elementów rurociągowych pracujących w warunkach pełzania – przykład udziału przedsiębiorstw w ogólnej polityce ekologicznej kraju.

Wstęp

Przebieg procesów pełzania różni się w zależności od temperatur w których eksploatowane są elementy konstrukcyjne. W wielu stopach i metalach podczas pracy w temperaturach wysokich zniszczenia (pęknięcia) występują wzdłuż granic ziarna, w niskich temperaturach granice ziarn są bardziej wytrzymałe i zniszczenia zlokalizowane są w ziarnach.

Istnieje taka temperatura, w której siły spójności między ziarnami i siły spójności wewnątrz ziarn mają taką samą wartość. Temperatura jednakowej spójności, zwana ekwikohezyjną zależy od składu chemicznego stopu i jest bezpośrednio związana z temperaturą rekrystalizacji, lecz jest od niej niższa.   W większości procesy pełzania  przebiegające powyżej temperatury ekwikohezyjnej (powyżej tzw. temperatury granicznej) w warunkach poziomu naprężenia i temperatury, w których występują trzy stadia pełzania. Końcowym stadium pełzania jest proces dekohezji materiału, początek tego okresu uważany jest przez większość uczonych jako początek zniszczenia. Trzecie stadium pełzania stosunkowo łatwo można ujawnić i zbadać, na przykład popularnymi  badaniami metalograficznymi opisanymi szczegółowo w Wytycznych Urzędu Dozoru Technicznego nr 1/2015 „Zasady diagnostyki i oceny trwałości eksploatacyjnej elementów kotłów i rurociągów pracujących w warunkach pełzania”.Teza podana wyżej, że początek zniszczenia przy pełzaniu rozpoczyna się od pierwszych objawów dekohezji, stała się również głównym uzasadnienie badań wykonanych w ramach pracy doktorskiej pt.: „Zmiany trwałości resztkowej stali Cr-Mo-V długotrwale eksploatowanej w warunkach pełzania , poddanej regenerującej obróbce cieplnej”. Wyniki badań w wymiarze praktycznym, użytecznym pozwoliły  na przedstawienie  procedur  postępowania w klasyfikowaniu wyrobów do rewitalizacji (regeneracji), wykonaniu zabiegów cieplnych oraz końcowego odbioru ze świadectwem jakości.

Opracowanie przedstawia efekty przemysłowego wykorzystania sposobu rewitalizacji właściwości użytkowych,  eksploatowanego w warunkach t =  540 ^oC , p =  MPa , T =  160 00   godzin kolana ϕ 508 x 68  ze stali 14MoV63.

Uzyskane efekty z wykonanej pracy, to nie tylko znaczne obniżone koszty uzyskania w pełni wartościowego elementu rurowego, ale przede wszystkim to te które pozytywnie wpływają na zagadnienia ochrony środowiska naturalnego, między innymi sumaryczne obniżenie emisji spalin (przemysł hutniczy i wytwórczy rurociągowych elementów konstrukcyjnych dla energetyki).

Właściwości kolana w stanie po eksploatacji

Kolano ϕ 508 x 68  przeznaczone do rewitalizacji, po wycięciu posiadało także dwa montażowe złącza spawane. Złącza te łączyły kolano z innymi elementami rurociągowymi  rurociągu pary świeżej. Dzięki temu badania własności  mechanicznych wykonano dla jednej prostki kolana oraz jednego złącza spawanego. Próbki do badań oznaczono 1, 2 i 3 pobrano z prostki, zaś nr 4 pobrano z montażowego złącza spawanego.  

Wyniki badań własności mechanicznych fragmentu prostki kolana ϕ 508 x68  14MoV63 – temperatura badania – otoczenia

Stan po eksploatacji

Wyniki statycznej próby rozciągania  w temp. podwyższonej prostki kolana 

ϕ 508 x68  14MoV63

Stan po eksploatacji

Wyniki udarności w temp. podwyższonej prostki kolana ϕ 508 x68  14MoV63

Stan po eksploatacji

Wyniki kontrolnej analizy składu chemicznego badanego kolana – analizę wykonano na spektrometrze Foundry-MASTER PRO w dniu 15.02.2021 roku

Wyniki badań mikroskopowych – SEM

Budowa strukturalna obserwowanych zgładów wykonanych na próbek (1) z kolana ϕ 508 x 68 ze stali 14MoV63 po eksploatacji – przykłady

„strefa rozciągana”

Budowa strukturalna obserwowanych replik matrycowych wykonanych na kolanie ϕ 508 x 68 ze stali 14MoV63 po eksploatacji  – przykłady

„strefa rozciągana”

Przykładowa budowa strukturalna obserwowanych replik wykonanych na kolanie   ϕ 508 x 68 ze stali 14MoV63 po eksploatacji w warunkach pełzania przez około  160 000 godzin

„strefa obojętna ”

 Przykładowa budowa strukturalna obserwowanych replik wykonanych na kolanie   ϕ 508 x 68 ze stali 14MoV63 po eksploatacji w warunkach pełzania przez około 160 000 godzin

„prostka”

Zgład – stan po eksploatacji

Obróbka cieplna – wstępna – próbna

Wycinek I        

N1  – 1030^oC  / 1,5h/ powietrze  +  N2 – 970^oC/45’/powietrze 

+  O -720^oC/3h/powietrze                                                         

Wycinek II         

N1  – 970^oC  / 3 h/ powietrze  + O – 720^oC/3h/powietrze

Wyniki badań własności mechanicznych fragmentu prostki kolana ϕ 508 x68  14MoV63

Stan po rewitalizacyjnej obróbce cieplne

Przykładowa budowa strukturalna obserwowanych zgładów wykonanych na próbek pobranych z kolana ϕ 508 x 68 ze stali 14MoV63 po eksploatacji w warunkach pełzania przez około 160 000 godzin

