Diagnostyka Techniczna-Badania

Program ramowy Energetyka 200+

Modernizacja bloków energetycznych długotrwale eksploatowanych w warunkach pełzania a kwalifikowane procedury spawania.

Ogólnie dostępne informacje dotyczące aktualnie realizowanej przez Polskę polityki energetycznej, przedstawianej przez Ministerstwo Energetyki i  osobiście przez ministra Krzysztofa Tchórzewskiego na przykład na Forum Gospodarczym w Krynicy (2017 r.), niestety również sugerują możliwość  perspektywicznego uzależnienie się od zewnętrznych dostawców (import energii).

Najprostszym uzasadnieniem moich obaw niech będą dwie publikacje, które adresowane były do ogółu naszego społeczeństwa, a umieszczone w  Rzeczpospolitej [1] i w Gazecie Wyborczej [2] opracowane na podstawie danych Ministerstwa Energetyki, Krajowej Izby Gospodarczej i wypowiedzi  Joanny Maćkowiak-Pandery, prezesa Forum Energii. Aktualnie rozważane scenariusze strategii dywersyfikacji paliwowej w energetyce na lata 2030 i 2050 przedstawiono w tabeli nr 1 [3].

 

Scenariusz z  „atomem”

Scenariusz „bez  atomu”

2030 rok  (moc w  GW)

2050 rok  (moc w  GW)

2030 rok  (moc w  GW)

2050 rok  (moc w  GW)

Elektrownie jądrowe

1,5

6

0

0

Elektrownie węglowe

19,1

6,7

18,4

5,5

Kogeneracja węglowa

4,4

2,8

4,4

2,8

Elektrownie gazowe, w tym  kogeneracyjne

6,9

19,3

7,6

26,1

OZE

18,8

37

20,8

47,7

Rezerwa zimna w blokach węglowych

1

1

1

1

Rezerwa w jednostkach gazowych

2

5,5

3,5

6,5

Sumaryczne zapotrzebo- wanie mocy [GW]

53,7

78,3

55,7

89,6

Tabela 1 Scenariusze dywersyfikacji paliwowej

Główny Urząd Statystyczny analizując zużycie paliw i nośników energetycznych na przykładzie struktury krajowych mocy osiągalnych na 31.12.2015  (moc zbliżona do aktualnych osiągalnych mocy – 2017 r.), przedstawia następujące dane tabela 2. Struktura procentowa mocy osiągalnej w KSE, stan na 31.12.2015, przedstawiona jest na rys 1.

Rys. 1 Struktura procentowa mocy osiągalnej w KSE, stan na 31.12.2015

Analizując podane w tabeli 1 informacje, odnieść można wrażenie, że oparte one zostały raczej na nieuzasadnionym pozytywnym nastawieniu autorów do przedstawionych przez nich prognoz rozwojowych, a na pewno nie zostały oparte na polskich doświadczeniach i realiach.
Proszę zastanowić się jak to możliwe, aby w ciągu najbliższego okresu (2018-2030) moc krajowych wytwórców energii elektrycznej wzrosła z około 40 GW na około 55 GW, wzrost o 37,5%. Obecne krajowe roczne zapotrzebowanie na energię elektryczną wynosi około 160 TWh, a planowane w 2030 roku ma wynieść około 220 TWh – wzrost o 37,5%.

Ogółem

39 777 MW

Elektrownie zawodowe

32 069 MW

Elektrownie zawodowe wodne

2 330 MW

Elektrownie zawodowe cieplne, w tym:

29 739 MW

na węglu kamiennym

19 443 MW

na węglu brunatnym

9 322 MW

gazowe

973 MW

Elektrownie wiatrowe i inne odnawialne

5 258 MW

Elektrownie przemysłowe

2 451 MW

Tabela 2 Struktura mocy osiągalnej 31.12.2015 r. [MW]

Aktualnie realizowane krajowe inwestycje w sektorze energetyki zawodowej pozwalają szacunkowo określić przyrost mocy do 2020 roku. W  elektrowniach cieplnych opalanych węglem przyrost ten wyniesie około 4,3 GW, a opalanych gazem około 2,5 GW. W sumie moc osiągalna w 2020 roku w stosunku do obecnej wzrośnie o około 17%. Następne plany inwestycyjne są nieprecyzyjne – faza koncepcji, brak dokumentacji technicznej, brak strategii dywersyfikacji, dalej nie rozstrzygnięta kwestia udziału węgla jako paliwa podstawowego, wiele się mówi na temat OZE, a  administracyjne decyzje w tych zagadnieniach raczej nie wpływają korzystnie na rozwój tych źródeł i na koniec brak pieniędzy na te bardzo kosztowne inwestycje.

