Jerzy TRZESZCZYŃSKI PRO NOVUM, Katowice
MOŻLIWOŚCI OCENY PRZYDATNOŚCI DO DALSZEJ EKSPLOATACJI URZĄDZEŃ CIEPLNO-MECHANICZNYCH ELEKTROWNI NA PODSTAWIE BADAŃ
METALOGRAFICZNYCH
S tr e sz c z e n ie . Przedstaw iono ocenę przydatności b ad ań m etalogra
ficznych w diagnostyce elem entów kotła, tu rb in y i rurociągów paro wych, w szczególności pracujących w w aru n k ach pełzania. N a podsta
wie w łasnych doświadczeń w skazano tak że n a liczne ograniczenia m e
tody zw iązane z wyborem miejsc badań, p rep eraty k i i interpretacji wyników.
POSSIBLE UTILIZATION OF METALLOGRAPHIC EXAMINATION IN THE ASSESSM ENT OF FU RTH ER SERVICE LIFE OF
THERMAL-MECHANICAL EQ UIPM ENT IN POW ER PLANTS
Sum m ary. The usability of m etallographic exam ination in the diagnostic of boiler tu rb in e and pipeline elem ents w as evaluated w ith p a rticu la r atten tio n being paid to those o perating u n d e r creep conditions. Following our own experience num erous lim itation of the exam ination was indicated connected w ith th e selection of exam ination area, sam ple p rep aratio n and in te rp re ta tio n of resu lts.
BEURTEILUNGSM ÖGLICHKEIT DES W EITEREN BETRIEB DER W ÄRME-M ECHANISCHEN ANLAGEN E IN ES KRAFTWERKS AUF GRUND DER METALLOGRAPHISCHEN UN TERSUCHU NGEN
Z u sa m m en fa ssu n g. Es w urde die B rau ch b ark eit der m etallograpischen U ntersu ch un g en in der D iagnostik der K essel-, T u rb in e n - und D am pfleitungen- E lem ente b eu rteilt, insbesondere deren, die in Kriechbedingungen arbeiten. A uf G rund eigener E rfahrungen, w urde auch an zahlreiche B eschränkungen, die m it A usw ahl der U n tersuchungsstelle, P r e p a r a tu r - und E rgebnissau sw ertung verbunden sind, hingew iesen.
184 Jerzy T rzeszczyński
1. WPROWADZENIE
Celem diagnostyki m ateriałow ej urządzeń cieplno-m echanicznych elek
trow ni je s t określenie n a podstaw ie oceny aktualnego sta n u m etalu przydat
ności elem entu do dalszej eksploatacji oraz sform ułowanie prognozy dotyczą
cej przewidywanego czasu jego bezpiecznej pracy.
T ak ogólnie sformułowanego celu nie m ożna osiągnąć posługując się jedną m etodą b ad ań lub pom iarów czy wyłącznie m etodą obliczeń. Skomplikowane w aru n k i pracy, różnorodność zastosowanych m ateriałów i technologii wyko
n an ia, duże w ym agania odnośnie do bezpieczeństw a i niezawodności pracy spraw iają, że ww. cel osiągnąć m ożna wykorzystując system wzajem nie zsyn
chronizowanych działań, tj. badań, pom iarów i obliczeń. Zestaw odpowiednio uporządkow anych procedur badawczo-pom iarowych i obliczeń m ożna określić m ianem system u diagnostyki. W zależności od rodzaju badanego elem entu i w ym agań użytkow nika wykorzystuje się poszczególne elem enty ta k rozumia
nego system u w odpowiednim zakresie. Jednym z częściej wykorzystywanych elem entów system u są bad an ia m etalograficzne.
2. M IEJSCE BADAŃ METALOGRAFICZNYCH W SYSTEMIE DIAGNOSTYKI
W system ie diagnostyki wyróżnić m ożna następujące formy inspekcji stanu m ateriału:
- oględziny,
- bad ania nieniszczące, - bad ania niszczące, - pom iary deformacji.
