Določanje preostale življenjske dobe parovodov Assessment of Residual Lifetime of Steam Pipelines
Vojvodič-Gvardjančič J.1, F. Vodopivec, IMT Ljubljana
Za določanje preostale dobe trajanja parovoda je opisana ekstrapolacijska metoda ki je zasnovana na kratkotrajnih preizkusih časovne trajne trdnosti. Obdelane so poškodbe parovodov zaradi statičnih in dinamičnih obremenitev. Z računskim primerom na parovodu izdelanim iz 10CrMo 910 je potrjena izbrana metoda za določanje preostale življenjske dobe.
Ključne besede: preostala življenjska doba, kratkotrajni preizkus časovne trdnosti ekstrapolacijska metoda
In this article an extrapolation method is described, vvhich is aimed at assessmg the residual lifetime of steam pipelines. This method is based on short - term tests. The damages of pipelines due to static and dynamic loads are presented. A numerical example on steam pipel i ne made of 10CrMo 910 confirms that the selected method produces reasonable results.
Key words: residual lifetime, accelerated creep test, extrapolation method
1. Uvod
2.0 Teoretični del
Projektne karakteristike in obratovalni pogoji parovodov v termoelektrarnah kažejo, da je potreba po ocenitvi preostale uporabne dobe konstrukcijskih elementov pomembna za zanesljivo in ekonomično obratovanje.
Mikrostruktura obremenjenega strojnega dela. ki obratuje pri visokih temperaturah, se sčasoma spremeni. Zaradi lezenja se pojavijo ireverzibilne poškodbe; na mejah zrn se tvorijo pore in nastanejo mikrorazpoke, ki vodijo k prelomu.. Nastajajo tudi spremembe mikrostrukture z izločanjem in koagulacijo karbidov ali zaradi tvorjenja novih faz. Te poškodbe materiala zaradi lezenja so odvisne od temperature in obremenitve, te pa se v obratovanju lahko tudi spreminjajo in zato niso vselej določljive. Poleg obremenitev zaradi tlakov in temperature, so parovodi izpostavljeni tudi oksidaciji in koroziji. Jeklo je odporno proti oksidaciji do cca 580°C. Oksidna plast škaje zavira hitro napredovanje oksidacije. Nekateri elementi v pepelu in dimnih plinih, zlasti žveplo, močno pospešujejo korozijske procese. Jeklo na notranji površini cevi reagira s kisikom iz vode in pare in nastane zaščitna magnetitna plast. Pri neustrezno pripravljeni vodi nastajajo korozijske poškodbe. Določene komponente pa so izpostavljene korozijskim procesom v času, ko ti ne obratujejo. Tem poškodbam se pridružujejo še poškodbe zaradi termičnih napetosti zaradi nihanja temperatur med obratovanjem, pri zagonih in zaustavitvah, kar tudi močno vpliva na dobo trajanja parovodov. Poznati moramo dejansko mikrostruk-turno stanje materiala. Za določitev mikrostrukturnega stanja imamo na voljo neposredno metodo metalografskega opazovanja s pomočjo odvzemanja replik, medtem ko določanje preostale življenjske dobe lahko opravimo z različnimi kratkotrajnimi mehanskimi preizkušanji pri povišanih temperaturah in z ekstrapolacijo dobljenih odvisnosti do obremenitev in temperatur v eksploataciji.
dr. Jelena V ojvodič-Gvardijančič. dipl. in/, gradb Inštitut /a ko\ inske materiale in tehnologi je Lepi pot 1 I. 61000 Ljubljana
Parovodi so konstrukcije, ki so poleg osnovne obtežbe z. notranjim tlakom in temperaturo, ki se lahko spreminja, obremenjeni tudi z lastno težo in zaostalimi napetostmi zaradi varjenja. Parovodi se projektirajo na neko vnaprej dogovorjeno življenjsko dobo, na primer 10" ali 2.105 ur. Zaradi neenakomerne porazdelitve napetosti pa življenska doba vseh elementov parovoda ni enaka1.
