Janusz Dobrzański

Instytut Metalurgii Żelaza im. Stanisława Staszica

TRWAŁOŚĆ ELEMENTÓW CIŚNIENIOWYCH BLOKÓW ENERGETYCZNYCH

Monografia nr 12, 2019

Opracowanie przedstawia stworzoną i zgromadzoną przez autora wiedzę z zakresu problematyki trwałości eksploatacyjnej części ciśnieniowej bloków energetycznych, szczególnie dotyczącą elementów pracujących w warunkach pełzania po przekroczeniu obliczeniowego czasu pracy. Ideą autora było zaprezentowanie zastosowania wiedzy materiałoznawczej w praktyce inżynierskiej w odniesieniu do warunków przemysłowych bloków energetycznych. W ogólności praca odnosi się do problematyki przedłużania czasu eksploatacji elementów konstrukcyjnych, które przekroczyły obliczeniowy czas pracy 100 i 200 tys. godz. Ma to fundamentalne znaczenie dla gospodarki i bezpieczeństwa energetycznego kraju. Dla uporządkowania wiedzy przypomniano umowny podział elementów części ciśnieniowej kotła, rurociągów oraz turbin parowych Przedstawiono stosowany podział elementów części ciśnieniowej kotła i rurociągów ze względu na niezawodność i w zależności od temperatury pracy (rozdział 2). Omówiono również podstawowe pojęcia i definicje niezbędne dla zrozumienia przedstawionej problematyki i zachodzących w wyniku eksploatacji zmian w materiale (rozdział 3). Dokonano krótkiego omówienia zachodzących w czasie eksploatacji procesów niszczenia i wyspecyfikowano procesy niszczenia najczęściej występujące w poszczególnych grupach elementów. Typowe procesy niszczenia scharakteryzowano na przykładach zaczerpniętych z praktyki przemysłowej (rozdział 4). W kolejnym rozdziale zaprezentowano opracowaną i stosowaną w praktyce przemysłowej metodologię oceny stanu materiału oraz przydatności do dalszej eksploatacji elementów części ciśnieniowej bloków energetycznych pracujących w warunkach pełzania. Szczególną uwagę skupiono na analizie stanu degradacji struktury obserwowanej w badaniach replik wykonanych bezpośrednio na obiekcie. Omówiono sposób oceny stanu elementów pracujących w warunkach pełzania, a w szczególności: wyboru miejsc do badań, doboru metod badań w zależności od czasu eksploatacji, rodzaju i charakteru pracy elementu, oceny elementu na podstawie wyników badań nieniszczących, wyników badań niszczących z uwzględnieniem jako podstawy oceny stanu materiału podstawowego i złączy spawanych (rozdział 5). Podstawą w wyznaczaniu czasu dalszej bezpiecznej eksploatacji, a zarazem metodą najbardziej obiektywną są wyniki badań pełzania materiału po długotrwałej eksploatacji. Omówiono rodzaj prób pełzania i ich przydatność w ocenie stanu, prognozie dalszej bezpiecznej pracy, oraz sposób ich wykorzystania dla celów inżynierskich. Zaprezentowano autorski sposób wyznaczania czasu bezpiecznej eksploatacji poza obliczeniowy czas pracy na przykładzie z praktyki inżynierskiej, jak również sposób wyznaczania minimalnej grubości ścianki elementu niezbędnej do przenoszenia rzeczywistych obciążeń eksploatacyjnych (rozdział 6). Omówiono rolę w diagnostyce obliczeniowych metod oceny stanu materiału elementów pracujących w warunkach pełzania dokonując analizy, której wyniki należy stosować wyłącznie we wstępnym prognozowaniu czasu dalszej eksploatacji. Jest to pomocne w analizie ekonomicznej umożliwiającej podejmowanie decyzji o przystąpieniu do badań diagnostycznych i pomiarów instalacji oraz jej elementów (rozdział 7). Ponadto w pracy mocny akcent położono na zbudowanie obiektywnych zasad oceny elementów stanu materiału części ciśnieniowej kotła i rurociągów na podstawie wieloletnich obserwacji i badań zachodzących zmian