Pełzanie elementów rurociągów energetycznych.
Wpływ tego procesu na spawanie naprawczo-remontowe.
W okresie ostatnich kilkudziesięciu lat zauważalny jest postęp w dostępie do nowych technologii opartych na podstawach nauki o materiałach. Badane są zmiany zachodzące wewnątrz struktury materiałów w procesach technologicznych ich wytwarzania oraz w warunkach eksploatowania.
Motto:A żaden nie wprawuje łaty sukna nowego w szatę wiotchą, inaczej ona jego łata nowa ujmie nieco od wiotchej szaty, i stawa się gorsze rozdarcie [1].(Nikt nie przyszywa łaty z surowego sukna do starego ubrania. W przeciwnym razie nowa łata obrywa jeszcze [część] ze starego ubrania i robi się gorsze przedarcie.) |
Dostępna wiedza, nowoczesne narzędzia i urządzenia badawcze, a także wiele innych środków technicznych stanowią podstawę dla dokładnych analiz wytrzymałościowych i analiz rzeczywistej budowy strukturalnej obiektów technicznych eksploatowanych przez kilkadziesiąt lat. Obiekty te w wielu przypadkach spełniają pierwotne cele pomimo, że upłynął już okres projektowego i bezawaryjnego działania [2].
Aktualnie w krajowych elektrowniach i elektrociepłowniach istnieje wiele bloków energetycznych, w których niektóre węzły konstrukcyjne eksploatowane są przez czas znacznie przekraczający tak zwany „obliczeniowy czas pracy”.
Produkcja ogółem energii elektrycznej w roku 2015 wynosiła około 161 770 GWh, z tego około 135 448 GWh oparta była na węglu kamiennym i brunatnym. Elektrownie zawodowe, w których wykorzystywane jest konwencjonalne paliwo (węgiel) w około 60% przekroczyło umowny obliczeniowy czas.
Prognoza zapotrzebowania na energię finalną w horyzoncie roku 2030 przewiduje zapotrzebowanie na poziomie około 172 000 GWh [3]. Informację tę można traktować optymistycznie przy założeniu, że inwestycje w tym sektorze rozpoczynane i oddawane będą zgodnie z potrzebami. Niestety realizowana w tym zakresie nasza polityka energetyczna jest daleko niekorzystna w stosunku do potrzeb.
Skutki tej polityki i braku odpowiedniej ilości inwestycji w sektorze energetycznym powodują:
- konieczność produkcji energii w konstrukcyjnie przestarzałych, eksploatowanych ponad czas obliczeniowy i „niebezpiecznych” elektrowniach,
- dalsze doskonalenie procedur bezpiecznej eksploatacji wymienionych wyżej elektrowni,
- wyłączanie z eksploatacji bloków energetycznych i korzystanie z eksportu brakującej energii, czyli w konsekwencji uzależnianie się od innych.
W okresie ostatnich kilkunastu lat w sposób raczej dowolny próbowano doskonalić procedury ocen stanu urządzeń, po wieloletniej eksploatacji w warunkach oddziaływań mechanicznych i cieplnych. Po latach poszukiwań, analiz krajowych i zagranicznych doświadczeń w 2015 roku Urząd Dozoru Technicznego opracował Wytyczne 1/2015 [4], które stanowią podstawowe założenia metodyczne jakie powinny zawierać konkretne procedury diagnostyczne obiektów technicznych znajdujących się w eksploatowanych elektrowniach. Wytyczne te nakazują również konieczność stosowania zróżnicowanych procedur w zależności od stanu eksploatowanych urządzeń, a także od czasu eksploatacji w stosunku do teoretycznego czasu obliczeniowego.
Na potrzeby niniejszego artykułu, korzystając ze wspomnianych wytycznych, ograniczyłem się do zapisów dotyczących warunków jakie winny być spełniane w przypadku dopuszczenia w wyniku badań diagnostycznych napraw, remontów lub modernizacji z zastosowaniem technologii spawalniczych.
Od wielu lat zajmowałem się tą problematyką, od wielu lat starałem się uświadamiać o niebezpieczeństwie tych wszystkich, którzy bezwiednie zalecali naprawcze procesy spawalnicze, w których materiałem rodzimym były stale po długoletniej eksploatacji w warunkach pełzania.
