ci w temperaturze pokojowej; T e R = 540 C 3. Zmiany własno ci mechanicznych badanych stali po eksploatacji w warunkach pełzania 45

Open Access Library Volume 3 2011 Wpływ długotrwałej eksploatacji na wydłu enie w próbie rozci gania przedstawiono dla materiału badanych elementów wykonanych: ze stali 16Mo3 na rysunku 33, ze stali 13CrMo4-5 na rysunku 34, ze stali 10CrMo9-10 na rysunku 35, ze stali 14MoV6-3 na rysunku 36 oraz ze stali X20CrMoV11-1 na rysunku 37. Dla wszystkich badanych materiałów uzyskane warto ci s wy sze, a w pojedynczych przypadkach co najmniej równe warto ci wymaganej dla stanu Rysunek 32. Wpływ długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania materiału elementów kotłów energetycznych z wysokochromowej stali X20CrMoV11-1 na granic plastyczno ci w temperaturze pokojowej: a) w ownic przegrzewacza pary; T e R = 570 C, b) komór przegrzewacza pary; T e R = 540 C Rysunek 33. Wpływ długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania na wydłu enie w próbie rozci gania w temperaturze pokojowej materiału elementów cz ci ci nieniowej kotłów energetycznych z niskostopowej stali 16Mo3: a) w ownic przegrzewacza pary, b) komór przegrzewacza pary; T e R = 500 C 46 J. Dobrza ski

Materiałoznawcza interpretacja trwało ci stali dla energetyki wyj ciowego ka dej z badanych stali i to nawet po czasie eksploatacji znacznie przekraczaj cym 200 000 godzin. Wpływ długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania badanych stali na granic plastyczno ci w podwy szonej temperaturze przedstawiono w postaci graficznej na rysunkach 38-42. Uzyskane wyniki bada odniesiono do wymaga dla materiału w stanie wyj ciowym, a czas długotrwałej eksploatacji wyra ono równowa nym czasem eksploatacji t R e. Dla badanej stali 16Mo3 granica plastyczno ci w temperaturze 490 C oraz dla stali 13CrMo4-5 w temperaturze Rysunek 34. Wpływ długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania na wydłu enie w próbie rozci gania w temperaturze pokojowej materiału elementów cz ci ci nieniowej kotłów energetycznych z niskostopowej stali 13CrMo4-5: a) w ownic przegrzewacza pary, b) komór przegrzewacza pary i ruroci gów pary wtórnej; T e R = 520 C Rysunek 35. Wpływ długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania na wydłu enie w próbie rozci gania w temperaturze pokojowej materiału elementów cz ci ci nieniowej kotłów energetycznych z niskostopowej stali 10CrMo9-10: a) w ownic przegrzewacza pary, b) komór przegrzewacza pary i ruroci gów pary wtórnej; T e R = 540 C 3. Zmiany własno ci mechanicznych badanych stali po eksploatacji w warunkach pełzania 47

Open Access Library Volume 3 2011 500 C do 100 000 godzin pracy, jest wy sza od minimalnej warto ci wymaganej dla stanu wyj ciowego. Powy ej 100 000 godzin pracy w warunkach pełzania dla stali 16Mo3 utrzymuje si ona w dalszym ci gu na poziomie powy ej warto ci minimalnej wymaganej dla stanu wyj ciowego, a dla stali 13CrMo4-5 ulega ona najcz ciej obni eniu poni ej tej warto ci i to cz sto znacznie (rys. 38, 39). Dla wielu badanych wycinków elementów ze stali 10CrMo9-10 oraz 14MoV6-3 granica plastyczno ci w temperaturze 500 C ju po kilkudziesi ciu tysi cach godzin pracy jest natomiast ni sza od wymaganej dla stanu wyj ciowego, a powy ej 100 000 Rysunek 36. Wpływ długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania materiału wycinków głównych ruroci gów pary wie ej kotłów energetycznych z niskostopowej stali 14MoV6-3 na wydłu enie w próbie rozci gania w temperaturze pokojowej; T e R = 540 C Rysunek 37. Wpływ długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania materiału elementów kotłów energetycznych z wysokochromowej stali X20CrMoV11-1 na wydłu enie w próbie rozci gania w temperaturze pokojowej: a) w ownic przegrzewacza pary; T e R = 570 C, b) komór przegrzewacza pary; T e R = 540 C 48 J. Dobrza ski

Materiałoznawcza interpretacja trwało ci stali dla energetyki godzin praktycznie dla ka dego z tych wycinków (rys. 40, 41). Wycinki elementów z martenzytycznej stali X20CrMoV11-1 zachowuj granic plastyczno ci w temperaturze 550 C o warto ci wy szej od minimalnej wymaganej warto ci dla stanu wyj ciowego do 200 000 godzin pracy. Po jeszcze dłu szym czasie pracy wycinków w ownic z tej stali, granica plastyczno ci ulega systematycznemu obni aniu z wydłu aniem si czasu eksploatacji, zachowuj c jednak warto ć wy sz od warto ci wymaganej dla stanu wyj ciowego, jeszcze długo po przekroczeniu 200 000 godzin pracy (rys. 42). Rysunek 38. Wpływ długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania na granic plastyczno ci w podwy szonej temperaturze materiału elementów cz ci ci nieniowej kotłów energetycznych z niskostopowej stali 16Mo3: a) w ownic przegrzewacza pary, b) komór przegrzewacza pary; T e R = 500 C Rysunek 39. Wpływ długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania na granic plastyczno ci w podwy szonej temperaturze materiału elementów cz ci ci nieniowej kotłów energetycznych z niskostopowej stali 13CrMo4-5: a) w ownic przegrzewacza pary, b) komór przegrzewacza pary; T e R = 520 C 3. Zmiany własno ci mechanicznych badanych stali po eksploatacji w warunkach pełzania 49

