Maciej KACZOROWSKI, H enryk KLIMAS F abryka Kotłów RAFAKO S. A., Racibórz
BADANIA DIAGNOSTYCZNE I TECHNOLOGIA NAPRAW WALCZAKÓW KOTŁOWYCH
S tr e sz c z e n ie . W referacie omówiono cel i zakres b ad a ń diagnostycz
nych walczaków. Przedstaw iono różne sposoby n a p ra w walczaków ze szczególnym uwzględnieniem technologii n ap raw y przez spaw anie i obróbkę cieplną. Opisano m etodę oceny sta n u technicznego w alczaka po długotrwałej eksploatacji oraz prognozow ania jego dalszej bezpiecznej eksploatacji.
DIAGNOSTIC TESTING AND RECONSTRUCTION TECHNOLOGY OF BOILER DRUMS
Sum m ary. The pap er discussed th e objective and scope of diagnostic testin g of drum s. Various m an n e rs of drum rectifications were presented w ith p a rticu la r reg ard to re p a ir technologies through w elding and h e a t tre a tm e n t.
The evaluation m athod of technical condition of drum s a fte r long - lastin g operation w as described h erein an d forecasting fu rth e r safe operation.
DIAGNOSTISCHE UN TERSCHUNGEN UND REPARATURM ETHODEN VON KESSELTROMMELN
Z u sam m en fassu n g. Im R eferat w urde der Zweck u nd Bereich diagnostischer Prüfungen von K esseltrom m eln besprochen. D argestellt w urden verschiedene R ep aratu rm eth o den der Trom m eln m it besonderer B erücksichtigung des R ep aretu rv erfah ren s m it Schweissen und W ärm ebehandlung. Es w urde der B eurteilungsverfahren des technischen Z ustands der K esseltrom m el n ach dauerhaftem Betrieb sowie die V orhererkennungsm ethode des w eiteren sicheren Betriebs d er Trom m el dargestellt.
WPROWADZENIE
W lata ch 1960-1980 zbudowano i uruchom iono w Polsce d użą ilość bloków energetycznych o mocy 50 - 200 MW. W iedza techniczna i doświadczenie projektantów , wytwórców, m ontażystów oraz specjalistów urucham iających i eksploatujących u rządzenia energetyczne była zdecydowanie m niejsza od po
siadanej dzisiaj. W tam tych czasach uruchom ienie bloku w term in ie ustalo
nym przez władze było o wiele ważniejsze od jakości w ykonania i m ontażu.
Po wielu latach intensyw nej eksploatacji znaczna część elem entów ciśnie
niowych uległa już fizycznemu zużyciu. Dotyczy to szczególnie walczaków kotłowych, które pracując w trudnych i zm iennych w aru n k ach są bardzo podatne n a różnego rodzaju uszkodzenia.
W lata ch 1992 - 1994 RAFAKO przebadało ponad 30 walczaków wypro
dukowanych w lata ch 1953 - 1976 ze stali: CuNiS2Mo, 22K, 20M, K22M, 18CuNMT i K32Nb, a eksploatowanych w kotłach o wydajności 32-650 ton pary/h.
Producentam i tych walczaków były firm y polskie: RAFAKO i H u ta Ferrum oraz firm y z Niemiec i z byłego Związku Radzieckiego. S ta n techniczny niektó
rych badanych walczaków był tak i, że niewiele brakow ało do groźnej w sk u t
k ach aw arii. W badanych w alczakach stw ierdzono np. głębokie praw ie na wskroś pęknięcia w rejonie spoiny czy udarność m ate ria łu podstawowego zaniżoną trzykrotnie w stosunku do w ym aganej w artości m inim alnej.
W ym iana uszkodzonych walczaków n a nowe w ym aga olbrzymich nakładów finansowych oraz długiego okresu wyłączenia bloku.
RAFAKO n a podstaw ie wieloletnich doświadczeń przy produkcji i napraw ie walczaków przeprow adza skuteczną odnowę tak ich walczaków. Zadanie to je s t ogromnie tru d n e, stąd też w ym agane je s t solidne w ykonanie bad ań diag
nostycznych, określenie przyczyny uszkodzeń, przeprow adzenie stosownej m odernizacji uszkodzonych węzłów, opracowanie właściwej technologii n a praw y oraz przeprowadzenie n apraw y zgodnie z aktualnym i, wysokimi wy
m aganiam i jakościowymi.
