Zredukowane przebiegi naprężeń w zależności od temperatury pracy komory, podstawowe własności decydujące o

bezpieczeństwie eksploatacji

Kolejną częścią pracy, jest wyznaczenie charakterystyki przebiegu krzywej średniej czasowej wytrzymałości na pełzanie określonej dla 100 000 tys godzin Rz/100000 w zależności od temperatury oraz granicy pełzania R1/100000 i krzywej minimalnej granicy plastyczności Remin(R0,2min).

Granica pełzania RxTt jest to wartość stałego naprężenia R, przy którym po upływie określonego czasu t, w danej temperaturze T, spowoduje trwałe wydłużenie próbki o określoną wartość. Minimalna granica plastyczności Remin(R0,2min) Określa się ją jako wartość naprężenia rozciągającego, które wywoła w próbce wydłużenia trwałe wynoszące 0,2%

pierwotnej długości pomiarowej próbki.

Na rys. 4.27 zamieszczone są, wyznaczone krzywe pełzania oraz wytrzymałości na pełzanie i granicy plastyczności w zależności od temperatury pracy dla stali 10H2M z której komora VPPP jest wykonana.

Rys. 4.27. Przebiegi charakterystycznych własności wytrzymałościowych stali 10H2M oraz wyznaczenie temperatury granicznej ( gdzie R1/100000 –granica pełzania [MPa], Ret- granica

Jak widać na rys. 4.27 wyznaczona temperatura graniczna wynosi ok 480 ºC. Następnie nakładając wyliczone naprężenia zredukowane oraz wykreślone własności materiału, będzie można jednoznacznie określić w jakich warunkach pracuje komora, oraz w których momentach dochodzi do niebezpiecznych zjawisk. Dzięki temu, można będzie zdiagnozować, które momenty pracy komory mają najistotniejszy wpływ na te zjawiska. Na kolejnym rys 4.28 zamieszczone są przebiegi zredukowanych naprężeń na powierzchni wewnętrznej w zależności od temperatury wewnętrznej ścianki komory wylotowej VPPP oraz własności charakteryzujące materiał. Wybrane naprężenia obwodowe osiągają największe wartości, a co za tym idzie będą najbardziej reprezentatywne do oceny pracy elementu.

Rys. 4.28. Przebiegi zredukowanych naprężeń na powierzchni wewnętrznej komory, w zależności od temperatury ścianki z nałożonymi własnościami ( gdzie: zred-zredukowane naprężenia na powierzchni wewnętrznej elementu [MPa], R1/100000 –granica pełzania [MPa],

Ret- granica plastyczności R0,2min [MPa], Rz100000-średnia czasowa wytrzymałość na pełzanie Rz/100000 [MPa] )-strona lewa

Rys. 4.29. Przebiegi zredukowanych naprężeń na powierzchni wewnętrznej komory, w zależności od temperatury ścianki z nałożonymi własnościami ( gdzie: zred-zredukowane naprężenia na powierzchni wewnętrznej elementu [MPa], R1/100000 –granica pełzania [MPa],

Ret- granica plastyczności R0,2min [MPa], Rz100000-średnia czasowa wytrzymałość na pełzanie Rz/100000 [MPa] )-strona prawa

Z rys. 4.28 ora 4.29. widać w jakich warunkach pracuje komora. Potwierdza to tezę zawartą w teorii w rozdziale 3 nt. warunków pracy komory wylotowej przegrzewacza pary świeżej. W ustalonych okresach pracy, komora jest eksploatowana w warunkach powyżej temperatury granicznej, pracuje w warunkach pełzania. Punkty pracy komory nie przekraczają krzywej granicy pełzania R1/100000 oraz Rz/100000 krzywej średniej czasowej wytrzymałości na pełzanie. Początkowe skoki naprężeń spowodowane dużymi skokami temperatur panują tylko w okresie rozruchu. Jednak ich wartości nie są niebezpieczne, nie przekraczają minimalnej

korzystne ekonomicznie. Obydwie strony komory charakteryzują się niemalże takimi samymi punktami pracy ustalonej.

Jednak jak wspomniano w rozdziale 3 nt. charakterystycznych uszkodzeń powstałych podczas pracy komory, które przeważnie występują w miejscach króćców, rys. 4.30. będzie potwierdzeniem tych tez.