Open Access Library Volume 3 2011 Rysunek 40. Wpływ długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania na granic plastyczno ci w podwy szonej temperaturze materiału elementów cz ci ci nieniowej kotłów energetycznych z niskostopowej stali 10CrMo9-10: a) w ownic przegrzewacza pary, b) komór przegrzewacza pary i ruroci gów pary wtórnej; T e R = 540 C Rysunek 41. Wpływ długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania materiału wycinków głównych ruroci gów pary wie ej kotłów energetycznych z niskostopowej stali 14MoV6-3 na granic plastyczno ci w podwy szonej temperaturze; T e R = 540 C Wykonano równie próby rozci gania w temperaturze podwy szonej, odpowiadaj cej temperaturze badania granicy plastyczno ci, której wyniki dla badanych stali przedstawiono w niniejszym rozdziale. Całkowite wydłu enie w tych próbach dla wszystkich badanych materiałów po długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania było nie ni sze od warto ci wymaganej w temperaturze pokojowej dla rur z poszczególnych badanych stali w stanie wyj ciowym. Jego warto ć wiadczy o zachowanej wystarczaj cej zdolno ci do odkształce tych materiałów w warunkach eksploatacyjnych. 50 J. Dobrza ski

Materiałoznawcza interpretacja trwało ci stali dla energetyki Rysunek 42. Wpływ długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania materiału elementów kotłów energetycznych z wysokochromowej stali X20CrMoV11-1 na granic plastyczno ci w podwy szonej temperaturze: a) w ownic przegrzewacza pary; T e R = 570 C, b) komór przegrzewacza pary; T e R = 540 C Praca łamania KV, J Równowa ny czas eksploatacji t e R, h Rysunek 43. Wpływ długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania na udarno ć w temperaturze pokojowej materiału komory przegrzewacza pary cz ci ci nieniowej kotłów energetycznych wykonanych z niskostopowej stali 16Mo3; T e R = 500 C Istotn cech wiadcz c o zdolno ci do odkształce materiału, oprócz wydłu enia w próbie rozci gania, jest warto ć pracy łamania uzyskiwana w próbie udarno ci. Znajomo ć warto ci tego wska nika daje mo liwo ć przyj cia w praktyce przemysłowej wła ciwej warto ci temperatury prowadzenia wodnych prób ci nieniowych oraz warunków uruchomiania i odstawiania kotła, dostosowanych do stanu tych materiałów po długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania. Badania te wykonano dla tych elementów, których grubo ć pozwalała 3. Zmiany własno ci mechanicznych badanych stali po eksploatacji w warunkach pełzania 51

Open Access Library Volume 3 2011 na pobranie próbek udarno ci tzn. wycinków rur z komór przegrzewacza oraz ruroci gów pary. Warto ć pracy łamania w temperaturze pokojowej zmierzonej na próbkach udarno ciowych z karbem U2 lub V, pobranych równolegle do osi badanych wycinków rur, w zale no ci od równowa nego czasu eksploatacji t R e, przedstawiono na rysunkach 43-47. Praca łamania badanych wycinków elementów ze stali 16Mo3 oraz 13CrMo4-5 po długotrwałej eksploatacji, nawet przekraczaj cej znacznie 100 000 godzin, pomimo obni ania si jej warto ci, jest wy sza ni minimalna oczekiwana 27 J, ale cz sto ni sza ni wymagana Praca łamania KV, J Równowa ny czas eksploatacji t e R, h Rysunek 44. Wpływ długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania na udarno ć w temperaturze pokojowej materiału komory przegrzewacza pary cz ci ci nieniowej kotłów energetycznych wykonanych z niskostopowej stali 13CrMo4-5; T e R = 520 C Rysunek 45. Wpływ długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania na udarno ć w temperaturze pokojowej materiału komory przegrzewacza pary cz ci ci nieniowej kotłów energetycznych wykonanych z niskostopowej stali 10CrMo9-10; T e R = 540 C 52 J. Dobrza ski

Materiałoznawcza interpretacja trwało ci stali dla energetyki minimalna dla stanu wyj ciowego (rys. 43, 44). Podobnie zachowuj si wycinki elementów po eksploatacji w warunkach pełzania ze stali 10CrMo9-10 (rys. 45). Natomiast stale 14MoV6-3 oraz X20CrMoV11-1 po długotrwałej eksploatacji w takich warunkach charakteryzuj si nisk warto ci pracy łamania na próbkach z karbem V w temperaturze pokojowej, która ju po 100 000 godzin pracy jest co najwy ej zbli ona do oczekiwanej minimalnej pracy łamania wynosz cej 27 J, a najcz ciej od niej ni sza, nie spełniaj c wymaga dotycz cych minimalnej warto ci dla stanu wyj ciowego (rys. 46, 47). Rysunek 46. Wpływ długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania na udarno ć w temperaturze pokojowej materiału wycinków głównych ruroci gów pary wie ej kotłów energetycznych z niskostopowej stali 14MoV6-3; T e R = 540 C Rysunek 47. Wpływ długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania na udarno ć w temperaturze pokojowej materiału komór cz ci ci nieniowej kotłów energetycznych z wysokochromowej stali X20CrMoV11-1; T e R = 540 C 3. Zmiany własno ci mechanicznych badanych stali po eksploatacji w warunkach pełzania 53