B adania m etalograficzne w ystępują jako część składow a drugiej i trzeciej formy inspekcji sta n u m etalu podczas oceny sta n u technicznego elementów kotła, głównych rurociągów parowych i turbiny. W obrębie b ad a ń nieniszczą
cych b ad an ia m etalograficzne wykonywane są m etodą replik (plus pomiar twardości), n atom iast jako fragm ent badań niszczących wykonyw ane są na zgładach wykonanych n a pobranych z elem entu próbkach. Pośrednim sposo
bem oceny sta n u s tru k tu ry bywa także pom iar tłum ienia sygnału ultradźw iękowego przy w ykorzystaniu wzorca wielkości tłum ienia m ateriału w stanie wyjściowym lub wyniku porzedniego badania.
W diagnostyce urządzeń cieplno-m echanicznych elektrow ni wykorzystuje się w szystkie dostępne techniki m etalograficzne łącznie z m ikroskopią elek
tronow ą i ilościową oceną składników stru k tu ry . N aczelną zasad ą powinien być um iejętny dobór technik badawczych do danego problemu.
3. ZAKRES WYKORZYSTANIA METOD METALOGRAFICZNYCH
W DIAGNOSTYCE ELEMENTÓW KOTLA, RUROCIĄGÓW, TURBINY I GENERATORA
B adania m etalograficzne w ykorzystuje się najczęściej w celu:
- o k r e śle n ia ty p u str u k tu r y - wielkość ziarn a, skład fazowy, obecność w trąceń niem etalicznych, etc. są w ażną inform acją dotyczącą własności wytrzymałościowych i plastycznych m etalu,
- w y k ry c ia e w e n tu a ln y c h zm ia n p o d w p ły w em w a r u n k ó w e k s p lo a tacji - zaaw ansow anie procesów wydzieleniowych, stopień dyspersji i koagulacji wydzieleń pozw alają wnioskować o stopniu degradacji w łasnoś
ci m echanicznych,
- w y k ry c ie m ik ro p o r p e łz a n io w y c h - pozwala wnioskować o stopniu zaaw ansow ania degradacji własności m etalu n a sk u tek pełzania,
- u ja w n ie n ie i o k r e śle n ie m ec h a n iz m u i k in e ty k i w z r o stu m ik r o - i m a k r o p ę k n ięć - stw arza możliwość określenia przyczyn i tem pa propa
gacji uszkodzeń,
- o k r e śle n ie o p tym aln ej te c h n o lo g ii n a p r a w y i r e g e n e r a c ji u s z k o d z o n y c h lu b n a d m ie r n ie w y c z e r p a n y c h e le m e n tó w - bad an ia m eta
lograficzne wspom agane zwykle b adaniam i udarności, tw ardości i analizy składu chemicznego pozwalają właściwie dobrać w aru n k i spaw ania i w yża
rza n ia oraz um ożliw iają kontrolę popraw ności w ykonanych zabiegów.
Zakres rutynow ych badań m etalograficznych krytycznych elem entów kot
ła, rurociągów i turbozespołu przedstaw iono w tablicy 1.
T a b lic a 1 Z a k res b a d a ń m e t a lo g r a f ic z n y c h k r y t y c z n y c h e le m e n t ó w k o tła , g łó w n y c h r u r o
c ią g ó w p a r o w y c h i t u r b in y
E lem en t M iejsce badania
Rodzaj badań m etalo
graficznych
C el badania
Kocioł
W alczak
D zwona i dennice w części
parowej i wodnej R
S tw ierdzenie ew entualnych zm ian w strukturze pod w pływ em eksploatacji D zwono o najniższych w ła
snościach w ytrzym ałościo
wych lub posiadające pęk
n ięcia w ym agające napra
w y przez spaw anie
Z (na w ycię
tym „korku"
lub próbce
„łódkowej") - j.w.
