ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: ENERGETYKA z. 120
1994 Nr kol. 1260
Tadeusz BOŁD, Ja n u sz DOBRZAŃSKI, P iotr M ILIŃSKI Instytut M etalurgii Żelaza, Gliwice
METODY OCENY TRWAŁOŚCI RESZTKOW EJ ELEMENTÓW URZĄDZEŃ KOTŁOWYCH DO STOSOWANIA W KRAJOW EJ ENERGETYCE
S tr esz c z en ie . Omówiono czynniki d eterm inujące sposób rozwiązy
w ania zagadnień trw ałości resztkowej. Dokonano podziału i przeprow a
dzono klasyfikację m etod oceny trw ałości resztkow ej. N a podstaw ie w łasnych b a d ań laboratoryjnych i prow adzonych bezpośrednio n a obie
ktach dokonano wyboru m etod oceny do stosow ania w w aru n k ach en e r
getyki krajowej. Omówiono podstawowe elem enty system u oceny stanu i przewidywania okresu dalszej bezpiecznej eksploatacji elementów ciśnie
niowych kotłów wysokoprężnych pracujących w w arunkach pełzania.
ADAPTATION OF TH E M ETHODS FOR TH E RESIDUAL LIFE ESTIMATION OF HIGH PRESSURE BOILERS USED IN TH E POLISH POWER PLANTS
Sum m ary. Factors affecting resid u al life of th e p ressu re boiler p a rts have been discussed. Verious m ethods used for th e estim ation of th e residual life w ere sistem atically qualized and classified. B ased on th e experim ental resu lts and in d u stria l te s ts th e m ethods best suited for th e polish power p lan ts w ere selected. The proposal of th e system e stim atin g th e condition and prediction fu rth e r safe service of steam boilers and steam pipelines h a s been given.
METHODEN ZUR BESTIMM UNG DER RESTLEBENSDAUER VON KESSELANLAGEN ELEM ENTEN IN BEDINGUNGEN DER EIN H EIM ISCH EN EN ERG ETIK
Z u sa m m en fassu n g . Die E inteilun g u n d K lassifikation von B eurteilungm ethoden der R estlebensdauer w urde durchgeführt.
A nhand eigener Labor— u n d B etriebsversuche d ire k t an Anlagen w urden M ethoden zur B eurteilung der R estlebensdauer in B edingungen der einheim ischen E n erg etik ausgew ählt.
G rundelem ente des Z ustandsb eu rteilun g ssy stem s u n d Prognosierung
der Zeitdauer des gefahrlosen B etriebs von D ruckbauteilen in H ochdruckkesseln, die in Z eitstandsbedingungen arbeiten, wurden besprochen.
1. W STĘP
Elem enty w ysokotem peraturow ych i wysokociśnieniowych instalacji ener
getycznych i petrochem icznych są projektow ane według przepisów, które m a
j ą n a celu zapew nienie określonej, dużej trw ałości. E lem enty konstrukcyjne pracujące w tych w arunk ach ulegają ciągłym zm ianom powierzchniowym, wew nętrznym zmianom m ateriałow ym oraz zm ianom w sk utek procesów utle
n ian ia i korozji. Zachodzące zm iany powodują ustaw iczn ą degradację m ate
ria łu i w konsekwencji jego uszkodzenie. Do podstawowych przyczyn uszko
dzeń należą:
- pełzanie,
- zmęczenie niskocyklowe i cieplne, - agresywność środowiska,
- rozw iązania konstrukcyjno-projektow e, - technologia w ykonania.
Dla elementów pracujących w obszarze kotła główną przyczyną pow staw a
n ia uszkodzeń je s t zjawisko pełzania. W obszarze tu rb in y oprócz pełzania jako odpowiedzialne w równym stopniu za uszkodzenia je s t w ystępujące niskocy
klowe zmęczenie.