BADANIA DIAGNOSTYCZNE
Kompleksowe b ad ania diagnostyczne m ają za zadanie określenie stan u technicznego w alczaka w celu podjęcia decyzji o dopuszczeniu w alczaka do dalszej eksploatacji z prognozą czasu bezpiecznej pracy bądź w celu określenia zakresu napraw y i modernizacji.
Takie kompleksowe b ad ania przeprow adza się wg program ów opracowywa
nych indyw idualnie dla każdego w alczaka, biorąc pod uw agę informacje z eksploatacji, poprzednich badań i n ap raw oraz istniejące w nim rozw iązania konstrukcyjne.
Program y badań są uzgadniane z użytkow nikiem i In sp ek to ratem UDT, i z reguły obejmują:
- oględziny w ew nętrzne i zew nętrzne walczaków,
- pom iary grubości ścianek, owalizacji i odkształcenia liniowego,
- b ad an ia ultradźw iękow e spoin króćców centralnych r u r opadowych i spoin tu lei włazowych,
- b ad ania m agnetyczno-proszkow e spoin głównych, spoin tu le i włazowych, spoin króćców opadowych i króćców a rm a tu ry przywalczakowej, spoin elem entów przyspaw anych od w ew nątrz w alczaka oraz kraw ędzi i mo
stków międzyotworowych, szczególnie w strefie wodnej, - bad an ia penetracyjne tworzących otworów,
- bad an ia metalograficzne m ateriału dzwon i dennic oraz pom iary twardości, - bad an ia m ateriału dzwon i dennic m etodą WIT.
Z przeprow adzonych bad ań sporządza się protokoły, a n a ich podstaw ie orzeczenia o dopuszczeniu w alczaka do eksploatacji bądź napraw y.
W przypadkach kiedy nastąpić m usi n ap raw a przez spaw anie n a płaszczu w alczaka, konieczne je s t przeprow adzenie b a d ań w łasności m echanicznych m ate ria łu z wyciętego krążka.
B ad ania m echaniczne m ateriału k rąż k a m ają odpowiedzieć, ja k i je s t sta n m ate ria łu w alczaka w stan ie wyjściowym, a przede w szystkim , jak im zabie
gom cieplnym poddać n ależy w alczak w czasie napraw y, żeby mieć gwarancję uzyskania bądź przyw rócenia w ym aganych własności m echanicznych.
B ad ania m ate ria łu k rąż k a należy wykonać zawsze dla walczaków o grubo
ści ścianki ponad 80 mm ze stali 18CuNMT lub podobnych, któ re przepraco
wały ponad 100 tys. godzin. Przyjm ow anie w nap raw ach param etró w obróbki cieplnej, takiej ja k w końcowej fazie u producenta, je s t błędem , gdyż często nie zabezpiecza uzyskania własności m echanicznych w alczaka po długoletniej eksploatacji.
N a skuteczną wykrywalność wad, oprócz klasy sprzętu , doświadczenia defektoskopistów, ogromny wpływ posiada jakość przygotow ania do badań.
Nie je s t to zwykłe czyszczenie i szlifowanie, stąd dobór ekip przygotowujących w alczak do b adań m a niem ały wpływ n a wykrywalność w ad, ja k i n a zakres ew entualnej napraw y.
Duży wpływ n a jakość napraw y m a sposób u su w an ia wad. Spotykaliśm y przypadki, że nieum iejętne usuw anie w ad w otw orach powodowało znaczne zwiększenie nap aw ania w czasie napraw y.
B adania m agnetyczno-proszkow e elem entów przyspaw anych od w ew nątrz do płaszcza nie zawsze są skuteczne w w ykryw aniu pęknięć tzw. podspoino- wych, a innych badań stosować się nie da z uw agi n a konstrukcję węzłów.
Przyjęliśm y za regułę, że w przypadkach, kiedy zachodzi konieczność n a p ra wy płaszcza przez spaw anie, niezależnie od wyników b a d ań powierzchnio
wych należy wykonać próby naw ierceń lub szlifowań celem upew nienia się, czy strefy podspoinowe są bez pęknięć.
TECHNOLOGIA NAPRAW
W zależności od rodzaju stw ierdzonych w bad aniach uszkodzeń, poprze
dnich napraw , g a tu n k u m ateriału wyników b ad ań w łasności mechanicznych m ateriału, sposobu podw ieszania walczaka opracowuje się indyw idualnie dla każdego w alczaka technologię napraw y.