Open Access Library Volume 3 2011 Oprócz znajomo ci rzeczywistych warto ci pracy łamania w próbach udarno ci w temperaturze pokojowej dla badanych elementów cz ci ci nieniowej kotłów energetycznych b d cych w eksploatacji, istotn informacj jest równie temperatura przej cia w stan kruchy (rys. 48-50). Temperatura ta odpowiada przełomom uzyskanym w próbie udarno ci o zbli onym udziale przełomu o charakterze ci gliwym i kruchym (50/50%). W praktyce przyjmuje si, e stan taki odpowiada pracy łamania równej 27 J, uzyskiwanej na standardowych próbkach z karbem V. Potwierdzeniem s wyniki bada fraktograficznych przełomów złamanych próbek udarno ciowych wykonane w skaningowym mikroskopie elektronowym. Wykazuj one istotne ró nice mi dzy stanem wyj ciowym, gdy przełom jest ci gliwy, a stanem po długotrwałej eksploatacji, gdy jest on zdominowany przez składow łupliw, a p kanie nast puje zarówno mi dzykrystalicznie po granicach ziarn, jak równie transkrystalicznie. c) d) Rysunek 48. Wyniki bada pracy łamania w próbach udarno ci KV w zale no ci od temperatury badania wraz z wyznaczon temperatur przej cia w stan kruchy materiałów głównych ruroci gów parowych kotłów energetycznych ze stali 13CrMo4-5 po eksploatacji przez: a) 64 800 godzin, b) 100 000 godzin, c) 121 500 godzin, d) 270 000 godzin 54 J. Dobrza ski

Materiałoznawcza interpretacja trwało ci stali dla energetyki Rysunek 49. Wyniki bada pracy łamania w próbach udarno ci KV w zale no ci od temperatury badania wraz z wyznaczon temperatur przej cia w stan kruchy materiałów głównych ruroci gów parowych kotłów energetycznych ze stali 14MoV6-3 po eksploatacji przez: a) 105 000 godzin, b) 193 000 godzin c) d) Rysunek 50. Wyniki bada pracy łamania w próbach udarno ci KV w zale no ci od temperatury badania wraz z wyznaczon temperatur przej cia w stan kruchy materiałów komór przegrzewacza pary kotłów energetycznych ze stali X20CrMoV11-1 po eksploatacji przez: a) w stanie wyj ciowym, b) 20 000 godzin, c) 108 000 godzin, d) 160 000 godzin, w zbli onych warunkach eksploatacyjnych 3. Zmiany własno ci mechanicznych badanych stali po eksploatacji w warunkach pełzania 55

Open Access Library Volume 3 2011 Długotrwała eksploatacja w warunkach pełzania powoduje równie obni anie si twardo ci. Wpływ długotrwałej eksploatacji na twardo ć badanych materiałów w postaci zale no ci twardo ci HV10 do równowa nego czasu eksploatacji t R e odniesionego do minimalnej warto ci twardo ci oczekiwanej dla stanu wyj ciowego badanych stali pokazano na rysunkach 51-55. Twardo ć wszystkich badanych materiałów w wyniku eksploatacji w warunkach pełzania ulega systematycznemu obni aniu si. Dla stali o strukturze ferrytyczno-perlitycznej, do których nale stale 16Mo3 i 13CrMo4-5, spadek twardo ci jest wolniejszy ni dla pozostałych Rysunek 51. Wpływ długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania na twardo ć materiału elementów krytycznych kotła z niskostopowej stali 16Mo3: a) w ownic przegrzewacza pary, b) komór przegrzewacza pary; T e R = 500 C Twardo ć HV10 Twardo ć HV10 Równowa ny czas eksploatacji t e R, [h] Równowa ny czas eksploatacji t e R, [h] Rysunek 52. Wpływ długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania na twardo ć materiału elementów krytycznych kotła z niskostopowej stali 13CrMo4-5: a) w ownic przegrzewacza pary, b) komór przegrzewacza pary; T e R = 520 C 56 J. Dobrza ski

Materiałoznawcza interpretacja trwało ci stali dla energetyki badanych gatunków stali i tym mniejszy im mniejszy jest udział obszarów perlitu w strukturze. Wpływ długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania na twardo ć na przykładzie wybranych wycinków elementów krytycznych kotła z niskostopowej stali 16Mo3 przedstawiono na rysunku 51, natomiast dla stali 13CrMo4-5 na rysunku 52. Dla stali o strukturze ferrytyczno-bainitycznej, do których nale stale 10CrMo9-10 oraz 14MoV6-3, twardo ć najcz ciej utrzymuje si na poziomie minimalnej oczekiwanej dla stanu wyj ciowego warto ci 140 HV10 i wy szej przez bardzo długi czas eksploatacji przekraczaj cy 200 000 godzin (rys. 53, 54). Dla stali X20CrMoV11-1 o strukturze odpuszczonego Rysunek 53. Wpływ długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania na twardo ć materiału elementów krytycznych kotła z niskostopowej stali 10CrMo9-10: a) w ownic przegrzewacza pary, b) komór przegrzewacza pary i ruroci gów pary wtórnej: T e R = 540 C Twardo ć HV10 Równowa ny czas eksploatacji t e R, h Rysunek 54. Wpływ długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania na twardo ć materiału elementów ruroci gów z niskostopowej stali 14MoV6-3; T e R = 540 C 3. Zmiany własno ci mechanicznych badanych stali po eksploatacji w warunkach pełzania 57

