Diagnostyka Techniczna-Badania

Wstęp

Począwszy od 1962 roku na wybrane elementy rurociągów energetycznych, a także na korpusy armatury przemysłowej stosowano staliwo do pracy w podwyższonych temperaturach w gatunku L21HMF wg PN-62/H-83157.

Zasady obliczeń wytrzymałościowych, które były stosowane podczas projektowania elementów konstrukcyjnych opierały się na obowiązujących w tamtym okresie normach branżowych i zakładowych (2), (5), a własności mechaniczne i wynikające z nich dopuszczalne naprężenia na normie PN-62/H-83157. Na typowe elementy rurociągowe, specjalistyczne biura projektów, opracowały karty katalogowe, według których bez obliczeń wytrzymałościowych, do wymaganych wymiarów rur, można było dobierać te elementy.
Biuro Studiów i Projektów Energetycznych „Energoprojekt” Oddział w Katowicach opracowało szereg Katalogów Elementów Rurociągowych (3), w których znajdowały się Karty Katalogowe, na przykład KER - 69/2.48 „Trójniki staliwne - ciśnienie nominalne 250 i 350 kG/cm2”. Przedmiotem tej karty były trójniki staliwne stosowane w budowie rurociągów energetycznych na ciśnienie nominalne 250 i 320 kG/cm2.
Trójniki objęte wymienioną kartą przeznaczone były do zabudowy w rurociągach pary, wody i innych czynników obojętnych. Karta podaje dla trójników odlewanych najwyższe dopuszczalne ciśnienie robocze pt (kG/cm2) w zależności od temperatury t (°C) przewodzonego czynnika i gatunku staliwa. Trójniki staliwne dobierało się w zależności od wymiarów rur, a następnie ustalano wymagane grubości ścianek końcówek trójnika pod względem wytrzymałościowym w zależności od ciśnienia roboczego i temperatury przewodzonego czynnika oraz gatunku staliwa. W instalacjach energetycznych aktualnie eksploatowanych zabudowane są jeszcze elementy rurociągowe (trójniki, czwómiki), a także korpusy armatury przemysłowej (zasuwy, zawory) wykonane ze staliwa L21HMF. Czas pracy tych elementów i to w warunkach pełzania wysokotemperaturowego jest bardzo długi, co nakazuje stosowanie w eksploatacji specjalnego nad nimi nadzoru technicznego.
Staliwo L21HMF począwszy od 1999 roku w normach gatunkowych nie występuje, zaś od początku jego stosowania normy nie precyzowały własności pełzaniowych (wytrzymałość na pełzanie, granic pełzania). W przypadkach koniecznych i uzasadnionych, nie jest, więc możliwe, prowadzenie „prostych” sprawdzających obliczeń wytrzymałościowych.
Bardzo odpowiedzialnie, z zastosowaniem indywidualnych procedur technologicznych, należy podchodzić do zagadnień remontowych, podczas których zamierza się stosować procesy spawalnicze i obróbki cieplne. Również prognozy dalszej żywotności eksploatowanych elementów rurociągowych są utrudnione.
Artykuł stanowi propozycje postępowania, w przypadku konieczności podejmowania decyzji o dalszym wykorzystywaniu lub remoncie elementów rurociągowych wykonanych ze staliwa L21HMF.

Staliwo do pracy w podwyższonych temperaturach w gatunku L21HMF

 


Staliwo L21HMF było produkowane przez polskie odlewnie począwszy od lat 60-tych ubiegłego stulecia początkowo według normy PN-62/H-83157, następnie według norm PN-73/H-83157, PN-89/H-83157. Ustanowiona przez Polski Komitet Normalizacyjny w dniu 30.12.1999 roku norma PN-EN 10213-2 (4) definitywnie eliminuje staliwo L21HMF z zastosowania w energetyce.
Wszystkie edycje normy PN/H - 83157 w stosunku do staliwa L21HMF różnią się nieznacznie składami chemicznymi i wartością dopuszczalnych odchyłek składu chemicznego.
W pierwszej i drugiej edycji omawianej normy własności mechaniczne w temperaturach podwyższonych podawane są w informacjach dodatkowych jako orientacyjne. Podobnie potraktowane zostały informacje dotyczące granic pełzania (R1/1000000) w temperaturach 475°C i 560°C.
Norma PN-89/H-83157 wprowadza wymagane wartości granic plastyczności w podwyższonych temperaturach, a w informacjach dodatkowych nie podaje już orientacyjnych wartości wytrzymałości na pełzanie Rz/T/t oraz granic pełzania R1/T/t.

