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