- O kreślenie morfologii pęknięć
- O kreślenie optymalnej technologii napraw y Komory
przegrzewaczy pary*'
D ow olne m iejsce na
pow ierzchni zew nętrznej R O kreślenie typu struktury
186 Jerzy Trzeszczyński
cd . ta b lic y 1
E lem ent M iejsce badania
Rodzaj badań m etalo
graficznych
C el badania
S ch ład zacze' W dowolnym m iejscu na
odcinku przed w tryskiem R O kreślenie typu struktury Rurociągi
kom unikacyjne (łączące)
Najbardziej zow alizow ane kolana w strefie rozciąga
nej na odcinku prostym
R
- O kreślenie stopnia degra
dacji struktury
— W ykrycie ewentualnych mikropor pełzaniowych
W ężownice przegrzewaczy
pary
N a w locie i w ylocie pary rur wyznaczonych podczas oględzin
Z
- O kreślenie stopnia degra
dacji struktury
- Wykrycie ewentualnych mikropor pełzaniowych - Grubość w arstw y tlenków
na pow. wewnętrznej Główne rurociągi parowe
Rurociągi pary św ieżej i
wtórnie przegrzanej
W szystkie kolana w stre
fie rozciąganej i n a odcin
ku prostym
R
- O kreślenie stopnia degra
dacji stu k tu iy
— Wykrycie ew entualnych mikropor pełzaniowych Turbina
Wirniki WP i SP
W dwóch miejscach na kole regulacyjnym (Curtisa) oraz na w ale za ostatnim kołem roboczym
R
U jaw nienie ew entualnych zm ian w strukturze pod w pływ em eksploatacji
Korpusy turbin części
WP i SP
N a wlocie i w ylocie pary w
części dolnej i górnej Z
- Określenie typu struktury, - U jaw nienie ewentualnych
zm ian w strukturze pod w pływ em eksploatacji, - Opracowanie optymalnej
technologii napraw y i re
generacji Korpusy
turbin części N P (żeliw ne w
niektórych typach turbin)
W strefie w lotu i w ylotu pary w części dolnej i gór
nej
R
U jaw nienie ew entualnej degradacji struktury (grafi- tyzacji)
Korpusy zaworów szybko- zamykających i regulacyjnych
W części w lotow ej, w m iejs
cu m ożliw ym ze względów konstrukcyjnych
R lub Z
- U jaw nienie ewentualnych zm ian w strukturze pod w pływ em eksploatacji, - Opracowanie optymalnej
technologii napraw y
cd . t a b lic y 1
Elem ent M iejsce badania
Rodzaj badań m etalo
graficznych
C el badania
Tarcze nasadzane na wirnikach NP,
S P iW P
Poniżej wrębów łopatko
wych R O kreślenie typu struktury
Z p iasty w przypadku jej uszkodzenia lub tulejowa- nia
Z O kreślenie m echanizm u i k in etyk i pękania
G enerator
Kołpaki w irnika
W m iejscach narażonych
n a korozję naprężeniow ą R U jaw n ien ie ew entualnej obecności korozji naprężeniow ej C ala pow ierzchnia
obydwu kołpaków T
W ykruszone m echanicznie
fragm enty m ateriału Z
— określenie sta n u struk
tury
- określenie m echanizm u pękania
*) - n a życzenie użytkow nika lub producenta R - replika (+ twardość)
Z - zgład (nietraw iony, traw iony + twardość) T - pomiar tłum ienia
W ażną dziedziną zastosow ania b adań m etalograficznych są także w szelkie
go rodzaju ekspertyzy poaw aryjne oraz prace zw iązane z wdrożeniem nowych technologii wykonaw stw a, w ym iany i regeneracji.
4. ZALETY I OGRANICZENIA BADAŃ METALOGRAFICZNYCH
Główna zaleta bad ań m etalograficznych zw iązana je s t z isto tą samych badań, tj. analizą s tru k tu ry m etalu. Istnieje dobrze udowodniona teza, że własności m ateriału są w bezpośrednim zw iązku z typem stru k tu ry , tj. wiel
kością ziarna, składem fazowym, rodzajem i dyspersją wydzieleń, budową dyslokacyjną, etc. Oznacza to, że wszelkie zm iany w obrazie stru k tu ry mogą być, przy spełnieniu dodatkowych w arunków , in terpretow ane jak o odpowied
nie zm iany wybranych własności (wytrzymałościowych, plastycznych etc.) użytkowych m ateriału. Coraz większe zrozum ienie zależności pomiędzy stru k tu rą a własnościam i pozwala w ostatnim czasie projektować nowe m ate
riały o ściśle określonych cechach użytkowych.