Wydaje się więc, szczególnie w związku z brakiem jednoznacznie przyjętej strategii dywersyfikacji, że przewidywane sumaryczne zapotrzebowanie mocy w 2030 roku na poziomie 55 GW nie jest możliwe do osiągnięcia. Dodatkowo wszyscy zajmujący się branżą wytwarzania energii elektrycznej mają świadomość niebezpiecznej dekapitalizacji technicznej polskich elektrowni.
Większość bloków energetycznych (szczególnie wysokoprężnych rurociągów parowych) pracujących obecnie w Polsce przekroczyło projektowy czas  pracy. Dotyczy to szczególnie około 20 bloków o mocy 120 MW, około 60 bloków o mocy 200 MW, 16 bloków o mocy 360 MW i 2 bloków o mocy 500 MW [4]. Sumaryczna zainstalowana moc w tych elektrowniach wynosi około 21,2 GW, co stanowi około 71% całkowitej osiągalnej mocy elektrowni opalanej węglem kamiennym i brunatnym.

Wymienione bardzo ogólnie uwarunkowania uzasadniają moje zaniepokojenie o przyszłość naszego sektora energetycznego, a także uzasadniają twierdzenie, że niestety świadomie tracimy suwerenność energetyczną. Trudno uwierzyć, że jakoś w cudowny sposób osiągniemy w 2030 roku planowany wzrost podaży energii elektrycznej.

Jednym ze strategicznych działań krajowych specjalistów ds. problemów energetycznych, które według mojej oceny mają przeciwdziałać „utracie suwerenności energetycznej”, jest „Program ramowy Energetyka 200+. Rewitalizacja i odbudowa mocy na bazie bloków 200 MW”.
Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w związku z tą strategią ogłosiło w 2017 roku konkurs na innowacyjną „modernizację” i przedłużenie życia bloków energetycznych klasy 200 MW.

NCBR poprzez ten konkurs dopiero rozpoczyna poszukiwania nowych technologii, zabezpieczeń, a także innowacyjnego monitorowania pracy bloków po tak długiej eksploatacji.

Jednym z efektów tego naukowo-technicznego przedsięwzięcia, a raczej nadzieją, jest utrzymanie w pracy tych starych jednostek, ale jak licznych w polskiej energetyce. Realizacja tego projektu ma zapobiec niedoborom mocy oraz wydłużyć żywotność bloków, których część zamiast wyłączać będziemy mogli pozostawić w rezerwie. Według autorów tej ratunkowej koncepcji realizacja tego projektu to wydłużenie żywotności bloków 200 MW do o około 15-20 lat i uzupełnienie kosztownych inwestycji nowych konwencjonalnych bloków oraz w OZE i w energię jądrową. Również dla urealnienia
tej koncepcji podawany jest fakt, że część jednostek energetycznych 200 MW przeszły już kosztowną modernizację, dostosowującą je do wymagań obowiązująych od 2016 roku A pozostałe jednostki, jeżeli mają być dopuszczone do eksploatacji najpóźniej od 2021 roku, będą musiały spełniać jeszcze bardziej wyśrubowane normy wynikające między innymi z konkluzji BAT (best available techniques – z ang. najlepsze dostępne techniki) dotyczące emisji tlenków siarki i azotu, chlorowodoru, fluorowodoru, amoniaku, rtęci, pyłów czy ścieków.

Zakładanie w koncepcji programu „Energetyka 200+” spełnienia głównie wymagań dotyczących ochrony środowiska, czy też pracy bloków w  regulacyjnym systemie elektroenergetycznym, a na margines odsuwanie problemu zabezpieczenia wzrostu konstrukcyjnej żywotności dotychczas  eksploatowanych bloków 200 MW jest bardzo poważnym błędem. Ocena możliwości wzrostu żywotności elementów konstrukcyjnych długotrwale  pracujących w konwencjonalnych blokach energetycznych 200 MW stanowi obecnie cele ścisłej współpracy naukowej z przemysłem wytwarzającym energię elektryczną.

Jednymi z wielu zagadnień technicznych, które w przypadku układów rurociągowych eksploatowanych długotrwale w elektrowniach w warunkach  pełzania wymagają uzgodnienia na przykład w formie dyrektywy – unormowania pomiędzy zainteresowanymi stronami, są technologiczne zagadnienia spawania i obróbki cieplnej rurociągowych wyrobów konstrukcyjnych.

Wiele podstawowych teoretycznych i praktycznych informacji z tego zakresu ma Instytut Metalurgii Żelaza w Gliwicach. Wiedza ta jest między innymi  wynikiem realizacji w latach 2015-2018 Projektu Narodowego Centrum Badań i Rozwoju pod nazwą „Metodyka, ocena i prognoza eksploatacji powyżej obliczeniowego czasu pracy złączy spawanych elementów ciśnieniowych kotłów energetycznych” [5].

Zagadnienia spawania i obróbki cieplnej

W obecnej, a także perspektywicznej praktyce remontowej lub modernizacyjnej, w której występują procesy spawania stalowych elementów  konstrukcyjnych po długoletniej eksploatacji w warunkach pełzania, mamy do czynienia z kilkoma uwarunkowaniami.