Technologia je s t zatw ierdzona w Inspektoracie U rzędu Dozoru Techniczne
go użytkow nika i bardzo często opiniow ana przez in sp ek to ra Dozoru Techni
cznego producenta bądź napraw iającego.
Wyróżnić m ożna kilka typowych sposobów n ap raw walczaków kotłowych:
- n apraw a polegająca n a odpowiednim rozszlifowaniu w ad,
- nap raw a przez spaw anie np. niektórych elem entów osprzętu w ew nętrzne
go z podgrzewaniem do spaw ania, a w szczególnych przypadkach naw et bez podgrzew ania,
- nap raw a przez spaw anie n a płaszczu w alczaka w otw orach i elem entach osprzętu z podgrzew aniem do spaw ania i tzw. term ooddechem ,
- nap raw a przez spaw anie n a płaszczu w alczaka w otw orach i elem entach osprzętu z podgrzewaniem do spaw ania i obróbką cieplną części albo cało
ści walczaka.
N apraw a nie może się ograniczyć jedynie do zespaw ania w ykrytych uszko
dzeń. Konieczne je s t przeprow adzenie m odernizacji wadliwych węzłów kon
strukcyjnych płaszcza walczaka, ja k również osprzętu wew nętrznego.
W czasie n apraw prowadzi się sta łą k ontrolę te m p e ra tu r podgrzew ania do spaw ania i obróbki cieplnej.
Szerokość s tre f napraw czych uzależniona je s t od zakresu napraw y, kon
strukcji w alczaka, konstrukcji nośnej, podwieszeń, stosow anych urządzeń i mieści się w przedziale 500-1200 mm.
W czasie napraw walczaków z pełn ą obróbką cieplną należy zabezpieczyć w alczak przed deformacją. W tym celu w prow adza się zaw ieszenia rem ontowe lub dodatkowe podparcia. Projektuje się je indywidualnie dla danego walczaka.
Po napraw ie w alczak poddaw any je s t badaniom nieniszczącym oraz próbie wodnej. Rodzaj i zakres badań zależy od zak resu przeprowadzonej napraw y.
N atom iast próbę wodną przeprow adza się n a ciśnienie nie przekraczające 0,8 ciśnienia obliczeniowego przy zachow aniu (w czasie całego procesu przepro
w adzenia próby wodnej) tem p e ra tu ry ścianki w alczaka nie niższej niż 50°C.
Zalecenie to, szczególnie w ażne dla stali gat. 18CuNM t i podobnych, w ynika z charakterystyk i odporności m ateriału n a kruche pękanie. Po próbie wodnej przeprow adza się końcowe badan ia w alczaka i dopuszcza go do dalszej eksplo
atacji.
OCENA STANU TECHNICZNEGO WALCZAKÓW
Ocenę sta n u technicznego w alczaka po długotrw ałej eksploatacji oraz pro
gnozowanie okresu jego dalszej, bezpiecznej eksploatacji przeprow adza się n a podstawie:
1) analizy „historii eksploatacji”,
2) analizy wyników badań diagnostycznych,
3) analizy sta n u naprężeń przy obciążeniach statycznych dla c h a rak tery sty cznych w arunków pracy,
4) analizy szacunkowej w zakresie inicjacji i propagacji pęknięć,
5) analizy szacunkowej wytrzym ałości n a zmęczenie niskocyklowe i wyczer
p a n ia trw ałości m ate ria łu płaszcza walczaka.
A nalizę sta n u wytrzymałościowego w alczaka w zakresie n aprężeń statycz
nych przeprow adza się n a podstaw ie zależności zaw artych w „W arunkach Technicznych Dozoru Technicznego” - „U rządzenia ciśnieniow e” - „Obliczenia wytrzym ałościowe” DT—U C -90/W O -0 oraz m inim alnych w artości Re z ate stów uwzględniających także w yniki R et z wyciętego k rą ż k a (jeżeli był pobie
rany).
Analizę w arunków inicjacji i propagacji pęknięć przeprow adza się wg n a stępującej procedury:
- obliczenie krytycznej głębokości pęknięcia,
- obliczenie progowej głębokości nierozwijającego się pęknięcia,
- oszacowanie prędkości propagacji pęknięcia lub ilości cykli zm ian obciąże
nia, przy której pęknięcie rozwinie się od wielkości progowej do wielkości krytycznej,
- określenie w arunków stabilnego przecieku.
