Materiałoznawcza interpretacja trwałości stali dla energetyki; Materials science interpretation of the life of steels for power plants - Digital Library of the Silesian University of Technology

Published since 1998 as Studies of the Institute of Engineering Materials and Biomaterials

Materiałoznawcza interpretacja trwałości stali dla energetyki

Janusz DOBRZAŃSKI

Volume 3, 2011 Scientiic International Journal of the World Academy

of Materials and Manufacturing Engineering

publishing scientiic monographs in Polish or in English only

LIBRARY

Published since 1998 as Studies of the Institute of Engineering Materials and Biomaterials

Volume 3, 2011

Scientiic International Journal of the World Academy of Materials and Manufacturing Engineering

publishing scientiic monographs in Polish or in English only

Editor-in-Chief

Editorial Board

Patronage

Prof. Leszek A. Dobrzański – Poland

Abstracting services

Journal Registration

Publisher

Journal is cited by Abstracting Services such as:

The Directory of Open Access Journals

The Journal is registered by the Civil Department of the District Court in Gliwice, Poland Institute of Engineering Materials and Biomaterials of the Silesian University of Technology, Gliwice, Poland

Association of Computational Materials Science and Surface Engineering World Academy of Materials and Manufacturing Engineering

This journal is a part of Reading Direct, the free of charge alerting service which sends tables of contents by e-mail for this journal and in the promotion period also the full texts of monographs. You can register to Reading Direct at

International OCSCO World Press

Gliwice 44-100, Poland, ul. S. Konarskiego 18a/366 e-mail: info@openaccesslibrary.com

www.openaccesslibrary.com

Bank account: Stowarzyszenie Komputerowej Nauki o Materiałach i Inżynierii Powierzchni Bank name: ING Bank Śląski

Bank addres: ul. Zwycięstwa 28, 44-100 Gliwice Poland Account number/ IBAN CODE: PL 76105012981000002300809767 Swift code: INGBPLPW

Gliwice

2011 International OCSCO World Press. All rights reserved

®

Reading Direct

Prof. Gilmar Batalha – Brazil Prof. Emin Bayraktar – France Prof. Rudolf Kawalla – Germany Prof. Stanisław Mitura – Poland Prof. Jerzy Nowacki – Poland Prof. Ryszard Nowosielski – Poland Prof. Jerzy Pacyna – Poland

Prof. Zbigniew Rdzawski – Poland Prof. Maria Richert – Poland Prof. Maria Helena Robert – Brazil Prof. Mario Rosso – Italy Prof. Bozo Smoljan – Croatia Prof. Mirko Sokovic – Slovenia Prof. Leszek Wojnar – Poland

Materiałoznawcza

interpretacja trwałości stali

dla energetyki

ISSN 2083-5191 ISBN 83-89728-90-7 EAN 9788389728906

OPINIODAWCY:

Prof. dr Tadeusz Bołd

(Instytut Metalurgii Żelaza – Gliwice) Prof. dr hab. inż. Marek Hetmańczyk (Politechnika Śląska – Katowice)

Streszczenie ...5 Abstract ... 7 1. Wprowadzenie, cele i zakres pracy ...9 2. Ogólna charakterystyka długotrwałej eksploatacji elementów

instalacji energetycznych ... 15 3. Zmiany własności mechanicznych badanych stali

po eksploatacji w warunkach pełzania ... 38 4. Zmiany strukturalne w badanych stalach

podczas eksploatacji w warunkach pełzania ... 78 5. Aplikacja metod sztucznej inteligencji do wspomagania

oceny stanu uszkodzenia stali pracujących w warunkach

pełzania ...126 6. Metodyka oceny trwałości rozporządzalnej i resztkowej

badanych stali pracujących w warunkach pełzania ...135 7. Podsumowanie i uwagi końcowe ...191 Literatura ...196

Materials science interpretation of the life of steels for power plants

Janusz Dobrza ski

Institute for Ferrous Metallurgy,

12-14 Karola Miarki Street, 44-100 Gliwice, Poland Corresponding author: E-mail address: jdobrzanski@imz.pl

Abstract

Purpose: The research purpose of this monograph is related to presenting a description of the material degradation process during long-term operation in creep conditions, changes to material structure and the formation of internal damages. The primary scientific purpose is the materials science interpretation of causes of such changes and the assessment of the life of steels used as power installations components working in creep conditions. The practical purpose of the work is to develop an objective method of evaluation of the material state and the suitability of material for further operation in creep conditions. A thesis that the life of material operating in creep conditions can be evaluated objectively only based on a group of materials science methods and research techniques, encompassing the results of metallo- graphic research, tests of mechanical properties and calculation methods has been presented in this monograph.

Project/methodology/approach: The author's own works in the area of life of structural components of power installations included in this monograph concern the application of the own methodology of diagnosing the critical damages of components of pressure power boilers installations, using materials science research, to evaluate the causes of failure. In order to predict the residual life of power installations components, the author has also undertaken his own research in the area of computer materials science related to the application of artificial intelligence methods, especially artificial neural networks, in the framework of the own methodology for solving such an issue.

Findings:The findings of the this monograph concern the development of an own methodology of evaluating the state of the investigated steels after operation in creep conditions based on the evaluation of changes to the structure, referred to the degree of depletion When evaluating

Mski the constituent parts of structure, so-called changes to the structure of, respectively, perlite, bainite or martensite, the development of precipitation processes and development of internal damages and when ascribing their corresponding classes identified in structural investi- gations, the main class of structure is determined and its corresponding degree of depletion, separately for low-alloy steels with the ferritic-perlitic structure or ferritic-bainitic structure with a possible portion of perlite and separately for high-chromium steel with the structure of tempered martensite, and the degree of depletion is ascribed to the main class of structure including the classes of component processes of changes in the structure. Residual life, i.e. the time remaining to material destruction, part of which is available residual life being the safe time for further operation for the predicted work conditions, can be estimated by knowing the degree of depletion for steel and the existing service life.

Research limitations/implications: The monograph was prepared on the basis on the results of own scientific and research work concerning selected low-alloy steels 16Mo3, 14MoV6-3, 13CrMo4-5, 10CrMo9-10 and high-chromium steels X20CrMoV11-1, as the ones used more often or almost exclusively in Poland for power installations components working in creep conditions. The research was performed at components after long-term operation in creep conditions after the actual service time much longer than the calculated service life of 100,000 hours.

Practical implications: The objectives of the work accomplished and the knowledge acquired through accomplishment thereof allows for the optimum use, in terms of operation and economic factors and safety conditions, of structural components of power installations subjected to long-term operation in the conditions of increased temperature, stress and aggressive environment, when the calculated service life has exceeded 100,000 hours and when such components should not be operated anymore from a formal and legal point of view.

Originality/value: The established methodology of material state evaluation, component state evaluation, its residual life and available life and evaluation of its suitability for further operation and a prediction of further safe operation, has been verified experimentally by the author in approx. 1000 cases in industrial practice, bringing economic effects equivalent to billions, and no error was ever identified in the determination of time of further safe operation of such components.

Keywords: Materials science in power plants; Creep; Residual life; Depletion; Damage

Reference to this paper should be given in the following way:

J. DobrzaMski, Materials science interpretation of the life of steels for power plants, Open Access Library, Volume 3, 2011, pp. 1-228.

1. Wprowadzenie, cele i zakres pracy

Utrzymanie dotychczasowego poziomu produkcji energii elektrycznej w Polsce przy braku lub niewielkim udziale nowych inwestycji w sektorze energetycznym wymaga zape- wnienia dyspozycyjno ci pracuj cych jednostek i zapewnienia ich bezpiecznej eksploatacji, szczególnie tych które przekroczyły obliczeniowy czas pracy 100 000 godzin. Sytuacja jest szczególnie dramatyczna gdy około 90% eksploatowanych w Polsce bloków energetycznych przekroczyło ju ten obliczeniowy czas pracy. Długotrwała eksploatacja urz dze i insta- lacji energetycznych wywołuje w materiale procesy pełzania. Czas do zerwania materiału poddanego pełzaniu okre lany jest jako trwało ć. Obliczeniowy czas pracy wynika z zastosowanej do oblicze czasowej wytrzymało ci na pełzanie. Wi kszo ć z bloków przekroczyła nawet czas eksploatacji 200000 godzin. Decyzje o przedłu eniu eksploatacji poza czas obliczeniowy zostały podj te z zastosowaniem metody oceny opartej o dane redniej czasowej wytrzymało ci na pełzanie dla 200000 godzin oraz o pozytywne wyniki komple- ksowych bada diagnostycznych, szczególnie elementów krytycznych cz ci ci nieniowej kotłów i turbin. W ród elementów krytycznych istotne znaczenie maj elementy pracuj ce powy ej temperatury granicznej, to znaczy w warunkach pełzania. Wzgl dy ekonomiczne i wymagania w zakresie ochrony rodowiska, wymuszaj ponadto dokonanie modernizacji pracuj cych jednostek, maj cej na celu podwy szenie ich sprawno ci netto. Niebagatelne znaczenie maj wymagania stawiane przez dyrektyw Unii Europejskiej w zakresie ochrony rodowiska, dotycz ce ograniczenia emisji szkodliwych substancji do atmosfery, takich jak zwi zki siarki, azotu oraz dwutlenek w gla. Sposoby osi gni cia tak zdefiniowanych celów s realizowane poprzez racjonaln diagnostyk , przegl dy i naprawy.