Dlatego też pozwoliłem sobie podać motto mojego artykułu, które stanowi swoistą przestrogę dla tych wszystkich, dla których problemy spawalnicze zdegradowanych strukturalnie materiałów, z uwagi na brak wiedzy, nie stanowią żadnego problemu.
Proces pełzania stali
Terminem pełzanie określa się ciągłe, powolne odkształcenia plastyczne (trwałe), jak również odwracalne (sprężyste) ciał stałych [5], a więc i stali. Wyraźne efekty procesu pełzania występują głównie w wysokich temperaturach pod wpływem statycznych długotrwałych obciążeń mechanicznych. Cechą charakterystyczną pełzania jest fakt, że po odciążeniu elementu odkształcenie zmniejsza się (następuje tzw. nawrót odkształcenia). W procesie pełzania występuje zarówno odkształcenie trwałe, jak i odwracalne. W wyniku tego procesu podczas eksploatacji elementów wykonanych ze stali zmienia się w sposób ciągły ich kształt, wymiary i po upływie odpowiednio długiego czasu elementy ulegają zniszczeniu. W przypadku elementów konstrukcyjnych pracujących w warunkach krajowych elektrowni konwencjonalnych przebieg procesów pełzaniowych ma charakter zdrowieniowo-dyfuzyjny [6]. W przypadku procesu zdrowieniowego mamy do czynienia z sytuacją, że równocześnie z odkształceniem następuje zdrowienie metalu. Proces zdrowienia metalu powoduje zmniejszanie utwardzenia spowodowanego odkształceniem. Pełzanie dyfuzyjne wydaje się bardziejdominujące dla konwencjonalnego sposobu wytwarzania energii elektrycznej. Przebieg mechanizmów dyfuzyjnych jest stosunkowo szybki i one decydują o szybkości odkształcenia. Prędkość pełzania dyfuzyjnego w znacznym stopniu zależy od temperatury i jest liniową funkcją naprężenia.
Odporność wyrobów stalowych na zniszczenie pod wpływem naprężeń charakteryzuje się wielkościami:
- czasem potrzebnym do zniszczenia, przy danym obciążeniu,
- naprężeniem koniecznym do zniszczenia w określonym konstrukcyjnie czasie (odpowiednia wytrzymałość na pełzanie).
W przypadku stali zależność wytrzymałości na pełzanie (granicy wytrzymałości czasowej) od naprężeń w warunkach izotermicznych ma charakter wykładniczy. Oznacza to liniową zależność tej wielkości od czasu w układzie współrzędnych – logarytm naprężeń od logarytmu czasu. Opisana zależność wykorzystywana jest w wytycznych UDT 1/2015 oraz w normie PN EN 12952-4 [7].
Rys. 1 Wytrzymałości na pełzanie w funkcji czasu (warunki izotermiczne) oraz określenie czasu pracy elementu o naprężeniach σ do zniszczenia
W warunkach pełzania izotermicznego po długim okresie eksploatacji następuje zmiana kąta nachylenia prostej, z reguły kąt ten wzrasta. Zmiana ta spowodowana jest głównie pogorszeniem się właściwości wytrzymałościowych stali, które związane są nie ze zmianą temperatury eksploatacyjnej, lecz długotrwałym wygrzewaniem w stałej temperaturze. Wygrzewanie w wysokiej, niezmiennej temperaturze powoduje zmiany budowy strukturalnej stali, co wpływa na pogorszenie właściwości wytrzymałościowych. Do tych zmian zaliczamy:
- wydzielanie się nowych faz,
- wzmożona koagulacja faz dyspersyjnych,
- intensywne procesy rekrystalizacji.
W przypadku wszystkich elementów konstrukcyjnych, w tym elementów spawanych eksploatowanych w elektrowniach w warunkach pełzania, ich bezpieczeństwo jest związane z jakością i właściwościami mechanicznymi.