Analizę wytrzym ałości n a zmęczenie niskocyklowe wykonuje się n a po dsta
wie m etody zalecanej przez VGB, TRD i AD M erkblat wg następującej proce
dury:
- określenie dopuszczalnej liczby prób wodnych,
- określenie dopuszczalnej liczby uruchom ień i odstaw ień, - określenie dopuszczalnej liczby uruchom ień aw aryjnych, - określenie liczby zm ian obciążeń w w a ru n k ach aw aryjnych,
- określenie sum arycznego stopnia w yczerpania trw ałości zmęczeniowej, - określenie praw dopodobieństw a w ystąpienia pęknięć zmęczeniowych
przed upływem 10 0% w yczerpania trw ałości zmęczeniowej.
WNIOSKI
1. U szkodzenia poszczególnych węzłów konstrukcyjnych walczaków o tej sa
mej konstrukcji i wykonanych z tego samego m ate ria łu w ystępują po przepracow aniu bardzo zróżnicowanej liczby godzin. Skłonność do law ino
wego p ękania wykryto, ja k dotychczas, tylko w w alczakach ze stali 18CuNMT. Dowodzi to, że skłonność do w ystępow ania różnego typu uszko
dzeń je s t złożoną funkcją:
- konstrukcji,
- g a tu n k u m ateriału , - technologii wykonania, - w arunków eksploatacji,
2. Tylko kompleksowe badania diagnostyczne walczaków przeprowadzonych przez doświadczonych badaczy i przy użyciu nowoczesnego sprzętu badaw czego zapew niają wykrycie w szystkich pęknięć w ystępujących w walcza
kach.
3. D alszą bezpieczną eksploatację w alczaka zapew nia pełna jego rew italiza
cja przeprow adzona przez doświadczoną firm ę rem ontow ą, obejmująca m odernizację niektórych węzłów konstrukcyjnych oraz napraw ę przez spa
w anie i obróbkę cieplną przyw racającą własności plastyczne i obniżającą - tem p eratu rę przejścia w s ta n kruchy.
4. Ocena sta n u technicznego w alczaka pow inna opierać się n a analizie w a
runków eksploatacji, danych o aktu aln y m stan ie w alczaka (wyniki badań diagnostycznych) oraz kompleksowej analizie sta n u naprężeń w zakresie obciążeń statycznych, zmęczenia niskocyklowego i odporności n a inicjację i propagację pęknięć.
LITERATURA
[1] M ateriały Sympozjum „Badania diagnostyczne i rew italizacja elem en
tów ciśnieniowych kotłów”, Racibórz, 9.02.1993 r.
[2] M ateriały „Forum M ateriałoznaw stw a Energetycznego”, Kraków, 25-25. 11. 1993 r.
[3] Kaczorowski M., Klim as H.: Technologia n ap raw i odnowy walczaków.
P raca nie opublikowana.
Recenzent: D r hab. inż. M arek PRONOBIS
Wpłynęło do Redakcji 18. 08. 1994 r.
A b stract
Between 1960 and 1980 w as built in Poland a significat num ber of utility boilers w ith th e capacity betw een 50 and 200 MW. A fter long tim e of operation
m any drum s in th e boilers are dem aged an d have to be repaired. In th e last years RAFAKO exam inated more th e n 30 boiler d rum s to be cast from steels CuNiS2Mo, 22K, 20M, K22M, 18 CuNMT and K32Nb w hich have been m ade in RAFAKO, H u ta F errum , in G erm any and USSR. The exam inations showed th e drum s to be in p a rtly very bad condition w h a t could bring about a serious demage. The p ap er p resen ts th e m easure of diagnostic te stin g of drum s as well as th e rep a ir technologies w ith p a rtic u la r reg a rd to w elding and h e a t tre a tm e n t. The testin g contens:
- prelim inary shape exam inations - m easu rem ents of th e drum geom etry
- ultrasonic and m agnetic-pow er survey of w eldings - exam ination of cracked areas
- m etalographic investigations of drum m ate ria l an d inspection by th e WIT m ethod.
For each drum th e rep a ir m ethod is prepared. The complex rep a ir includes not only th e rep a ir itse lf b u t also th e reconstruction of th e elem ent as well as full necessary h e a t tre a tm e n t, w h a t secures a significant prolongation of the service tim e.