Bior c pod uwag współczesny stan wiedzy na temat arowytrzymało ci stali stopowych i trwało ci elementów konstrukcyjnych instalacji energetycznych, jak równie uwzgl dniaj c wyniki własnych bada autora w tym zakresie [1-100], postawiono nast puj c tez niniejszej monografii:

„Obiektywna ocena trwało ci materiału pracuj cego w warunkach pełzania mo liwa jest jedynie w oparciu o zespół materiałoznawczych metod i technik badawczych, obejmuj cych wyniki bada metalograficznych, bada własno ci mechanicznych i metod obliczeniowych”.

Dla potwierdzenia przyj tej tezy sformułowano poznawczy cel niniejszej monografii jako:

„Przedstawienie opisu procesu degradacji materiału podczas długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania, zmian jego struktury i rozwoju wewn trznych uszkodze ”

oraz cel praktyczny jako:

„Opracowanie obiektywnej metody oceny stanu materiału i jego przydatno ci do dalszej eksploatacji w warunkach pełzania”.

Głównym naukowym celem niniejszej pracy jest zatem:

„Materiałoznawcza interpretacja przyczyn zmian oraz ocena trwało ci stali stosowanych na elementy energetyczne pracuj ce w warunkach pełzania”.

Postawione cele s integralnie ze sob zwi zane, a wiedza uzyskana przez ich realizacj pozwala na optymalne, z punktu widzenia czynników eksploatacyjnych, ekonomicznych i wa- runków bezpiecze stwa, wykorzystanie elementów konstrukcyjnych instalacji energetycznej poddanych długotrwałej eksploatacji w warunkach podwy szonej temperatury, napr enia oraz agresywnego rodowiska. Dotyczy to szczególnie obiektów, które przekroczyły obliczeniowy czas pracy 100000 godzin i z formalno-prawnego punktu widzenia nie powinny być dalej eksploatowane.

Cykl prac własnych wykonanych przez autora w obszarze trwało ci elementów konstrukcyjnych instalacji energetycznych [56-60], uwzgl dnionych w niniejszej monografii, dotyczy aplikacji autorskiej metodyki diagnozowania uszkodze krytycznych elementów instalacji ci nieniowych kotłów energetycznych, z wykorzystaniem bada materiało- znawczych, w ocenie przyczyn ich awarii. W celu prognozowania trwało ci resztkowej elementów instalacji energetycznych autor podj ł równie własne prace z obszaru komputerowej nauki o materiałach, w zakresie wykorzystania metod sztucznej inteligencji, a zwłaszcza sztucznych sieci neuronowych, w ramach autorskiej metodologii rozwi zania tego problemu [61-77].

Oddzielnym i równie istotnym problemem dotycz cym trwało ci elementów konstru- kcyjnych instalacji energetycznych jest trwało ć eksploatacyjna zł czy spawanych, jak i wyko- nywanie naprawczych zł czy spawanych materiałów po eksploatacji z materiałami w stanie wyj ciowym lub z materiałami po eksploatacji, elementów wymagaj cych naprawy lub doko- nania zmian konstrukcyjnych w modernizacji instalacji po długotrwałej pracy. Wymaga to wiedzy w zakresie zachowania si materiałów badanych zł czy w warunkach odpowiadaj cych warunkom eksploatacji oraz wiedzy w zakresie technologii wykonywania naprawczych zł czy spawanych. Zagadnienia te szczegółowo omówiono tak e w publikacjach autora [78-100].

Stanowi one niezwykle istotny element w praktycznej aplikacji stali i innych materiałów in ynierskich w energetyce, chocia nie zostały one szczegółowo omówione w niniejszej monografii.

Ocena stanu degradacji elementów instalacji energetycznych po długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania oraz okre lenie ich przydatno ci do dalszej eksploatacji, ka dorazowo wymagaj wykonania komplementarnych bada i pomiarów, których dobór jest zale ny m.in.

od rodzaju i warunków pracy analizowanego elementu konstrukcyjnego, a tak e od mo liwo ci dost pu do tego elementu. Wymienione badania i pomiary stanowi istotne elementy autorskiej metodyki oceny stanu degradacji elementów instalacji energetycznych prezentowanej w niniej- szej pracy oraz wielokrotnie zastosowanej i zweryfikowanej w praktyce przemysłowej, a tak e zaprezentowanej i wykorzystanej w licznych spo ród opracowa własnych, publikacji i wy- st pie konferencyjnych autora [1-435]. Do tych bada i pomiarów nale m.in. metody penetracyjne, magnetyczne proszkowe i ultrad wi kowe bada nieniszcz cych, umo liwiaj ce ujawnienie nieci gło ci materiałowych, pomiar warto ci trwałego odkształcenia, strzałki ugi cia, grubo ci cianki i napr e własnych, których opis nie jest obj ty niniejsz prac , a nade wszystko badania materiałoznawcze, słu ce ustaleniu zaawansowania procesów stru- kturalnych wyczerpania i uszkodzenia materiału podczas eksploatacji w warunkach pełzania, do których ograniczono zakres niniejszej monografii.

Niniejsza monografia została opracowana w cało ci na podstawie wyników własnych prac naukowo-badawczych autora i stanowi syntetyczne uj cie wyników zawartych w stu wybra- nych pracach własnych wybranych spo ród prac badawczych i wdro eniowych opubliko- wanych w kraju i za granic głównie w ostatnim 5-leciu, a niemal w cało ci po roku 2000 [1-100], oraz niepublikowanych: rozprawy doktorskiej [101], czterech projektów badawczych (COST, rozwojowy i celowy) [102-105] i ok. trzystu trzydziestu prac wykonanych na zlecenie

przemysłu [106-435], dotycz cych zagadnie pełzania, w tym głównie wybranych stali niskostopowych 16Mo3, 14MoV6-3, 13CrMo4-5, 10CrMo9-10 oraz wysokochromowej stali X20CrMoV11-1 (tabl. 1), jako najcz ciej lub niemal wył cznie dotychczas stosowanych w Polsce na elementy instalacji energetycznych, pracuj ce w warunkach pełzania, w szcze- gólno ci dotycz cych wyczerpania i zwi zanych z tym procesów wydzieleniowych oraz uszkodzenia tych stali, jak równie oryginalnej autorskiej metodologii oceny trwało ci resztkowej, wł cznie z wykorzystaniem metod sztucznej inteligencji do modelowania wybranych procesów oraz predykcji bezpiecznego czasu dalszej eksploatacji.

Tablica 1. Orientacyjny skład chemiczny badanych stali do pracy w podwy szonej temperaturze StCcenie pierwiastków ¹⁾, %

Znak stali

C Mn Si Cr Ni Mo V inne

16Mo3²⁾ 0,16 0,65 ≤0,35 – – 0,3 – –

14MoV6-3²⁾ 0,14 0,55 ≤0,4 0,45 – 0,6 0,25 Sn ≤0,025 Al ≤0,02

13CrMo4-5²⁾ 0,13 0,7 ≤0,35 0,95 – 0,5 – –

10CrMo9-10²⁾ 0,11 0,5 ≤0,5 2,25 – 1 – –

X20CrMoV11-1^{3), 4)} 0,21 0,65 ≤0,5 11,8 0,45 1 0,3 –

1) P ≤0,015-0,035, S ≤0,005-0,035; warto ci bez znaku ≤ oznaczaj st enie rednie.

2) Stale przeznaczone na urz dzenia ci nieniowe; Cr ≤0,3, Cu ≤0,3, Ni ≤0,3, Mo ≤0,08, Al ≤0,02-0,06, V ≤0,02, Nb ≤0,01; skład chemiczny stali o okre lonych własno ciach w podwy szonej temperaturze, dostarczanych w postaci rur (PN-EN 10216-2+A2:2009, PN-EN 10217-2:2004 i PN-EN 10217-5:2004) i przeznaczonych na urz dzenia ci nieniowe.

Stal według: ³⁾ PN-EN 10302:2009, ⁴⁾ PN-EN 10269:2004.

Badania wykonano na elementach po długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania po rzeczywistym czasie eksploatacji znacznie dłu szym od obliczeniowego czasu pracy 100000 godzin (tabl. 2). Dla ka dego z badanych materiałów poddanych badaniom niszcz cym wyko- nano kontroln analiz składu chemicznego, wykazuj c jego zgodno ć z wymaganiami norm.