V parovodih najdemo tri vrste poškodb2. To so napake pred začetkom eksploatacije, poškodbe, ki nastanejo v začetku cksploatacije in poškodbe, ki so posledica režima eksploatacije. Na sliki 1 je prikazano vrednotenje poškodb jekla v odvisnosti od trajanja statične obremenitve1 oz. faze deformacije jekla z lezenjem. Proti koncu obdobja, ko se jeklo deformira s
E • Si,
c a)
NI
<v
o o
E
<D Q
Stopnja
poškodovanosti
Priporočeni ukrepi
A • pregled
B* pregled in ev. kratka
zaustavitev za kontrolo C* kontrolna eksploatacija
do popravila D »takojšnje popravilo
Trajanje obremenitve
Slika I: Poškodbe v jeklu v odvisnosti od trajanja deformacije z lezenjem1
Figure 1: Damages in steel depending on duration of creep deformation'
konstantno hitrostjo lezenja (faza II lezenja), se pojavijo posamične pore po mejah feritnih zrn (faza A). Proces se nadaljuje z nastajanjem novih por in nizov por (faza B). V fazi C se pore povežejo v interkristalne razpoke in jeklo preide v fazo lil lezenja, kjer se deformacija pospešuje s časom. V fazi D se proces nadaljuje v mikrorazpoke, ki nato hitro privedejo do zloma. Skelton1 navaja, da je mogoče pričakovati še cca tri leta normalne eksploatacije parovoda v primeru poškodb vrste A v jeklu. Potem, ko ugotovimo poškodbe vrste B. lahko pričakujemo nemoteno eksploatacijo še cca leto in pol. po fazi C le še cca pol leta, medtem ko je po fazi D potrebna takojšnja sanacija parovoda.
Kljub temu, da so jekla za cevi v toplotno obremenjenih delih parnih kotlov načrtovana in razvita tako, da dolgo časa ohranjajo odpornost proti deformaciji pri temperaturah v kotlu, nimajo popolnoma stabilne mikrostrukture. Začetna mikrostruktura teh jekel kot je lOCrMo 910 je iz visoko popuščenega bainita oz. martenzita, vendar /. značilno dvofazno razdelitvijo karbidnih precipitatov. ki jih je več v delih mikrostrukture bainitnega in martenzitnega tipa. manj pa v delih mikrostrukture feritnega tipa. Začetna mikrostruktura jekla lOCrMo 910 je prikazana na sliki 2 in 3. na sliki 4 pa je prikazana mikrostruktura posneta s SEM mikroskopom še pri veliko večji povečavi. Temperatura, na katero je stena cevi ogreta npr. v pregrevalnikih, dosega mejo, pri kateri so že mogoči počasni procesi tvorbe precipitatov iz trdne raztopine ogljika in dušika, torej tudi difuzije teh dveh elementov. Oboje skupaj ima
Slika 2: Mikrostruktura jekla lOCrMo 910 i/ visoko popuščenega
martenzita (200 x) Figure 2: Microstructure of steel lOCrMo 910 from high tempered martensite (200 \)
Slika 3: Mikrostruktura jekla lOCrMo 910 i/ visoko popuščenega
martenzita (400 \ i Figure 3: Microstructure of steel lOCrMo 910 from high tempered martensite (400 \)
.Slika 5: Naprava /a preizkus lezenja na IMT Figure 5: Creep test equipment on IMT
Slika 4: Mikrostruktura jekla lOCrMo 910 slikana s SEM - cev \
izhodnem stanju (6000 x) Figure 4: Microstructure of steel lOCrMo 910 - SEM. pipe in as received condition (6000 \i
* .n	<	r s > i :< i
Slika 6: Preizkušanci izdelani i/ cevi kvalitete lOCrMo 910 /a merjenje lezenja Figure 6: Specimens for creep testing made of lOCrMo 910
rezultat - rast velikosti v začetku prisotnih izločkov in tvorbo novih izločkov v feritnih zrnih začetne mikrostrukture. Deformacija z lezenjem omogoča pojav gibanja dislokaeij, ki s plezanjem obidejo ovire njihovem gibanju, torej precipitate. Rast precipitatov v delih mikrostrukture, ki so nastali iz bainita oziroma martenzita. zmanjšuje odpornost jekla proti lezenju, nastajanje novih primerno velikih in gosto porazdeljenih precipitatov v feritnih delih začetne mikrostrukture pa odpornost proti lezenju povečuje. Bilanca obeh procesov je. da jeklo ohranja zadovoljivo odpornost proti deformaciji z lezenjem. dokler se ne začne rast precipitatov obeh tipov, začetnih in tistih, ki so nastali med obratovanjem. Ta pojav je mogoče spremljati s preiskavami v elektronskem mikroskopu in z ugotavljanjem mehanskih lastnosti pri delovnih temperaturah (slika 5, 6). Hitri standardni natezni preizkusi pri tem pokažejo manj koristne podatke kol preizkusi pod statično obremenitvijo z merjenjem časa, ko deformacija doseže vnaprej izbrane vrednosti. Mikrostruktura cevi iz jekla
Slika 7: Mikrostruktura jekla lOCrMo 910 slikana s SEM - parovod v
eksploataciji 75 000 ur (6000 x) Figure 7: Microstructure of steel lOCrMo 910, SEM, steam pipe after 75 000 hours of exploatation (6000 \)
lOCrMo 910, kije bila 75 000 ur v obratovanju, slikana s SEM. je prikazana na sliki 7.
