Trwałość i własności materiału walczaka kotła typu OP 650 po 210
Transkrypt
Trwałość i własności materiału walczaka kotła typu OP 650 po 210
Kolegium redakcyjne: mgr inż. Fryderyk Czudejko (redaktor sekretarz), inż. Eugeniusz Głowacki, mgr inż. Artur Jasiński, mgr inż. Edward Magiera, mgr inż. Ludwik Pinko (redaktor naczelny) Rok 2014 (LIX) Nr 1 (253) Artur Jasiński „ENERGOPOMIAR” Sp. z o.o. Dyrektor Zakładu Chemii i Diagnostyki Trwałość i własności materiału walczaka kotła typu OP 650 po 210 tysiącach godzin pracy Durability and material properties of an OP 650 power boiler drum after 210 thousand hours of operation Baza danych materiałowych obejmująca wyniki niszczących i nieniszczących badań stali w stanie wyjściowym oraz po różnych okresach eksploatacji, w tym o różnych stopniach zdegradowania, jest podstawą do oceny materiałów, a docelowo stanu technicznego urządzeń z nich wykonanych. Jeśli mamy do czynienia z urządzeniami eksploatowanymi ponad obliczeniowy czas pracy, prognoza warunków dalszej eksploatacji musi być poparta wiedzą o rzeczywistych własnościach wytrzymałościowych materiału, która zostanie porównana z dostępnymi w literaturze danymi dla podobnych urządzeń. Dla urządzeń pracujących poniżej temperatury granicznej zmiany strukturalne wywołane długotrwałą eksploatacją są związane z powolnymi procesami rozpadu częściowego obszarów perlitycznych/bainitycznych oraz postępującymi powoli procesami wydzieleniowymi węglików. Procesy wydzieleniowe węglików na granicach ziaren i zmiana morfologii tych wydzieleń powoduje efekt przestarzenia, czego skutkiem jest obniżona zdolność do odkształceń, której miarą jest praca łamania. W przypadku materiałów stosowanych na walczaki charakterystyka materiałowa musi uwzględniać również temperaturę przejścia w stan kruchy i udział przełomu kruchego. Wystarczająca zdolność do odkształceń (KC > KCmin) jest czynnikiem determinującym czas bezpiecznej eksploatacji, jednak ocenianie poziomu udarności jedynie na podstawie badań strukturalnych jest niezwykle trudne. Charakterystyka stali oraz procesy niszczenia Jednym z najpopularniejszych gatunków stali stosowanych na walczaki kotłów parowych jest stal 15NCuMNb (K32Nb). Jej skład chemiczny oraz wybrane własności wytrzymałościowe podawane w normach przedmiotowych zestawiono w tabeli 1 oraz na rysunku 1. Tabela 1 Skład chemiczny oraz wymagania Re i HV dla stali 15NCuMNb (K32Nb) Granica plastyczności, MPa Skład chemiczny, %wag Zakres twardości HV = f(Rm),HV C Mn Si Ni Mo Nb Cu Remin Remin350 HVmin HVmax max 0,17 0,8 - 1,2 0,25 - 0,50 1,0 - 1,3 0,25 - 0,40 0,002 - 0,006 0,50 - 0,80 410 344 180 210 marzec 2014 www.energetyka.eu strona 159 (1) Granice plastyczności Ret, granice pełzania R1/100 000; wytrzymałość na pełzanie Rz/100 000 [MPa] 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0 100 200 300 Temperatura [oC] 400 500 600 Rys. 1. Granice plastyczności w podwyższonych temperaturach, granice pełzania i wytrzymałość na pełzanie dla stali 15NCuMNb (K32Nb) Ciśnienie wewnętrzne w walczaku działa na obie dennice, starając się rozciągać część cylindryczną w przekroju prostopadłym do osi, oraz na ścianki wzdłuż tworzących walczaka. Pierwsze zjawisko powoduje występowanie naprężeń osiowych, drugie − naprężeń obwodowych. Dodatkowo w warunkach pracy kotła, oprócz naprężeń stałych pochodzących od ciśnienia, występują naprężenia zmienne, głównie niskocykliczne. Stałe i zmienne naprężenia mogą się ze sobą sumować, co w efekcie może prowadzić do inicjacji i rozwoju uszkodzeń. Nie bez znaczenia jest cyrkulacja wody walczakowej podczas rozruchu i odstawienia, powodująca dodatkowe naprężenia termiczne [2]. Pomimo stosunkowo niskiej znamionowej temperatury pracy (temperatura dopuszczalna 350˚C) w materiale walczaka również