Dla potrzeb niniejszego artykułu przedstawiam dwa przypadki występujących w praktyce połączeń spawanych, w których materiały podstawowe są z  tego samego gatunku stali ale o różnej budowie strukturalnej:
• jednorodne – połączenie tworzą dwa elementy po długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania, które mogą różnić się stopniem degradacji  struktury,
• mieszane (częściej występujące) – połączenie tworzą dwa elementy, jeden po długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania o znanym stopniu  degradacji struktury, drugi nieeksploatowany o tzw. strukturze pierwotnej.

Dla umownie przyjętych dwóch przypadków złączy spawanych w technologii spawania i obróbki cieplnej muszą być podane kryteria kwalifikowania  tych technologii. Kryteria te stanowią jednocześnie informacje o różnicach jakie niosą one w stosunku do wymagań normy PN-EN ISO 15614-1 [6] i  zapisów raportu technicznego ISO/TR 14745:2015 [7].

I tak dla przykładu, po wykonaniu procesu spawania elementów, które nie były eksploatowane w warunkach pełzania najogólniej obróbka cieplna  złączy, a głównie zakres temperatury i czasu wygrzewania, musi uwzględniać wymagania norm materiałowych łączonych wyrobów oraz wytwórców materiałów dodatkowych. Wymienione wyżej wymagania w procesach spawania remontowego (modernizacyjnego) muszą być uzupełnione  podstawowymi wymaganiami, jakie zawarte są w informacji o rzeczywistej strukturze i właściwościach łączonych wyrobów. Konsekwencją informacji
o charakterze zmian struktury w wyniku pełzania jest znajomość przybliżonych, przewidywalnych na podstawie doświadczeń właściwości  mechanicznych tych materiałów.

Zgodnie wieloma normami i przepisami spawanie elementów konstrukcyjnych nieeksploatowanych możliwe jest, gdy wykonawca posiada instrukcje  technologiczne spawania uznane dla odpowiedniego zakresu stosowania, między innymi grupy materiałowe, grubości, a także spawaczy mających odpowiednie kwalifikacje i certyfikaty.

W przypadku spawania remontowego elementów konstrukcyjnych długotrwale eksploatowanych w warunkach pełzania wspomniana instrukcja winna  również uwzględniać stopień degradacji struktury. Uwzględnianie kryterium materiałowego jest w większości przypadków pomijane.

Z wielu rozmów jakie prowadziłem z „certyfikowanymi” spawalnikami, a także z ich opinii jednoznacznie wynika, że w praktyce posiadanie odpowiedniej instrukcji WPS dla grupy stali o strukturze wyjściowej jest wystarczające. Nikt z moich rozmówców nie ma żadnych wątpliwości i nie dostrzega potrzeby różnicowania WPS-ów dla wyrobów ze stali na początku eksploatacji i wyrobów z tej samej gatunkowo stali ale eksploatowanych  w warunkach pełzania, często ponad czas projektowy. Pomimo takiej opinii uważam, że realizator remontowych robót spawalniczych na wyrobach o  strukturze i właściwościach po procesach pełzania, aby mógł je oferować musi praktycznie przejść wszystkie etapy kwalifikowania technologii  spawania oparte głównie na zapisach normy PN-EN ISO 15614-1.

Przepisy te winny być dostosowane do rzeczywistego stany technicznego materiału podstawowego biorącego udział w procesie spawania. W tym  przypadku oferent i wykonawca operacji spawalniczych musi posiadać protokół kwalifikowania technologii spawania WPQR wydany przez jednostkę notyfikowaną i opracowaną instrukcję technologiczną spawania WPS.

Zapisy znanych dokumentów odniesienia – norm, raportów technicznych i innych przepisów związanych z technologiami spawalniczymi – dotyczą  praktycznie nowych wyrobów, norm materiałowych dla tych wyrobów. Już z tego powodu dokumenty te nie mogą być w całości dokumentami  odniesienia w przypadku spawania materiałów po długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania wysokotemperaturowego.

Podstawowe różnice występują:
• na etapie przygotowania do spawania, w tym rodzaju badań materiałów, które podlegać mają łączeniu, a także racjonalny wybór spawalniczych  materiałów dodatkowych,

• w wyborze temperatur podgrzewania wstępnego i temperatury międzyściekowej,

• dla wybranej metody spawania w doborze jej parametrów, co ma znaczący wpływ na właściwości stref wpływu ciepła, a szczególnie późniejsze  właściwości pełzaniowe całego złącza spawanego (rozporządzalną trwałość resztkową),

• w doborze parametrów obróbki cieplnej pospawalniczej i ich wpływie na wspomniane wyżej właściwości pełzaniowe,

• na etapie zakresu badań po spawaniu – wymagany rodzaj badań i kryteria kwalifikacyjne.

Dla przykładu podamy dwa zapisy podane w normie EN 13445-2:2002 [8]:

• punkt 4.2.1.1 – Kiedy procesy wytwórcze lub warunki eksploatacyjne mogą mieć wpływ na zachowanie się materiału w takim stopniu, że wpływałoby  to ujemnie na bezpieczeństwo lub żywotność zbiornika ciśnieniowego, to należy to uwzględnić przy doborze materiału,

• punkt 4.2.2.2 – Ponieważ właściwości udarności mogą ulec pogorszeniu na skutek długotrwałego lub częstego oddziaływania podwyższonych  temperatur na materiał, zakłada się, że temperatury i okresy wystawienia na działanie podwyższonych temperatur są zapisywane w czasie eksploatacji, w celu kontroli. Wpływ takiego wystawienia na działanie temperatur na przewidywaną żywotność należy ocenić i odnotować.