Lezenje je pojav, kije vezan na difuzijo intersticijev ogljika in dušika, ki sta v intersticijski trdni raztopini v feritu, in je ekspotencialna funkcija temperature. Odpornost proti lezenju se hitro zmanjša, ko kombinacija obremenitve in temperature doseže določeno vrednost, zato sta pri vseh preverjenih stanjih materiala temperatura in obremenitev enakovredna faktorja in tudi nastopata pri ekstrapolacijah, zunaj vnaprej izbranega temperaturnega nivoja.
Praksa pokaže, da pri temperaturi nad 560 C hitro padeta odpornost proti lezenju in odpornost proti oksidaciji, zato moramo včasih pri analizah mikrostrukture vzorcev cevi, ki so bile dlje časa v obratovanju, razlikovati vpliv enega in drugega dejavnika. Predvideva se, da je jeklo popolnoma izčrpano zaradi deformacije, ko se v njegovi mikrostrukturi, običajno na stičiščih treh feritnih zrn. pojavijo tnikroporc zaradi kondenzacije vrzeli na deformacijsko najbolj šibkih delih mikrostrukture jekla.
Za določitev preostanka uporabnosti parovodov je najboljša metoda, ki dovoljuje direktno, kvantitativno primerjavo s krilc-rijem, ki mora biti vnaprej podan. V prispevku bo opisana ekstrapolacijska metoda, ki je zasnovana na kratkotrajnih preizkusih časovne trajne trdnosti.
2.1 Določitev preostanka življenjske dobe
Za določitev preostanka življenjske dobe parovoda je bila izbrana metoda ekstrapolacije rezultatov kratkotrajnih preizkusov časovne trdnosti4.
Prostorska odvisnost med napetostjo <r. temperaturo preizkušanja T in časom do porušitve tB, je izpeljana s parametrom P v dvodimenzijsko odvisnost (<r - P), pri čemer je parameter P odvisen od temperature t in časa do porušitve t,,. Parameter P ima po Mansonu in Haferdu naslednjo obliko:
p - k'S'a-A	(| >
T+B	K
kjer sta A in B konstanti materiala, T temperatura preizkušanja merjena v K in tB čas do porušitve v urah.
Ekstrapolacijska metoda omogoča ocenitev preostale dobe trajanja parovoda, ne tla bi poznali izhodiščno stanje preizkušanega materiala. Zadoščajo podatki o najmanjši trajni trdnosti materiala, ki je preizkušena tako, kol to zahtevajo predpisi. Konstante materiala A in B so določene iz podatkov o najmanjši časovni trdnosti materiala tako, da parameter P približno ustreza za časovne trdnosti pri 100 000 urah, in pri 200 000 urah obremenitve parovoda.
P=(logtB-A)/(T+B)
Legenda : I - dobavno stanje
2	- dejansko stanje
3	- ekstrapolirani del krivulje
Slika 8: Odvisnost med napetostjo o in parametrom P Figure 8: Diagram ct - P
Tako določena odvisnost dr - P) za dobavno stanje, prikazana na sliki 8, omogoča približno programiranje kratkotrajnih preizkusov časovne trdnosti materiala, ki je bil v obratovanju.