Stopień wyczerpania t/tr |
Główne klasy struktury |
Uproszczony opis struktury |
Klasy „trwałych” uszkodzeń struktury |
0,9–1,0 |
7 |
mikropęknięcia |
D |
0,8–0,9 |
6 |
struktura jak w klasie 5, z tym jednak, że ujawniono na granicach ziarn mikropęknięć |
C |
0,7–0,8 |
5 |
struktura jak w klasie 4, z tym jednak, że nastąpił wyraźny rozwój pustek – łańcuszki pustek na granicach ziarn, koalescencja pustek |
B |
0,6–0,7 |
4 |
struktura jak w klasie 3 z tym jednak, że ujawniono pustki pełzaniowe |
A |
0,5 |
3 |
całkowity rozpad bainitu – ferryt z węglikami, koagulacja i koalescencja węglików w ferrycie, zmiana składu fazowego węglików, wzrost wielkości węglików, węgliki w miarę równomiernie rozłożone w osnowie ferrytycznej |
O/A |
0,4–0,5 |
znaczny rozpad bainitu – koagulacja wydzieleń wyraźna, znaczna ilość wydzieleń o zróżnicowanej wielkości w obszarach „bainitycznych”, łańcuszki wydzieleń na granicach ziarn ferrytu, zmiana składu fazowego wydzieleń |
O |
|
0,3–0,4 |
2 |
nieznaczny (częściowy) rozpad bainitu – niewielka koagulacja wydzieleń, drobne wydzielenia w ferrycie i na granicach ziarn |
|
0,2–0,3 |
1 |
bainit (perlit) – ferryt; stan wyjściowy lub nieznaczne zmiany w ziarnach bainitu |
|
do 0,2 |
0 |
Tabela 1 Klasyfikacja zmian struktury stali 14MoV6-3 pracującej w warunkach pełzania
Długoletnie okresy pracy połączeń spawanych w przypadku pełzania wysokotemperaturowego w stabilnych warunkach naprężeniowo-temperaturowych powodują, że elementy składowe połączenia systematycznie odkształcają się, a ich strukturalna budowa wewnętrzna ulega zmianie. Zmiana budowy strukturalnej spoiny, stref wpływu ciepła oraz materiałów podstawowych zmierzają nieuchronnie do niespełniania pierwotnie założonych kryteriów wytrzymałościowych.
W warunkach eksploatacji obiektów technicznych podstawą do oceny ich stanu technicznego stanowić powinny kryteria wytrzymałościowe. „Przez kryteria wytrzymałościowe rozumiemy takie wielkości lub funkcje związane z właściwościami mechanicznymi ciał stałych, którymi można mierzyć niebezpieczeństwo pojawienia się odkształceń plastycznych (trwałych) lub pęknięcia w zależności od materiału ciała, jego postaci i sposoby obciążenia” [8].
Przykładowa ogólna zależność (skale logarytmiczne) wytrzymałości na pełzanie stali, naprężeń w elemencie, od czasu eksploatacji w warunkach izotermicznych, przedstawiona została na rysunku 1.
W praktyce nachylenia krzywej („prostej”) log Rzmin – log t, szczególnie po czasie eksploatacji wyższej od przyjętego czasu obliczeniowego, ulega zmianie – kąt nachylenia wzrasta w stosunku do teoretycznego. Fakt ten powoduje znaczne pogorszenie praktycznych właściwości wytrzymałościowych i skrócenie czasu do zniszczenia eksploatowanego wyrobu.
Rys. 2 Element rurociągowy ze stali 13HMF – klasa struktury 0, stopień wyczerpania „do 0,2” struktura wyjściowa, klasa uszkodzenia struktury O
|
Rys. 4 Element rurociągowy ze stali 13HMF – klasa struktury |
Rys. 5 Element rurociągowy ze stali 13HMF – klasa struktury 5, stopień wyczerpania około 0,8 (czas eksploatacji 165 000 godzin), klasa uszkodzenia struktury B/C |
Rys. 6 Element rurociągowy ze stali 13HMF – klasa struktury 6, stopień wyczerpania około 0,9 (czas eksploatacji 165 000 godzin), klasa uszkodzenia struktury C |
Właściwości mechaniczne ciał stałych, w tym także stali, są uwarunkowane od zmian budowy strukturalnej. Z wieloletnich własnych doświadczeń uważam, że w przypadku oceny zmian budowy strukturalnej stalowych elementów konstrukcyjnych pracujących w warunkach pełzania należy stosować procedury opracowane i obowiązujące w Instytucie Metalurgii Żelaza – Gliwice [8], a które zapisano w wytycznych UDT 1/2015. Dla stali do pracy w podwyższonych temperaturach typu Cr-Mo-V, na podstawie wytycznych UDT 1/2015 oraz zapisów zawartych w monografii prof. dr. hab. Janusza Dobrzańskiego [9], w tabeli 1 przedstawiam skrócone zasady klasyfikacji zmian struktury i klasyfikację uszkodzeń. Rysunki 1-5 przedstawiają przykładowe struktury o różnym stopniu wyczerpania.