Dla porównania w tabl. 1, 2 i 3 podano składy chemiczne, wymagane własności mechaniczne oraz własności pełzaniowe staliwa L21HMF i zbliżonych składem chemicznym i przeznaczeniem staliw G12CrMoV 5-2, G17CrMoV5-10 i L17HMF. Informacje zawarte w wymienionych tabelach częściowo zostały przedstawione na rys. 1.

Wyniki badań odlewów ze staliwa w gatunku L21HMF

W pracach diagnostycznych prowadzonych również przez autorów tego artykułu rozstrzygane były problemy związane z oceną jakości eksploatowanych odlewów wykonanych ze staliwa L21HMF.
W kilku przypadkach oprócz badań nieniszczących, stosowano badania niszczące i one z dużym przybliżeniem pozwalają na ocenę dalszej bezpiecznej pracy innych odlewów ze staliwa L21HMF pracujących w podobnych warunkach.
Wyniki badań składu chemicznego i własności mechanicznych
Wycinki z badanych odlewów otrzymano z korpusu zaworu szybkosterującego eksploatowanego przez około T = 164 108 godzin, w warunkach roboczych tr = 540°C, pr = 14,1 MPa oraz trójnika eksploatowanego przez T = 135 870 godzin, w warunkach roboczych tr = 535°C, pr = 14,2 MPa.


Skrócone próby pełzania


Badania staliwa po eksploatacji w warunkach pełzania pozwalają na ocenę stopnia wyczerpania materiału (stopnia uszkodzenia struktury). Badania takie stanowią główne źródło informacji o trwałości resztkowej tego staliwa. W celu skrócenia czasu wykonywania badań i oceny trwałości resztkowej stosowane są tzw. skrócone próby pełzania. Przyśpieszenie procesu pełzania uzyskuje się w wyniku podwyższenia temperatury badania ponad wartości w warunkach eksploatacyjnych z zachowaniem naprężeń odpowiadających dalszej eksploatacji. Czas trwania tych badań jest czasem do zerwania próbki wykonanej z badanego staliwa. Uzyskane wyniki badań pozwalają na wyznaczenie trwałości resztkowej Teri resztkowej trwałości rozporządzalnej Te.
Skrócone próby pełzania wykonano na próbkach wyciętych z odlewanego trójnika Dn 200 wg KER - 72/2.48 (φ200/φ150/φ200) pracującego w temperaturze tr = 540°C i ciśnieniu pr= 14 MPa przez czas około 112 000 godzin (6).
Dla tego trójnika wykonanego ze staliwa L21HMF pracującego w opisanych warunkach roboczych, naprężenia robocze wyliczone wg zapisów firmy M.W.Kellogg (zasada obliczeń stosowana w minionym okresie) wynoszą σr= 41,2 do 49 MPa. Do badań przyjęto naprężenia σr = 50 MPa oraz pięć poziomów temperatury 600°C, 630°C, 660°C, 680°C i 700°C. Uzyskane wyniki badań pozwoliły po ekstrapolacji, na opracowanie wykresu podającego zależność log Tr = f(tb), gdzie Tr - czas do zerwania, tb - temperatura badania. Uzyskany wykres przedstawia rys. 2. Badania pozwoliły na wyznaczenie (oszacowanie) trwałości resztkowej Ter = 200 000 godzin oraz rozporządzalnej trwałości resztkowej Te = około 120 000 godzin. Teoretyczne osłabienie czasowe badanego odlewu wynosi 56%.
Badania metalograficzne
Badania metalograficzne prowadzono metodami niszczącymi, a także nieniszczącymi (repliki). Obserwacje zgładów lub replik wykonano przy użyciu mikroskopów metalograficznych świetlnych i elektronowych skanujących. Wybrane, reprezentatywne dla badanego trójnika przedstawia rys. 3. Ogólnie wszystkie obserwowane struktury posiadały struktury ferrytyczno-bainityczne (perlityczne), przy czym obszary bainitu (perlitu) były znacznie skoagulowane. Na granicach ziaren ferrytu ujawniono wydzielenia o zróżnicowanej wielkości i nierównomiernie rozmieszczone. Nie stwierdzono zapoczątkowania procesów trwałych uszkodzeń pełzaniowych.
Sprawdzanie obliczenia wytrzymałościowego eksploatowanego trójkąta
Podczas badań diagnostycznych elementów rurociągów pary świeżej, rys. 4. ujawniono w jednym trójniku Dn 225wg KER - 69/2.48 (φ225/φ125/φ225) nieciągłości (naderwania), które usunięto przez szlifowanie. Parametry pracy trójnika pr = 136 bar, tr= 537°C, T= 182 500 godzin.
Dla tego przypadku przeprowadzono obliczenia wytrzymałościowe według aktualnie obowiązujących zasad. Obliczenia prowadzono wariantowo - zgodnie z PN-EN 13480-2 oraz TRD 301. Na podstawie tych obliczeń określono trwałości resztkową Ter i resztkową trwałości rozporządzalną Te. Zasadniczy problem jaki wystąpił podczas sprawdzających obliczeń wytrzymałościowych związany był z wyznaczeniem dopuszczalnych naprężeń. Dla staliwa L21HMF, jak wspomniano we wcześniejszych częściach artykułu obowiązujące w przeszłości normy nie określały średnich własności pełzaniowych.