W ydawać by się mogło, że elem enty instalacji kotłowych będą pracowały tylko przez okres trw ałości obliczeniowej lub niewiele dłużej. Doświadczenie jed n a k tem u przeczy - istnieje wiele instalacji, które p rac u ją bezpiecznie po znacznym przekroczeniu trw ałości obliczeniowej. M ożna więc wydzielić dwa odrębne okresy trw ałości eksploatacyjnej (rys. 1):
a) pierw otną trw ałość eksploatacyjną (w typowym przypadku 100 000 godzin), b) rozporządzalną trw ałość resztkow ą rozu m ian ą jako bezpieczny czas dalszej
eksploatacji w rzeczywistych w arun k ach pracy.
Podstawowym problemem do rozstrzygnięcia je s t nie tylko stw ierdzenie możliwości przedłużenia eksploatacji poza czas obliczeniowy, ale przede wszy
stkim n adanie liczbowego w ym iaru czasu dalszej bezpiecznej eksploatacji w zależności od sta n u m ateriału i rzeczywistych w arunków pracy analizow ane
go elem entu.
Sposób rozw iązania zagadnień trw ałości resztkowej elem entów k o n stru kcyjnych, ja k również całych instalacji d eterm in ują następujące czynniki:
- c h a ra k te r i znaczenie obiektu,
- ekonomiczne konsekwencje postojów rem ontowych lub nieplanowanego zam knięcia,
- bezpieczeństwo i ekonomiczne konsekwencje uszkodzeń obiektu.
Metody oceny trwałości resztkowej.. 71
ROZPORZADZAINATKW AIOSĆ RESZTKOWA- BEZPIECZNYCZAS EKSPLOATACJI POZA- 06LIC ZEN IO W Y
Rys. 1. Zakresy trw ałości eksploatacyjnej Fig. 1. P a rts of service life
Długotrwałe oddziaływanie podwyższonej te m p e ra tu ry i ciśnienia wywołu
je w m ateriale równoległe w ystępow anie trzech podstaw owych procesów:
- zmian stru k tu ry w porów naniu ze stan em wyjściowym, - przyrostu odkształceń,
- rozwoju uszkodzeń.
Względne udziały tych procesów zachodzące w m ate ria le aż do jego znisz
czenia ilu stru je rys. 2.
Wśród elem entów niezbędnych do oceny sta n u m ate ria łu i rzetelnej progno
zy dalszego bezpiecznego okresu eksploatacji należy wyróżnić:
- dane wyjściowe dotyczące własności i s tru k tu ry m ateriału , - dane wyjściowe dotyczące geom etrii elem entów konstrukcyjnych,
- dane dotyczące własności i s tru k tu ry m ate ria łu w eksploatacji lub po eksploatacji,
- dane eksploatacyjne.
W ym agania eksploatacyjne, ja k i przepisy bezpieczeństw a powodują konie
czność system atycznego b ad an ia i kontroli instalacji w czasie pracy i po pracy w celu jej oceny zapewniającej bezpieczeństwo i niezawodność. J e s t to dziedzi
na, w której w okresie ostatnich dw udziestu la t prow adzi się szereg prac badawczych w wielu zagranicznych i kilk u krajow ych ośrodkach naukowo—ba-
Rys. 2. Zmiany s tru k tu ry m a teria łu w procesie pełzania Fig. 2. M icrostructural changes of m a teria ł d u rin g creep
dawczych. Również takie badan ia są prowadzone od k ilk u n a stu la t przez In sty tu t M etalurgii Żelaza.
Poniżej przedstaw iono m etody oceny s ta n u m a te ria łu i m etody o k reśla
n ia trw ałości resztkow ej elem entów w ykonanych z niskostopow ych stali Cr-M o-/V / po długotrwałej eksploatacji w w aru nkach pełzania w obrębie kotła, w ybrane i zweryfikowane w łasnym i badaniam i. Równocześnie omówio
no w ogólnym zarysie opracowany system sta n u m ateriałów po eksploatacji i przew idyw ania okresu dalszej bezpiecznej eksploatacji poza czas obliczeniowy tych elementów.