Open Access Library Volume 3 2011 martenzytu przyjmuje si twardo ć 230 HV10 jako minimaln oczekiwan dla materiału w stanie wyj ciowym. Ulega ona systematycznemu obni aniu si i po ok. 100 000 godzin eksploatacji, przy typowych dla niej warunkach pracy, wynosi od 200 do 220 HV10, a po czasie eksploatacji dłu szym ni 150 000 godzin najcz ciej jest poni ej 200 HV10. Wpływ długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania na twardo ć na przykładzie wybranych materiałów elementów krytycznych kotła z wysokochromowej stali X20CrMoV11-1 przedstawiono na rysunku 55. Spo ród wszystkich własno ci mechanicznych najbardziej istotn i decyduj c o przydatno ci do eksploatacji w warunkach pełzania s jednak własno ci wyznaczane w wyniku prób pełzania. Wytrzymało ć na pełzanie, b d ca podstaw do oblicze projektowych, decyduje o zdolno ci do przenoszenia obci e eksploatacyjnych elementów wykonanych z badanych materiałów. Długotrwała eksploatacja ka dego z badanych materiałów powoduje obni anie si czasowej wytrzymało ci na pełzanie. Nie mo e być ona ni sza ni o 20% od warto ci redniej przyjmowanej do oblicze dla zało onego wymaganego czasu eksploatacji. Istotn jest zatem znajomo ć, dla ró nych stanów materiału po ró nym czasie eksploatacji, warto ci tej obni onej wytrzymało ci na pełzanie, definiowanej jako trwało ć resztkowa lub resztkowa wytrzymało ć na pełzanie. Wymaga to wykonania prób pełzania wycinków elementów po eksploatacji z badanych gatunków stali. Standardowa próba pełzania dla ró nych stanów materiału po ró nym czasie eksploatacji polega na rozci ganiu próbki, poddanej stałemu obci eniu w stałej temperaturze. Próba pełzania jest metod znormalizowan i przeprowadza si j zgodnie z norm PN-EN ISO 203. Twardo ć HV10 Twardo ć HV10 Równowa ny czas eksploatacji t e R, h Równowa ny czas eksploatacji t e R, h Rysunek 55. Wpływ długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania na twardo ć materiału elementów przegrzewaczy pary z wysokochromowej stali X20CrMoV11-1: a) w ownic; T e R = 570 C, b) komór wylotowych; T e R = 540 C 58 J. Dobrza ski

Materiałoznawcza interpretacja trwało ci stali dla energetyki Próby pełzania mo na podzielić na: próby bez pomiaru wydłu enia podczas trwania próby, próby z pomiarem wydłu enia w czasie trwania próby. Na podstawie wyników bada prób pełzania do zerwania bez pomiaru wydłu enia w czasie trwania próby mo na wyznaczyć wytrzymało ć na pełzanie oraz całkowite wydłu enie po zerwaniu. Natomiast w próbach z pomiarem wydłu enia, nie prowadzonych do zerwania, mo na wyznaczyć czasow granic pełzania oraz pr dko ć pełzania w stanie ustalonym, a w próbach prowadzonych do zniszczenia równie wytrzymało ć na pełzanie. Wielko ci wynikow w próbach pełzania jest czas. Aby ich wyniki mo na było uznać za wiarygodne musz być prowadzone w warunkach temperaturowo-napr eniowych zbli onych do eksploatacyjnych. Wówczas czas prób jest długi i oczekiwanie na wyniki bada to minimum kilka a nawet kilkana cie lat. Nawet stosowane ró ne metody ekstrapolacji nie s wystarczaj ce do skrócenia czasu oczekiwania, gdy warto ci uzyskane w wyniku ekstrapolacji wymagaj potwierdzenia wynikami długotrwałych prób pełzania. Wad sposobu wyznaczania trwało ci resztkowej jest zatem czas oczekiwania na wyniki bada trwaj cy co najmniej 3 do 5 lat. W celu skrócenia czasu wykonywania bada pełzania i oceny trwało ci resztkowej w praktyce in ynierskiej stosowane s tzw. skrócone próby pełzania o czasie trwania od kilkudziesi ciu do kilku tysi cy godzin. Stwarza to mo liwo ć uzyskania wyników bada w ci gu maksimum kilkunastu miesi cy, umo liwiaj c oszacowanie trwało ci resztkowej. 10 6 t re b = r = const Czas do zerwania tr, h 10 5 10 4 10 3 10 2 Czas do zerwania tr, h 10 6 T b = T r = const 10 5 t re 10 4 10 3 10 2 T r Temperatura badania T b, C σ r Napr enie badania σ b, MPa Rysunek 56. Sposób przedstawiania wyników skróconych prób pełzania w postaci: a) zale no ć czasu do zerwania t r w przyspieszonych próbach pełzania od temperatury badania T b przy stałym napr eniu badania b = const odpowiadaj cym roboczemu r, b) zale no ć czasu do zerwania t r w skróconych próbach pełzania od napr enia badania b w stałej temperaturze badania T b = const odpowiadaj cej roboczej T r 3. Zmiany własno ci mechanicznych badanych stali po eksploatacji w warunkach pełzania 59