Wyniki szczegółowych i wieloletnich badań na elementach ciśnieniowych, w tym połączeniach spawanych pracujących w warunkach pełzania  („wystawionych na działanie temperatur”), prowadzone głównie przez Instytut Metalurgii Żelaza w Gliwicach precyzują dla różnych przypadków  przewidywaną żywotność tych elementów.

Wyniki i prognozy te muszą, po spełnieniu formalnego porozumienia z instytutem, stanowić dokument odniesienia do kwalifikowania technologii spawania i obróbki cieplnej materiałów, które długotrwale eksploatowane były w warunkach pełzania.

Zapis „formalne porozumienie z Instytutem” winien być doprecyzowany i może być ograniczony do wzajemnego ustalenia zasad korzystania z  własności intelektualnej IMŻ, jaką bezspornie jest ogólna procedura spawania stali długotrwale eksploatowanej w warunkach pełzania (własność naukowo-przemysłowa).

Warunki kwalifikujące technologię spawania o zmienionej w wyniku pełzania strukturze

Podstawowym dokumentem odniesienia jest norma PN-EN ISO 15614-1:2008. Przywołana norma odnosi się do procesów spawania stali  nieeksploatowanych w warunkach pełzania.

W przypadku planowania oferowania usług spawalniczych, w których biorą udział stale z grupy 5 i 6 (podgrupy 5.1, 5.2, 6.1 i 6.2) [9] po długotrwałej  eksploatacji w warunkach pełzania do kwalifikowania technologii spawania mogą wyłącznie przystąpić wytwórcy, którzy posiadają protokół  kwalifikowania technologii spawania WPQR wydany przez jednostkę notyfikowaną i instrukcję technologiczną spawania na odpowiednią grupę stali  nieeksploatowanej pełzaniowo, zakres grubości i w przypadku rur średnicy oraz pozycje spawania.

Oprócz powyższego oczywistego warunku wytwórcy muszą posiadać udokumentowaną znajomość różnic we właściwościach fizyko-mechanicznych  podstawowych łączonych stali po pełzaniu, w stosunku do tych stali nieeksploatowanych w tych warunkach. Znajomość ta stanowi jedno z  technicznych uzupełnień podanych w normie PN EN ISO 15614-1:2008 zasad i kryteriów jakościowej oceny etapów kwalifikowania technologii spawania.

Kwalifikowaniu tej „nowej” technologii spawania podlegają stale, dla których wyniki oceny stanu materiału i szacunku stopnia wyczerpania struktury t/tr nie przekracza 0,5; klasy struktury 3 i klasy uszkodzeń 0. W jednostkowych przypadkach po uzgodnieniu z UDT można wykorzystywać kwalifikowaną „nową” technologię spawania, w której stopień wyczerpania struktury zawarty jest w granicach t/tr = 0,5-0,6; klasy struktury 4 i stopnia  uszkodzeń do B1. Materiały o stopniu wyczerpania struktury te/tr >0,6 nie mogą uczestniczyć w procesach spawalniczych.

Zasady oceny stanu materiału i stopnia wyczerpania struktury opisane są szczegółowo w Wytycznych Urzędu Dozoru Technicznego nr 1/2015  „Zasady diagnostyki i oceny trwałości eksploatacyjnej elementów kotłów i rurociągów pracujących w warunkach pełzania”.

Materiały złącza próbnego (jeden materiał) po eksploatacji, które kwalifikować będą technologię muszą posiadać „odpowiednie” referencje  użytkownika, na przykład jednej z elektrowni lub placówki naukowo-badawczej.

Referencje dotyczą gatunku stali, czasu i parametrów eksploatacji. Oprócz referencji podmiot gospodarczy powinien uzyskać dokument umownie nazwany paszportem materiałowym materiału rodzimego złącza. Wspomniany paszport uzyskuje się w wyniku badań laboratoryjnych. Wymagany  obligatoryjnie zakres badań jest następujący (wyniki stanowić będą tzw. paszport materiałowy): skład chemiczny, statyczna próba rozciągania w  temperaturze otoczenia i podwyższonej, twardość HV10, kruchości metodą udarności KV2, stopień wyczerpania struktury te/tr, klasę struktury i klasę uszkodzeń. Ponieważ podstawowe materiały, przynajmniej jeden z nich, przeznaczone na złącze próbne eksploatowany był w warunkach pełzania,  należy odcinki rur (blach) poddać w całości powierzchniowym badaniom magnetyczno-proszkowym oraz badaniom objętościowym ultradźwiękowym.

Wyniki podane w „paszporcie materiałowym” stanowić będą wartości odniesienia do uzyskanych wyników z badań złącza próbnego.