Rys. 4.30. Przebieg zredukowanych naprężeń na krawędziach otworów wlotowych i wylotowych pary po stronie lewej komory (gdzie: Rin- zredukowane naprężenie obwodowe na

krawędzi otworu wlotowego pary φ32x7 mm, Rout- zredukowane naprężenie obwodowe na krawędzi otworu wylotowego pary φ324x40 mm,R1/100000 –granica pełzania [MPa], Ret- granica plastyczności R0,2min [MPa], Rz100000-średnia czasowa wytrzymałość na pełzanie

Rz/100000 [MPa])-strona lewa

Rys. 4.31. Przebieg zredukowanych naprężeń na krawędziach otworów wlotowych i wylotowych pary po stronie prawej komory (gdzie: Rin-zredukowane naprężenie obwodowe na

krawędzi otworu wlotowego pary φ32x7 mm, Rout-zredukowane naprężenie obwodowe na krawędzi otworu wylotowego pary φ324x40 mm,R1/100000 –granica pełzania [MPa], Ret- granica plastyczności R0,2min [MPa], Rz100000-średnia czasowa wytrzymałość na pełzanie

Rz/100000 [MPa]) strona-prawa

Z rys 4.31. można wnioskować że naprężenia w miejscach koncentracji, osiągają wartości niebezpieczne. W początkowej fazie rozruchu, następuje przekroczenie umownej granicy plastyczności co może spowodować trwałe odkształcenia elementu co w konsekwencji może grozić uszkodzeniem. Dalej w momencie przechodzenia układu w ustalony czas pracy, otwory na obydwu stronach pracują w różnych naprężenia przechodzą do bezpieczniejszych

zbliżonych do Rz/100000. Wskazane wyniki przebiegu charakterystycznych naprężeń wskazują jedną z przyczyn omawianych wcześniej typowych uszkodzeń które występują właśnie w miejscach króćców. Mechanizmy powstawania tych uszkodzeń zostały szczegółowo opisane w roz 2.3.2.

3. Wnioski

Celem wykonanej analizy było szczegółowe przedstawienie zasady działania systemu komputerowego nadzoru eksploatacji, który pomaga w racjonalnym przeprowadzaniu rozruchów czy odstawień bloków energetycznych. Bieżąca kontrola powstałych naprężeń i wprowadzenie automatycznego systemu bezpiecznego sterowania zmiennymi procesami jest kluczowe w wydłużaniu życia urzadzen i instalacji.

Wykonane obliczenia dla komory VPPP dały pozytywny wynik w kontekście prawidłowej eksploatacji, a także potwierdziły wszystkie tezy na temat przyczyn powstawania uszkodzeń w elementach oraz pracy komory w warunkach pełzania(praca powyżej temperatury granicznej). Naprężenia powstałe podczas uruchamiania nie przekroczyły granic bezpiecznego zakresu, zarówno w czasie rozruchu jak i ustalonej pracy kotła. Szybkości zmian temperatury w początkowej fazie rozruchu przekroczyły wartości dopuszczalne, jednak naprężenia, które powstały na powierzchni ścianek elementu nie przekroczyły granicy plastyczności. Pewne niepożądane zjawiska, które mogą przyczynić się do uszkodzeń takie jak szoki temperaturowe, zbyt wysokie wartości szybkości zmian temperatury są nieuniknione podczas eksploatacji, a szczególnie przy rozruchu kotła. Początek produkcji pary świeżej i rozpoczęcie podawania pary na przegrzewacze jest tym punktem kulminacyjnym, który powoduje bardzo wysokie naprężenia, często przekraczające wartości dopuszczalne. W analizowanym elemencie, nie doszło do niepokojących przekroczeń na które należałoby zwrócić uwagę. Miejsca w których doszło do bardzo wysokich naprężeń czyli króćce dolotowe i wylotowe pary tzw. miejsca koncentracji naprężeń niestety w początkowej fazie rozruchu przekroczyły granicę plastyczności oraz przy ustalonym czasie pracy, wahają się na granicy Rz/100000. Ta sytuacja nie jest czymś wyjątkowym lecz zjawiskiem normalnym. W tych miejscach szczególnie narażonych na uszkodzenia, często dochodzi do takich sytuacji, uszkodzenia się pojawiają, i należy je kontrolować aby unikać nieplanowanych awarii, wypadnięć bloku z ruchu, a co za tym idzie wysokich strat z tytułu zniszczenia elementu oraz strat finansowych spowodowanych dłuższym nieplanowanym postojem. Warto zaznaczyć, że komora wylotowa przegrzewacza pary, jest stosunkowo małym elementem, uszkodzenia na króćcach są rzadko naprawiane a urządzenie jest w eksploatacji. Jednak zaleca się częste diagnostyki stanu urządzenia i wykonywanie niezbędnych remontów, napraw, podczas planowanych odstawień bloku, aby zwiększyć dyspozycyjność i efektywność energetyczną zakładu.