Open Access Library Volume 3 2011 Przyspieszenie procesu pełzania oraz skrócenie okresu wykonywania bada uzyskuje si w próbach pełzania wykonywanych przy jednoosiowym rozci ganiu na próbkach pobranych z wycinka elementu instalacji energetycznej przez wykonywanie prób: przy stałym napr eniu badania, odpowiadaj cym eksploatacyjnemu i ró nych warto- ciach temperatury badania, znacznie wy szej od temperatury eksploatacyjnej, w stałej temperaturze badania, odpowiadaj cej eksploatacyjnej i przy ró nych warto- ciach napr enia badania, znacznie wy szych od napr e roboczych. Sposób przedstawiania wyników skróconych prób pełzania wykonywanych przy stałym napr eniu badania, odpowiadaj cym roboczemu (σ b = σ r = const) dla ró nych warto ci temperatury badania T b w postaci zale no ci log t r = f (T b ) przy b = const oraz wykonywanych w stałej temperaturze, odpowiadaj cej eksploatacyjnej (T b = T r = const) i przy ró nych warto- ciach napr enia badania σ b w postaci zale no ci t r = f ( b ) przy T b = const przedstawiono na rysunku 56. Skrócone próby pełzania log t r = f (T b ) przy b = const a) ekstrapolacja b) t r(r) b = r = const log b T b = T r = const log tr b = r Rz r ± 20% Rz r T r t r(r)s t r(r) T r(r)s ; t r(r) log t r Temperatura badania, T b Czas do zerwania, log t z Rysunek 57. Wiarygodno ć oszacowania czasu do zerwania t r dla parametrów roboczych w oparciu o wyniki skróconych prób pełzania przy stałym napr eniu badania odpowiadaj cym roboczemu b = r = const; T b temperatura badania, T r temperatura robocza, b napr enie badania, r napr enie robocze, t r czas do zerwania, R z r rednia czasowa wytrzymało ć na pełzanie (wynik długotrwałych prób pełzania), t r(r)s czas do zerwania dla parametrów roboczych uzyskany w skróconych próbach pełzania jako wynik ekstrapolacji, t r(r) czas do zerwania dla parametrów roboczych uzyskany w długotrwałych próbach pełzania 60 J. Dobrza ski

Materiałoznawcza interpretacja trwało ci stali dla energetyki W przypadku skróconych prób pełzania przy stałym napr eniu, czas do zerwania t r, na podstawie ekstrapolacji prostej w kierunku temperatury eksploatacji (rys. 57a), jest oszacowany z bł dem nie przekraczaj cym 20% w stosunku do czasu wyznaczonego na podstawie wyników długotrwałych prób pełzania, a szacunek jest co najwy ej zani ony, ale mie ci si w pa mie dopuszczalnego rozrzutu prób długotrwałych (rys. 57b). Natomiast w przypadku skróconych prób pełzania prowadzonych w stałej temperaturze badania T b czas do zerwania t r na podstawie ekstrapolacji prostej w kierunku napr enia eksploatacyjnego (rys. 58a) jest szacowany z bł dem znacznie wi kszym, przy wi kszym rozrzucie uzyskiwanych wyników bada, a szacunek jest najcz ciej znacznie zawy ony, co jest wynikiem zbyt optymistycznym. Du a zbie no ć wyników uzyskiwanych w próbach skróconych i długotrwałych umo liwia stosowanie w praktyce tej metody z wykorzystaniem skróconych prób pełzania przy stałym napr eniu. Jednak wiarygodno ć uzyskiwanych wyników bada i oszacowania czasu do zerwania t r dla wymaganej temperatury roboczej T r (uzyskiwanego w wyniku ekstrapolacji Skrócone próby pełzania log t z = f( b ) przy T b = const a) ekstrapolacja b) t r(r)s T b = T r = const log b T b = T r = const log tr b = r Rz r ± 20% Rz r t r(r)s >> t r(r) r t r(r) t r(r)s Napr enie badania b Czas do zerwania log t z Rysunek 58. Wiarygodno ć oszacowania czasu do zerwania t z dla parametrów roboczych w oparciu o wyniki skróconych prób pełzania w stałej temperaturze odpowiadaj cej eksploatacyjnej T b = T r = const; T b temperatura badania, T r temperatura robocza, b napr enie badania, r napr enie robocze, t r czas do zerwania, Rz r rednia czasowa wytrzymało ć na pełzanie (wynik długotrwałych prób pełzania), t z(r)s czas do zerwania dla parametrów roboczych uzyskany w skróconych próbach pełzania jako wynik ekstrapolacji, t r(r) czas do zerwania dla parametrów roboczych uzyskany w długotrwałych próbach pełzania 3. Zmiany własno ci mechanicznych badanych stali po eksploatacji w warunkach pełzania 61