Dla wybranego złącza próbnego należy opracować wstępną instrukcję technologiczną spawania pWPS. Przy zastosowaniu materiałów dodatkowych  odpowiednich do spawanego gatunku stali jednoznacznie kształtujemy pod względem wytrzymałościowym połączenie spawane. Powstała podczas  spawania niejednorodność właściwości mechanicznych powoduje, że na przykład granica plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie spoiny będzie  zawsze wyższa od materiału rodzimego i dodatkowo jeszcze od tak zwanej warstwy miękkiej. Wyniki tych badań w wielu przypadkach będą niższe od właściwości odniesienia dla stali zdegradowanej pełzaniowo. Koncentracja odkształceń podczas eksploatacji występować będzie w  „zdegradowanym strukturalnie” materiale rodzimym [10].

Procesy pełzaniowe negatywnie wpływają na kruchość materiału. Wyniki badania udarności spoiny będą zawsze zgodne z właściwościami  odniesienia dla konkretnego stopiwa, natomiast materiału rodzimego w wielu przypadkach będą niższe od właściwości odniesienia dla stali  niepracującej, a nawet mniejsze od umownego progu kruchości.

Już te dwa przykłady muszą być zauważone przez opracowującego wstępną instrukcję spawania. Głównie podczas doboru temperatury wstępnego   podgrzewania, ilości doprowadzonego ciepła i temperatur międzyściegowych – EN 1011-1, ilości ściegów czy też chwilowych szybkości chłodzenia w zakresie temperatur „najmniejszej trwałości austenitu”.

Integralną częścią kwalifikowania technologii spawania stanowi procedura kwalifikowania obróbki cieplnej po spawaniu. Parametry obróbki cieplnej  pospawalniczej złączy spawanych związane są z gatunkiem materiałów podstawowych, a przede wszystkim z wynikami procesów kontrolnych  materiałów biorący udział w połączeniu przed spawaniem oraz przyjętymi w technologii spawania gatunkami materiałów dodatkowych.

Temperaturę wygrzewania dla połączeń spawanych, w których materiały podstawowe eksploatowane były w warunkach pełzania, a więc posiadają  strukturę i właściwości mechaniczne stosowne do negatywnych skutków procesu pełzania, należy przyjąć na minimalnym standartowym poziomie dla tego gatunku stali i materiałów dodatkowych lub niższych w oparciu o parametr Hollomona-Jaffe (Pcrit). Stosowane w praktyce czasy wygrzewania  podczas wyżarzania połączeń spawanych nie mają większego wpływu na zmianę właściwości materiału rodzimego, który był eksploatowany w  warunkach pełzania i posiada stopień degradacji struktury te/tr do około 0,3. Jednak wysokość temperatury i długość czasu wygrzewania ma wpływ  na jakość połączenia spawanego w newralgicznych strefach – strefa wpływu ciepła i spoina, a szczególnie dla te/tr > 0,3.

Procedury kontrolne (badania) złączy spawanych Materiały podstawowe po pełzaniu

Sygnalnie opisane powyżej informacje o technologicznych
zagadnieniach spawalniczych stalowych wyrobów o strukturze
ze zmianami wynikającymi z procesu pełzania mają również
istotny wpływ na procedury kontrolne oceniające jakości
powstałych połączeń.

Na wyraźne podkreślenie zasługuje moja sugestia o przestrzeganiu przez uprawnionych do spawania materiałów po pełzaniu zasady dostosowania się podczas tej usługi do powstałej na okoliczność spawania dokumentacji konstrukcyjnej węzła spawanego (warsztatowo-montażowej), która zaakceptowana została przez UDT. Dokumentacja ta stanowi główną wytyczną do stosowania, także w jakościowych kryteriach odniesienia wykonanych prac spawalniczych. Bez dokumentacji konstrukcyjnej (nawet bardzo skróconej) nie można przystąpić do prac spawalniczych.

Podstawowe typowe badania nieniszczące i niszczące powinny być w całości zgodne na przykład z zapisem tabeli nr 1 normy PN-EN ISO 15614-1 i  uzupełnione analizą składu chemicznego, badaniami mikroskopowymi, a w przypadku uzyskania energii łamania ≤ 27 J dodatkowo określeniem progu  kruchości. Problemem do rozstrzygnięcia w przypadku spawania materiałów o znaczących zmianach struktury w wyniku pełzania jest określenie  poziomu akceptacji uzyskanych wyników.

Głównie zagadnienia dotyczą:

• przy badaniach nieniszczących interpretacji wyników:

- badań metalograficznych (repliki) – struktura różnych charakteryzujących złącze miejsc, kiedy struktury są akceptowalne,

- badań rozkładu twardości złącza spawanego,

• przy badaniach niszczących (króćce kwalifikacyjne) interpretacji
wyników:

- statycznej próby rozciągania złącza spawanego prowadzonych w temperaturach pokojowych oraz podwyższonych,

- próby udarności wraz z określeniem progu kruchości na próbkach pobranych z różnych miejsc złącza spawanego,

- badań metalograficznych (zgłady) – struktura różnych charakteryzujących złącze miejsc,

- badań rozkładu twardości złącza spawanego,

• przy doborze parametrów obróbki cieplnej – kwalifikowanie technologii obróbki cieplnej połączeń spawanych „jednorodnych” i „mieszanych” opisanych wcześniej w artykule.