N iestety, w obrębie zagadnień w ystępujących w diagnostyce urządzeń ciep- lno-m echanicznych elektrow ni w ystępuje wiele na tu ra ln y c h ograniczeń w za
188 Jerzy Trzeszczyński
stosow aniu m etod m etalograficznych. Wybór najw ażniejszych z nich przed
staw ia się następująco:
- Bardzo rzadko w praktyce m am y informacje o stru k tu rz e w stanie wyjścio
wym m ateriału. Bez wiedzy o stan ie początkowym tru d n o wnioskować o zm ianach, chyba, że ja k w przypadku wirników tu rb in , tzw. część zimna w ału może być trak to w an a jako m ateriał w stanie wyjściowym.
- Ortodoksyjnie n astaw ieni zwolennicy m etod m etalograficznych głoszą, z czym w znacznej m ierze należy się zgodzić, że s tru k tu rę m ożna traktować jako miejsce „zapisu” informacji o kolejnych fazach eksploatacji. Problem tkw i „tylko” w tym, żeby te często subtelne (np. n a poziomie dyslokacyj
nym) informacje umieć właściwie zinterpretow ać oraz, co równie ważne, aby wiedzieć, gdzie w elemencie o wielkich gabary tach takiej informacji szukać i aby w takim miejscu możliwe było w ykonanie badań. Bardzo często spełnienie ww. w arunków je s t niemożliwe lub bardzo utrudnione.
- Najlepsze możliwości oceny sta n u m ateriału dają bad an ia niszczące, na podstaw ie których można skorelować s tru k tu rę i własności mechaniczne.
Trudność wykonania takich badań polega n a tym, że rzadko m ożna pobrać próbkę z odpowiedniego m iejsca w ta k i sposób, aby nie spowodować jego trw ałego uszkodzenia. Dla celów poznawczych badanie tak ie m a pewną wartość, dla p raktyki eksploatacyjnej - żadnej.
- Bardzo często demonizowane są w artości poznawcze badań za pomocą replik, m ożna spotkać z ich udziałem metodyki wyjątkowo wyrafinowane i pracochłonne. P raktyczna korzyść z tak ich b ad ań je s t często niewspółmier
n a do wysiłku i kosztów. Liczba rzadko, w tym przypadku, przechodzi w jakość, a prognozowanie n a podstaw ie wyrafinowanych bad ań elektroopty-
cznych tylko pozornie zm niejsza błąd prognozy i w ydłuża jej horyzont.
Proces eksploatacji je st ciągle kontrolow any niedostatecznie, pom iary tem
p e ra tu r m etalu są często mało wiarygodne. W arunki brzegowe długotermino
wej prognozy praw ie nigdy w praktyce nie są zachowane.
Replika to relief stru k tu ry n a powierzchni elem entu, k tó ra bardzo często:
- technologicznie m a w ytworzoną s tru k tu rę in n ą niż re sz ta m etalu (zgniot i odwęglenie powierzchniowe),
- nie pracuje w sposób typowy dla danego rodzaju elem entu; w komorach przegrzewaczy p ary nigdy nie m a możliwości w ykonania replik w miej
scach najbardziej narażonych n a zniszczenie (m ostki n a powierzchni we
w nętrznej).
Powszechnie akceptowanym poglądem je s t duża przydatność badań m eta
lograficznych elementów pracujących w w aru nk ach pełzania. Ze stanowis
kiem takim należy się zgodzić w przypadku w ykorzystania ww. metody do b ad ań sta n u kolan rurociągów pary świeżej, w tórnie przegrzanej oraz rur kom unikacyjnych (łączących). B adania wykonane w najbardziej zowalizowa- nym miejscu części rozciąganej kolan um ożliw iają popraw ne określenie stop
nia degradacji m ate ria łu od pełzania i długotrwałego oddziaływ ania wysokiej tem peratury (przy in terp retacji wyników b ad ań należy tylko pam iętać o czę
sto spotykanym w praktyce technologicznym odwęgleniu powierzchni rury).