w czasie eksploatacji skutkujących obniżaniem się właściwości użytkowych, których miarą jest stopień wyczerpania. Zdefiniowano sposób oceny stanu materiału i określenia bezpiecznego czasu dalszej eksploatacji na podstawie nieniszczących badań materiałowych dla wybranych grup elementów (rozdział 8). Ważnym zagadnieniem w ocenie trwałości eksploatacyjnej jest ocena stanu materiału złączy spawanych elementów pracujących w warunkach pełzania. Zaprezentowane wyniki badań dowodzą, że trwałość resztkowa tych złączy jest znacznie mniejsza niż materiału rodzimego. Problemem jest również przesunięcie w kierunku temperatury dodatniej temperatury przejścia w stan kruchy. Oddzielnym problemem jest trwałość resztkowa spawanych złączy modernizacyjnych i naprawczych, która jest zależna od stopnia wyeksploatowania materiału po długotrwałej pracy poddanego spawaniu i najczęściej jest niższa od wyznaczonej dla złącza spawanego po eksploatacji (rozdział 9). Długoletnie doświadczenie autora w badaniach diagnostycznych umożliwiło opracowanie sposobu postępowania w diagnostyce materiałowej dla najważniejszych grup elementów pracujących w warunkach pełzania. Dla każdej z grup podano sposób postępowania w wyznaczaniu czasu dalszej bezpiecznej eksploatacji, zweryfikowany wielokrotnie w praktyce przemysłowej i omówiony na przykładach. Szczegółowy przykład takiego postępowania przedstawiono również dla walczaków, które są jednak elementami kotła pracującymi poniżej temperatury granicznej. Są one zaliczane do elementów krytycznych to znaczy pracujących w najtrudniejszych warunkach temperaturowo-naprężeniowych, a ich wymiana technicznie jest prawie niemożliwa. Ich stan ma jednak istotny wpływ na przydatność kotła do przedłużonej eksploatacji (rozdział 10). Oddzielnym zagadnieniem opisanym w pracy jest ocena roli badań materiałowych w identyfikacji przyczyn nadmiernej utraty trwałości eksploatacyjnej elementów części ciśnieniowej kotłów energetycznych. Ich sposób wykorzystania w analizie przyczynowo-skutkowej pokazano na przykładach z praktyki przemysłowej. Dokonano oceny skutków nadmiernego wytężenia elementów konstrukcyjnych, wpływu niezgodności temperatury obliczeniowej i rzeczywistej oraz innych uwarunkowań eksploatacyjnych, a także sumowania się skutków procesów niszczenia na utratę trwałości eksploatacyjnej (rozdział 11). Trwałość elementów konstrukcyjnych bloku energetycznego w dużym stopniu zależy również od stabilności warunków eksploatacji. Omówiono wpływ zmiennych warunków pracy na rzeczywistą trwałość eksploatacyjną, dokonano oceny przydatności materiału podstawowego i złączy spawanych po długotrwałej pracy w warunkach pełzania do eksploatacji w układzie regulacyjnym, a także pokazano wpływ temperaturowych warunków pracy na rzeczywistą trwałość eksploatacyjną materiału na przykładach z praktyki inżynierskiej (rozdział 12). W podsumowaniu wskazano na najistotniejsze czynniki mające decydujący wpływ na obiektywną ocenę stanu części ciśnieniowej bloków energetycznych i prognozę bezpiecznej eksploatacji poza obliczeniowy czas pracy. Praca kierowana jest do kadry inżynierskiej branży energetycznej, inspektorów Urzędu Dozoru Technicznego, firm diagnostycznych, a także studentów i doktorantów oraz pracowników badawczych zajmujących się problematyką materiałów dla energetyki.

Słowa kluczowe: pełzanie, długotrwała eksploatacja, elementy ciśnieniowe pracujące w warunkach pełzania, diagnostyka materiałowa, nieniszczące i niszczące badania materiałowe, degradacja struktury i właściwości, obliczeniowe metody oceny trwałości resztkowej