Artykuły

Ocena trwałości eksploatacyjnej

różnoimiennego naprawczego złącza spawanego stali 10H2M/13HMF

Streszczenie

Celem pracy była ocena trwałości eksploatacyjnej różnoimiennego naprawczego złącza spawanego stali 10H2M-13HMF po ponad 200 tys. godzin eksploatacji w warunkach pełzania. Wykonano badania mikrostruktury z wykorzystaniem mikroskopii skaningowej, badania właściwości mechanicznych w temperaturze pokojowej i podwyższonej oraz przeprowadzono skrócone próby pełzania materiału rodzimego stali 10H2M, 13HMF oraz różnoimiennego złącza spawanego z tych stali. Przeprowadzone badania pozwoliły na wyznaczenie czasu dalszej bezpiecznej eksploatacji naprawczego złącza spawanego w odniesieniu do trwałości materiałów .Ocena trwałości resztkowej i resztkowej trwałości rozporządzalnej, a tym samym oszacowanie lub wyznaczenie możliwego czasu dalszej bezpiecznej eksploatacji ma zasadnicze znaczenie w przypadku eksploatacji elementów znacznie poza obliczeniowy czas pracy. Uzyskane wyniki badań są elementami opracowywanych przez Instytut Metalurgii Żelaza charakterystyk materiałowych stali i wykonanych z nich złączy spawanych pracujących w warunkach pełzania

Wstęp

Długotrwała eksploatacja kotłów parowych eksploatowanych w polskich elektrowniach i elektrociepłowniach, nierzadko powyżej 200 000 godzin powoduje, że główne wysiłki mające na celu podtrzymanie poziomu produkcji energii elektrycznej w Polsce skierowane są na przedłużenie eksploatacji znacznie poza obliczeniowy czas pracy przy równoczesnej modernizacji kotłów i turbin, zapewniających poprawę wskaźników techniczno-ekonomicznych (podniesienie mocy, poprawa sprawności i dyspozycyjności), wzrost trwałości, a przede wszystkim na zmniejszenie szkodliwych emisji zanieczyszczeń do atmosfery, wody i gleby.

Wspomniana, nieplanowana eksploatacja pracujących w Polsce kotłów energetycznych powyżej 200 000 godzin, wymaga nowego podejścia do opracowania procedur diagnostyki tych materiałów. Szczególnie istotnym zagadnieniem, ze względów zapewnienia bezawaryjnej pracy, jest wytrzymałość złączy spawanych elementów rurociągów parowych pracujących w warunkach pełzania [1-6].

Aby wyznaczyć bezpieczny czas eksploatacji materiału rurociągów pracujących w warunkach pełzania, szczególnie po przekroczeniu obliczeniowego czasu pracy, niezbędna jest znajomość ich resztkowej wytrzymałości na pełzanie.

Prowadzone badania złączy spawanych rurociągów pary w większości prac diagnostycznych opierają się na nieniszczących badaniach magnetyczno –proszkowych, mających na celu ujawnienie występowania mikropęknięć i w znacznie mniejszej części na badaniach struktury przy użyciu mikroskopii świetlnej. Należy tutaj podkreślić, że badania magnetyczno-proszkowe są jednym z elementów badań nieniszczących złączy spawanych i nie dają informacji o stanie i stopniu degradacji materiału. Natomiast obserwacja struktury przy użyciu mikroskopu świetlnego może mieć jedynie zastosowanie w ocenie poprawności wykonanego zgładu metalograficznego. Aby poprawnie oszacować stan materiału, tzn. stopień wyczerpania na podstawie zmian struktury analizowanego materiału należy takie badania wykonywać przy użyciu skaningowej mikroskopii elektronowej przy powiększeniach do 5 000x i odpowiedniej rozdzielczości uzyskiwanych obrazów struktury [7]. Oszacowanie stopnia wyczerpania badanych materiałów, wymaga posiadania banku danych w postaci charakterystyk materiałowych zmian poziomu właściwości mechanicznych i resztkowej wytrzymałości na pełzanie w odniesieniu do stanu struktury. Dotyczy to nie tylko diagnostyki złączy spawanych pod długotrwałej eksploatacji ale przede wszystkim oceny zachowania się materiału naprawczych złączy spawanych materiałów w stanie wyjściowym z materiałem po długotrwałej eksploatacji [8-16].