Wyniki badań połączeń spawanych wykonanych ze stali typu Cr-Mo-V po eksploatacji w warunkach pełzania.
W rozdziale tym przedstawiam kilka własnych charakterystycznych wyników badań rurociągowych połączeń spawanych eksploatowanych w elektrowniach krajowych.
Rurociąg pary świeżej eksploatowany przez 216 000 godzin Materiał do badań stanowiły próbki wycięte z rurociągu pary świeżej wykonanego ze stali 14MoV63 po 216 000 godzin eksploatacji w temperaturze 540 °C i ciśnieniu pary 14 MPa. Struktura ferrytyczno-„bainityczna”. Obszary pobainityczne skoagulowane. Na granicach ziarn ferrytu zróżnicowanej wielkości wydzielenia. Wewnątrz ziarn ferrytu bardzo drobne równomiernie rozmieszczone wydzielenia. Nie zaobserwowano nieciągłości i mikropęknięć w strukturze.
Oznaczenie próbki |
Re [MPa] |
Rm [MPa] |
A5 [%] |
Miejsce zerwania |
Materiał rodzimy |
326 |
535 |
24 |
– |
Złącze spawane wykonane z eksploatowanych wycinków rurociągowych |
218 |
479 |
23 |
w materiale rodzimym |
Tabela 2 Wyniki statycznej próby rozciągania – próbki okrągłe
Obszary bainityczne: klasa I, wydzielenia: klasa a/b. Procesy uszkodzenia klasa O, stopień wyczerpania
t/tr – około 0,4. W tabeli 2 podano wyniki statycznej próby rozciągania w temperaturze otoczenia dla materiału po
eksploatacji oraz wykonanego z tego materiału spawanego króćca próbnego.
Dla materiału rodzimego, a także wykonanego złącza spawanego, wykonano skrócone próby pełzania opisane również w wytycznych UDT nr 1/2015. Próby prowadzono przy stałym naprężeniu badania odpowiadającym eksploatacyjnemu i przy różnych poziomach temperatury badania, znacznie wyższej od temperatury eksploatacyjnej.
Oznaczenie próbki |
Trwałość resztkowa w 540 °C |
Rozporządzalna trwałość resztkowa w 540 °C |
Materiał rodzimy 13HMF (czas eksploatacji 216 000 godzin) |
220 000 h |
120 000 h |
Połączenie spawane wykonane z materiału po eksploatacji 216 000 godzin |
90 000 h |
50 000 h |
Tabela 3 Prognozowana trwałość resztkowa dla materiału 14MoV6-3 w stanie wyjściowym i obwodowego złącza spawanego po 216 000 h eksploatacji na podstawie skróconych prób pełzania
Wyznaczoną na podstawie skróconych prób pełzania trwałość resztkową i rozporządzalną trwałość resztkową zestawiono w tabeli 3. Oszacowaną rozporządzalna trwałość resztkową badanych elementów przyjęto dla parametrów dalszej eksploatacji Tr = 540 °C i sr= 55 MPa – jest ona pozostałym prognozowanym czasem dalszej bezpiecznej eksploatacji. Pomimo że liczność badań jest w tym przypadku jednostkowa, to określony badaniami prognozowany czas pracy dla materiału po eksploatacji w stosunku do połączenia spawanego wykonanego z tego materiału jest 2,4 razy większy. Charakterystyki czasowe wyznaczone podczas skróconych prób pełzania pokazano na rysunkach 7 i 8 [10].
Rys. 7 Charakterystyka czasowej wytrzymałości na pełzanie |
Rys. 8 Charakterystyka czasowej wytrzymałości na pełzanie |
Rurociąg pary wtórnie przegrzanej eksploatowany przez 135 000 godzin
Materiałem do badań był wycięty odcinek z rurociągu pary wtórnie przegrzanej f 508 x 25 wykonanego ze stali 13HMF po 135 000 godzin eksploatacji w temperaturze 540 °C i ciśnieniu pary 4,8 MPa. Wycięty odcinek rurociągu zawierał w sobie obwodowe połączenie spawane, które eksploatowane było tak jak cały rurociąg. W niniejszym artykule ograniczam się do przedstawienia wyników badań eksploatowanego połączenia spawanego oraz wykonanych z eksploatowanych materiałów podstawowych różnych doświadczalnych połączeń spawanych.