Kratkotrajne preizkuse časovne trdnosti izvedemo pri najmanj treh različnih temperaturah, pri tem pa izberemo parameter P oziroma ustrezno napetost cr tako. da je čas do porušitve preizkušanca približno 50 ur. Na ta način dobimo neposredno primerjavo med dobavnim in dejanskim stanjem materiala. Na sliki 8 je prikazano, da kratkotrajni preizkusi časovne trdnosti omogočajo eksperimentalno določiti le levi zgornji del krivulje (<j - P), preostali del krivulje, ki je na sliki 8 označen črtkano, pa določimo z ekstrapolacijo.
N ( K CT obratovalni) lo9 ^obratovalni
' preostali log tg
Za parovod izdelan iz lOCrMo 910, ki je bil 75 000 ur v obratovanju pri temperaturi 540°C, določimo4 konstanti A in B po enačbi (1) tako. da dobimo:
P =
Indiji .A T+B
(D
P = 1000 (log t„ - 71,3) / (T + 1400)
Rezultati kratkotrajnih preizkusov časovne trdnosti so grafično prikazani v diagramu na sliki 10. V diagramu na sliki 10 izberemo na krivulji A tri točke in določimo izotermično premico (cr - tB) za obratovalno temperaturo 540CC = 813 K. Rezultati izbranih točk so zbrani v tabeli 2 in grafično na sliki 11. kjer je vrisana tudi izotermična premica za dobavno stanje materiala lOCrMo 910.
Tabela 2: Določitev izotermičnih vrednosti za parovod izdelan iz lOCrMo 910 pri obratovalni temperaturi 813 K po 75 000 urah obratovanja
Točka	P,	log tB	tB	o
Al	- 30.00	4.91	81283	76
A2	- 30.20	4.47	295 12	91
A 3	-30.50	3.80	6309	109
V diagramu na sliki 11 je vrisana tudi obodna obratovalna napetost določena z izrazom (2), ki znaša 46 MPa in obodna
<j(MPa)
500
Legenda :
t dobavno stanje 2 - dejansko stanje
Slika 9: Odvisnost med napetostjo o in časom do porušitve lB
za dejansko obratovalno temperaturo Figure 9: Diagram a - tB the for the exploatation temperature
Na podlagi tako dobljenih podatkov določimo izotermično odvisnost med napetostjo cr in časom do porušitve tB za dejansko obratovalno temperaturo, kar je prikazano na sliki 9. Če v ta diagram vnesemo še obratovalno napetost, oziroma s faktorjem varnosti K povečano vrednost obratovalne napetosti, lahko iz diagrama odčitamo preostalo življenjsko dobo preverjanega parovoda.Obodno obratovalno napetost v MPa lahko določimo takole:
D'„ P
1 +
D„
(2)
Vrsta jekla	C	Si	Mn	P S	Cr	Ni	Mo	Al
lOCrMo 910	0.13	0.25	0.55	0.013 0.019	2.24	0.09	1.07	0.010
200 100 50
kjer pomeni Dz zunanji premer parovoda merjen v mm. Dn notranji premer parovoda v mm. p pa je obratovalni tlak v MPa. Če upoštevamo faktor varnosti K = 1,5 s katerim pomnožimo obodno obratovalno napetost izračunano z izrazom (2), potem v točki, kjer nivo obratovalne napetosti povečane s faktorjem varnosti K. preseka izotermično premico dejanskega stanja materiala, odčitamo vrednost tB, to je še preostalo življenjsko dobo parovoda.
3.0 Testni primer
Kemijska sestava jekla je zbrana v tabeli 1.