Przykłady uzasadniające potrzebę uwzględniania „różnorodności struktur po pełzaniu” w technologicznej praktyce spawalniczej

Badania mikroskopowe na zgładach lub replikach matrycowych – kryteria oceny metodologii badań i stanu struktury W tabeli 3 przykładowo pokazano  różnice w budowie strukturalnej elementów rurociągowych ze stali 14MoV63. Ta różnorodność zobowiązuje do przeprowadzenia przed  spawaniem badań mikroskopowych (repliki matrycowe lub jeżeli jest to możliwe zgład) w okolicach przyszłej spoiny. Celem badań jest określenie  rzeczywistej budowy strukturalnej, a więc stopnia wyczerpania struktury i klasy jej uszkodzenia.

Opis struktur Przykład obrazu mikroskopowego (zgład – SEM) 

Stal 14MoV63
Stan wyjściowy – struktura ferrytyczno-bainityczna (perlityczna).
Ponadto w mikrostrukturze obserwuje się bardzo drobne wydzielenia węglików typu MC, które występują  wewnątrz ziarn ferrytu.
W obszarach bainitu występują niewielkie w wyniku odpuszczania sferoidalne wydzielenia M3C, podobnie  jak w ziarnach perlitu M3C.
Twardość wg VGB-508L 150-190 HV10

 

 Stal 14MoV63 – rurociąg pary świeżej
Struktura ferrytyczno-„pobainityczna”. Obszary byłego bainitu znacznie  skoagulowane. Na granicach ziarn liczne w większości nacznej wielkości  wydzielenia. Wewnątrz ziarn liczne drobne wydzielenia dość równomiernie  rozmieszczone. Nie zaobserwowano nieciągłości i mikropęknięć w strukturze. Nie stwierdzono zapoczątkowania procesów uszkodzenia.
Obszary „pobainityczne” – klasa I/II, wydzielenia – klasa a/b Procesy uszkodzenia – klasa O, stopień wyczerpania struktury te/tr ~ 0,4, klasa struktury 2/3.
Czas eksploatowania w określonych parametrach pełzania 260 000 godzin. Twardość ok. 131 HV10

 
 Stal 14MoV63 – rurociąg pary świeżej
Struktura ferytyczna z węglikami („zanik struktury „pobainitycznej”).
Koagulacja i koalescencja węglików w ferrycie.
Obszary „pobainityczne” – klasa II, wydzielenia – klasa b
Procesy uszkodzenia – klasa B2/3 koalescencja pustek pełzaniowych, stopień  wyczerpania struktury te/tr ~ 0,7, klasa struktury 4/5.
Czas eksploatowania w określonych parametrach pełzania około 210 000 godzin. Twardość ok. 127 HV10
 

Tabela 3 Przykładowe obrazy struktur stali 14MoV63 o różnym stopniu wyczerpania

W tym przypadku jedynym kryterium odbioru wyników badań jest decyzja czy procesy spawalnicze można w ogóle dla tego stanu prowadzić.  Materiały o stopniu wyczerpania ≥ 0,6 i klasie uszkodzeń do B2 w ograniczony sposób można zakwalifikować do spawania. Przy innych, wyższych  klasach uszkodzeniach łączenie materiałów poprzez spawanie nie może być wykonany.

Materiały o stopniu wyczerpania struktury ≤ 0,4 i klasie uszkodzeń O nadają się do łączenia przez spawanie. Wyniki badań struktury tych materiałów  stanowić będą kryteria odniesienie do powstałego złącza spawanego.

Właściwości mechaniczne – kryteria odbioru

Właściwości mechaniczne elementu rurociągowego ze stali 14MoV63 po eksploatacji w udokumentowanych warunkach pełzania przez ponad 127  000 godzin – kilka uzyskanych wyników przedstawia tabela 4.

Właściwości mechaniczne króćca próbnego, w którym jeden z odcinków rur wykonany był z elementu o właściwościach podanych w tabeli 4, a drugi  odcinek ze stali 14MoV63 przed eksploatacją (tabela 5).

Z tabel 4 i 5 wynika ogólne zalecenie dla „projektanta” połączenia spawanego, a mianowicie określenie w dokumentacji konstrukcyjno-montażowej  poziomów odniesienia do  wyników badań właściwości mechanicznych, czyli określenie kryteriów odbioru. Te kryteria (poziomy odniesienia) nie mogą być wyłącznie oparte na normatywnych właściwości mechanicznych dla stali przed eksploatacją. Dokumentacja konstrukcyjno-warsztatowa powinna  nakazywać konieczne do realizacji badania kontrolne złączy montażowych oraz dla króćca referencyjnego (przypadek kiedy króciec taki
jest wymagany).