Open Access Library Volume 3 2011 wyznaczonej prostej) uwarunkowane s zachowaniem stałej temperatury w trakcie wykonywania prób pełzania na długo ci pomiarowej próbki przez cały czas trwania próby. Wymaga to wykonywania bada wył cznie w specjalistycznym laboratorium pełzania. Natomiast wad tej metody jest ograniczenie w zakresie stosowanych warto ci temperatury badania, wynikaj ce z zachodz cych w materiale procesów wydzieleniowych. Warto ci temperatury musz być zatem dobierane indywidualnie dla ka dego badanego gatunku materiału. Na podstawie blisko 40-letniej praktyki autora w zakresie porównywania wyników skróconych prób pełzania i ich ekstrapolacji z wynikami prób długotrwałych do 100 000 godzin stwierdzono, e porównanie wyników skróconych prób pełzania i ich ekstrapolacji z wynikami długotrwałych prób pełzania, daje mo liwo ć stosowania wyników tych prób, zarówno materiału w stanie wyj ciowym jak i po długotrwałej eksploatacji, dla okre lenia trwało ci, której miar jest czas do zerwania t r. Dotyczy to jednak tylko prób wykonywanych w temperaturze wy szej od temperatury eksploatacyjnej przy stałym napr eniu odpowiadaj cym warunkom dalszej pracy. Wówczas wyznaczenie czasu do zerwania t r nie wymaga dla materiału po eksploatacji znajomo ci historii i warunków dotychczasowej eksploatacji elementu, wymaga natomiast znajomo ci warunków roboczych dalszej pracy ( r, t r ). W dalszej cz ci niniejszego rozdziału przedstawiono wyniki skróconych prób pełzania wybranych wycinków głównych ruroci gów pary wie ej ze stali 14MoV6-3 oraz komór wylotowych przegrzewaczy pary ze stali X20CrMoV11-1 cz ci ci nieniowej kotłów energetycznych po ró nym czasie eksploatacji od 100 000 do 200 000 godzin. Badania wycinków elementów ze stali 14MoV6-3 wykonano przy stałej warto ci napr - enia badania b = 60 MPa, odpowiadaj cej eksploatacji w stałej temperaturze o ró nej warto ci z zakresu pomi dzy 600 a 700 C, czyli znacznie wy szej od przewidywanej temperatury dalszej eksploatacji, w porównaniu z typowym stanem wyj ciowym. Uzyskane rezultaty przedstawiono na rysunku 59. Na rysunku 60 zaprezentowano natomiast uzyskane wyniki bada wykonanych w stałej temperaturze o ró nej warto ci równie z zakresu od 600 do 700 C przy stałej warto ci napr enia badania b = 100 MPa odpowiadaj cego eksploatacyjnemu dla komór wykonywanych ze stali X20CrMoV11-1. Wynik ekstrapolacji, do warto ci temperatury odpowiadaj cej temperaturze dalszej eksploatacji, w postaci wyznaczonej trwało ci resztkowej zestawiono odpowiednio w tablicy 7 dla stali 14MoV6-3 oraz w tablicy 8 dla stali X20CrMoV11-1 po ró nym czasie eksploatacji i w nieco zró nicowanej temperaturze. 62 J. Dobrza ski

Materiałoznawcza interpretacja trwało ci stali dla energetyki c) Czas do zerwania tre, h b =60 MPa Stan wyj ciowy b =60 MPa t e =105 000 h b =60 MPa t e =118 000 h d) e) Czas do zerwania tre, h t e =148 000 h b =60 MPa t e =186 000 h b =60 MPa f) g) Czas do zerwania tre, h t e =193 000 h b =60 MPa b =60 MPa t e =200 000 h Temperatura badania T b, o C Rysunek 59. Wyniki skróconych prób pełzania przy stałym poziomie napr enia badania b = 60 MPa materiału głównych ruroci gów pary wie ej ze stali 14MoV6-3 po eksploatacji w warunkach pełzania w ró nym czasie: a) w stanie wyj ciowym, b) 105 000 h, c) 118 000 h, d) 148 000 h, e) 186 000 h, f) 193 000 h, g) 200 000 h 3. Zmiany własno ci mechanicznych badanych stali po eksploatacji w warunkach pełzania 63

Open Access Library Volume 3 2011 b =100 MPa b =100 MPa Czas do zerwania tre, h Stan wyj ciowy t e =20 000 h c) d) Czas do zerwania tre, h Czas do zerwania tre, h b =100 MPa t e =108 000 h e) f) b =100 MPa t e =186 000 h b =100 MPa t e =160 000 h b =100 MPa t e =186 000 h Temperatura badania T b, o C Rysunek 60. Wyniki skróconych prób pełzania przy stałym poziomie napr enia badania b = 100 MPa materiału komór przegrzewacza pary ze stali X20CrMoV11-1 po eksploatacji w warunkach pełzania w ró nym czasie: a) w stanie wyj ciowym, b) 20 000 h, c) 108 000 h, d) 160 000 h, e) 186 000 h, f) 186 000 h 64 J. Dobrza ski

Materiałoznawcza interpretacja trwało ci stali dla energetyki Tablica 7. Trwało ć resztkowa w temperaturze 550 i 560 C na podstawie skróconych prób pełzania badanych materiałów ze stali 14MoV6-3 po pracy w warunkach pełzania dla napr enia badania odpowiadaj cego parametrom dalszej eksploatacji Parametry dotychczasowej eksploatacji Temperatura T e, C Czas t e, h Poziom napr enia dalszej eksploatacji ep = 60 MPa Temperatura T ep, C 550 560 Stan wyj ciowy 600 000 340 000 105 000 250 000 140 000 118 000 450 000 280 000 Trwało ć 148 000 300 000 210 000 540 resztkowa t re, h 186 000 85 000 50 000 193 000 110 000 65 000 200 000 85 000 50 000 Tablica 8. Trwało ć resztkowa w temperaturze 540, 550 i 560 C na podstawie skróconych prób pełzania badanych materiałów ze stali X20CrMoV11-1 po pracy w warunkach pełzania dla napr enia badania odpowiadaj cego parametrom dalszej eksploatacji Parametry dotychczasowej eksploatacji Temperatura T e, C Czas t e, h Poziom napr enia dalszej eksploatacji ep = 100 MPa Temperatura T ep, C 540 550 560 Stan wyj ciowy 720 000 350 000 180 000 540 20 000 150 000 65 000 35 000 540 108 000 Trwało ć 210 000 110 000 60 000 540 160 000 resztkowa t re, h 110 000 45 000 20 000 540 186 000 25 000 12 000 5 500 540 186 000 2 100 1 050 550 Aby wyznaczyć charakterystyk czasowej wytrzymało ci na pełzanie badanych materiałów po eksploatacji w warunkach pełzania poza obliczeniowy czas pracy, niezb dne jest wykonanie prób pełzania w warunkach temperaturowo-napr eniowych umo liwiaj cych uzyskanie czasów do zerwania od kilku do kilkudziesi ciu tysi cy godzin. Takie próby pełzania bez pomiaru wydłu enia w czasie trwania próby wykonano dla badanych niskostopowych stali 13CrMo4-5, 10CrMo9-10 i 14MoV6-3. Badania stali 13CrMo4-5 były przedmiotem rozprawy doktorskiej autora [101], a cytowane w dalszej cz ci niniejszego rozdziału wyniki uzyskane dla wycinków elementów po eksploatacji z tej stali przedstawiono dla porównania z wynikami bada uzyskanymi dla pozostałych gatunków badanych stali. 3. Zmiany własno ci mechanicznych badanych stali po eksploatacji w warunkach pełzania 65