Metody oceny trwałości resztkowej. 73
2. OGÓLNA KLASYFIKACJA METOD OCENY TRWAŁOŚCI RESZTKOWEJ
Stosowane dotychczas m etody oceny trw ałości resztkow ej m ożna podzielić na dwie grupy:
1) metody polegające n a bad aniach i próbach m ateriałów po eksploatacji, wymagające bezpośredniego dostępu do elem entu, pobrania próbki i doko
nania pomiarów,
2) metody polegające n a grom adzeniu i kontroli p aram etró w ruchowych w celu dokonania obliczeń przy w ykorzystaniu standardow ych danych m ate
riałowych i reguły ułam ków trw ałości.
W praktyce istnieje wiele stadiów pośrednich, które c h a rak tery zu ją się wykorzystaniem łącznie m etod zakw alifikow anych do obydwu grup. Umożli
wia to trafn iejszą ocenę trw ałości niż w p rzypadku zastosow ania m etod w ła
ściwych dla jednej z tych grup.
2.1. M etody o c e n y tr w a ło ś c i r e sz tk o w e j o p a r te n a b a d a n ia c h m a te r ia łó w p o e k sp lo a ta c ji
B adania m ate ria łu po eksploatacji w ym agają zwykle bezpośredniego dostę
pu do elem entu. Pozw alają one n a dokładną ocenę stopnia w yczerpania i stopnia uszkodzenia badanego elem entu. B ad an ia te nie w ym agają znajomo
ści historii w arunków pracy, a w szczególności nap rężeń i tem p eratu ry . Nie występuje ponadto konieczność w ykorzystania standardow ych danych m ate riałowych.
Metody zakwalifikowane do tej grupy m ogą być zarówno niszczące, ja k i nieniszczące, a wybór ich kom binacji zależy od rodzaju elem entu, położenia miejsc najbardziej wytężonych oraz od czynników ekonomicznych. N iektóre z tych m etod są stosow ane n a bieżąco w sposób niezaw odny, a inne są wciąż dopracowywane. Stosowane m etody b ad ań m ateriałów po eksploatacji w ym a
gają zwykle pobrania próbek z instalacji sposobam i niszczącym i, ta k że po
wstałe ubytki m ateriału w ym agają nap raw y przez spaw anie. Ze względu na m iniaturyzację próbek w niektórych przypadkach możliwe je s t pobranie pró
bek w sposób wym agający jedynie w yrów nania powierzchni. Znane są również nieniszczące m etody bad ań m ateriałów po eksploatacji dokonywane bezpo
średnio n a zainstalow anych elem entach urządzeń kotłowych.
W grupie m etod oceny trw ałości resztkowej polegających n a badaniach m ateriałów po eksploatacji m ożna wyróżnić:
- próby pełzania,
- statyczne, udarow e i zmęczeniowe b ad an ia m echaniczne, - b adania m etalograficzne i stru k tu ra ln e ,
- b adania własności fizycznych,
- ocenę odkształceń lub szybkości odkształceń elem entu.
2.2. M etod y o c e n y tr w a ło śc i re sz tk o w e j o p a r te n a r e je str a c ji i k o n tr o li p a ra m etró w p r a c y i o b lic z e n ia c h n a p o d sta w ie sta n d a r d o w y c h c h a r a k te r y sty k
Metody obliczeniowe oceny trw ałości resztkowej chętnie są stosow ane przez eksploatatorów urządzeń energetycznych. Szczególnie dotyczy to krajów, któ
re nie dysponują pełnym zakresem informacji dotyczących zachow ania się m ateriałów stosowanych n a urządzen ia energetyczne po długich okresach eksploatacji uzyskanych m etodam i zaliczanym i do g rupy m etod wymienio
nych w punkcie 2.1.