zachodzą procesy degradacji struktury. Pociągają one za sobą głównie spadek własności ciągliwych materiału, a co za tym idzie – wzrost podatności materiału walczaka na kruche pękanie. Równocześnie wzrasta stosunek Re/Rm, a próg kruchości niekorzystnie przesuwa się do wyższych temperatur w stosunku do stanu wyjściowego [1]. Makro- i mikropęknięcia płaszcza walczaka wywołane są głównie działaniem cyklicznie zmiennych naprężeń mechanicznych, które są spowodowane przez próby wodne i termiczne pochodzące od częstych uruchomień i postojów kotła oraz bardzo szkodliwych udarów cieplnych (zwanych termoszokami). Proces wyczerpania trwałości walczaka wskutek pełzania praktycznie nie zachodzi (niska temperatura pracy, poniżej temperatury granicznej). Uszkodzenia płaszcza i spoin walczaków spowodowane są głównie działaniem obciążeń niestacjonarnych, zwłaszcza podczas rozruchów i odstawień, a także działaniem agresywnego środowiska. Obiekt badań W przypadku długo eksploatowanych walczaków lub ewentualnego zaistnienia konieczności wykonywania naprawy w szerokim zakresie niezbędne bywa przeprowadzenie badań niszczących materiałowych na próbkach pobranych z płaszcza walczaka. Wykonane badania nieniszczące nie pokazują bowiem pełnego obrazu stopnia degradacji materiału walczaka − nie dają informacji o ważnych w przypadku walczaka własnościach mate- strona 160 (2) riałowych, jakimi są ciągliwość i odporność materiału na kruche pękanie. Wyznaczenie rzeczywistych wartości tych parametrów jest w diagnostyce walczaków pracujących ponad 200 000 h niezastąpione, natomiast możliwe jedynie poprzez wykonanie wcześniej wspomnianych badań niszczących materiału walczaka. Do pobrania materiału badawczego można zastosować metodę wycinania tzw. korka lub krążka, który następnie poddawany jest szeregowi badań mających na celu określenie rzeczywistych wielkości charakteryzujących materiał. Dane techniczno-eksploatacyjne analizowanego walczaka przedstawiono w tabeli 2. Walczak wykonano z materiału 15NCuMNb (K32Nb) i był on poddawany okresowym rewizjom podczas kolejnych remontów kapitalnych kotła. W walczaku stwierdzano okresowo typowe uszkodzenia w postaci zerwanych lub naderwanych spoin wsporników mocujących separację oraz wskazania na płaszczu walczaka w okolicy spoin obwodowych, krawędziach oraz tworzących otworów króćców, jak również na znacznej ilości spoin wsporników mocujących separację przyspawanych do płaszcza walczaka. W ramach bieżącej rewizji ujawniono około 110 obszarów z różnego rodzaju wskazaniami (rys. 2 i 3). Tabela 2 Dane techniczno-eksploatacyjne analizowanego walczaka Typ kotła OP 650 Wydajność maksymalna kotła, t/h 650 Rok uruchomienia kotła 1978 Czas pracy do remontu kotła, h 213 300 Ciśnienie obliczeniowe kotła, MPa 15,9 Ciśnienie robocze w walczaku, MPa 14,9 Temperatura wody na wlocie do walczaka, ˚C 297 Temperatura nasycenia w walczaku, ˚C Wymiary nominalne walczaka (Øzewn× gnom), mm Rys. 2. Przykładowe wskazanie na spoinie pachwinowej mocującej elementy separacji 342 1880,0×85,0 Rys. 3. Przykładowe wskazanie na krawędzi otworu Zmiany strukturalne w materiale walczaka z reguły postępują powoli i są związane głównie z częściowym lub całkowitym rozpadem obszarów perlitycznych/bainitycznych oraz postępującymi z niewielką szybkością procesami wydzieleniowymi i zmianami morfologii tych wydzieleń. Na podstawie badań metalograficznych metodą replik w materiale badanego długotrwale eksploatowanego walczaka nie stwierdzono znaczących procesów degradacji struktury. Ogólnie zaobserwowano początkowe i średniozaawansowane stadium rozpadu fazy bainitycznej (perlitycznej), nieliczne wydzielenia węglików po granicach i w ziarnach ferrytu oraz w obszarach pobainitycznych (rys. 4 i 5). Wykonane badania świadczą o ubytku