powstających podczas rozruchów, odstawień i zmian obciążeń bloków energetycznych, pomoże w optymalnym i możliwie jak najszybszym przeprowadzaniu tych procesów. Wspomoże to w podniesieniu dyspozycyjności bloku, zmniejszy awarie (operatorzy bloków będą świadomi powstałych naprężeń, będą mogli na bieżąco je kontrolować poprzez odpowiednie sterowanie procesami). Zaleca się opomiarowanie kluczowych elementów bloków energetycznych (temperatury na powierzchniach zewnętrznych elementów w różnych miejscach na obwodzie – wraz z temperaturą i ciśnieniem czynnika, dzięki czemu wdrażając system nadzoru eksploatacji, będzie można na bieżąco monitorować powstałe naprężenia termiczne i mechaniczne). Takie działania powinny zwiększyć dyspozycyjność bloków energetycznych, a także przy odpowiedzialnej eksploatacji do maksimum wydłużyć czas życia, co w dzisiejszej sytuacji energetycznej Polski, jest bardzo ważne.

Literatura:

[1] A.Zieliński, J.Dobrzański Instytut Metalurgii Żelaza im. St. Staszica RAFAKO S.A..

Ocena TRWAŁOŚC trwałości elementów części ciśnieniowej kotłów energetycznych w procesie dopuszczania do eksploatacji poza obliczeniowy czas pracy” RAFAKO S.A.

[2] Mgr inz. Ewa Zbroińska Sczechura, Energetyka Nr 9/1997 str 408-409, wyd Pro Novum-Kartowice „Pęknięcia termoszokowe niektórych otworów walczaków kotłów wysokoprężnych”

Katowice, 1997

[3] Jerzy Dobosiewicz, Ewa Zbroińska-Szczechura; „Ocena stopnia zużycia

ciśnieniowych elementów kotłów pracujących w warunkach pełzania” wyd Pro Novum-Kartowice Katowice grudzień 2007

[4] Jerzy Dobosiewicz, Ewa Zbroińska-Szczechura; „Ocena trwałości komór przegrzewaczy pracujących w warunkach pełzania” wyd Pro Novum-Kartowice Katowice grudzień 2007 [5] Ewa Zbroińska Sczechura „Typowe uszkodzenia kotłowych walczaków” wyd Pro Novum-Katowice Novum-Katowice, kwiecień 2007

[6] Magdalena Jaremkiewicz, rozprawa doktorska „Odwrotne zagadnienia wymiany ciepła, wystepujace w pomiarach nieustalonej tempeatury płynów” wyd. Politechnika Krakowska IMiUE, Kraków 2011

[7] Jerzy Dobosiewicz, „Ocena ryzyka niezawodnej eksploatacji komór przegrzewaczy kotłów parowych” wyd Pro Novum-Katowice; Zakopane 2008

[7] Marcin Pilarczyk „Monitorowanie Maszyn i Urządzeń Energetycznych-wstęp teoretyczny do laboratoriów”, Kraków 2016

[8] European Standard, EN 12952-3, “Water-tube boilers and auxiliary installations – Part 2:

Design and calculation for pressure parts”. CEN – European Committee for Standarization, rue de Stassart 36, B-1050 Brussels, 25. July 2001 (PN-EN 12952-3 „Kotły wodnorurkowe i urządzenia pomocnicze. Część 3: Konstrukcja i obliczenia części ciśnieniowych”

[9] Taler J., Węglowski B., Zima W., Grądziel S., Zborowski M., “Analysis of Thermal Stresses in a Boiler Drum During Start-up, Transaction of the ASME, Vol.121,” February 1999, pp. 84-93

[10] J. Taler, „Teoria i praktyka identyfikacji procesów przepływu ciepła” Wydawnictwo Ossolineum, Warszawa-Kraków, Wrocław 1995

[11] http://www.openaccesslibrary.com/vol03/ogolna.pdf stan 13.10.2016r

[12] Ludwik Cwynar „Rozruch kotłów parowych” Wydawnictwo Naukowo-Techniczne,