Open Access Library Volume 3 2011 Próby pełzania wykonano w stałej temperaturze badania o dwóch ró nych warto ciach i przy ró nych stałych warto ciach napr enia badania, kilkunastu dla ka dego badanego wycinka elementu z ka dego gatunku stali. Warunki wykonanych prób pełzania przedstawiono w tablicy 9. Uzyskane wyniki bada przedstawiono w postaci wykresów w układzie współrz dnych napr enie badania b w skali logarytmicznej od parametru Larsona-Millera (L-M) log b = f (L-M), gdzie L-M = T b (C + log t r ) przy czym; T b temperatura badania w K, t r czas do zerwania w godzinach, C stała materiałowa. Uzyskane charakterystyki czasowej wytrzymało ci na pełzanie posłu yły do wyznaczenia resztkowej czasowej wytrzymało ci na pełzanie dla napr enia i temperatury odpowiadaj cych rzeczywistym warto ciom eksploatacyjnym. Wyznaczone warto ci dla przewidywanej temperatury eksploatacji T ep oraz warto ci napr - enia ep dalszej eksploatacji zestawiono w postaci tabelarycznej. Na rysunku 62 przedstawiono wyniki długotrwałych prób pełzania wycinków komór przegrzewaczy pary ze stali 13CrMo4-5 nie wykazuj cych zapocz tkowania procesów uszkodze Tablica 9. Warunki długotrwałych prób pełzania badanych stali Gatunek stali Badane elementy kotła Stałe napr enie b. MPa 13CrMo4-5 10CrMo9-10 14MoV6-3 wycinki komór przegrzewaczy pary po długotrwałej eksploatacji, nie wykazuj ce zapocz tkowania procesów uszkodze wewn trznych w wyniku pełzania elementy cz ci ci nieniowej kotła po długotrwałej eksploatacji, nie wykazuj ce zapocz tkowania procesów uszkodze wewn trznych w wyniku pełzania wycinki głównych ruroci gów pary wie ej po długotrwałej eksploatacji, nie wykazuj ce zapocz tkowania procesów uszkodze wewn trznych w wyniku pełzania 180, 150, 125, 100, 85, 70 125, 100, 85, 70, 50, 35, 30 200, 180, 160, 150, 125, 100 125, 100, 85, 70, 60, 50,45, 40,30 200, 180, 160, 150, 125, 100 125, 100, 85, 70, 60, 50,45, 40,30 Warunki bada Temperatura T b, o C 550 600 550 600 550 600 Maksymalny czas pojedynczej próby, godziny Ł czny czas prób, godziny 94 536 1 186 430 119 682 1 406 557 58 234 576 027 66 J. Dobrza ski

Materiałoznawcza interpretacja trwało ci stali dla energetyki wewn trznych w wyniku pełzania po długotrwałej eksploatacji, wykonanych w warunkach podanych w tablicy 9. W tablicy 10 zestawiono wyznaczon trwało ć resztkow dla temperatury T ep = 540, 545, 550 i 555 C oraz trzech warto ci napr enia ep = 40, 50 i 60 MPa. Wyniki długotrwałych prób pełzania wycinków głównych ruroci gów pary wie ej po długotrwałej eksploatacji wykonanych ze stali 14MoV6-3, nie wykazuj cych zapocz tkowania procesów uszkodze wewn trznych w wyniku pełzania, przedstawiono na rysunku 63. Badania wykonano w warunkach podanych w tablicy 9. Trwało ć resztkow wyznaczon dla temperatury T ep = 540, 545, 550 i 555 C oraz trzech poziomów napr enia ep = 60, 70 i 80 MPa zestawiono w tablicy 11. Na rysunku 64 przedstawiono natomiast wyniki długotrwałych prób pełzania materiałów elementów cz ci ci nieniowej kotła wykonanych ze stali 10CrMo9-10 nie wykazuj cych zapocz tkowania procesów uszkodze wewn trznych w wyniku pełzania po długotrwałej eksploatacji. Badania te wykonano w warunkach podanych w tablicy 9. Dla temperatury T ep = 540, 545, 550 i 555 C oraz trzech warto ci napr enia ep = 50, 60 i 70 MPa wyznaczono trwało ć resztkow, a uzyskane warto ci zestawiono w tablicy 12. Minimalna resztkowa wytrzymało ć na pełzanie Rzemin, MPa R ze min R z r 0,8 R z r Parametr Larsona-Millera Rysunek 62. Czasowa resztkowa wytrzymało ć na pełzanie materiałów, o niezapocz tkowanym procesie wewn trznych uszkodze, wycinków komór przegrzewacza pary kotłów energetycznych z niskostopowej stali 13CrMo4-5 po eksploatacji poza obliczeniowy czas pracy 3. Zmiany własno ci mechanicznych badanych stali po eksploatacji w warunkach pełzania 67