2. Materiał do badań

Materiał do badań stanowiły dwa wycinki rurociągu pary pierwotnej i wtórnej po 216 000 godzin eksploatacji w warunkach pełzania tzn. w temperaturze 5400C i ciśnieniu pary odpowiednio dla pary pierwotnej i wtórnej 3 i 14 MPa. Dodatkowo na pozyskanym wycinku w warunkach przemysłowych wykonano „naprawcze” złącze spawane mające na celu symulację wykonywanych napraw rurociągów pary poprzez spawanie.

3. Metodyka badań

Badania właściwości mechanicznych obejmowały przeprowadzenie statycznej próby rozciągania w temperaturze pokojowej i podwyższonej za pomocą maszyny wytrzymałościowej firmy Zwick o max obciążeniu 200 kN, pomiar twardości metodą Vickersa za pomocą twardościomierza Future – Tech FM – 7 stosując obciążenie wgłębnika 10 kG, próbę udarności na standardowych próbkach z naciętym karbem typu „V”. Badania mikrostrukturalne przeprowadzono za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego Inspect F (SEM) na konwencjonalnie przygotowanych zgładach metalograficznych. Skrócone próby pełzania w temperaturze wyższej od temperatury pracy i naprężeniu zbliżonym do eksploatacyjnego wykonano na jednopróbkowych maszynach firmy Instron z dokładnością temperatury w czasie trwania próby ±1oC

4. Wyniki badań

Skład chemiczny materiału badanych wycinków rurociągu pary pierwotnej i wtórnej w odniesieniu do wymagań normy przedmiotowej przedstawiono w tabeli 1 [17]. Wyniki kontrolnej analizy składu chemicznego wykazały, że materiał badanych wycinków elementów krytycznych części ciśnieniowych bloku energetycznego po długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania spełnia wymagania normy w zakresie składu chemicznego badanych stali.

Tabela 1. Analiza składu chemicznego.

Pomiary twardości wykonanego naprawczego obwodowego złącza spawanego z materiałów po 216 000 h eksploatacji (10H2M/13HMF) przeprowadzono na poprzecznym zgładzie metalograficznych, co pokazano na rys. 2

Rys. 1. Wyniki pomiarów twardości obwodowego różnoimiennego naprawczego złącza spawanego (13HMF/10H2M)

Pomiary twardości nie wykazały gwałtownych zmian przy przejściu poprzez poszczególne strefy złącza. Twardość od materiału rodzimego poprzez SWC, spoinę, SWC do materiału rodzimego maksymalnie różni się o ok. 110 jednostek i nie przekracza 260 HV10 i jest niższa od maksymalnej dopuszczalnej 350 HV10.

Badania mikrostruktury na zgładach metalograficznych przeprowadzono w skaningowym mikroskopie elektronowym przy powiększeniach 500, 1000, 2000 i 5000x. Wyniki badań w postaci obrazów struktury elementów naprawczego obwodowego złącza spawanego pokazano na rys. 2. Opis mikrostruktury wraz z oceną oraz oszacowanym stopniem wyczerpania te/tr na podstawie klasyfikacji własnej Instytutu Metalurgii Żelaza dla materiału rodzimego stali 13HMF i 10H2M oraz elementów badanego złącza spawanego zestawiono w tabeli 2. na podstawie oceny zmian w strukturze procesów składowych odniesionych do stopnia wyczerpania.

Rys. 2. Struktura materiału elementów badanego naprawczego złącza spawanego i, miejsca wykonania badań mikrostruktury: materiał rodzimy 13HMF, strefa wpływu ciepła SWC1; SPOINA; strefa wpływu ciepła SWC2, SWC2, materiał rodzimy 10H2M

Degradację struktury badanych stali opisano jako zespół czynników strukturalnych i fizykochemicznych, które ulegają zmianie pod działaniem podwyższonej temperatury i naprężenia, w relatywnie długim czasie. Ogólnymi kryteriami niestabilności struktury stali są: stopień zmian struktury, przemiany węglików, zmiany morfologii faz (rozkładu, kształtu, wielkości oraz odległości między cząstkami); stopień rozpadu obszarów perlit/bainit, stopień zubożenia osnowy w pierwiastki stopowe. Wymienione czynniki istotnie wpływają na własności mechaniczne badanych stali.

Metodologię oceny stanu badanych stali po eksploatacji w warunkach pełzania na podstawie oceny zmian w strukturze procesów składowych tzn.: zmian w strukturze perlitu/bainitu, zmian w zakresie rozwoju procesów wydzieleniowych oraz zmian w zakresie rozwoju uszkodzeń wewnętrznych odniesionych do stopnia wyczerpania przedstawiono na rysunkach 3-4. Ocena wyżej wymienionych elementów składowych struktury i przypisane odpowiadające im klasy ujawnione na podstawie badań strukturalnych pozwoliły na wyznaczenie głównej klasy struktury i odpowiadającemu jej stopień wyczerpania.