Wyboru miejsc do bada dokonywano na podstawie do wiadcze eksploatacyjnych, pomiarów i bada diagnostycznych, oblicze sprawdzaj cych oraz po wyznaczeniu rozkładu temperatury, odkształce i napr e metod elementów sko czonych, dla najbardziej wyt onych miejsc i po dokonaniu ich analizy w oparciu o mo liw dost pno ć, celem ich wyci cia oraz mo li- wo ci dokonania naprawy lub wymiany. Wybrane do bada niszcz cych wycinki charakte- ryzowały si najwi kszym wyt eniem, gdy pracowały w najtrudniejszych warunkach temperaturowo-napr eniowych.

Tablica 2. Wybór materiału do bada

Badane elementy kotła Parametry eksploatacji Gatunek stali

Rodzaj Liczba

1) Czas, godziny

Tempe- ratura,

oC

Ci nienie, MPa

16Mo3

wycinki rur w ownic oraz komór przegrzewaczy pary po pracy w wa- runkach pełzania w kotłach energe- tycznych o wydajno ci od 430 do 650 ton pary/godz.

ponad 100

105000 do 230000

490 do 510

12 do 16,5

14MoV6-3

wycinki rur z elementów głównych ruroci gów pary wie ej po długo- trwałej eksploatacji w warunkach pełzania w cz ci ci nieniowej kot- łów energetycznych o wydajno ci od 430 do 1650 ton pary/godz.

ponad 500

100000 do 230000

530 do 575

12 do 19,5

13CrMo4-5

wycinki w ownic ogrzewane spali- nami od zewn trz, ogrzewane czyn- nikiem od wewn trz kolektory, ko- mory i regulatory temperatury oraz główne i komunikacyjne ruroci gi parowe cz ci ci nieniowej kotłów energetycznych o wydajno ci od 430 do 1650 ton pary/godz.

ponad 800

50000 do 230000

510 do 550

12 do 21

10CrMo9-10

wycinki rur pobranych z elementów komór wylotowych, regulatorów temperatury, ruroci gów pary wtór- nie przegrzanej i w ownic prze- grzewaczy pary pierwotnej i wtórnie przegrzanej po długotrwałej eksplo- atacji w warunkach pełzania w cz - ci ci nieniowej kotłów energetycz- nych o wydajno ci od 430 do 1650 ton pary/godz.

ponad 800

50000 do 230000

520 do 560

12 do 21

X20CrMoV11-1

wycinki rur pobrane z komór wy- lotowych oraz materiał w ownic przegrzewaczy pary po długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania w cz ci ci nieniowej kotłów ener- getycznych o wydajno ci od 1150 do 1650 ton pary/godz.

ponad 500

60000 do 185000

540 do 590

18 do 21

1) Ł czna liczba elementów cz ci ci nieniowej kotłów energetycznych pracuj cych w wa- runkach pełzania poddanych nieniszcz cym lub niszcz cym badaniom materiałowym.

Przegl dowy charakter opracowania uniemo liwia zaprezentowanie wszystkich poj ć podstawowych, które uj to we wcze niej opublikowanych współautorskich opracowaniach podr cznikowych autora [49-51]. Poniewa monografia w cało ci dotyczy prezentacji

własnych osi gni ć naukowo-badawczych autora, wiadomie zrezygnowano z klasycznego przegl du aktualnego stanu wiedzy, która w du ej mierze jest ukształtowana, zwłaszcza w Polsce, przy udziale autora, a skupiono si na wynikach bada własnych autora, które niemal w cało ci stanowi tre ć niniejszej monografii.

Autor w tym miejscu ma honor oddać swój hołd Wielkim Metaloznawcom, którzy ukształtowali Jego sylwetk naukow i swym oddziaływaniem przes dzili o wyborze przez Niego yciowej drogi naukowej w zakresie materiałoznawstwa energetycznego, w tym nie yj cym ju : Prof. Adolfowi Maciejnemu Dr. hc., Prof. Janowi Adamczykowi Prof. Hon.

i Mgr. in . Zbigniewowi Borysowskiemu, oraz nadal najbli ej współpracuj cym z Autorem przez wiele lat: Prof. Tadeuszowi Bołdowi, Prof. Adamowi Hernasowi i Dr. in . Piotrowi Mili skiemu, jak równie zło yć podzi kowania za współprac Dr. in . Adamowi Schwedlerowi Dyrektorowi Instytutu Metalurgii elaza im. Stanisława Staszica w Gliwicach.

2. Ogólna charakterystyka d ługotrwałej eksploatacji elementów instalacji energetycznych

Zapotrzebowanie na energi elektryczn jest bezpo rednio zwi zane z rozwojem gospo- darczym kraju, produkcj przemysłow , energochłonno ci oraz zarz dzaniem energi . Prze- widywano [436], e w Polsce do 2020 roku miało nast pić prawie dwukrotne zwi kszenie zu ycia energii w porównaniu z rokiem 1997 (rys. 1), oraz e zmaleje zu ycie w gla kamien- nego w ogólnym bilansie surowców energetycznych z ok. 56% w 2007 do ok. 30% w 2020 roku (rys. 2). Uaktualnione dane [437] wskazuj , e chocia znaczenie w gla kamiennego w ogólnym bilansie surowców energetycznych rzeczywi cie stale b dzie maleć z obecnych 53% w roku 2010 do ok. 40% w 2020 roku i ok. 36% w 2030 roku, to jednak nadal b dzie on podstawowym paliwem dla wielkich elektrowni i elektrociepłowni. Obecnie z w gla kamiennego i brunatnego wytwarza si około 92% energii elektrycznej w Polsce [437], choć pod koniec ubiegłego wieku przewidywano e b dzie to nawet 97% [438].

Rozwój technologii energetycznych (rys. 3) uzale niony jest m.in. od uwarunkowa techniczno-ekonomicznych, ekologicznych, prawnych, a nade wszystko od czynników materiałowo-technologicznych [438-444]. Wysokotemperaturowa wytrzymało ć i trwało ć elementów konstrukcyjnych, cz sto okre lana jako arowytrzymało ć, zale y od wymaganej odporno ci na pełzanie, stabilno ci struktury materiału, technologiczno ci i rozwi za

Rysunek 1. Prognozy zucycia energii elektrycznej do 2020 roku [436]

Rysunek 2. Prognozy zu ycia w gla kamiennego [436]

Rysunek 3. Współczesne technologie energetyczne [50]

konstrukcyjnych, a tak e od poziomu zaawansowania technologii. W budowie maszyn i urz - dze energetycznych, podobnie jak w innych dziedzinach techniki, zastosowanie znajduj stale do pracy w podwy szonej temperaturze, w tym stale odporne na pełzanie, a tak e coraz cz ciej inne arowytrzymałe stopy metali. arowytrzymało ć jest zło on , wynikow cech materiału, uwarunkowan przebiegiem i wzajemnym oddziaływaniem procesów odkształcenia, umocnienia i dekohezji w podwy szonej temperaturze. Własno ci i cechy mechaniczne, fizykochemiczne oraz technologiczne stopów arowytrzymałych zestawiono w tablicy 3.

Tablica 3. Wymagania stawiane materiałom arowytrzymałym stosowanym w energetyce cieplnej (opracowano według A. Maciejnego)

Własno ci Wpływ ¹⁾

granica plastyczno ci w temperaturze podwy szonej ↑ długotrwała wytrzymało ć na pełzanie – czas do zniszczenia ↑↑

wytrzymało ć na obci enia cykliczne – mechaniczne i cieplne ↑ własno ci plastyczne – wydłu enie przy zniszczeniu, udarno ć ↑↑

odpornoć na kruche p kanie ↑

Własno ci mechaniczne

odpornoć na cieranie i kawitacj – ~

korozja równomierna – woda, para wodna, pary soli, spaliny,

popiół paliwowy, no niki energii j drowej ↑

korozja w erowa ~ korozja mi dzykrystaliczna ~

korozja napr eniowa – ~

odpornoć na uszkodzenia radiacyjne –

stabilnoć wymiarowa ↑

Własno ci fizyczne i chemiczne;

odporno ć korozyjna

niemagnetyczno ć elementów rdzenia –

spawalnoć ↑↑

podatno ć na obróbk plastyczn na zimno i gor co ↑

obrabialno ć ↑

jakoć powierzchni gotowych produktów ↑

Własno ci technologiczne

jednorodno ć składu chemicznego ↑

1) ↑↑ szczególnie istotny, ↑ istotny, ~ istotny w niektórych przypadkach, – nieistotny.