Tabela 1: Kemijska sestava jekla v ut. - c/c
Slika 10: Odvisnost med napetostjo a in parametrom P za parovod
po 75 000 urah obratovanja (pri 540' C in 4X N/mm')4 Figure 10: Diagram <r - P for the steam pipe after 75 000 hours of exploatation (at 540 C and 48 N/mm V
CT (MPa)
500
200 -100 -50 -
30
20
10 Cr Mo 910 (dobavno stanje)-1
dejansko stanje--2
1000 2000 5000 10000
ti*wwtai =152000 ur
100000
200000
1000000 tB (ur)
Slika 11: Odvisnost med napetostjo <r in časom do porušitve t„ za parovod po 75 000 urah obratovanja (pri 540;C in 48 N/mnr) Figure 11: Diagram a - tB for steam pipe after 75 000 hours of exploatation (at 540 C and 48 N/mm')
-31 P = 1000*
-30 log tB -71.3 T + 1400
10CrMo910 (DIN)
napetost pomnožena s faktorjem varnosti 1.5, ki je 69 MPa. Tako določimo preostalo dobo trajanja parovoda, ki znaša 152 000 obratov alnih ur.
4.0 Sklep
Ocena preostale dobe trajanja cevovoda je po tej metodi dokaj enostavna, vendar pa moramo v kritičnih primerih, ko bi po tej metodi ugotovili, da je preostala življenjska doba trajanja parovoda razmeroma kratka, nujno preveriti časovno trdnost pri parametrih (cr. T), ki so čim bližji obratovalnim, oziroma pri parametrih, ki so enaki obratovalnim.
Literatura
F. VodopiveC, O poškodbah jekla v parovodih in metodah za njihovo opredelitev. Železarski zbornik. 24. 1990, 3, 145-152
H.	J. Shuller. A. VVoitscheck. A. Heinz. Unbeheizte dampffurehnde Rorhleitungen; Allian/ handbuck der Schadenverhutung, Allianz AG Munchen, 1974. 195-207
R. P. Skelton. Materials Science and Engmeering. 35. 1978. 287-298
I.	A. Rosselet. Numerische und statistisehe Ausvvertung der Ergeb-nisse von Zeitstandversuchen, unter anderem mit Beruckichtigung der Gefugeveranderungen vvahrend der Prufzeit, Internationale Tagung der Arbeitsgemeinschaft fur vvannfeste Stalile. Eigenschaften vvarm-fester Stahle. Dusseldorf, 1972
R. V. Hart. Assesment of remaining creep life using accelerated stress -rupture tests. Metals Teehnoloi>\, 3, 1976, 1-7
R. Visvvanathan. Residual Life Techniques for Plant life Extension. Materials Science and Engineering, A 103, 1988. 131-139 F. H. Van Zyl, Quantifiable Destructive and Non-Destructive Methods for Lifetime Assesments of Eskom's High Temperature Plant, International Journal Pressure \esscls & Pipin50, 1992. 349-370
" J- A. Williams. M. C. Coleman. D. J. Walters. Weld Performance Factors for High temperature Welded Components, Proceedings of the Second International Conference on Creep and Fracture of Engineering Materials and Structures, part II.. Svvansea. UK, 19X4. 873-900
J. Zvokelj, F". Vodopivec, D. Kmetic. Investigation on steel tubes failed in long service, 14th Conference on Materials testing in Metallurgy, Balatonaliga, 1991. 108-113 10 J. Zvokelj, F. Vodopivec. D. Kmetic. Uticaj temperature austenizaci-je na osobine čelika X20CrMoVI21 za kotlovske cevi, IV. Jugoslovanski simpozij o metalurgiji, Beograd, JSM 4, 1988. 468-471 F. Sliber, Ocenitev preostale dobe trajanja elementov, ki obratujejo pri zvišanih temperaturah. Strojniški vestnik. 1984, 11-12. 2X4-2,87 J. Zvokelj, F. Vodopivec, D. Kmetic. Degradacija lastnosti cevi iz legiranih jekel med dolgotrajnimi toplotnimi in mehanskimi obremenitvami. XXXIX. Posvet o metalurgiji in kovinskih gradivih, Portorož, 1988, 185-196
J. Zvokelj. F. Vodopivec, N. Zvokel j. Življenjska doba materialov termoenergetskih naprav, 41. Posvet o metalurgiji in kov inskih gradivih, Portorož. 1990. 315 ' F. Vodopivec, L. Kosec, Trdnostna in metalurška analiza poškodb na membranskih cevnih stenah visokotlačnega parnega kotla. Strojniški vestnik, 1976. 5-6, 131-139