Struktury materiałów podstawowych, stref wpływu ciepła oraz spoiny złącza spawanego po eksploatacji ferrytyczno-
-„bainityczna”. Obszary pobainityczne częściowo skoagulowane. Na granicach ziarn ferrytu liczne zróżnicowanej wielkości wydzielenia. Nie zaobserwowano nieciągłości i mikropęknięć w strukturze. Obszary bainityczne: klasa I, wydzielenia: klasa a. Procesy uszkodzenia klasa O, stopień wyczerpania t/t – około 0,2-0,3.
Oznaczenie |
Właściwości mechaniczne |
Uwagi |
|||||
Kierunek poboru próbek |
Rp0,2 [MPa] |
Rm [MPa] |
A5 [%] |
KCU2/KCV |
HV10 [HB] |
||
rury bez szwu PN-74/ H-74252 g = 16-40 mm |
wzdłużny |
min. 355 |
490-690 |
min. 20 |
min. 90 [J/cm2] (72 J) |
135-180 HB |
- |
1 materiał podstawowy |
wzdłużny |
381,1 |
541,3 |
26 |
9,8 11,0 7,5 średnia 9,43 |
173–174 HV10 |
próbka okrągła |
2 materiał podstawowy |
„ |
386 |
548,4 |
27 |
12,3 11,5 14,2 średnia 12,67 |
179–181 HV10 |
„ |
3.1. połączenie spawane |
– |
396 |
565 |
– |
SWC 1 śr. 100 spoina śr. 35 SWC 2 śr. 69 |
SWC 1 182-217 spoina 196 SWC 2 208-184 |
próbka płaska miejsce zerwania materiał nr 1 |
3.2. połączenie spawane |
– |
387 |
560 |
– |
SWC 1 śr. 22 spoina śr.30 SWC 2 śr. 30 |
SWC 1 198-210 spoina 210 SWC 2 199-181 |
Tabela 4 Wyniki próby rozciągania i udarności materiałów podstawowych oraz połączenia spawanego
W tabeli 4 podano wyniki statycznej próby rozciągania oraz próby udarności prowadzonych w temperaturze otoczenia dla materiałów i obwodowego złącza spawanego po eksploatacji.
Oznaczenie próbki |
Właściwości mechaniczne |
|||||
Rp0,2 [MPa] |
Rm [MPa] |
A5 [%] |
Z |
HV10 |
||
1a |
1a-1 |
370,1 |
538,2 |
18,1 |
48 |
SWC 1 182-217 spoina 196 SWC 2 208-184 materiał rodzimy 174-178 |
1a-2 |
372 |
539,5 |
18,5 |
47,3 |
||
2a |
2a-1 |
399 |
523,5 |
19,0 |
45 |
|
2a-2 |
400 |
524,5 |
19,2 |
45 |
||
3a |
3a-1 |
342 |
501 |
20 |
45 |
SWC 1 194-220 spoina 203-220 SWC 2 216-196 materiał rodzimy 156-159 |
3a-2 |
344 |
504 |
19,8 |
45,5 |
||
4a |
4a-1 |
351 |
494 |
17,3 |
46,5 |
SWC 1 183-224 spoina 211-214 SWC 2 223–198 materiał rodzimy 157-160 |
4a-2 |
348 |
492 |
17,5 |
45,3 |
Tabela 5 Wyniki prób rozciągania i pomiarów twardości połączeń spawanych
Uzyskane wyniki badań doraźnych, z wyjątkiem energii łamania, świadczą o niewielkich zmianach właściwości mechanicznych elementów długotrwale eksploatowanych w warunkach pełzania. Wyniki statycznej próby rozciągania próbek pobranych z wycinków rurociągu są zgodne z aktualnie obowiązującymi normami, a nawet w wielu przypadkach wyższe od materiałów nowych, z których aktualnie produkuje się rury. Poziom uzyskanych wyników statycznej próby rozciągania potwierdza stwierdzone niewielkie strukturalne zmiany pełzaniowe eksploatowanych elementów rurociągowych.
Z tak „dobrego” materiału wykonałem klika próbnych połączeń spawanych, w których zastosowałem konwencjonalne parametry spawania elektrodą Böhler FOX DMV 83 Kb f 3,25 oraz jednakową pospawalniczą obróbkę cieplną 710 °C +/– 5 °C z wygrzewaniem 2,5 godziny.