arowytrzymało ć zale y nie tylko od czynników technologicznych i konstrukcyjnych, lecz głównie od wzajemnej kombinacji temperatury, napr enia i czasu eksploatacji, a tak e od

rodowiska, decyduj c o przebiegu zjawisk degraduj cych te własno ci, tzn.: pełzania, które jest podstawowym procesem determinuj cym mechaniczne zachowanie si metali i stopów w podwy szonej i wysokiej temperaturze, zm czenia mechanicznego i zm czenia cieplnego, które jest najbardziej zło onym z tych procesów, a ponadto coraz cz ciej korozji. Elementy konstrukcyjne urz dze i instalacji energetycznych, ciepłowniczych oraz petrochemicznych ulegaj zatem wskutek eksploatacji ci głemu procesowi niszczenia, co wpływa na rzeczywist trwało ć elementu, przy czym w praktyce czas bezpiecznej i sprawnej pracy jest jedynym interesuj cym wska nikiem ilo ciowym, zwi zanym bezpo rednio z trwało ci , jako miar ogólnie poj tego wyt enia materiału lub elementu konstrukcyjnego. Okre lenie trwało ci wymaga wyznaczenia czasu granicznego do zniszczenia tZ (tr), granicznej liczby cykli do zniszczenia NZ (Nf), liczby operacji lub zabiegów technologicznych oraz liczby innych wielko ci mierzalnych, po których przy zało onym kryterium nast pi zniszczenie lub utrata

zdolno ci spełniania wymaganych funkcji przez materiał lub element konstrukcyjny. Elementy konstrukcyjne w wymienionych gał ziach przemysłu, zwłaszcza energetycznego, s eksploa- towane w warunkach lokalnej kumulacji oddziaływania niejednorodnych i niestacjonarnych pól temperatury oraz obci e mechanicznych, rodowiska, zmian i niejednorodno ci struktury materiału i zwi zanych z tym zmian własno ci mechanicznych oraz przy okresowych losowych przeci eniach, w wyniku czego s nara one na wyst powanie w nich lokalnie odkształce plastycznych i ró nego rodzaju uszkodze , zwykle w strefach spi trzenia napr e wywołanych karbami mechanicznymi, karbami strukturalnymi oraz du ym gradientem temperatury. Materiały stosowane do budowy urz dze energetycznych i petrochemicznych powinny si zatem odznaczać nie tylko wymagan odporno ci na odkształcenie plastyczne w podwy szonej temperaturze, lecz równie wykazywać mał podatno ć na p kanie, w tym szczególnie na tworzenie kruchego złomu w warunkach współdziałania czynników mechani- cznych, korozyjnych i aktywowanych cieplnie. W ród elementów instalacji energetycznych mo na wyró nić pracuj ce poni ej lub powy ej temperatury granicznej Tg, czyli w warunkach pełzania. Temperatur graniczn Tg dla ka dej stali stosowanej na elementy pracuj ce w podwy szonej temperaturze, wyznacza punkt przeci cia krzywej minimalnej granicy plastyczno ci R_e^t_min (R₀^t_,2min) i krzywej redniej czasowej wytrzymało ci na pełzanie dla 100000 godzin RZ/100000/T, a w rzeczywisto ci okre lanej jako zakres temperatury zale ny od pasma rozrzutu R0,2 i RZ (rys. 4), o warto ciach przykładowo zestawionych przez autora dla standardowych stali kotłowych oraz nowych gatunków stali arowytrzymałych (rys. 5).

Rysunek 4. Schemat wyznaczania temperatury granicznej Tg [50]

a)

b)

Rysunek 5. Charakterystyki arowytrzymało ciowe stali kotłowych:

a) niestopowych i niskostopowych, b) wysokochromowych 9-12% Cr

Szybko ć odkształcenia w czasie pełzania najogólniej jest funkcj czterech parametrów:

, ) , , , (

=& T S_i

& (1)

gdzie:

– przyło one napr enie, T – temperatura,

Si = S1, S2, S3 .... Sn – parametry strukturalne okre laj ce cechy struktury wywieraj ce wpływ na szybko ć pełzania, a w szczególno ci: g stoć i układ dyslokacji, wielko ć ziarna, st enie pierwiastków stopowych rozpuszczonych w osnowie, rozkład i udział wydziele wewn trz i na granicach ziarn,

– stan wewn trznych uszkodze wywołuj cych p kanie.

Zmiany stanu ustalonego, charakterystycznego dla II stadium pełzania, s wywoływane oddziaływaniem struktury na stałe obci enie lub nast puj w przypadku, gdy S&i i/lub ω& s ró ne od zera, gdzie S&_i – szybko ć zmian parametrów strukturalnych, ω& – szybko ć zmian stanu uszkodze wewn trznych. Wówczas zwykle zwi ksza si szybko ć pełzania i rozpo- czyna si III stadium pełzania (rys. 6), chocia szybko ć pełzania mo e ulec zmniejszeniu, je eli zmiany S&_i s spowodowane procesami wydzieleniowymi.

Rysunek 6. Krzywe pełzania a) w stałej temperaturze, b) przy stałym obci eniu [49]

tt tr

ts t

Mo na wyró nić dwa rodzaje zmian w materiale prowadz ce do zwi kszenia szybko ci pełzania. Pierwszym z nich jest wyczerpanie, gdy zmiany nast puj w strukturze S&i ≠ 0, a nie wyst puje proces dekohezji ω& = 0. Wyczerpanie jest utrat zdolno ci materiału do odkształ- cenia plastycznego w wyniku przebiegu procesu pełzania. Stopie wyczerpania jest warto ci wzgl dn i przy zerwaniu równy jest 1 lub 100%. Miar stopnia wyczerpania jest stosunek odkształcenia elementu poddanego pełzaniu do całkowitego odkształcenia przy zerwaniu c

(rys. 7a). Miar stopnia wyczerpania mo e być równie stosunek czasu t przebiegu pełzania w danym elemencie do czasu zerwania tr (rys. 7b). Zale no ć mi dzy wyczerpaniem odkształ- ceniowym a czasowym ma charakter liniowy zwykle do ko ca II stadium pełzania [7, 101, 445, 446].

Drugim procesem jest uszkodzenie, gdy powstaj i rozwijaj si uszkodzenia wewn trzne ω& ≠ 0, a nie towarzysz im zmiany struktury S& = 0. Uszkodzenie w wyniku pełzania to _i nieodwracalne zmiany struktury, spowodowane przez oddziaływanie temperatury i napr enia mechanicznego w długotrwałym czasie. Stopie uszkodzenia mo e być okre lony eksperymen- talnie metodami metalograficznymi. Wyczerpywanie si materiału jest spowodowane mi dzy innymi przez powstawanie i rozwijanie si uszkodze wewn trznych w metalu poddanym pełzaniu w przypadku, gdy ω& ≠ 0, a S&i = 0. Zwykle oba wymienione procesy przebiegaj równolegle, a jedynie jeden z nich jest dominuj cym w zale no ci od stadium pełzania i głó- wnie decyduje o wyczerpaniu lub uszkodzeniu materiału. W zale no ci od stadium pełzania ró ny jest stopie wyczerpania materiału i ró ne nasilenie nieci gło ci od pustek poprzez szczeliny do p kni ć spowodowanych przez pełzanie (rys. 8).

Rysunek 7. Graficzne uj cie wyczerpania materiału, którego miar jest:

a) stosunek odkształcenia e / c lub b) stosunek czasu te / tr [50]

Rysunek 8. Krzywa pełzania z wynikami bada metalograficznych odpowiadaj cych ró nym klasom wewn trznych uszkodze materiału podczas eksploatacji; opracowano według

[447, 463]

W temperaturze homologicznej wy szej od 0,4 na krzywej pełzania obserwuje si trzecie stadium pełzania przyspieszonego ko cz ce si p kaniem. P kanie zale y od temperatury oraz szybko ci pełzania, która jest funkcj czasu pełzania oraz przyło onego napr enia. Na podstawie analizy map mechanizmów p kania w wyniku pełzania (rys. 9 i 10) w układach współrz dnych: napr enie redukowane-temperatura homologiczna, napr enie redukowane- czas do zerwania oraz rednica ziarna-napr enie redukowane, mo na okre lić dominuj ce rodzaje i mechanizmy p kania w wyniku pełzania. P kanie zwykle jest mi dzykrystaliczne w przypadku niskich napr e i małych minimalnych szybko ci pełzania, gdy wydłu enie jest bardzo małe, a przew enie pomijalnie małe. P kanie mi dzykrystaliczne przy pełzaniu mo e być szczelinowe i jest zwi zane z powstawaniem szczelin klinowych na styku dwóch, trzech lub czterech ziarn, ich wzrostem wzdłu granic ziarn oraz ł czeniem si szczelin zainicjo- wanych na ró nych nieprzylegaj cych do siebie stykach ziarn. P kanie mi dzykrystaliczne kawitacyjne nast puje w wyniku powstawania pustek na granicach ziarn usytuowanych pod k tem zbli onym do 45 lub 90° do osi przyło onego napr enia, ich wzrostu oraz koalescencji, co decyduje o utworzeniu szczelin. W przypadku du ych napr e i du ych minimalnych szybko ci pełzania wyst puje p kanie transkrystaliczne, czemu towarzyszy znaczne wydłu-

enie i przew enie. P kanie transkrystaliczne przy pełzaniu polega na inicjacji p kni ć w osnowie na granicach mi dzyfazowych z wtr ceniami oraz nast pnej ich propagacji,

Rysunek 9. Mapy mechanizmów p kania stopu NiCr20Ti2Al; opracowano według M.F. Ashby’ego [49]

Rysunek 10.Mapa mechanizmów p kania stali austenitycznej; opracowano według M.F. Ashby’ego [49]

prowadz cych do utraty stabilno ci plastycznej i zrywania oddzielaj cych te wtr cenia mostków nieuszkodzonego wewn trznie materiału. Wraz ze wzrostem odkształcenia nast puje koncentracja napr e na wtr ceniach, co powoduje p kanie wtr ce lub naruszenie kohezji mi dzy nimi a osnow . Koalescencja p kni ć wpływa na p kanie przy niewielkim zwi kszeniu wydłu enia.