Na podstawie własnych doświadczeń eksploatacyjnych i badań diagnostycznych oraz wyżej wymienionych rozważań, a także na podstawie analiz wyników badań innych instytucji związanych z odlewami wykonanymi ze staliwa L21HMF z dużym współczynnikiem bezpieczeństwa, dla celów diagnostycznych można przyjąć własności pełzaniowe podane w tabl. 6.
Przy założeniu, że trójnik nie posiadał naderwań lub pęknięć, uzyskane wyniki obliczeniowych naprężeń roboczych (σr = około 52 MPa) wykazały, że są one mniejsze od dopuszczalnych. Obliczone naprężenia naniesione na wykres log Rz/T/t = f (log T) pozwalają na określenie trwałości resztkową Ter i resztkowej trwałości rozporządzalnej Te. - rys. 5.
Trwałość resztkowa wyniosła około Tcr = 212 000 godzin, zaś trwałość rozporządzalna T = 127 200 godzin. Teoretyczne obciążenie czasowe wynosi 86%.
Jednak trójnik, który poddany został diagnostyce, posiadał wady (naderwania, pęknięcia) które zostały usunięte przez szlifowania. Obliczeniowa powierzchnia trójnika została zmniejszona, a więc wzrosły naprężenia robocze, σ'r = około 68 MPa. Konsekwencją tego stanu były zmiany w trwałościach i tak, trwałość resztkowa wyniosła około T’er = 150 000 godzin, zaś trwałość rozporządzalna T’e = 90 000 godzin.
Porównując trwałość resztkową z rzeczywistym czasem pracy trójnika należy podjąć decyzję o jego wymianie na nowy, podczas najbliższego postoju - teoretyczne obciążenie czasowe wynosi 122%.