 Nr próbki

Re

[MPa]

Rm

[MPa]

A5

[%]

Z

  [%] 

KV2

[J]

 HV10

PN-EN 10216-2 ze stali 14MoV63 g = 40-60 mm

 min. 310

 460-610

min. 20

min. 40 J

150-190

VGB-R 508L

I

297

455

27,7

60

średnio 13

średnio 139

II

310

476

27,8

67

średnio 8

średnio 142

III

295

474

30,1

64

średnio 9

średnio 132

IV

309

460

32

59

średnio 12

średnio 137

 Tabela 4 Właściwości mechaniczne odcinka rury φ 355x45 14MoV63 po eksploatacji

Procesy pełzaniowe – zalecenie dla projektanta

Dostępne lub udostępnione przez Instytut Metalurgii Żelaza w Gliwicach wyniki badań pełzaniowej rozporządzalnej trwałości resztkowej informują o  udokumentowanych różnicach tej właściwości w eksploatowanych połączeniach spawanych [5]. W tabeli 6 przykładowo pokazano wyniki badań dla  eksploatowanego materiału rodzimego (14MoV63) i wykonanych z niego połączeń spawanych. Materiał rodzimy złącza eksploatowanego miał  stopień wyczerpania struktury t/tr = 0,2/0,3, klasę s truktury 1/2 i klasy uszkodzeń 0.

Eksploatowane złącze spawane ze spoiną pierwotną, czyli wykonaną przed rozpoczęciem eksploatacji instalacji rurociągowej, ma w stosunku do  materiału rodzimego poza strefą wpływu ciepła rozporządzalną trwałość resztkową w temperaturze t = 540 °C i naprężeniu σ = 55 MPa niższą o około 45% (materiał rodzimy tr = 120 000 h, a złącze spawane tr = 66 000 h).

Ale to samo złącze w stosunku do „nowego” złącza montażowego (naprawczego), w którym jednym z materiałów rodzimych pobrany został z  opisanego wyżej eksploatowanego materiału, a drugi jest materiałem o tym samym gatunku, ale nieeksploatowanym jest znacznie „lepsze”. Wyniki  badań umownie nazwanego „nowego złącza”, rozporządzalnej trwałości resztkowej w temperaturze t = 540 °C i naprężeniu σ= 55 MPa są niższe  niższą o około 25% (złącze eksploatowane „stare” tr = 66 000 h, a złącze spawane „nowe” tr = 50 000 h).

Nr próbki pobranej z króćca

Re /R0,2

[MPa]

Rm

[MPa]

A5

[%]

 Z

 [%]

KV2

[J]

 HV10

V a, b, c

Próbki płaskie (Rm)

So = 175 mm2

 

ok. 287-306

 

461-480

 

 

 

 

VWT (spoina) śr. 107 VHT (po eksploatacji) śr. 8,2

VHT (stal „nowa”) śr. 36

 

VWT 209-252

VHT („stary”) 183-250

VHT („nowy”) 266-312

VI a, b Próbki płaskie (Rm)

So = 236,6 mm2 (5,2×45,5)

310

486

ok. 22

298

475

ok. 22

VII

Próbki płaskie (Rm )

So = 236,6 mm2 (5,2×45,5)

Po dodatkowej pełnej obróbce cieplnej N+O

 

 

373

 

 

580

 

 

ok. 17

 

 

 

VWT (spoina) śr. 30 VHT (po eksploatacji) śr. 32

VHT (stal „nowa”) śr. 43

VWT 258-281

VHT („stary”) 167-172

MR („stary”) 162

VHT („nowy”) 179-183

MR („nowy”) 174

Tabela 5 Właściwości mechaniczne króćca próbnego φ 355x45 14MoV63 „nowe połączenie”

Z przykładowo opisanych wyników skróconych prób pełzania złączy spawanych wynika dla konstruktora remontowego złącza spawanego (materiał  rodzimy „po pełzaniu” i nieeksploatowany) zalecenie uwzględnienia w obliczeniach wytrzymałościowych obniżonych właściwości projektowanego  złącza.

 Oznaczenie wyrobów, z których pobrano próbki do skróconych badań pełzaniowych

Trwałość resztkowa w 540 °C

 Rozporządzalna trwałość resztkowa w 540 °C

Po 218 000h eksploatacji – MR

220 000 h

120 000 h

Po 218 000h eksploatacji – złącze spawane

120 000 h

66 000 h

Złącze naprawcze (stary + stary)

100 000 h

55 000 h

Złącze naprawcze (stary + nowy)

90 000 h

50 000 h

Warsztatowa dokumentacja konstrukcyjna – opis sygnalny

Część węzłów konstrukcyjnych (technologicznych) bloków energetycznych, szczególnie wysokoprężnych rurociągów parowych, eksploatowanych  obecnie w Polsce przekroczyło prognozowany na etapie projektu czas pracy. Dotyczy to szczególnie około 20 o mocy 120 MW, około 60 bloków o mocy 200 MW, 16 bloków o mocy 360 MW i 2 bloków o mocy 500 MW [4]. Podczas eksploatacji tych bloków niejednokrotnie występują przypadki  wymiany jednej lub kilku części węzłów konstrukcyjnych. Takie wymiany realizowane są poprzez usunięcie części zużytej i zastąpienie ją „nową”. Łączenie części „nowych” z częściami, które nie zakwalifikowano do wymiany, realizowane jest w wielu przypadkach z wykorzystaniem technologii  spawalniczych.