Metody obliczeniowe polegają n a obliczaniu trw ałości resztkow ej n a podsta
wie dostępnych zapisów tem p eratu ry i ciśnienia roboczego, przy w ykorzysta
niu standardow ych danych dotyczących pełzania m ate ria łu i obliczonych n a prężeń w połączeniu z regułą ułam ków trw ałości Robinsona. W śród metod obliczeniowych m ożna wyróżnić m etody oparte na:
- w ynikach prób pełzania m ateriału w stan ie wejściowym, - w ynikach prób pełzania po eksploatacji,
- charak terystyk ach własności n a pełzanie oraz niskocyklowego zmęczenia.
3. WYBÓR METOD OCENY DO STOSOWANIA W WARUNKACH ENERGETYKI KRAJOW EJ
A naliza przytoczonych m etod oceny trw ałości resztkowej w ykazała potrze
bę stosow ania zintegrow anych sposobów postępow ania polegających n a połą
czeniu obliczeń n a podstaw ie standardow ych danych m ateriałow ych i analizy sta n u wytężenia, np. m etodą elem entów skończonych, oraz m etod polegają
cych n a badaniach i próbach m ateriału po eksploatacji. Przyjęcie takiego sposobu postępow ania spowodowało podjęcie b adań i prób pełzania wytypo
wanych niskostopowych stali C r-M o-/W (najczęściej stosowanych) w stanie wyjściowym, a także po eksploatacji w różnym czasie, aby stworzyć reprezen
tatyw ny b a n k danych standardow ych możliwych do w ykorzystania w m eto
dach obliczeniowych oraz danych po eksploatacji do w ykorzystania w innych m etodach. M etody obliczeniowe opierające się n a danych standardow ych są niezbędne do w stępnej oceny miejsc o najw iększym w ytężeniu oraz przybliżo
nej oceny trw ałości resztkowej. W celu bardziej trafnej oceny należy wykorzy
stywać wyniki bezpośrednich b adań niszczących i nieniszczących elementów po długotrwałej eksploatacji, tworząc ch arak terystyk i m ateriałów po eksplo
atacji o różnym stopniu wyeksploatowania, a w konsekwencji rep rezen ta
tyw ny ban k danych w tym zakresie.
Należy stwierdzić, że ciągła kontrola w ytężenia i w arunków pracy całej instalacji m etodą „of-line” z użyciem odpowiednio oprogram owanych kom pu
terów w połączeniu z m etodam i nieniszczącymi, a głównie oceną sta n u uszko
dzenia przy użyciu replik, oceną s ta n u w yczerpania n a podstaw ie tw ardości i
Metody oceny trwałości resztkowej.. 75
wielkości odkształceń uzupełnione przyspieszonym i próbam i pełzania oraz wiarygodnymi ch arak tery sty k am i m ateriałow ym i dla s ta n u wyjściowego i po długotrwałej eksploatacji, wydaje się dawać najlepsze i najpew niejsze wyniki oceny sta n u m ateriału i prognozy trw ałości resztkow ej. W zakresie ciągłej kontroli w ytężenia i w arunków pracy instalacji stosow anie powyżej podanego sposobu podejścia je s t obecnie ograniczone do kontroli i rejestracji niektórych param etrów pracy w sposób ąu asi-ciąg ły i nie zawsze z zastosow aniem reje
stracji kom puterowej.