Rys. 3. Metodologia oceny stanu stali 10H2M pracującej w warunkach pełzania na podstawie oceny zmian w strukturze procesów składowych odniesionych do stopnia wyczerpania [18]
Rys. 4 Metodologia oceny stanu stali 14MoV6-3 pracującej w warunkach pełzania na podstawie oceny zmian w strukturze procesów składowych odniesionych do stopnia wyczerpania [18]

Tabela 3. Ocena wyników badań mikrostruktury elementów różnoimiennego naprawczego złącza spawanego.

Miejsce badaniaOpis mikrostruktury
Stan materiału- stopień wyczerpania
Materiał rodzimy
Stal 13HMF
Struktura ferrytyczno-bainityczna. Obszary bainityczne po części skoagulowane. Na granicach ziarn ferryty zróżnicowanej wielkości wydzielenia. Wewnątrz ziarn ferrytu bardzo drobne równomiernie rozmieszczone wydzielenia.
Nie zaobserwowano nieciągłości i mikropęknięć w strukturze.
Nie zaobserwowano zapoczątkowania procesów uszkodzenia
Obszary bainityczne: klasa I, wydzielenia: klasa a/b
Procesy uszkodzenia klasa O
klasa 2, stopień WYCZERPANIA: ok. 0,3÷0,4
Materiał rodzimy
Stal 10H2M
Struktura ferrytyczno-bainityczna. Obszary bainityczne po części skoagulowane. Na granicach ziarn ferryty drobne wydzielenia. Wewnątrz ziarn ferrytu w większości drobne liczne wydzielenia.
Nie zaobserwowano nieciągłości i mikropęknięć w strukturze.
Nie zaobserwowano zapoczątkowania procesów uszkodzenia
Obszary bainityczne: klasa I, wydzielenia: klasa a
Procesy uszkodzenia klasa O
klasa 1/2, stopień WYCZERPANIA: ok. 0,3
Strefa wpływu ciepła, spoina
– złącze naprawcze
Struktura strefy wpływu ciepła.
Nie stwierdzono nieciągłości
i mikropęknięć w strukturze.

Badania właściwości wytrzymałościowych stali 13HMF, 10H2M oraz złącza naprawczego przeprowadzono w próbie rozciągania w temperaturze pokojowej i zbliżonej do temperatury pracy (500°C) celem wyznaczenia wytrzymałości na rozciąganie Rm, granicy plastyczności Re, wydłużenia A i przewężenia Z. Wyniki badań przedstawiono w rubrykach 5 ÷ 8 tablicy 3.

Tablica 3.Wyniki badań właściwości wytrzymałościowych badanych elementów rurociągu pary pierwotnej

1.) nie spełnia wymagań w PN-75/H-84024

Dla stali 13HMF, 10H2M  po 216 000 h eksploatacji oraz obwodowego naprawczego złącza uzyskano wytrzymałość na rozciąganie w temperaturze pokojowej oraz granicę plastyczności w temperaturze zbliżonej do temperatury eksploatacji wyższe od minimalnych wymaganych dla tej stali w stanie wyjściowym wg PN-75/H-84024. Natomiast dla wszystkich badanych stanów tzn. stali 13HMF, 10H2M i złącza spawanego otrzymane wartości granicy plastyczności w temperaturze 500˚C zbliżonej do eksploatacyjnej są niższe od minimalnych wymaganych dla badanej stali w stanie wyjściowym. Dla elementów z materiałów, które nie spełniają tych wymagań należy opracować odpowiednio zmodyfikowaną procedurę przeprowadzania wodnych prób ciśnieniowych oraz rozważyć konieczność ewentualnej modyfikacji procedury uruchamiania i odstawiania kotła. Pozwoli to uniknąć ewentualnych nieprzewidzianych awarii wynikając z braku zdolności do przenoszenia wymaganych nadmiernych obciążeń.

Celem skrócenia czasu wykonywanych badań pełzania i oceny trwałości resztkowej zastosowano skrócone próby pełzania o czasie trwania od kilkudziesięciu godzin do maks. 10 tysięcy godzin. Stwarza to możliwość uzyskania wyników badań w ciągu maksimum kilkunastu miesięcy dając dobre oszacowanie trwałości resztkowej, co zostało zweryfikowane w badaniach własnych IMŻ [2,10,16]. Przyspieszenie procesu pełzania oraz skrócenie okresu wykonywania badań uzyskuje się w próbach pełzania wykonywanych przy jednoosiowym rozciąganiu na próbkach pobranych z badanego materiału. Próby prowadzono są przy stałym naprężeniu badania odpowiadającym eksploatacyjnemu i przy różnych poziomach temperatury badania, znacznie wyższej od temperatury eksploatacyjnej.