Informacja o złączach spawanych:
- 1a – eksploatowane połączenie spawane (3.1.) bez dodatkowych zabiegów spawalniczych lub cieplnych – do statycznej próby rozciągania wykonano próbkę okrągłą d = 5 mm z fragmentem spoiny w środku próbki,
- 2a – eksploatowane połączenie spawane (3.1.) po dodatkowej obróbce cieplnej 710 °C +/– 5 °C z wygrzewaniem 2,5 godziny,
- 3a – połączenie spawane wykonane z materiałów po eksploatacji (materiał podstawowy 1), docinki do spawania pobrane z fragmentu rurociągu z dala od spoiny montażowej,
- 4a – „połączenie spawane” wykonane w eksploatowanym połączeniu spawanym (3.1.)
-
Rys. 9 Wykresy prób rozciągania próbek 1a-4a (na uwagę zasługuję różne charakterystyki granic plastyczności)Rys. 10 Schemat typowej krzywej pełzania, na której przedsta- wiono podział na trzy okresy oraz umowne trwałości
Ze wszystkich wymienionych połączeń spawanych do statycznej próby rozciągania wykonano próbki okrągłe d = 5 mm z fragmentem spoiny w środku próbki oraz zgłady makro do rozkładu pomiaru twardości.
Wyniki z badań przedstawiono w tabeli 5, wszystkie próbki zerwały się poza spoiną. Na rysunku 9 przedstawiono przykładowe wykresy ze statycznych prób rozrywania badanych próbek.
Z pobieżnej analizy otrzymanych wyników wyraźnie można zaobserwować obniżenie granic plastyczności i wytrzymałości na rozerwania „nowych” połączeń spawanych w stosunku do połączenia eksploatowanego przez czas 135 000 godzin. Procentowe obniżenie tych wskaźników wyniosło Rm od 6% do 9%, a Re (R0,2) od 6,5% do 8%.
Informacje uzyskane z prób doraźnych (krótkotrwałych)
jednoznacznie sugerują znaczące skrócenie czasu eksploatacji konstrukcyjnego węzła z „nowym” połączeniem spawanym – należy spodziewać się znacznego obniżenie trwałości rozporządzalnej, a co za tym idzie rozporządzalnej trwałości resztkowej. Na rysunku 10 na tle wykresu zmian pełzaniowych „odkształcenie e – czas eksploatacji” przedstawiono schematycznie definicje trwałości resztkowej, trwałości rozporządzalnej tb około (0,6-0,5) t, oraz rozporządzalnej trwałości resztkowej.
Rurociąg pary wtórnie przegrzanej eksploatowany przez 216 000 godzin
Materiałem do badań był wycięty odcinek z rurociągu pary świeżej f 406 x 0 wykonanego ze stali 13HMF po 216 000 godzin eksploatacji w temperaturze 535 °C i ciśnieniu pary 13,5 MPa. Dla potrzeb niniejszego artykułu przedstawiam wyniki wpływu obróbek cieplnych „rewitalizujących”, w których zmiennym parametrem był wyłącznie czas austenityzacji, na właściwości mechaniczne określane statyczną próbą rozciągania i próbą badania udarności. W tabeli 6 przedstawiono wyniki badań.
Rys. 12 Stan po obróbce cieplnej – austenityzowanie 1 godz. Stopień wyczerpania ok. 0,2; kl. uszkodzeń O |
Rys. 11 Stan przed obróbką cieplną. Stopień wyczerpania ok. 0,4; kl. uszkodzeń O |
Uzyskane wyniki wykazały, że czas austenityzacji potrzebny na poprawę niskiej energii łamania (udarności), jaką posiadał badany element rurociągu po eksploatacji, wyniósł około 1,5 godziny.
Na rysunkach 11 i 12 przedstawiam przykładowe obrazy struktur przed i po obróbce cieplnej.
Podsumowanie – wnioski
Konstrukcje stalowe w elektrowniach i elektrociepłowniach, w tym wszystkie elementy rurociągów parowych zaliczają się do bardzo odpowiedzialnych i projektowanych na długą oraz bezpieczną eksploatację. W warunkach eksploatacji tych konstrukcji podstawą do bieżącej oceny stanu technicznego stanowią kryteria wytrzymałościowe, a więc odpowiednie właściwości mechaniczne, które uniemożliwiają powstawanie niebezpiecznych odkształceń plastycznych lub różnego rodzaju pęknięć.