W celu stw orzenia podstaw do praktycznego stosow ania m etod oceny trw a łości resztkowej i um ożliw ienia bezpiecznego p rzedłużenia pracy istniejących urządzeń i instalacji pracujących w w aru n k ach pełzania In sty tu t M etalurgii Żelaza prowadzi od wielu la t b ad an ia w tym zakresie. Dlatego też kolejne prace o problem atyce trw ałości resztkowej dotyczyły następujących m etod i kierunków:
1) prób pełzania do zerw ania m ateriału w stanie wyjściowym i po długotrw a
łej eksploatacji w celu opracow ania param etrycznych krzyw ych pełzania dla poszczególnych gatunków stali,
2) przyspieszonych prób pełzania do zerw ania m a te ria łu w stan ie wyjścio
wym i po długotrwałej eksploatacji: przy stałym naprężeniu, w stałej tem pe
raturze,
3) prób pełzania z pom iarem odkształcenia prowadzonych w stałej tem p e ra tu rze i przy stałym n aprężen iu o różnych w artościach celem określenia prędkości pełzania w stanie ustalonym ,
4) prób pełzania z pom iarem odkształceń prowadzonych w stałej te m p e ra tu rze i przy stałym naprężeniu o różnych w artościach, do zerw ania celem w yznaczenia zależności M o n k m a n a -G ran ta i Dobesa-M ilickiego,
5) nieniszczących b adań m etalograficznych n a przekrojach w różnych p u n ktach uogólnionych param etrycznych krzyw ych w ytrzym ałości n a pełzanie poszczególnych gatunków stali celem:
- identyfikacji i określenia zakresów w ystępow ania poszczególnych ro
dzajów węglików,
- poszukiw ania korelacji pomiędzy czasową w ytrzym ałością n a pełzanie po długotrw ałej eksploatacji a p a ra m etram i stru k tu ry ,
- bad an ia zm ian udziału niektórych pierw iastków stopowych w osnowie i w ydzielaniach a w łasnościam i m ateriału w sta n ie wyjściowym i po próbach pełzania oraz po eksploatacji i próbach pełzania,
6) nieniszczących b adań m etalograficznych n a replikach m atrycow ych w celu określenia stopnia uszkodzenia elem entów po eksploatacji w różnych s ta diach pełzania w porów naniu z zamodelowanym stopniem uszkodzenia w wyniku prób pełzania m ateriału w stan ie wyjściowym,
7) badań n a replikach matrycowych z dużych powierzchni elem entów po długotrwałej eksploatacji oraz rozkładu pęknięć n a grubości elem entu,
8) badań replik ekstrakcyjnych z powierzchni m ateriałów po eksploatacji celem identyfikacji węglików i określenia miejsc ich występow ania, 9) spraw dzenia przydatności m etody oceny stopnia w yczerpania opartej na
regule ułam ków trw ałości Robinsona, n a m ateriale po eksploatacji oraz eksploatacji i próbach pełzania,
10) badań odkształceń plastycznych n a laboratoryjnych próbach pełzania oraz w w arunkach ruchowych n a czopach pom iarowych i otworach.
N a podstaw ie dotychczas przeprowadzonych b adań stw ierdzono przydat
ność w praktyce:
I. W z a k r e sie cza sow ej w y tr z y m a ło śc i n a p ełzan ie:
1. prób pełzania do zerw ania bez pom iaru w ydłużenia prowadzonych do ok. 10000 h w przedziale tem p e ra tu ry w pobliżu tem p e ra tu ry pracy przy naprężeniach wyższych od eksploatacyjnych i ich rezultatów ujętych w postaci uogólnionej param etrycznej krzywej pełzania ekstrapolow anej w k ieru n k u poziomu naprężeń odpowiadających eksploatacyjnym . Zastoso
w anie w ograniczonym zakresie, tzn. w przypadku możliwości pobrania próbek lub m ikropróbek do b adań pełzania. Nie w ym aga znajomości histo
rii eksploatacji;
2. przyspieszonych prób pełzania m ateriału po eksploatacji prowadzonych w tem p eratu rze wyższej od tem p e ra tu ry eksploatacji przy stałym naprężeniu odpowiadającym param etrom dalszej pracy badanego elem entu prowadzo
nych do ok. 1000 h (czasem 10 000 h). W yznaczenie odpowiednio trwałości resztkowej i resztkowej trw ałości rozporządzalnej. Nie wym aga znajomości h istorii pracy i w arunków dotychczasowej eksploatacji elem entu. M etoda p rzy d atn a w szczególności w okresie eksploatacji, w którym procesy uszko
dzenia nie w ystępują lub nie są zbyt zaaw ansow ane;
3. opracowanych charakterysty k m inim alnej resztkowej wytrzym ałości na pełzanie m ateriałów po eksploatacji nie w ykazujących zapoczątkow ania uszkodzenia w postaci uogólnionej krzywej param etrycznej log Rz mm = f(L(tr,T)) oraz rodziny krzywych log Rz min = f(log t r) w T=const dających możliwość dokonania oceny sta n u m ateriału i prognozy trw ałości resztko
wej m etodą nieniszczącą.