Przykładowa budowa strukturalna obserwowanych zgładów wykonanych na próbek pobranych z kolana ϕ 508 x 68 ze stali 14MoV63 po eksploatacji w warunkach pełzania przez  około  160 000 godzin oraz regeneracyjnej obróbce cieplnej N + N + O

Przykładowa budowa strukturalna obserwowanych zgładów wykonanych na próbek pobranych z kolana ϕ 508 x 68 ze stali 14MoV63 po eksploatacji w warunkach pełzania przez  około  160 000 godzin oraz regeneracyjnej obróbce cieplnej N + O

Przykładowa budowa strukturalna obserwowanych zgładów wykonanych na próbek pobranych z kolana ϕ 508 x 68 ze stali 14MoV63 po eksploatacji w warunkach pełzania przez  około  160 000 godzin

Przykładowa budowa strukturalna obserwowanych zgładów wykonanych na próbek pobranych z kolana ϕ 508 x 68 ze stali 14MoV63 po eksploatacji w warunkach pełzania przez  około  160 000 godzin oraz regeneracyjnej obróbce cieplnej N + N + O

Przykładowa budowa strukturalna obserwowanych zgładów wykonanych na próbek pobranych z kolana ϕ 508 x 68 ze stali 14MoV63 po eksploatacji w warunkach pełzania przez  około  160 000 godzin oraz regeneracyjnej obróbce cieplnej N + O

Przykładowa budowa strukturalna obserwowanych zgładów wykonanych na próbek pobranych z kolana ϕ 508 x 68 ze stali 14MoV63 po eksploatacji w warunkach pełzania przez  około  160 000 godzin

„strefa rozciągana”

Przykładowa budowa strukturalna obserwowanych zgładów wykonanych na próbek pobranych z kolana ϕ 508 x 68 ze stali 14MoV63 po eksploatacji w warunkach pełzania przez  około  160 000 godzin

„strefa rozciągana”

Przykładowa budowa strukturalna obserwowanych zgładów wykonanych na próbek pobranych z kolana ϕ 508 x 68 ze stali 14MoV63 po eksploatacji w warunkach pełzania przez  około  160 000 godzin

„prostka”

Opis wykresów – wyniki badan dylatometrycznych

1. Wykresy górne  „bez oznaczenia ” przedstawiają przemiany  „ α → γ ”  podczas nagrzewania  próbek
2. Wykres oznaczone „O” przedstawiają przemiany w procesie chłodzenia próbek z temperatury 1000^oC – próbki po eksploatacji w warunkach pełzania  – udział ferrytu w strukturze dominująca  (można założyć, że struktura wyjściowa przed próbami dylatometrycznymi  „ferryt + wydzielenia (węgliki)”
3. Wykres oznaczone „I” przedstawiają przemiany w procesie chłodzenia próbek z temperatury 1000^oC – próbki po eksploatacji w warunkach pełzania oraz regenerującej obróbce cieplnej – podwójne austenityzowanie w różnych temperaturach  oraz odpuszczanie  – udział ferrytu w strukturze zdecydowanie mniejsze od stanu wyjściowego, wyraźna przemiana eutektoidalna  (można założyć, że struktura wyjściowa przed próbami dylatometrycznymi  „ferryt + bainit/perlit”)
4. Wykres oznaczone „II” przedstawiają przemiany w procesie chłodzenia próbek z temperatury 1000^oC – próbki po eksploatacji w warunkach pełzania oraz regenerującej obróbce cieplnej – jednokrotne austenityzowanie  oraz odpuszczanie  – udział ferrytu w strukturze zdecydowanie mniejsze od stanu wyjściowego, a zbliżona do stani „I” wyraźna przemiana eutektoidalna  (można założyć, że struktura wyjściowa przed próbami dylatometrycznymi  „ferryt + bainit/perlit”)

Końcowe uwagi.

Niniejsze opracowanie przedstawia wstępne informacje o wynikach badań eksploatowanego w warunkach pełzania elementu rurociągowego.

Badania prowadzono dla stanu wyjściowego (po eksploatacji) oraz końcowego po rewitalizującej obróbce cieplnej jest wstępnym sprawozdaniem z przemysłowego.

Uzyskane wyniki badań potwierdziły skuteczność przyjętych przez kierującego realizacją niniejszej pracy, parametrów rewitalizującej obróbki cieplnej. Badane właściwości materiałowe prostki kolana, a także połączenia spawanego są zgodne z wymaganiami, między innymi normy  PN- EN 10216-2  dla stali 14MoV63 w stanie normalizowanym i odpuszczonym. Brak możliwości wykonania rewitalizującej obróbki cieplnej w „kompleksowym przemysłowym urządzeniu” (piec + różnorodności sposobu chłodzenia po austenityzacji) 

spowodował, że końcowo uzyskano budowę  strukturalną która różni się od klasycznej budowy ferrytyczno – bainitycznej (perlitycznej).

Nie mniej jednak należy przypuszczać, że ujawnione składniki strukturalne , w skojarzeniu z uzyskanymi po rewitalizującej obróbce cieplnej właściwościami mechanicznymi, gwarantują  długotrwałą eksploatację , będącego przedmiotem badań kolana w warunkach roboczych kotła K1 lub K2 w Elektrowni Opole. 

Praca realizowana była w latach 2021-2022 przez zespół pracowników TEDSPAW Sp. z o.o. oraz Sieć Badawcza Łukasiewicz _IMŻ

Kierujący pracą badawczą – dr inż. Tadeusz Jóźwik