Podstawowym wska nikiem okre laj cym nowoczesno ć jednostki energetycznej b d danej technologii jest jej sprawnoć (rys. 11-13). Sprawno ć netto najlepszych polskich elektrowni wynosi rednio 33%, gdy w wiecie wynosi rednio 36%, a w nowo budowanych blokach si ga nawet 42-46%. Wzrost sprawno ci bloków, z wyj tkiem układów dwuczyn- nikowych i kombinowanych, mo na osi gn ć stosuj c wysokie nadkrytyczne (tj. powy ej tem- peratury 540°C i ci nienia 18 MPa) parametry pary. W ostatnich kilkunastu latach w Europie, USA i Japonii obserwuje si wzrost zainteresowa blokami o parametrach nadkrytycznych, jak równie intensywne prace projektowe i inwestycyjne bloków o mocy 400-1000 MW z tur- binami na par podwójnie przegrzan o ci nieniu 25-30 MPa i temperaturze 580-610°C (rys. 11). Realizowane programy badawcze dotycz jeszcze wy szych parametrów roboczych, których ci nienie wynosi powy ej 30 MPa, a temperatura w zakresie 620-650°C, a nawet 700°C [442, 448-455]. Przej cie do parametrów nadkrytycznych umo liwiło budow klasycz- nych bloków kondensacyjnych o sprawno ci nawet do 48% netto (z uwzgl dnieniem systemów oczyszczania spalin) przy znacznym ograniczeniu emisji szkodliwych zanieczyszcze i obni-

eniu kosztów wytwarzania energii elektrycznej.

Rysunek 11. Rozwój technologii wytwarzania energii elektrycznej opartej na spalaniu wCgla [444]

Rysunek 12. Porównanie sprawnoWci rócnych technologii energetycznych [441]

Rysunek 13. WzglCdna zmiana sprawnoWci bloku energetycznego w zalecnoWci od parametrów temperaturowych pary przegrzanej [50]

Znaczne podwy szenie temperatury i ci nienia pracy urz dze energetycznych jest mo liwe dzi ki rozwojowi in ynierii materiałowej, zapewniaj cej wytwarzanie elementów

konstrukcyjnych z nowych stali i stopów niklu odpornych na pełzanie o podwy szonych własno ciach u ytkowych. Zagadnienie to wpisuje si w kluczowy zakres badawczo- rozwojowy technologii procesów materiałowych i nowych materiałów, obj ty wynikami bada wykonanych w ramach Foresightu technologicznego Europy w 5. i 6. Programach Ramowych Wspólnoty Europejskiej i ogłoszonymi w raportach z realizacji projektów „The Future of Manufacturing in Europe” [456] oraz „Manufacturing Visions The Futures Project” [457].

Podstawow zmian metodologii projektowania materiałowego, wynikaj c z wymienionych ustale tych bada foresightowych, jest wytwarzanie materiałów spełniaj cych potrzeby wytwórców produktów rynkowych w odpowiednim czasie i miejscu, o własno ciach zamó- wionych przez u ytkowników produktów i o odpowiednio ukształtowanej strukturze gwarantu- j cej wymagany zespół własno ci fizykochemicznych. Nowe materiały in ynierskie i procesy ich wytwarzania s podporz dkowane potrzebom klienta i funkcjom u ytkowym produktów oraz zało onym zachowaniom tych materiałów podczas eksploatacji. Materiały współcze nie stosowane na elementy kotłów o parametrach nadkrytycznych zestawiono w tablicy 4.

Tablica 4. Zestawienie materiałów stosowanych na elementy krytyczne kotłów o parametrach nadkrytycznych; opracowano według [460]

Element kotła Materiał

(oznaczenia według:

1)ASME, ²⁾ Sumitomo Japan)

Temperatura, °C, odpowiadaj ca Rz/100000/600°C=100 MPa ciany membranowe

(temperatura cianki rur parownika ok. 420-455°C)

13CrMo4-5

7CrMoVTiB10-10 (T24¹⁾)

7CrWVMoNb9-6 (T23¹⁾; HCM2S²⁾) 0,1C-12Cr-1Mo-1W-V-Nb (HCM12²⁾)

515 550 580 600 Rury przegrzewacza

(temperatura cianki rur

ok. 640-670°C)

X3CrNiMoN1713

X10CrNiMoMnNbVB15-10-1 (Esshete 1250) X6CrNiNb18-10 (TP347HFG¹⁾)

NiCr23Co12Mo (Alloy 617¹⁾) NiCr23MoCo1Nb3 (Alloy 625¹⁾)

630 640 655 690 740

Komory zbiorcze i kolektory

X10CrMoVNb9-1 (P91¹⁾) X10CrWMoVNb9-2 (P92¹⁾) X11CrMoWVNb9-1-1(E911¹⁾)

12Cr-2,6W-2,5Co-0,5Ni-V-Nb (NF 12²⁾) X6CrNiNb18-10 (TP347HFG)

NiCr23Co12Mo (Alloy 617¹⁾) zmodyfik.

590 615 615 645 655 700

Wodooddzielacze X10CrMoVNb9-1 (P91¹⁾) 590

Rysunek 14. Dobór optymalnych parametrów czynnika roboczego (pr, Tr) dla stosowanych materiałów na komory wylotowe o geometrii DZ /DW = 1,8; opracowano według [460]

Standardowe stale odporne na pełzanie o osnowie ferrytycznej, nisko- i wysokostopowe, znajduj zastosowanie w temperaturze do 540°C. Spo ród tych stali jedynie z gatunku 13CrMo 4-5 wykonano rury dla górnej cz ci komory paleniskowej kotła w du skiej elektro- wni NORD J oddanej do u ytku w 1998 roku [457]. Ponadto na ciany komory paleniskowej przewidziano zastosowanie nowych stali niskostopowych 7CrWVMoNb9-6 (T23) oraz 7CrMoVTiB10-10 (T24). Na pozostałe elementy krytyczne stosowane b d nowe wysoko- stopowe stale martenzytyczne i austenityczne oraz stopy niklu [449, 453, 458-460]. Stal SA213 - TP347 H o drobnoziarnistej strukturze austenitycznej spełnia wymagania wytrzymało ci na pełzanie, odporno ci na utlenianie po stronie pary oraz odporno ci na korozj wysoko- temperaturow po stronie spalin. Zakres stosowalno ci materiałów na komory wylotowe przegrzewacza pary pierwotnej o stosunku geometrii DZ /DW = 1,8 (przy standardowym 1,5) i obliczeniowym współczynniku wytrzymało ciowym (współczynniku osłabienia) Z = 0,8 przedstawiono na rysunku 14, pokazuj c optymalne parametry czynnika roboczego dla danego materiału komory, który przy takim samym obci eniu zapewnia najni sze jednostkowe zu ycie ciepła.

Elementy konstrukcyjne pracuj ce powy ej temperatury granicznej Tg (rys. 4) projektuje si odpowiednio do obci e roboczych, na ograniczony obliczeniowy czas pracy to,

przyjmowany do oblicze wcze niej jako 100000, a obecnie 100 000, 200000 lub nawet 250000 h i nazywany trwało ci obliczeniow (lub projektow ). Praktyczne znaczenie ma trwało ć rozporz dzalna odpowiadaj ca czasowi, w którym element konstrukcyjny mo e być bezpiecznie eksploatowany w zało onych warunkach temperatury i obci enia, ograniczona krytycznym stopniem wyczerpania lub uszkodzenia materiału. Trwało ć rzeczywista odpowiada natomiast czasowi do zerwania materiału poddanego pełzaniu. Trwało ć elementu konstrukcyjnego oraz trwało ć zbadana laboratoryjnie na próbkach poddanych jednoosiowej próbie pełzania nie s identyczne. Na podstawie wyników tej próby mo na wnioskować o trwało ci elementów konstrukcyjnych, chocia z du ym stopniem niepewno ci, jedynie w razie znajomo ci warunków eksploatacji, w tym temperatury oraz rozkładu napr e w ele- mencie konstrukcyjnym i ich zmian podczas eksploatacji.