trwałości materiału walczaka www.energetyka.eu marzec 2014 w granicach 40%. Twardość materiału dennic i carg w miejscu wykonania replik nie budziła niepokoju. Wszystkie wyniki były wyższe od minimalnych wymaganych dla zastosowanego materiału, wyniki dla dennicy prawej i cargi 1 nieznacznie (max 10%) przekraczały górną granicę wymagań (rys. 6). Rys. 4. Wynik badania metodą replik. Struktura materiału dennicy prawej. Struktura ferrytyczno-bainityczna. Bainit w średniozaawansowanej fazie rozpadu. Wydzielenia węglików zorientowane głównie w ziarnach ferrytu i obszarach pobainitycznych. Brak zmian dekohezyjnych Rys. 5. Wynik badania metodą replik. Struktura materiału cargi 6. Struktura ferrytyczno-bainityczna. Bainit w średnio zaawansowanej fazie rozpadu. Wydzielenia węglików zorientowane głównie w ziarnach ferrytu i obszarach pobainitycznych. Brak zmian dekohezyjnych Twardość HV 210 180 150 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 R11 R12 R13 R14 R15 R16 R17 R18 Rys. 6. Zestawienie uzyskanych wyników twardości materiału dennic (kolor zielony) i carg (kolor niebieski) wykonanych w miejscu wykonania replik Badania niszczące materiałowe na krążku pobranym z płaszcza walczaka wykazały, iż w materiale badanego walczaka, pomimo długotrwałej eksploatacji, nie stwierdzono znaczących procesów degradacji struktury. Ogólnie zaobserwowano średniozaawansowane stadium rozpadu fazy bainitycznej (perlitycznej), nieliczne wydzielenia węglików po granicach i w ziarnach ferrytu oraz w obszarach pobainitycznych (rys. 7 i 8). Wykonane badania świadczą o ubytku trwałości materiału walczaka nieprzekraczającym 50%. Rys. 7. Wynik badania na Rys. 8. Wynik badania na pobranym krążku. Struktura pobranym krążku. Struktura materiału – zgład poprzeczny. materiału – zgład wzdłużny. Struktura ferrytycznoStruktura ferrytyczno-bainityczna, bainityczna. Nieregularne granice pasmowa. Nieregularne granice ziaren ferrytu. Brak zmian ziaren ferrytu. Brak zmian dekohezyjnych dekohezyjnych Twardość materiału krążka walczaka mierzona zarówno na zgładzie wzdłużnym, jak i poprzecznym nie budziła niepokoju. Wszystkie wyniki były wyższe od minimalnych wymaganych dla zastosowanego materiału, wyniki nieznacznie (max 10%) przekraczały górną granicę wymagań. Zestawienie uzyskanych wyników badań własności mechanicznych zamieszczono w tabelach 3 i 4, a wybrane dane w celu lepszego zobrazowania zestawiono dodatkowo na wykresach (rys. 9 i 10). Podsumowując wyniki statycznej próby rozciągania (tab. 3) można stwierdzić, że otrzymane wyniki są zadowalające, uzyskane wartości są znacznie wyższe niż dolne granice wymagane dla zastosowanego materiału i nie budzą żadnych zastrzeżeń. Dobre wyniki wytrzymałościowe dowodzą wysokiej twardości materiału. Zakres i wyniki badań niszczących na krążku Tabela 3 Uzyskane wyniki w statycznej próbie rozciągania Z uwagi na czas eksploatacji, liczne wskazania i potrzebę wyznaczenia możliwości pracy analizowanego walczaka w perspektywie kolejnych 20 lat pobrano z płaszcza walczaka krążek o wymiarach Ø1250×100 mm. Technologia pobrania została zatwierdzona w UDT. W ramach badań wykonano: • próbę rozciągania w temperaturze 20oC; • próbę rozciągania w temperaturze pracy 350oC; • próbę udarności – 3 próbki KU, 1 próba KV w temperaturze 20oC z określeniem % zawartości przełomu ciągliwego (mikroskop skaningowy); • pomiary twardości HV (dla porównania z wymaganiami norm); • badania metalograficzne mikroskopowe. marzec 2014 Oznaczenie próbki Temperatura Granica Wytrzymałość Wydłużenie badania plastyczności na rozciąganie A, % t, ˚C Rp0,2, MPa Rm, MPa Przewężenie Z, % 1P 22 601 708 23,5 61 2P 22 593 706 23,0 60 3P 22 592 703 24,0 61 4P 22 618 705 24,2 61 Średnia 22 601 705,5 23,675 60,75 1T 350 469 613 19,7 52 2T 350 467 