II. W z a k r e sie p r ę d k o śc i p e łz a n ia w sta n ie u stalon ym :
1. m etody prognozowania trw ałości rozporządzalnej oraz trw ałości resztko
wej przy użyciu empirycznej zależności M o nk m an a-G ran ta, opracowanej n a podstaw ie prób pełzania, wymagającej wyznaczenia szybkości pełzania w stanie ustalonym eksploatowanego m ateriału elem entu m etodą nienisz
czącą za pomocą pom iaru odkształceń w założonym przedziale czasu eks
ploatacji;
2. m etody prognozowania m aksym alnego odkształcenia odpowiadającego zniszczeniu m ateriału przy użyciu empirycznej zależności Dobesa-M ilic- kiego wyznaczonej n a podstaw ie prób pełzania, wym agającej w yznaczenia
Metody oceny trwałości resztkowej. 77
szybkości pełzania w stan ie ustalonym eksploatow anego m ate ria łu ele
m en tu m etodą nieniszczącą przez pom iary jego odkształcenia w założonymi przedziale czasu eksploatacji oraz równoczesnego w yznaczenia zależności M onk m an a-G ran ta;
3. prób pełzania do zerw ania z pom iarem w ydłużenia w czasie trw an ia próby prowadzonych w stałej tem p eratu rze i przy stałych nap rężen iach o róż
nych w artościach do przew idyw ania udziału czasu II stad iu m pełzania w całkowitym czasie do zerw ania, a także do u sta le n ia czasu i trw ałego odkształcenia, po osiągnięciu których elem enty w ym agają specjalnego nadzoru oraz okresowo wykonywanych b adań kontrolnych. Zastosow anie w ograniczonym zakresie, gdy m ożna pobrać co najm niej m inipróbki;
4. opracowanych ch arakterystyk szybkości pełzania w sta n ie ustalonym w zależności od tem p e ra tu ry i nap rężenia m ateriałów w sta n ie wyjściowym i po eksploatacji dających możliwość dokonania oceny s ta n u m ateriału i wyznaczenia trw ałości resztkowej i rozporządzalnej trw ałości resztkowej m etodą nieniszczącą;
5. ograniczone możliwości stosow ania w praktyce obliczeniowej m etody pro
gnozowania trw ałości resztkowej przy użyciu reguły ułam ków trw ałości Robinsona. M etoda je s t nieprzydatna, zwłaszcza w w aru n k ach krajowych, ponieważ nietrafność oszacowań w ynika głównie ze znaczących, a nie zarejestrow anych w ah ań tem p e ra tu ry i n ap rężeń podczas eksploatacji, a także z nie znanej kolejności zm ian naprężeń, odbiegających od nom inalnej tem p e ra tu ry i nom inalnego naprężenia, przyjętych w obliczeniach.