Skrócone próby pełzania prowadzone były przy stałym naprężeniu badania odpowiadającym eksploatacyjnemu σb= σr =const oraz w stałej temperaturze badania Tb dla każdej z prób, ale o różnych wartościach od 620ºC do 700ºC ze stopniowaniem co 20ºC. Wyniki badań przedstawiono w postaci zależności log tr =f(Tb) przy σb = const., gdzie tr jest czasem do zerwania w próbie pełzania. Pozwalają one na wykreślenie prostej nachylonej do osi czasu do zerwania tr. Trwałość resztkową wyznacza się przez ekstrapolację uzyskanej prostej w kierunku niższej temperatury odpowiadającej eksploatacyjnej Te.

Wyniki skróconych prób pełzania stali 13HMF, 10H2M oraz złącza naprawczego przeprowadzono przy stałym poziomie naprężenia σb=55 MPa, odpowiadającego założonemu roboczemu σr dalszej eksploatacji, przedstawiono w postaci zależności log tr = f(Tb) przy σb ≈ σr na rys. 5,6,7.

Wyznaczoną na podstawie skróconych prób pełzania trwałość resztkową zestawiono w rubryce 2 tablicy 4. Natomiast oszacowaną na tej podstawie rozporządzalna trwałość resztkową badanych elementów dla przyjętych parametrów dalszej eksploatacji Tr = 5400C i sr = 55 MPa zestawiono w rubryce 3 tablicy 4 i jest ona pozostałym prognozowanym czasem dalszej bezpiecznej eksploatacji.

Rys. 5. Charakterystyka czasowej wytrzymałości na pełzanie stali 13HMF po 216 000 h eksploatacji.
Rys. 6. Charakterystyka czasowej wytrzymałości na pełzanie stali 10H2M po 216 000 h eksploatacji
Rys. 7. Charakterystyka czasowej wytrzymałości na pełzanie naprawczego różnoimiennego złącza spawanego (13HMF/10H2M).

Tablica 4. Prognozowana trwałość resztkowa dla materiału 14MoV6-3 w stanie wyjściowym, materiału 14MoV6-3 po 218 000 h eksploatacji i obwodowego złącza spawanego
po 218 000 h eksploatacji na podstawie skróconych prób pełzania

OznaczenieTrwałość resztkowa  w 5400CRozporządzalna
trwałość resztkowa  w 5400C
123
13HMF220 000 h120 000 h
10H2M120 000 h66 000 h
Złącze naprawcze90 000 h50 000 h

5. Wnioski

  • Przeprowadzone badania mikrostruktury stali 13HMF  i 10H2M po 216 000 godzin eksploatacji w warunkach pełzania wykazały nieznacznie zróżnicowany stopień wyczerpania. Dla stali 13HMF stopień wyczerpania wg klasyfikacji własnej IMŻ wynosi ok.03÷04, natomiast dla stali 10H2M ok. 0,3.
  • Dla wszystkich badanych stanów tzn. materiału rodzimego stali 10H2M i 13HMF oraz naprawczego złącza spawanego otrzymane wartości granicy plastyczności w temperaturze 500˚C zbliżonej do eksploatacyjnej są niższe od minimalnych wymaganych dla badanych stali w stanie wyjściowym.
  • Badania odporności na pełzanie stali 13HMF, 10H2M i naprawczego złącza spawanego wykazało, że największą rozporządzalną trwałością resztkową charakteryzuje się stal13HMF (120 000 h). Natomiast trwałość naprawczego złącza spawanego (50 000 h) jest niższa o 25% od trwałości rozporządzalnej stali 10H2M (66 000 h).
  • Przedstawiony sposób oceny jakości naprawczych złączy spawanych jest kontynuowany przez autorów powyższej pracy dla różnych stanów wyczerpania stali 13HMF, 10H2M i 15HM, celem określenia wpływu stanu materiału na trwałość eksploatacyjną  naprawczych złączy spawanych.

Literatura

[1]        A. Hernas, Materiały i technologie do budowy kotłów nadkrytycznych i spalarni odpadów. Praca zbiorowa pod redakcją Adama Hernasa, Katowice 2009.