Oznaczenie |
Właściwości mechaniczne |
|||||
Kierunek poboru próbek |
Rp0,2 [MPa] |
Rm [MPa] |
A5 [%] |
KV |
HB |
|
PN-74/ H-74252 N+O g = 16-40 mm |
poprzeczny |
min. 355 |
490-690 |
min. 18 |
próbka KCU2 min 60 (J/cm2) (48 J) |
135-180 |
Próbka oznaczona nr 1 f 406 x 40 stan po eksploatacji |
poprzeczny |
326 |
535 |
24,0 |
energia łamania [J] 12 10 12 |
155 |
Próbka nr 1 a Obróbka cieplna N 960 °C/45’ O 720 °C/4 godz |
poprzeczny |
365 |
575 |
25,0 |
energia łamania [J] 22 30 20 |
165 |
Próbka nr 1 b Obróbka cieplna N 960 °C/1,0 godz. O 720 °C/4 godz |
poprzeczny |
391 |
582 |
28,0 |
energia łamania [J] 32 30 30 |
175 |
Próbka nr 1 c Obróbka cieplna N 970 °C/1,5 godz O 720 °C/4 godz |
poprzeczny |
424 |
620 |
26,0 |
energia łamania [J] 112 85 100 53 |
160 |
Tabela 6 Wyniki badań właściwości mechanicznych w różnych stanach strukturalnych
Połączenia spawane stanowią jeden z podstawowych węzłów konstrukcyjnych mających spełniać również wspomniane kryteria wytrzymałościowe. Dlatego ważne jest, by w procedurach diagnostycznych eksploatowanych wyrobów pracujących w warunkach pełzania wykorzystywać takie metody badań i analiz, których wnioski realizacyjne skutecznie uchronić będą przed niebezpieczeństwem nie spełniania konstrukcyjnego kryterium wytrzymałościowego.
Podstawy teoretyczno-praktyczne do opracowywania procedur diagnostycznych szczegółowo opisane są w wytycznych Urzędu Dozoru Technicznego nr 1/2015. Dokument ten stanowi głównie odniesienie do konstrukcji, które długotrwale eksploatowane są w warunkach pełzania, natomiast sygnalnie odnosi się do konstrukcji spawanych, które z różnych przyczyn powstają jako „nowe” w wyniku napraw, wymiany części lub zespołów.
Tak więc, w podsumowaniu niniejszego artykułu przedstawiam swój głos odnoszący się do problemów i zasad postępowania w sytuacji, gdy zachodzi potrzeba wykonania prac spawalniczych na wyrobach eksploatowanych w warunkach pełzania, a których trwałość resztkowa nie jest znana.
W praktyce eksploatacyjnej występują praktycznie dwa przypadki, które determinują potrzebę realizacji procesów spawalniczych:
- ujawnione w trakcie eksploatacji wady materiałowe wyrobu lub montażowego (warsztatowego) połączenia spawanego – naderwania, pęknięcia, zbyt miękka napoina utwardzająca itp.,
- wymiana zużytego elementu konstrukcyjnego na nowy, a połączenie tego elementu ze starą konstrukcją odbywa się poprzez spawanie.
W obu przypadkach konieczna jest solidna analiza, czy wykonywanie sugerowanych prac spawalniczych jest jedynym koniecznym rozwiązaniem.
Z mojej praktyki wynika, że zbyt lekko, nie licząc się z konsekwencjami, a także kosztami, lansowana jest przez niektórych diagnostów potrzeba wymiany lub naprawy
– oni za realizowane procesy spawalnicze oraz za obniżenie trwałości resztkowej „nowej” konstrukcji nie odpowiadają.
Jeżeli prace naprawcze są uzasadnione, to w celu zapewnienia przyszłościowego „kryterium wytrzymałościowego” należy opracować stosowną dokumentacje konstrukcyjną węzła, w którym występuje połączenie spawane wraz z instrukcją kontrolną obejmującą prace przed, w trakcie i po spawaniu.
Prace spawalnicze jakie zamierza się realizować mogą wykonywać tylko ci wykonawcy, którzy posiadają referencje i akceptowane przez Urząd Dozoru Technicznego odpowiednie do grupy materiałowej i stopnia wyczerpania struktury procedury spawalnicze – WPS (Welding Procedure Specifcation).