Rys. 2 Graficzne przedstawienie wyników skróconych prób pełzania σ = 55  MPa, t = 700-620 °C dla materiału rodzimego i jednego ze złączy spawanych

Uważam na podstawie doświadczeń, że koniecznie należy przed decyzją o realizacji tych operacji opracować i zatwierdzić w Urzędzie Dozoru  Technicznego stosowną dokumentację konstrukcyjną tego połączenia.

Bieżąca praktyka przy prowadzeniu wymienionych wyżej prac remontowo-modernizacyjnych rzadko posiada dokumentację techniczną dedykowaną  do konkretnego problemu konstrukcyjno-technologicznego. W najlepszym przypadku prace prowadzone są na podstawie pierwotnej dokumentacji projektowej. A więc gdy należy wymienić element rurociągowy, na przykład łuk (kolano), to zamawia się ten element zgodnie z pierwowzorem – ten  sam materiał, te same kształty i wymiary, w tym identyczne długości zabudowy, takie same konstrukcyjnie węzły spawane. Operacje kontrolne  elementu planowanego do spawania oraz odcinków w obrębie przyszłych spoin elementów po eksploatacji („starych”) nie różnią się niczym od  przypadku gdy spawane elementy są nowe. Również procesy spawalnicze i obróbki cieplnej realizowane są jak dla materiałów nieeksploatowanych.  Technologia spawalnicza i obróbki cieplnej zgodna jest z posiadanym przez wykonującego te prace Protokołem Kwalifikowania Technologii Spawania  (WPQR) zatwierdzonym przez Urząd Dozoru Technicznego.

Rys. 3 Schematy obrazujące wymianę wadliwego na skutek pełzania łuku w rurociągu pary świeżej

Wydaje się, że taka praktyka nie może być w całości akceptowana przez wszystkie strony uczestniczące w przygotowaniu, realizacji i odbiorze  technicznym prac naprawczych, remontowych lub modernizacyjnych, w których materiał lub materiały podstawowe do łączenia posiadają znacznie i „niebezpiecznie” zmienione na skutek procesów pełzania właściwości mechaniczne, zdegradowaną mikrostrukturę i współczynniki charakteryzujące  czas dalszej eksploatacji. Rysunek (schemat) 3 dedykowany jest czytelnikowi niniejszego artykułu. Jeżeli decyzja o wymianie kolana jest wiarygodna i oparta o wyniki badań diagnostycznych, które eliminują ten element (np. t/tr > 0,6) z rurociągu, jakie należy wykonać prace projektowe,  kontrolne, spawalnicze żeby odpowiedzialnie podjąć się tej naprawy (wymiany).

Skierowana wyżej prośba do czytelnika stanowi podsumowanie mojego, w wielu miejscach pewnie kontrowersyjnego artykułu.

 

 

Literatura

[1] Wiecerzak-Krusińska Aneta: Prądu z węgla będzie ubywać, Rzeczpospolita, 24.08.2017, Rynki i firmy.

[2] Sudak Ireneusz: PiS żegna się z czarnym złotem, Gazeta Wyborcza, 18.09.2017.

[3] Analiza Forum Energii 2017.

[4] Dobrzański Janusz, Hernas Adam: Wytyczne Urzędu Dozoru Technicznego nr 1/2015 „Zasady diagnostyki i oceny trwałości eksploatacyjnej  elementów kotłów i rurociągów pracujących w warunkach pełzania, Przedmowa, data edycji 27.10.2015.

[5] IMŻ Gliwice, ZRE Katowice, TEDSPAW Kielce, Projekt NCBiR: Metodyka, ocena i prognoza eksploatacji powyżej obliczeniowego czasu pracy  złączy spawanych elementów ciśnieniowych kotłów energetycznych, Gliwice 2015-2018.

[6] PN-EN ISO 15614-1 Specyfikacja i kwalifikowanie technologii spawania metali. Badanie technologii spawania. Część 1: Spawanie łukowe i  gazowe stali oraz spawanie łukowe niklu i stopów niklu.

[7] ISO/TR 14745:2015 Spawanie. Parametry obróbki cieplnej po spawaniu.

[8] EN 13445-2:2002 Nieogrzewane płomieniem zbiorniki ciśnieniowe. Część 2 – Materiały, Część 4 – Wytwarzanie.

[9] PN-EN 13480-2:2005/A1 Rurociągi przemysłowe metalowe – część 2: Materiały.

[10] Myśliwiec Mieczysław: Cieplno-mechaniczne podstawy spawalnictwa, WN-T, Warszawa 1972.

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