611 17,8 52 3T 350 471 615 19,0 54 4T 350 474 621 20,0 52 Średnia 350 470,25 615 19,125 52,50 www.energetyka.eu strona 161 (3) Podsumowując wyniki badania udarności (tab. 4). należy stwierdzić, że uzyskana udarność jest większa niż wartość wymagana dla zastosowanego materiału i nie budzi zastrzeżeń. Udział przełomu ciągliwego na badanych próbkach wynosi średnio 64,2%, przy czym nie jest w żadnym przypadku mniejszy niż 50%. Tabela 4 Uzyskane wyniki badań udarności Oznaczenie próbki Temperatura próbki t, ˚C Udarność KCU22, J Udział strefy z przewagą przełomu ciągliwego, % U2/1 22 71,7 50 U2/2 22 78,4 65 U2/3 22 94,1 80 U2/4 22 73,4 65 U2/5 22 87,2 75 U2/6 22 66,8 50 Średnia 22 78,6 64,2 Granica plastyczności [MPa] 700 600 500 400 22oC 300 350oC 200 100 0 1 2 3 4 bezpieczeństwa eksploatacji i wydłużenia trwałości eksploatacyjnej walczaka. Należy pamiętać, że właściwa ocena stanu technicznego walczaka jest możliwa jedynie na podstawie analizy wszystkich wyników badań i obliczeń, a badania struktury metodą replik stanowią jedynie składową tej analizy, gdyż pozytywny wynik badań struktury nie eliminuje możliwości istnienia i powstawania na przykład pęknięć na spoinach lub otworach króćców rur. Wykonane badania na analizowanym przykładzie walczaka pokazują pełen obraz stopnia degradacji materiału, gdyż dają informacje o ważnych w przypadku walczaka własnościach materiałowych, jakimi są ciągliwość i odporność materiału na kruche pękanie. Wyznaczenie rzeczywistych wartości tych parametrów jest w diagnostyce walczaków pracujących ponad 200 000 h niezastąpione, natomiast możliwe jedynie poprzez wykonanie badań niszczących materiału walczaka. Pozostała trwałość analizowanego walczaka wyznaczona w analizie obliczeniowej wynosi 46,70%. Powyższy wynik jest zbliżony do trwałości określonej na podstawie badań materiałowych i świadczy o dużej jeszcze rezerwie trwałości walczaka kotła pomimo prawie 215 000 h pracy oraz 34 lat eksploatowania kotła. Wynik ten osiągnięto dzięki wykorzystaniu w obliczeniach rzeczywistych własności wytrzymałościowych, które są znacznie wyższe niż minimalne wartości podawane w katalogach materiałowych. W praktyce niezwykle rzadko spotykamy się z wymianą walczaka (jego żywotność oznacza tak naprawdę żywotność całego kotła), dlatego niezbędna jest okresowa i dogłębna ocena jego stanu technicznego. Diagnostyka walczaków musi uwzględniać zwłaszcza zmęczenie niskocykliczne materiału, a służby nadzoru i eksploatacji powinny kontrolować prędkości nagrzewania i chłodzenia elementów grubościennych. Nie bez znaczenia jest również temperatura próby wodnej, podczas której często powstają uszkodzenia walczaków. Rys. 9. Uzyskane wyniki Rp0,2 materiału walczaka PIŚMIENNICTWO 720 Wytrzymałość na rozciąganie [MPa] 700 680 660 640 22oC 620 350oC 600 560 2 3 [2] Drop M.: Diagnostyka walczaków kotłów parowych. „Dozór Techniczny” 2009, nr 4. [3] Zieliński A., Dobrzański J., Wodzyński J.: Ocena trwałości elementów części ciśnieniowej kotłów energetycznych w procesie dopuszczania do eksploatacji poza obliczeniowy czas pracy, Prace IMŻ 2010, nr 1, s. 42-50. 580 1 [1] Hernas A., Dobrzański J.: Trwałość i niszczenie elementów kotłów i turbin parowych, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2003. 4 [4] Jasiński A., Kwiecień M.: Sprawozdania i wyniki prac pomiarowych i badawczych. Opracowania „ENERGOPOMIAR” Sp. z o.o., Zakład Chemii i Diagnostyki, Gliwice 2012-2013 (niepubl.). Rys. 10. Uzyskane wyniki Rm materiału walczaka Podsumowanie Wypracowana przez lata doświadczeń metodyka, która obejmuje kompleksową diagnostykę z opisanymi w niniejszym artykule analizami wytrzymałościowymi, daje oczekiwane rezultaty w postaci wzrostu pewności ruchowej, zwiększenia strona 162 (4) www.energetyka.eu marzec 2014