Praktycznie przy stopniu wyczerpania struktury (to/tr) w granicach do 0,3 procesy spawania realizuje się tak jak dla materiałów nie eksploatowanych.
Pomimo tego należy mieć świadomość, że „nowe” połączenie spawane i jego okolice (na przykład strefa grzania podczas obróbki cieplnej) będą posiadać niższą trwałość resztkową od eksploatowanych materiałów podstawowych, a także od eksploatowanych w tym samym czasie montażowych lub warsztatowych połączeń spawanych. Wyraźnie akcentowana w niniejszym artykule kruchość materiału po eksploatacji (wzajemne oddziaływanie pełzania i wydzieleń) winna stanowić sygnał do ograniczeń technologicznych, które przeciwdziałać będą ewentualnym pęknięciom w „nowym” połączeniu spawanym.
Umowne kryterium kruchości określane jest między innymi badaniami energii łamania (próba udarności), której granica wynosi KVmin 27 [J] lub badaniem krytycznego współczynnika intensywności naprężeń K, granica dla stali ferrytycznych wynosi około100 MPa m½.
Stal 13HMF eksploatowana długotrwale w warunkach pełzania z reguły podczas badań w temperaturach otoczenia wymienionych wyżej parametrów nie spełnia, zaliczana jest do kruchych – interkrystaliczny przełom na granicach ziaren – pękanie łupliwe.
Pomimo tego uważam, że w przypadku „nowych” połączeń spawanych, w których praktycznie nie powinno być znaczących szczelin (nieciągłości, karbów) niebezpieczeństwa pękania, przy technologicznie dobrze realizowanym procesie spawania i obróbki cieplnej nie należy się spodziewać.
Wyższe stopnie wyczerpania struktury w granicach do 0,5 wymagają indywidualnego podejścia. W przypadku wystąpienia trwałych uszkodzeń struktury klasa O/A – A nie należy stosować prac spawalniczych z udziałem elementów o takim uszkodzeniu.
Z powyższych stwierdzeń również wynika bezwzględna konieczność przeprowadzania przed realizacją procesów spawania badań materiałów, które mają uczestniczyć w procesie spawania. Szczególnie zalecenie to dotyczy materiałów, które pracowały w warunkach pełzania. Należy w miejscach przyszłego połączenia przeprowadzić szczegółowe badania elementów – badania NDT, badania metalograficzne na replikach matrycowych lub, jeżeli jest możliwe, na zgładach, przeprowadzić z oceną stopnia wyczerpania struktury, twardość. Sprawozdania z tych badań winny stanowić załącznik do dokumentacji konstrukcyjnej węzła z planowanym „nowym” połączeniem spawanym. l
Literatura
[1] Biblija Święta to jest Wszystko Pismo Święte Starego i Nowego Testamentu – Ewangelia według św. Marka, rozdział 2, werset 21 (Mk 2, 21), Londyn 1930.
[2] Okrajni J., Jóźwik T.: Podstawy teoretyczne i prawne diagnostyki rurociągów po wieloletniej eksploatacji.
[3] Popławski T.: Rynek Energii, luty 2014 roku.
[4] Wytyczne Urzędu Dozoru Technicznego nr 1/2015: Zasady diagnostyki i oceny trwałości eksploatacyjnej elementów kotłów i rurociągów pracujących w warunkach pełzania. [5] Finnie I., Heller W.R.: Pełzanie materiałów konstrukcyjnych.
[6] Mrowiec St., Werber T.: Nowoczesne tworzywa żaroodporne – WNT, Warszawa 1968.
[7] PN-EN 12952-4: Kotły wodnorurowe i urządzenia pomocnicze. Część 4: Obliczenia oczekiwanej trwałości kotłów po eksploatacji.
[8] Dyląg Z., Jakubowicz A., Orłoś Z.: Wytrzymałość materiałów, WNT, Warszawa 1996.
[9] Dobrzański J.: Materiałoznawcza interpretacja trwałość stali dla energetyki, Gliwice 2011.
[10] Zieliński A., Jóźwik T.: Ocena trwałości eksploatacyjnej różnoimiennego naprawczego złącza spawanego stali 10H2M/13HMF, Spajanie Materiałów Konstrukcyjnych, 2015.