[2]        M. Dziuba-Kałuża, J. Dobrzański, A. Zieliński: Trwałość eksploatacyjna obwodowych złączy spawanych elementów krytycznych kotłów z niskostopowych stali Cr-Mo i Cr-Mo-V po długotrwałej pracy ponad czas obliczeniowy, Prace Instytutu Metalurgii Żelaza, t.65, 2013, nr 3, s.64-66

[3]        Zieliński, A., J. Dobrzański, and T. Jóźwik. „Assessment of loss in life time of the primary steam pipeline material after longterm service under creep conditions.” Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering 54.1 (2012): 67-74.

[4]        A. Hernas, J. Dobrzański, Life-time and damage of boilers and steam turbines elements, Publishing House of the Silesian University of Technology, Gliwice, 2003 (in Polish).

[5]        J. Dobrzański, Materials science interpretation of the life of steels for power plants, Open Access Library 3 (2011) 1-228.

[6]        J. Dobrzański, B. Kowalski, J. Wodzyński, Diagnostyka techniczna elementów krytycznych części ciśnieniowej kotłów energetycznych pracujących w warunkach pełzania po przekroczeniu obliczeniowego czasu pracy, Aktualne Problemy Budowy i Eksploatacji Kotłów; Politechnika Śląska ,Prace IMiUE, Zeszyt 23 T1, s. 85-126., Październik 2009.

[7]        Sroka, M., Zieliński A., “Matrix replica method and artificial neural networks as a component of condition assessment of materials for the power industry.” Archives of Materials Science and Engineering 58.2 (2012): 130-136.

[8]        J. Dobrzański, A. Zieliński., H. Krztoń, Mechanical properties and structure of the Cr-Mo-V low-alloyed steel after long-term service in creep condition, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering. Vol. 23, Issue 1, pp. 39-42. July 2007,

[9]        J. Dobrzański, A. Hernas, G. Moskal, Microstructural degradation in power plant steels, Chapter No. 9 in book: J.E. Oakey (ed.), Power plant life management and performance improvement, Woodhead Publishing Limited, Sawston, UK, 2011

[10]      A. Zieliński, J. Dobrzański, D. Renowicz, A. Hernas, The estimation of residual life of low-alloy cast steel Cr-Mo-V type after long-term creep service, Advances in Materials Technology for Fossil Power Plants 2007, Proceedings of the 5th International Conference ASM International, 2008, 616-626.

[11]      J. Dobrzański, A. Zieliński: Ocena przydatności do dalszej pracy materiału elementów rurociągu pary świeżej ze stali 14MoV63 (13HMF) po 200 000 godzin eksploatacji w warunkach pełzania, Energetyka; Zeszyt tematyczny nr XVIII, Listopad 2008, p. 32-36.

[12]      J. Dobrzański: Sposób wyznaczania trwałości resztkowej i resztkowej trwałości rozporządzalnej materiałów po długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania, Energetyka; Zeszyt tematyczny nr XVIII, pp. 28-32. Listopad 2008,

[13]      A. Zieliński, J. Dobrzański, M. Dziuba-Kałuża: Structure of welded joints of 14MoV6-3 and 13CrMo4-5 steel elements after design work time under creep conditions. Archives of Materials Science and Engineering ,Volume 61, Issue 2, June 2013, p. 69-76.

[14]      M. Dziuba-Kałuża, J. Dobrzański. A. Zieliński: Mechanical properties of Cr-Mo and Cr-Mo-V low-alloy steel welded joints after long-term service under creep conditions, Archives of Materials Science and Engineering ,Volume 63, Issue 1, September 2013, p. 5-12.

[15]      J. Dobrzański, H. Krztoń, A. Zieliński, Development of the precipitation processes in low-alloy Cr-Mo type steel for evolution of the material state after exceeding the assessed lifetime, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering. Vol. 23, Issue 2, p. 19-22. August 2007.

[16]      J. Dobrzański, M. Dziuba-Kałuża: Ocena przydatności do eksploatacji złączy spawanych elementów krytycznych części ciśnieniowej bloków energetycznych z niskostopowych stali Cr-Mo i Cr-Mo-V po eksploatacji poza obliczeniowym czasem pracy na podstawie badań właściwości mechanicznych i mikrostruktury, Monografia: Materiały i technologie stosowane w budowie kotłów o parametrach nadkrytycznych o temperaturze do 700ºC, październik 2013, s. 169-189

[17]      PN-75/H-84024. Stal do pracy przy podwyższonych temperaturach. Gatunki.

[18] J. Dobrzański, Materials science interpretation of the life of steels for power plants, Open Access Library 3 (2011) 1-228.

dr inż. Tadeusz Jóźwik