Obliczeniowa trwało ć rozporz dzalna w praktyce jest zwykle wielokrotnie mniejsza od rzeczywistej rozporz dzalnej trwało ci elementów konstrukcyjnych, ze wzgl du na brak dokładnych danych dotycz cych rzeczywistych warunków eksploatacji oraz zró nicowan struktur i własno ci materiału w stanie wyj ciowym, a tak e z powodu rozrzutu czasowej wytrzymało ci na pełzanie w pasmach w zale no ci od nachylenia krzywych, co wpływa na zró nicowanie okre lenia trwało ci o 10 do 20 razy (rys. 15) [461] oraz przyjmowanie w obliczeniach konstrukcyjnych najbardziej niekorzystnych warunków pracy, np.

niestacjonarnego obci enia (rys. 16a) oraz zmian temperatury eksploatacji, przy stałym napr eniu roboczym (rys. 16b) i współczynników bezpiecze stwa, a tak e dobór wi kszych

Rysunek 15. Pasmo rozrzutu czasowej wytrzymało ci na pełzanie, gdzie r – napr enie eksploatacyjne, tr – czas do zerwania [50]

Wytrzymałoć na pełzanie, Rz

Czas do zerwania, tr

od obliczonych grubo ci cian elementów i niejednorodne obci enie w ró nych miejscach instalacji.

Konieczne jest jednak okre lenie praktycznej trwało ci rozporz dzalnej oraz czasu bezpiecznej eksploatacji urz dze i ich elementów po zako czeniu eksploatacji w czasie wynikaj cym z obliczeniowej trwało ci rozporz dzalnej, mi dzy innymi ze wzgl du na bardzo wysokie koszty inwestycyjne instalacji energetycznych i ich bardzo długi okres amortyzacji.

W odró nieniu od trwało ci rzeczywistej (do zniszczenia) tr, znaczenie praktyczne ma trwało ć rozporz dzalna tr0,6 odpowiadaj ca czasowi, w którym element konstrukcyjny mo e być bezpiecznie eksploatowany w zało onych warunkach temperatury i obci enia [15, 49, 101, 462-464]. Ró nica czasu mi dzy praktyczn i obliczeniow trwało ci nazywana jest trwało ci resztkow (rys. 17) [50, 101]. Jej wyznaczenie zawsze ma zwi zek z przedłu aniem czasu bezpiecznej eksploatacji elementów instalacji energetycznej powy ej czasu oblicze- niowego, zało onego w obliczeniach konstrukcyjnych, co ma zasadnicze znaczenie ekono- miczne [15, 101, 462-464].

Poniewa wyznaczenie trwało ci resztkowej nie jest wystarczaj c informacj do okre lenia czasu bezpiecznej eksploatacji, wprowadzono poj cie rozporz dzalnej trwało ci tr0,6

oraz rozporz dzalnej trwało ci resztkowej tre0,6 (rys. 18). Rozporz dzalna trwało ć tr0,6 jest cz ci trwało ci, a jej warto ć okre la czas odpowiadaj cy ko cowi II stadium pełzania materiału b d cego w eksploatacji. Warto ć ta (ok. 0,6 tr) ograniczona jest krytycznym stop- niem wyczerpania lub uszkodzenia materiału identyfikowanym z III stadium pełzania. Podo- bne relacje wyst puj pomi dzy rozporz dzaln trwało ci resztkow a trwało ci resztkow .

Rysunek 16. a) Zmiana charakterystyki pełzania przy obci eniu niestacjonarnym, b) wpływ temperatury pełzania na czas do zniszczenia przy zało onym napr eniu eksploatacyjnym [50]

Rysunek 17. Schematyczne uj cie definicji trwało ci resztkowej i rozporz dzalnej [50]

Rysunek 18. Graficzne uj cie poj cia „trwało ć resztkowa i rozporz dzalna” [50]

Wyniki bada autora potwierdzaj poprawno ć zało enia w metodzie obliczeniowej, e czas specjalnego nadzoru rozpoczyna si po osi gni ciu około 60% wyczerpania materiału [101, 464]. Przesłanki literaturowe i wyniki bada własnych dowodz ponadto, e około 60%

trwało ci resztkowej odpowiada równie granicznej warto ci wydłu enia wynosz cej 1% lub 2%, powy ej której konieczny jest specjalny nadzór nad dalsz prac elementu.

Trwało ć resztkowa od wielu lat jest przedmiotem zainteresowania naukowego [1-101]

i aplikacyjnego [102-435] autora niniejszej monografii, który jest równocze nie autorem lub współautorem wielu wy ej zdefiniowanych poj ć oraz autorem oryginalnej metodologii oceny trwało ci resztkowej elementów instalacji energetycznych, zaprezentowanej w sposób

Trwało ć obliczeniowa t^o 100000 h

syntetyczny w dalszej cz ci niniejszej pracy i wielokrotnie zweryfikowanej w praktyce. Opis własnych osi gni ć w tym zakresie stanowi wa ny fragment niniejszej monografii. Stosowane dotychczas metody prognozowania trwało ci resztkowej mog wi zać si z rejestracj i kon- trol parametrów ruchowych w celu dokonania oblicze przy wykorzystaniu reguły ułamków trwało ci Robinsona [462, 463] i standardowych danych materiałowych lub z badaniami i próbami materiałów po eksploatacji wymagaj cych bezpo redniego dost pu do elementów w celu pobrania próbek i dokonania pomiarów. W praktyce zwykle wykorzystywane s ł cznie synergiczne mo liwo ci obydwu grup metod. Zło ono ć problemu wymaga ka dorazowo indywidualnego doboru zespołu metod, i to mi dzy innymi w zale no ci od historii eksploa- tacyjnej oraz stanu wyczerpania i uszkodzenia materiału. Brak jest nie tylko nieniszcz cej, lecz równie i niszcz cej, jednej uniwersalnej, jednoznacznej metody oceny trwało ci resztkowej materiału i elementu.

Obiektywnej oceny trwało ci resztkowej materiału dokonać mo na opieraj c si jedynie na zespole metod i technik badawczych [15, 50, 101, 447, 463-471], ł cznie wykorzystuj c wiedz teoretyczn i praktyczn (rys. 19). O wynikach oceny trwało ci elementu lub instalacji

Rysunek 19. Uogólniony sposób post powania w ocenie stanu materiału i elementu [50]

decyduje wybór elementów i miejsc do bada . Zwykle s to kolana, kształtki, obszary przy- otworowe, spoiny obwodowe – w ruroci gach, denka, obszary w rejonie otworów w ownic, mostki w okolicy króćców, spoiny – w komorach i kolektorach kotła oraz wałach wirników, kołach roboczych, kadłubach i tarczach kierowniczych turbiny. Wybór elementów i miejsc do bada ma niebagatelne znaczenie, bowiem decyduje o metodach i czasochłonno ci bada , trafno ci decyzji i ekonomiczno ci przedsi wzi ć [15, 50, 101, 445, 464, 469-471]. Na ogół s to elementy i miejsca najbardziej wyt one, które wskazać mo na, maj c dostateczn wiedz z zakresu zagadnie konstrukcyjnych i technologicznych, popart do wiadczeniem eksploata- cyjnym, a najpewniej z wykorzystaniem nowoczesnych technik numerycznych, w tym metody elementów sko czonych [102, 105, 539, 540].

W ocenie elementów konstrukcyjnych, pracuj cych w warunkach pełzania niezb dn jest ocena stanu ich materiału. Przeprowadza si j na podstawie nieniszcz cych lub niszcz cych bada materiałowych, dla których dokonuje si wyboru zespołu metod badawczych w zale - no ci od dost pno ci do elementu i mo liwo ci pobrania materiału do bada niszcz cych.

Uzyskane wyniki odnosi si do posiadanych charakterystyk materiałów po eksploatacji. Zasto- sowanie takiego sposobu post powania umo liwia dobre oszacowanie stanu materiału, stopnia jego wyczerpania oraz wyznaczenie czasu dalszej bezpiecznej eksploatacji do nast pnego przegl du [15, 49, 50, 445, 463-471]. Jednak osi gni cie 200000 godzin eksploatacji materiału elementów wymaga w licznych przypadkach nie tylko dobrego oszacowania trwało ci reszt- kowej ale i jej wyznaczenia na podstawie bada niszcz cych na pobranym reprezentatywnym wycinku do bada . Nie zawsze jest to jednak mo liwe do wykonania w praktyce. Mo liwe jest to do przeprowadzenia dla oceny stanu materiału nitki głównego ruroci gu parowego lub ruroci gu przerzutowego, jak równie dla niektórych komór, schładzaczy i w ownic prze- grzewaczy pary. Musi być to jednak poprzedzone rachunkiem ekonomicznym opłacalno ci przeprowadzenia takiej procedury.