III. W za k r e sie b a d a ń n a z g ła d a c h m e ta lo g r a fic z n y c h i b e z p o śr e d n ic h r e p lik a c h m a tr y c o w y c h i ek stra k cy jn y ch :
1. m etodyki badań m etalograficznych w m ikroskopie skaningow ym elektro
nowym bezpośrednio n a zgładach m etalograficznych oraz przy użyciu re plik organicznych do oceny sta n u rozwoju procesów wydzieleniowych wę
glików oraz sta n u uszkodzenia m ate ria łu elem entu pracującego w w a ru n kach pełzania po różnych okresach eksploatacji oraz do prognozow ania dalszej bezpiecznej pracy. W arunkiem koniecznym trafności prognozy je s t właściwy i niezawodny wybór miejsc, w których w ystępuje najw iększe wytężenie. Stosowanie m etody je s t uw arunkow ane dostępem do elem entu celem wycięcia odpowiedniego w ycinka n a zgład m etalograficzny lub przy
gotowania powierzchni i p obrania repliki;
2. oryginalnej własnej m etody oceny sta n u uszkodzenia m a te ria łu elementów pracujących w w aru n kach pełzania, n aw et we wczesnych stad iach uszko
dzenia i prognozow ania ich dalszej eksploatacji n a podstaw ie bad ań frakto- graficznych w elektronow ym m ikroskopie skaningow ym n a przełom ach próbek udarnościowych, złam anych w tem p e ra tu rz e -196°C. W przypadku gdy możliwe je s t pobranie próbek z elem entów w m iejscach o najw iększym w ytężeniu, posługiwanie się t ą m etodą je s t najszybsze i najm niej kłopotli
we. M etoda daje możliwości oceny rozwoju uszkodzeń n a przekroju ele
m entu;
3. charak terystyk trw ałości resztkowej w zależności od stopnia zaaw ansow a
n ia rozwoju procesów wydzieleniowych przy równoczesnym rozpadzie pod
stawowych faz s tru k tu ry w postaci zależności log RZemjn = hlog tep) w T=const lub log RZemin = f(L(T, tep)) dających możliwość oceny metodami niszczącymi;
4. charak terystyk rozporządzalnej trw ałości resztkowej w zależności od sto
p n ia rozwoju procesów wydzieleniowych przy równoczesnym rozpadzie podstawowych faz s tru k tu ry oraz od stopnia rozwoju uszkodzenia w posta
ci zależności log RZr,^.„=f(Iog t 0j6ep) w T=const lub log RZo6min = f(L(T,t0 6ep)) dających możliwość oceny trw ałości resztkowej m etodam i nieniszczącymi;
5. sposobu klasyfikacji m ik ro stru k tu ry m ate ria łu badanego elem entu w za
leżności od: stopnia rozpadu podstawowych faz stru k tu ry , stopnia rozwoju procesów wydzieleniowych węglików, stopnia rozwoju uszkodzenia i sto
p n ia w yczerpania opracowanego n a podstaw ie b a d ań w łasnych i danych literaturow ych.
4. SYSTEM OCENY STANU I PRZEWIDYWANIA OKRESU DALSZEJ BEZPIECZNEJ EKSPLOATACJI ELEMENTÓW CIŚNIENIOWYCH KOTŁÓW WYSOKOPRĘŻNYCH PRACUJĄCYCH W WARUNKACH PEŁZANIA
N a podstaw ie analizy literaturow ej znanych, proponowanych i stosowa
nych m etod diagnostycznych oraz bad ań i doświadczeń w łasnych w zakresie prow adzenia badań diagnostycznych w w aru n k ach ruchowych, m etod badaw czych i sposobów interp retacji ich wyników, prowadzonych n a elem entach urządzeń kotłowych będących w eksploatacji, opracowano system oceny stanu i przew idyw ania okresu dalszej bezpiecznej eksploatacji m ate ria łu elementów i elem entów ciśnieniowych pracujących w w aru n kach pełzania.
Proponowany system oceny składa się z czterech kolejnych etapów:
I etap - sposób postępow ania przy u sta la n iu przydatności do dalszej eks
ploatacji elementów ciśnieniowych oparty n a param etrach oblicze
niowych, rzeczywistych i standardow ych danych m ateriałow ych, II etap - sposób postępowania podczas dokonywania prognozy trwałości m a
teriału badanych elementów,
III etap - szczegółowy sposób wyboru i prowadzenia badań metaloznawczych przeznaczonych do b adań elementów,
IV etap - sposób postępow ania dla wybranych rodzajów badań metaloznaw
czych stosowanych w diagnostyce elem entów ciśnieniowych p ra cujących w w aru nkach pełzania.