 

 

 

Ogólna procedura badań diagnostycznych odlewów ze staliwa w gatunku L21HMF

Odlewane elementy rurociągów wykonane ze staliwa L21HMF pracujące w warunkach pełzania ponad 100 000 godzin wymagają szczególnej uwagi. Ogólna procedura postępowania w trakcie diagnostyki technicznej oprócz standardowych badań, musi uwzględniać kryteria strukturalne i wytrzymałościowe.
Badania metalograficzne (kryterium strukturalne)
Przygotowanie powierzchni wytypowanych miejsc odlewów do obserwacji mikroskopowej (repliki), powinno być realizowane przez metaloznawców posiadających doświadczenie w ocenie budowy strukturalnej odlewów staliwnych. Zagadnienia szlifowania, polerowania, trawienia, a także sposób zdejmowania replik precyzyjnie powinien być opisany w stanowiskowej procedurze badań.
Mikroskopowa obserwacja replik może być prowadzona z wykorzystaniem mikroskopii świetlnej, przy powiększeniach 200 i 500 razy. Jednak w przypadku czasu pracy odlewów powyżej resztkowej trwałości rozporządzalnej, repliki muszą być oceniane z wykorzystaniem mikroskopii elektronowej skanującej z zastosowaniem powiększeń większych od 1000 razy. Ujawniona budowa strukturalna badanych odlewów pozwala na ocenę zmian związanych z dyfuzyjnymi procesami pełzaniowymi.
Wykonawca badań metalograficznych, w końcowej części swojego sprawozdania zobowiązany jest podać prognozy czasu dalszej eksploatacji odlewu, w określonych warunkach eksploatacyjnych. Prognozy te uzasadnione muszą być stopniem wyczerpania struktury, których klasyfikacje ujęte są w procedurach badawczych wykonawcy i oparte dla przykładu na obowiązujących w Niemczech porozumieniach VdTUV- Merkblatt, Dampfkessel 451-83/6 8.83 (7).
Określenie trwałości resztkową Ter i resztkową trwałości rozporządzają Te. (kryterium wytrzymałościowe)
Zasady określania trwałości resztkowej Tcr i trwałości rozporządzalnej Tc ogólnie opisane zostały podczas analizy wytrzymałościowej trójnika φ225/φ125/φ225.
W uzasadnionych przypadkach, obliczenia rzeczywistych naprężeń roboczych prowadzić należy z uwzględnieniem nie tylko parametrów roboczych, ale także obciążeń od innych elementów rurociągowych.
Podobnie, jak podczas badań mikroskopowych, prowadzący obliczenia trwałości muszą, konfrontując otrzymane wyniki trwałościowe z rzeczywistym czasem pracy odlewu przedstawić stanowisko związane z dalszą ich eksploatacją.
Inne czynności realizowane w trakcie diagnostyki technicznej odlewów
Wspólna z pracownikami elektrowni lub elektrociepłowni analiza eksploatacji rurociągów, w których znajdują się odlewy. Zapoznawanie się z protokółami z rozruchów i odstawień, z występującymi obciążeniami statycznymi i dynamicznymi, z parametrami pracy i ich zmienności w czasie. Ocena stanu zamocowań oraz ich funkcjonalności w stanie gorącym i zimnym. W czasie tych prac wykonywanych przez specjalistów od zamocowań uzyskuje się informacje między innymi o wielkościach sił i momentów, które dodatkowo obciążają odlewane elementy rurociągowe.
Wszystkie odlewy w 100% należy poddać badaniom magnetyczno-proszkowym przy użyciu defektoskopu magnetycznego strumieniowego. Pomiar grubości ścianek, twardości wykonać we wszystkich charakterystycznych „węzłach odlewniczych”, a w miarę potrzeby odlewy sprawdzić metodą ultradźwiękową. W jednostkowych przypadkach, głównie w elektrowniach lub elektrociepłowniach gdzie eksploatowane są jeszcze odlewy ze staliwa L21HMF (L20HM) dla losowo pobranego odlewu wykonać badania niszczące - „wyrywkowa kontrola jakości”. Z pobranego losowo przedstawiciela grupy wyrobów pracujących w tych samych warunkach wykonuje, się próbki i przeprowadza się statyczną próbę rozciągania, próbę udamości, rentgenograficzną analizy izolatów oraz skrócone próby pełzaniowe.