Ocena stanu materiałów b d cych w eksploatacji wymaga opracowania i doboru nieniszcz cych i niszcz cych metod bada , dobieranych ka dorazowo w zale no ci od charakteru pracy elementu i dost pno ci do bada . Ocena uzyskiwanych wyników bada zastosowanymi metodami wymaga jednak znajomo ci zmian struktury, a w tym rozwoju procesów wydzielania w glików i w ich wyniku obni ania si własno ci mechanicznych, szczególnie odporno ci na pełzanie, decyduj cych o zdolno ci do przenoszenia wymaganych obci e eksploatacyjnych badanych materiałów pracuj cych powy ej temperatury granicznej,

a tak e mechanizmów uszkodzenia w wyniku długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania.

Ocen tak umo liwiaj charakterystyki materiałów po ró nych okresach eksploatacji wraz z systemem oceny ich stanu i sposobem wyznaczania lub oszacowania czasu dalszej eksploatacji, najcz ciej znacznie poza czas obliczeniowy (rys. 20).

W ród metod oceny trwało ci resztkowej wyró nia si metody polegaj ce na gro- madzeniu i kontroli parametrów ruchowych instalacji energetycznej w celu dokonania oblicze przy wykorzystaniu standardowych danych materiałowych i reguły ułamków trwało ci [49, 50, 447, 461, 466]. Metody obliczeniowe, szczegółowo opisane w pracy własnej [50], ch tnie s stosowane przez eksploatatorów urz dze energetycznych, szczególnie w krajach, które nie dysponuj pełnym zakresem informacji dotycz cych zachowania si materiałów stosowanych na urz dzenia energetyczne po długich okresach eksploatacji. Metody polegaj ce na badaniach i próbach materiałów po eksploatacji wymagaj bezpo redniego dost pu do elementu

Rysunek 20. Cele, sposoby i narzCdzia stosowane dla utrzymania poziomu produkcji energii elektrycznej w Polsce

w celu dokonania pomiarów i pobrania próbki. Ubytki powstałe w wyniku pobrania próbek materiału s naprawiane przez spawanie, a w przypadkach próbek zminiaturyzowanych jedynie przez wyrównanie powierzchni. Badania materiału po eksploatacji umo liwiaj dokładn ocen stopnia jego wyczerpania i stopnia uszkodzenia, nie wymagaj natomiast znajomo ci historii warunków pracy, w tym napr enia i temperatury oraz standardowych danych materia- łowych. Metody te mog być zarówno niszcz ce, jak i nieniszcz ce, w tym bezpo rednio na zainstalowanych elementach urz dze energetycznych. Najbardziej wiarygodne wyniki przy prognozowaniu trwało ci resztkowej uzyskuje si dysponuj c wynikami prób pełzania materiału po eksploatacji oraz w stanie wyj ciowym. Przy ustalaniu przedłu onego czasu eksploatacji przyjmuje si najkrótszy czas wynikaj cy z czasowej wytrzymało ci na pełzanie materiału po eksploatacji, maksymalnej pr dko ci pełzania w warunkach eksploatacji i rezerwy odkształcenia wynikaj cej z zale no ci:

) , -

= (

ep e dop

t

&

gdzie:

tep – czas przedłu onej eksploatacji,

dop – odkształcenie dopuszczalne,

e – rzeczywiste odkształcenie po eksploatacji,

&ep – rzeczywista pr dko ć pełzania dla r i Te,

r – napr enie robocze, Te – temperatura eksploatacji.

Najcz ciej stosowane s przyspieszone próby pełzania, cz sto te nazywane skróconymi próbami pełzania [54, 59], realizowane zwykle przy napr eniu badania b odpowiadaj cym roboczemu r oraz w temperaturze badania Tb wy szej od temperatury eksploatacji Te, których wyniki s ekstrapolowane do temperatury eksploatacji Te (rys. 21). Warunki tych prób s tak dobrane aby ich czas do zerwania nie wynosił wi cej ni 10000 godzin. Po wykonanej ekstrapolacji (rys. 22) wyniki przedstawia si w postaci krzywej parametrycznej b = f(L), gdzie: L = Tb(C+log tre), L-M – parametr Larsona-Millera, Tb – temperatura badania, C – stała materiałowa, tre – trwało ć resztkowa. Próby pełzania prowadzone celem okre lenia pr dko ci pełzania w stanie ustalonym i sporz dzenia zale no ci Monkmana-Granta oraz Dobeša-Milički [471] wyznaczane s własn metod nieniszcz c opracowan przez autora, wykorzystuj c zale no ci podane w pracy [472].

Rysunek 21. Sposób wyznaczania trwało ci resztkowej na podstawie wyników przyspieszonych prób pełzania [50]

Rysunek 22. Wytrzymało ć na pełzanie po eksploatacji wraz z ekstrapolacj wyników bada trwało ci resztkowej do poziomu warto ci napr e roboczych r w porównaniu z wymagan

wytrzymało ci na pełzanie dla materiału w stanie wyj ciowym;

RZ r – czasowa wytrzymało ć na pełzanie wg wymaga dla stanu wyj ciowego, RZep – czasowa resztkowa wytrzymało ć na pełzanie, to – czas obliczeniowy; ep – przewidywany poziom

napr enia dalszej eksploatacji; r – napr enie robocze Temperatura badania, Tb

Czas do zerwania, logtre

W ocenie stanu materiału po eksploatacji w warunkach pełzania wykorzystuje si wyniki prób rozci gania w podwy szonej temperaturze, prób udarno ci, pomiarów twardo ci oraz zm czenia niskocyklowego i szybko ci rozwoju szczeliny. Pomiary twardo ci s dokonywane na obiekcie najcz ciej w miejscu wykonania repliki odwzorowuj cej obraz struktury.

Nieniszcz ce metody bada stosowane obligatoryjnie w ocenie stanu elementu to badania:

defektoskopowe, penetracyjne, magnetyczne, ultrad wi kowe i endoskopowe. Wa ne znacze- nie odgrywaj metalograficzne, nieniszcz ce metody bada replik wykonanych w wybranym miejscu analizowanego obiektu i badanych przy u yciu elektronowego mikroskopu skaningo- wego, a w przypadku zgrubnych ocen te wietlnego. Metalograficzne techniki bada wyczer- pania materiału opieraj si na analizie czynników powoduj cych przej cie materiału do III stadium pełzania przyspieszonego [50, 447, 463, 475, 476].

Zgodnie z zale no ci (1) ocenie podlega stan wewn trznych uszkodze zwi zanych z zarodkowaniem i rozwojem pustek [477-479] oraz elementy struktury, np. wielkoć ziarna, podziarna lub powierzchnia wła ciwa granic ziarn, rodzaj wydziele , ich wzajemny udział, wielko ć, kształt i rozmieszczenie, odległo ć mi dzy cz stkami, struktura dyslokacyjna ziarn i granic ziarn. Dotychczasowe badania stopnia degradacji struktury oraz stanu wewn trznych uszkodze nakazuj du ostro no ć w stosowaniu metod metalograficznych i ustalaniu zwi z- ków pomi dzy struktur a trwało ci . Szczególnie dotyczy to techniki replik wykonywanych bezpo rednio na obiekcie. Technika ta wymaga odpowiedniej wiedzy popartej kwalifikacj struktury i uszkodze wewn trznych oraz atlasem obrazów struktury odpowiadaj cych okre-

lonemu stopniowi wyczerpania, zweryfikowanych wynikami niszcz cych bada pełzania materiałów po ró nym okresie eksploatacji. Ponadto istotnym jest do wiadczenie w zakresie wykonywania kolejnych etapów preparatyki oraz wła ciwe zastosowanie skaningowego mikroskopu elektronowego i umiej tna interpretacja uzyskiwanego w nim obrazu mikro- struktury.

Bardziej wiarygodne s oceny zwi zków mi dzy stanem wewn trznych uszkodze materiałów pracuj cych w warunkach pełzania a trwało ci resztkow i stopniem wyczerpania, pomimo trudno ci w wyborze reprezentatywnych miejsc do bada . Do wiadczenia, w tym własne autora, w zakresie analizy procesów niszczenia materiałów elementów instalacji energetycznych pozwoliły wyodr bnić 4 główne klasy wewn trznych uszkodze wskutek długotrwałej eksploatacji, którym przypisuje si okre lony czas dalszej eksploatacji lub zaleca si odpowiednie post powanie (rys. 8) [447, 463, 479-483].

Zło ono ć wymienionych zagadnie stała u podstaw opracowania niniejszej monografii naukowej, uwzgl dniaj cej współczesny stan wiedzy na temat arowytrzymało ci stali stopo- wych i trwało ci wykonanych z nich elementów konstrukcyjnych instalacji energetycznych, ze szczególnym uwzgl dnieniem wyników własnych bada autora w tym zakresie, dla dokonania podsumowania własnych działa w zakresie metodologii obiektywnej oceny trwało ci mate- riału pracuj cego w warunkach pełzania, w oparciu o zespół materiałoznawczych metod i tech- nik badawczych, w tym bada metalograficznych, bada własno ci mechanicznych i metod obliczeniowych, co stanowi istot kolejnych rozdziałów niniejszej monografii. Przedstawiono w niej równie opis procesu degradacji materiału podczas długotrwałej eksploatacji w warun- kach pełzania, zmian jego struktury i rozwoju wewn trznych uszkodze , a tak e zwi zanych z tym zmian własno ci mechanicznych, jako podstawy opracowania obiektywnej metody oceny stanu materiału i jego przydatno ci do dalszej eksploatacji w warunkach pełzania, z uwzgl dnieniem materiałoznawczej interpretacji przyczyn zmian struktury i własno ci oraz oceny trwało ci stali stosowanych na elementy energetyczne pracuj ce w warunkach pełzania.