Metody oceny trwałości resztkowej. 79
W ram ach każdego z etapów określono kolejne kroki, k tó re um ożliw iają właściwe postępow anie i właściwy dobór m etod w zależności od rodzaju b ad a
nego elem entu, dostępu do elem entu, jego p aram etrów pracy, znajomości historii eksploatacji, czasu przeznaczonego n a przeprow adzenie b a d ań diag
nostycznych i pom iarów n a obiekcie, czasu n a w ydanie orzeczenia oraz innych czynników specyficznych dla elem entu będącego przedm iotem pom iarów, b a
dań i analizy. Opracowany system oceny sta n u i przewidywania okresu dalszej bezpiecznej eksploatacji elementów kotłów wysokoprężnych pracujących w w a
runkach pełzania został wykorzystany w praktyce w kompleksowej diagnostyce kotłów OPG-230, OP-650 i BB-1150 pracujących w krajowej energetyce. Powyż
sze działania zostały podjęte wspólnie z Fabryką Kotłów „RAFAKO”.
Recenzent: Prof. d r hab. inż. G erard KOSMAN
Wpłynęło do Redakcji 10. 08. 1994 r.
A bstract
E xisting m ethods of rem a n en t life asessm en t can be divided into two groups:
- m ethods based on post—service exam ination an d te stin g of m ate ria ls w ith direct access to th e components, m etallurgical sam pling and m easu re
m ents,
- m ethods based on acquisition an d m onitoring of service p a ra m ete rs in order to m ake calculations based on sta n d a rd m ate ria l d a ta and th e life fraction rule.
More th a n 15 y ears ago th e In stitu te for F errous M etallurgy became engaged in th is field in order to provide sound basis for practical application of rem an en t life assessm ent techniques and safe extension of service life of creep-exposed boiler components. Any reliable assessm en t of boiler components m u st be based on re su lts of direct d estructive and n on-destructive post-service exam inations of com ponents w ith various degrees of life exhaustion i.e. on a rep resen tativ e d a ta base for such characteristics.
L ong-term creep te sts are still th e m ain source of inform ation for rem a n en t life prediction. This pap er discusses m ethods proposed for:
- assessm ent of creep life,
- assessm ent of ste a d y -sta te creep rate.
M etallographic exam inations are an oth er source of inform ation on post-service dam age of m aterials. Among m ethods practicable in Polish power in d u stry th e following should be m entioned:
- SEM exam ination of polished sections or organic replicas, - SEM fractography of te sts pieces broken a t -196°C, - X -ray diffraction of carbide residues,
- SEM exam ination of extraction replicas.
The assessm ents are based on:
- d a ta base relations of rem anent/disposable life v.s. th e degree of decomposition of principal stru c tu ra l phases, developm ent of precipitation and th e degree of dam age,
- specially developed classification of stru c tu re s rela te d to th e degree of exhaustion.
R esults of rem a n en t life studies carried out by th e In stitu te for Ferrous M etallurgy and experience obtained du rin g direct diagnostic investigations of boilers were used to draw up procedures and a sequence of application of various m easurem ents and n o n -d estru ctiv e exam ination techniques employed for assessm ent of rem anent/disposable life. The procedure is based on calculations, te sts and a d a ta base containing characteristics of as-su p p lied and creep-exposed m aterials. The im p o rta n t factor in the procedure is selection of locations for m easurem ents and sam pling. This is done on th e basis of stress and m aterial effort analysis by m eans of th e finite elem ent m ethod as well as on th e basis of rich experience of boiler operators.
The system w as used for comprehensive diagnosing of O PG -230 and O P-650 boilers w orking in Polish power stations.