Z oceną, n a podstaw ie b ad ań s tru k tu ry pozostałych elem entów pracujących w w arunkach pełzania w ystępują znaczne problemy. To, że elem ent pracuje w w arunkach pełzania, nie znaczy wcale, że dom inującym procesem niszczącym jest pełzanie. P raktyczne doświadczenia zw iązane z oceną s ta n u technicznego komór przegrzew aczy pary, schładzaczy, w irn ik ów W P i SP tu rb in , korpusów WP i SP tu rb in oraz korpusów zaworów regulacyjnych i szybkozam ykających WP i SP ew identnie dowodzą, że elem enty te ulegają uszkodzeniom , są n a p ra wiane lub w ym ieniane w związku z ich uszkodzeniam i o charak terze zmęcze
niowym. Termoszokowy m echanizm inicjacji i w zrostu pęknięć dom inuje zde
cydowanie w ww. elem entach grubościennych. W tak ich sytuacjach pożytek z badań stru k tu ra ln y ch mocno spada, niekiedy wręcz tra c ą one całkowicie swoją przydatność. B adania s tru k tu ry kom ór przegrzew aczy p a ry n a powierz
chni zew nętrznej z przytoczonych powodów nie m ają większego sensu. W łaści
wym badaniem w tym przypadku je s t inspekcja (za pomocą endoskopu) po
wierzchni w ew nętrznej (szczególnie kraw ędzi otworów i mostków). Niekiedy w praktyce spotkać m ożna także przypadki ew identnych błędów n a poziomie preparatyki, np. in terpretow anie (przy dużych pow iększeniach > 1000x) ja- mek traw iennych powstałych podczas w ykonyw ania zgładu m etodą elektro
chemiczną, jako p u stek pełzani owych.
5. WNIOSKI
Związek s tru k tu ry z w łasnościam i m ate ria łu spraw ia, że b ad an ia m etalo
graficzne są często stosow aną m etodą testo w ania aktualnego sta n u m ate ria łu. Zm iany w obrazie s tru k tu ry są podstaw ą do sform ułow ania prognozy w zakresie dalszej przydatności elem entu. Szeroki zakres stosow ania metod metalograficznych w diagnostyce elem entów kotła, głównych rurociągów p a
rowych i tu rb in został zaprezentow any zgodnie z ak tu alny m i dośw iadczenia
mi firm y Pro Novum. Obok licznych zalet m etalografii w skazano tak że n a naturalne ograniczenia.
Reasum ując należy stwierdzić, że:
1. B adania m etalograficzne należy traktow ać jako je d n ą z m etod system u diagnostyki. B adania defektoskopowe i obliczenia zapasu żywotności po
w inny być zawsze logicznie pow iązane z an alizą s tru k tu ry m ateriału . 2. G ranicą stosowalności b ad ań niszczących (m etalograficznych i w ytrzy
małościowych) powinno być zachowanie dalszej przydatności elem entu do eksploatacji. Poznawcza stro n a bad ań nie może dominować n ad bezpośred
n ią przydatnością wyników dla p rak ty k i eksploatacyjnej i rem ontow ej.
190 Jerzy T rzeszczyński
3. Stosowanie każdej z m etod diagnostycznych, w tym także metalografii, powinno być w logicznym związku ze spodziewanym, n a podstaw ie staty
styki uszkodzeń i znajomości w arunków pracy m etalu, typem i lokalizacją procesów niszczących. Trywializując m ożna stwierdzić, że badać należy nie tam , gdzie je s t najłatw iejszy dostęp, tylko tam , gdzie proces niszczenia może zachodzić z najw iększą intensyw nością. Im mniej wiadomo o w arun
kach pracy m etalu konkretnego elem entu, tym m niejsze je s t prawdopodo
bieństwo poprawnego w ykonania badań.
Recenzent: Prof. dr hab. inż. G erard KOSMAN
Wpłynęło do Redakcji 10.08. 1994 r.
A b stract
The hierarchy and im portance of m etallographic exam ination in the general diagnostic system for the pressure elem ents of boilers, turbin es and steam pipelines w as presented. N um erous advantages were indicated connected w ith th e utilization of th e in terrelatio n of m ate ria l stru c tu re and properties. P artic u la r atten tio n was attached to a good applicability of m etallographic exam ination in evaluating m aterials operating in creep conditions.
A num ber of lim itations of th e m ethod connected w ith th e selection of zones to be exam ined, replicas tak in g and sam ple cutting out w ere presented as well as in te rp re ta tio n of th e resu lts w as discussed.