Wiedza podsumowana w dalszej cz ci niniejszej monografii umo liwia optymalne wykorzy- stanie elementów konstrukcyjnych instalacji energetycznej poddanych długotrwałej eksploa- tacji w warunkach podwy szonej temperatury, napr enia oraz agresywnego rodowiska, zwłaszcza tych które przekroczyły obliczeniowy czas pracy 100000 godzin, z punktu widzenia czynników eksploatacyjnych, ekonomicznych i warunków bezpiecze stwa.

3. Zmiany w łasno ci mechanicznych badanych stali po eksploatacji w warunkach pe łzania

W wyniku procesów aktywowanych cieplnie wywołanych temperatur i ci nieniem w długim czasie nast puj zmiany w strukturze materiału, których skutkiem jest pogarszanie si zespołu jego własno ci u ytkowych, powoduj cych obni anie si zdolno ci do przenoszenia wymaganych obci e eksploatacyjnych. Niezale nie od struktury stanu wyj ciowego, nast - puje obni anie si własno ci wytrzymało ciowych (Rm, Re, Ret

) przy równoczesnej utracie odkształcalno ci, której odzwierciedleniem s warto ci: wydłu enia w próbie rozci ganie oraz pracy łamania w próbie udarno ci (A, KV). Wyznacznikiem zmniejszaj cych si własno ci wytrzymało ciowych jest ponadto warto ć twardo ci. Je eli charakter zachodz cych zmian mo na uznać za stosunkowo łatwy do przewidzenia, to jego wymiar liczbowy odniesiony do wymaga dla materiału w stanie wyj ciowym dla ró nych stanów zdegradowanej struktury po długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania, jest nie do przewidzenia bez stosownych bada . Dynamika zachodz cych zmian jest przede wszystkim zale na od typu struktury stanu wyj ciowego materiału oraz od rzeczywistych eksploatacyjnych warunków temperaturowo- napr eniowych. Ponadto, mo liwe wyst puj ce ró nice w strukturze stanu wyj ciowego dla danego gatunku stali dodatkowo mog zwi kszać lub zmniejszać skłonno ć materiału w stanie wyj ciowym do rodzaju i szybko ci zachodz cych zmian w strukturze, w wyniku eksploatacji.

Dlatego w sposobie oceny przydatno ci materiału do dalszej eksploatacji przyj to, e zale y ona od stopnia degradacji struktury, któremu przypisuje si odpowiadaj ce mu warto ci zespołu własno ci, zakładaj c e w materiale jest zapisana historia eksploatacji, a uzyskany obraz struktury jest ł cznym odzwierciedleniem stanu wyj ciowego i jej degradacji w wyniku eksploatacji.

Aby oszacować i wyznaczyć bezpieczny czas eksploatacji materiału elementów urz dze pracuj cych w warunkach pełzania, szczególnie po przekroczeniu przyj tego do oblicze czasu, zwanego obliczeniowym, niezb dna jest znajomo ć ich resztkowych własno ci na pełzanie. Poniewa ka da instalacja musi być okresowo odstawiana (odstawienia planowane i nieplanowane), podlegaj c okresowym naprawom i remontom, to niezb dnym jest wyko- nywanie sprawdzaj cych wodnych prób ci nieniowych szczelno ci instalacji i jej zdolno ci do przenoszenia obci e w temperaturze próby. Dlatego oprócz znajomo ci resztkowych własno ci na pełzanie, istotna jest równie znajomo ć podstawowych własno ci wytrzyma- ło ciowych i plastycznych tych materiałów po długotrwałej eksploatacji w ró nym czasie.

W dalszej cz ci niniejszej monografii przedstawiono tylko wybrane wyniki bada z naj- cz ciej dotychczas eksploatowanych materiałów w elementach cz ci ci nieniowej kotłów pracuj cych w warunkach pełzania i tak: stali 16Mo3 z w ownic i komór przegrzewaczy pary, stali 13CrMo4-5 i 10CrMo9-10 z w ownic i komór przegrzewaczy pary, stali 14MoV6-3 z głównych ruroci gów pary oraz stali X20CrMoV11-1 z w ownic i komór przegrzewaczy pary. Celem zaprezentowania charakteru zaobserwowanych zmian b d cych skutkiem długo- trwałej eksploatacji w warunkach pełzania i warto ci oznaczanych własno ci przedstawiono wyniki bada uzyskane na wybranych wycinkach elementów o typowych parametrach pracy i ró nym czasie eksploatacji dla ka dego z badanych gatunków stali.

Dla ka dego z wycinków badanych elementów ze stali niskostopowych wyznaczono rzeczywist temperatur eksploatacji w oparciu o znajomo ć grubo ci warstwy tlenków po stronie parowo-wodnej i dotychczasowego rzeczywistego czasu pracy. Sposób jej okre lania omówiono w dalszej cz ci niniejszego rozdziału. Dla badanej stali X20CrMoV11-1 po eksploatacji rzeczywist temperatur eksploatacji przyj to natomiast w oparciu o uzyskane informacje i wyniki pomiarów eksploatacyjnych. Aby porównywać uzyskane wyniki bada dla ró nych warto ci temperatury eksploatacji, odpowiadaj cych ró nym czasom eksploatacji, wprowadzono poj cie równowa nego czasu eksploatacji teR

odpowiadaj cego przyj tej dla porównywanych materiałów równowa nej temperaturze eksploatacji TeR

. Sposób jego wyzna- czania przedstawiono w dalszej cz ci niniejszego rozdziału. Równocze nie, uzyskane wyniki bada odniesiono do wymaga dla materiału w stanie wyj ciowym.

Temperatur eksploatacji badanych stali mo na wyznaczyć, znaj c rzeczywist grubo ć warstwy tlenków po stronie wewn trznej badanych rur po długotrwałej eksploatacji. Korozja parowo-wodna materiału elementów przegrzewaczy pary z tych stali ma charakter równo- mierny. W zale no ci od czasu i temperatury w elementach z tych stali powstaje odpowiedniej grubo ci warstwa tlenków elaza, która jest skutkiem korozji parowo-wodnej. Jej pr dkoć jest zale na od stałej utleniania K, temperatury eksploatacji Te oraz czasu eksploatacji te. Została ona opisana równaniem [482]:

(

)

gdzie:

∆gw – przyrost grubo ci warstwy tlenków, K – stała utleniania,

te – czas eksploatacji.

Do wiadczenie eksploatacyjne i badania laboratoryjne potwierdziły cisłe oddziaływanie temperatury i czasu eksploatacji na przyrost grubo ci warstwy tlenków po stronie parowo- wodnej ∆gw elementów przegrzewaczy pary. W oparciu o te do wiadczenia wyznaczono empiryczn zale no ć pomi dzy stał utleniania K a temperatur eksploatacji Te dla nisko- stopowych stali b d cych przedmiotem bada , która została opisana zale no ci [483]:

. 20 , 9856 5

log =− +

Te

K (4)

Znaj c grubo ć warstwy tlenków i czas pracy elementów przegrzewacza pary mo na wyzna- czyć równowa n temperatur dotychczasowej eksploatacji Te z równania:

] ) / ( log 20 , 5 /[

9856 ² _e

e g t

T = − (5)

gdzie:

Te – równowa na temperatura eksploatacji, g – grubo ć warstwy tlenków,

te – czas eksploatacji,

b d z nomogramu b d cego zale no ci grubo ci warstwy tlenków od strony parowo-wodnej

∆gw od czasu eksploatacji te dla ró nych warto ci temperatury eksploatacji Te w zakresie od 500 do 600°C.

Czas długotrwałej eksploatacji wyra ony równowa nym czasem eksploatacji teR

, wyzna- czono z uogólnionej parametrycznej zale no ci Larsona-Millera [482]:

LM = Te(C + log te) = TeR

(C + log teR

) (6) gdzie:

LM – parametr Larsona-Millera, Te – temperatura eksploatacji w K, TeR

– równowa na temperatura eksploatacji w K, te – czas eksploatacji w godzinach,

teR

– równowa ny czas eksploatacji w godzinach, C – stała materiałowa.

Czas równowa nej eksploatacji teR materiałów badanych elementów po długotrwałej eksploa- tacji w warunkach pełzania wyznaczono dla przyj tej temperatury równowa nej TeR

.

Badania własno ci mechanicznych, a w tym: wytrzymało ci na rozci ganie i granicy plastyczno ci w temperaturze pokojowej, granicy plastyczno ci w podwy szonej temperaturze