Diagnostyka Techniczna-Badania

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. 3 Element rurociągowy ze stali 13HMF – klasa struktury 3, stopień wyczerpania około 0,4 (czas eksploatacji 165 000 godzin), klasa uszkodzenia struktury O

 

Rys. 4 Element rurociągowy ze stali 13HMF – klasa struktury
3, stopień wyczerpania około 0,5 (czas eksploatacji 165 000
godzin), klasa uszkodzenia struktury O

 

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
stali 13HMF po 216 000 h eksploatacji

 

Rys. 8 Charakterystyka czasowej wytrzymałości na pełzanie
nowego złącza spawanego wykonanego z materiałów
(13HMF/10H2M) po 216 000 h eksploatacji

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 rurociąw po wieloletniej eksploatacji.

[3] Poawski 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., źwik T.: Ocena trwałości eksploatacyjnej różnoimiennego naprawczego złącza spawanego stali 10H2M/13HMF, Spajanie Materiałów Konstrukcyjnych, 2015.

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