Open Access Library Volume 3 2011 Tablica 10. Prognozowana minimalna trwało ć resztkowa dla wybranych poziomów temperatury i napr enia dla wybranych poziomów napr enia dalszej eksploatacji na podstawie długotrwałych prób pełzania badanych materiałów o niezapocz tkowanym procesie wewn trznych uszkodze ze stali 13CrMo4-5 po pracy w warunkach pełzania Przyj ta temperatura dalszej eksploatacji T e, C 540 545 550 555 Parametr Larsona-Millera Poziom napr enia dalszej eksploatacji e L-M Minimalna trwało ć 40 MPa 50 MPa 60 MPa resztkowa t re, h L-M 20 550 20 150 19 850 t re 189 000 61 000 26 000 L-M 20 550 20 150 19 850 t re 132 000 43 000 18 500 L-M 20 550 20 150 19 850 t re 93 000 30 000 13 000 L-M 20 550 20 150 19 850 t re 66 000 22 000 9 500 Minimalna resztkowa wytrzymało ć na pełzanie Rzemin, MPa R ze min R z r 0,8 R z r Parametr Larsona-Millera Rysunek 63. Czasowa resztkowa wytrzymało ć na pełzanie w postaci zale no ci log b = f(l-m) materiałów, o niezapocz tkowanym procesie wewn trznych uszkodze, wycinków głównych ruroci gów pary wie ej kotłów energetycznych z niskostopowej stali 14MoV6-3 po eksploatacji poza obliczeniowy czas pracy 68 J. Dobrza ski

Materiałoznawcza interpretacja trwało ci stali dla energetyki Tablica 11. Prognozowana minimalna trwało ć resztkowa dla wybranych poziomów temperatury i napr enia dla wybranych poziomów napr enia dalszej eksploatacji na podstawie długotrwałych prób pełzania badanych materiałów o niezapocz tkowanym procesie wewn trznych uszkodze ze stali 14MoV6-3 po pracy w warunkach pełzania Przyj ta temperatura dalszej eksploatacji T e, C 540 545 550 555 Parametr Larsona-Millera Poziom napr enia dalszej eksploatacji e L-M Minimalna trwało ć 60 MPa 70 MPa 80 MPa resztkowa t re, h L-M 20 500 20 240 20 050 t re 164 000 78 500 46 000 L-M 20 500 20 240 20 050 t re 115 000 55 000 32 000 L-M 20 500 20 240 20 050 t re 81 000 30 000 23 000 L-M 20 500 20 240 20 050 t re 57 000 28 000 16 000 Minimalna resztkowa wytrzymało ć na pełzanie Rzemin, MPa R ze min R z r 0,8 R z r Parametr Larsona-Millera Rysunek 64. Czasowa resztkowa wytrzymało ć na pełzanie w postaci zale no ci log b = f(l-m) materiałów, o niezapocz tkowanym procesie wewn trznych uszkodze, elementów krytycznych kotła z niskostopowej stali 10CrMo9-10 po eksploatacji poza obliczeniowy czas pracy 3. Zmiany własno ci mechanicznych badanych stali po eksploatacji w warunkach pełzania 69

Open Access Library Volume 3 2011 Tablica 12. Prognozowana minimalna trwało ć resztkowa dla wybranych poziomów temperatury i napr enia dla wybranych poziomów napr enia dalszej eksploatacji na podstawie długotrwałych prób pełzania badanych materiałów o niezapocz tkowanym procesie wewn trznych uszkodze ze stali 10CrMo9-10 po pracy w warunkach pełzania Przyj ta temperatura dalszej eksploatacji T e, C 540 545 550 555 Parametr Larsona-Millera Poziom napr enia dalszej eksploatacji e L-M Minimalna trwało ć 50 MPa 60 MPa 70 MPa resztkowa t re, h L-M 20 650 20 300 20 000 t re 251 000 93 000 40 000 L-M 20 650 20 300 20 000 t re 176 000 65 000 28 000 L-M 20 650 20 300 20 000 t re 123 000 46 000 20 000 L-M 20 650 20 300 20 000 t re 87 000 33 000 14 000 Uzyskane wyniki bada pełzania przedstawione na wykresach zbiorczych w postaci parametrycznej krzywej Larsona-Millera resztkowej wytrzymało ci na pełzanie pozwoliły ponadto na wyznaczenie krzywej minimalnej resztkowej wytrzymało ci na pełzanie (R ze min ) dla badanych materiałów po eksploatacji bez uszkodze wewn trznych. Wyznaczone krzywe odniesiono do krzywej redniej czasowej wytrzymało ci na pełzanie (R z r ) według wymaga dla stanu wyj ciowego badanej stali oraz krzywej odpowiadaj cej dolnej granicy dopuszczalnego pasma rozrzutu -20% (0,8 R z r ) w stosunku do tej warto ci redniej. W oparciu o transformacj wyznaczonej krzywej R ze min sporz dzono charakterystyki trwało ci resztkowej materiałów po eksploatacji bez uszkodze wewn trznych w postaci zale no ci log b = f (log t r ) dla ró nych poziomów przewidywanej temperatury dalszej pracy badanych niskostopowych stali po eksploatacji poza obliczeniowy czas pracy, które pokazano odpowiednio dla stali: 13CrMo4-5 na rysunku 65, 14MoV6-3 na rysunku 66 oraz 10CrMo9-10 na rysunku 67. Na podstawie wyników wieloletnich bada własnych mo na zatem stwierdzić, e resztkowa wytrzymało ć na pełzanie maleje z wydłu eniem czasu eksploatacji, a jej warto ć, szczególnie po czasie eksploatacji dłu szym ni obliczeniowy, jest najcz ciej znacznie poni- ej warto ci redniej wymaganej dla materiału w stanie wyj ciowym. Kiedy czas eksploatacji 70 J. Dobrza ski