Podsumowanie

  1. Czas eksploatacji elementów rurociągowych wykonanych ze staliwa L21HMF w większości przekracza 200 000 godzin.
  2. Staliwo zastosowane na te odlewy nie posiada informacji o własnościach pełzaniowych.
  3. Elementy rurociągowe wykonane ze staliwa L21HMF z uwagi na swój czas pracy, parametry robocze oraz średnie naprężenia od ciśnienia wewnętrznego posiadają tzw. współczynnik osłabienia czasowego zbliżony do 100%.
  4. Przy takim współczynniku osłabienia i braku ujemnych wyników badań diagnostycznych w postaci ujawnionych uszkodzeń, elementy można dalej eksploatować. Termin następnych szczegółowych (pełnych) badań określa w uzgodnieniu z dozorem technicznym, wykonawca badań diagnostycznych.
  5. Elementy rurociągowe ze staliwa L21HMF w których badania diagnostyczne ujawniły wady w postaci naderwań, pęknięć, rys nie powinny być naprawiane z wykorzystaniem technologii spajania i powinny być wymienione na nowe. Okres eksploatacji (pod specjalnym nadzorem) do wymiany określa w uzgodnieniu z dozorem technicznym, wykonawca badań diagnostycznych.
  6. Dla diagnostycznych obliczeń wytrzymałościowych, a także obliczeniowej trwałości elementu (trwałości resztkowej Ter), czy też czasu pracy do początku zastosowania specjalnych środków kontrolnych (resztkowa trwałości rozporządzalna Te) można przyjąć poziom wytrzymałości na pełzanie zgodnie z tabelą 6. Podane wartości wytrzymałości na pełzanie traktować można jako dolną granicę pasma rozrzutu tej własności.
  7. Badania diagnostyczne rurociągów, w których zainstalowane są elementy ze staliwa L21HMF prowadzone mogą być wyłącznie przez podmioty prawne posiadające uzgodnione z dozorem technicznym procedury badawcze.
  8. W przypadkach uzasadnionych wątpliwości związanych z bezpieczeństwem eksploatacyjnym zabudowanych elementów ze staliwa L21HMF należy je wymienić na nowe.

PIŚMIENNICTWO

  1. PN-62/H-83157 Staliwo konstrukcyjne do pracy w podwyższonych temperaturach. Gatunki
  2. Inż. Wiesław Bączkowski, Rurociągi Energetyczne. Część I - Konstrukcja i obliczenia. Część II - Sprężystość i wytrzymałość układów. WNT Warszawa, 1964
  3. KER - 69/2.48 Trójniki staliwne - Karta Katalogowa. Katalog Elementów Rurociągów, Tom II, część I podstawowe elementy ciśnieniowe - luki, zwężki, trójniki, króćce, dna (zaślepki) itd. BSiPE Energoprojekt Warszawa
  4. PN-EN 10213-2 Gatunki staliwa do stosowania w temperaturze pokojowej i w temperaturze podwyższonej. Wydawnictwo Normalizacyjne, 1999
  5. Mc Kellog Co. Design of piping systems. New York 1957
  6. Sprawozdanie nr N-06390/BM/98 Praca Badawcza „Skrócone próby pełzania wybranych trzech elementów instalacji energetycznych po długotrwałej eksploatacji” IMŻ - czerwiec 1998 r.
  7. VGB-R 509L Wytyczne VGB - Badania okresowe instalacji rurociągowych w siłowniach opalanych paliwami kopalnymi - wydanie VGB 1984 rok

Mgr inż. Tadeusz Jóźwik, Leszek Kaczanowski

Kontakt

tel: 41 346-47-35
kom: 533033322, 533033321, 533033320

Napisz do nas:

Nasz adres:

Diagnostyka Techniczna-Badania Spółka z o. o.

ul. Za Walcownią 2B
25–817 Kielce

Nasza druga lokalizacja:
Ul. Olszewskiego 6
25-663 Kielce