OBSAH. Předmluva Kasl, J. Strejcius, J. Koc, J. Jandová, D.: 1. Strukturní aspekty studia degradace materiálů energetických zařízení 6

Transkript

1 3 OBSAH Předmluva Kasl, J. Strejcius, J. Koc, J. Jandová, D.: 1. Strukturní aspekty studia degradace materiálů energetických zařízení 6 Mentl, V. Andrlová, I. Kanta, V.: 2. Hodnocení procesů degradace konstrukčních materiálů s cílem stanovení zbytkové životnosti konstrukcí 18 Václavík, J. Chvojan, J. Német, J. Kotas, M. Kepka, M.: 3. Degradace materiálů a konstrukčních uzlů při dynamickém provozním zatěžování.. 30 Chmelíček, M. Hyrát, J. Horák, V.: 4. Rozvoj metod únavových zkoušek s aplikací na oběžné lopatky rotačních strojů k poznání stavu degradace materiálu 45 Enžl, R. Houdková, Š. Zahálka, F.: 5. Vliv aplikace žárově stříkaných povlaků na změny funkčních vlastností povlakovaných součástí 51 Franče, P.: 6. Studium stárnutí materiálu pomocí metody dilatometrie 60 Hejman, M. Jankovec, J. Kindelmann, P. Smola, M.: 7. Postupy a metody hodnocení vlivu degradace materiálu na jeho únavové vlastnosti 67 Polach, P. Hajžman, M.: 8. Využití multibody simulací v oblasti dopravního a energetického strojírenství Seznam dílčích úkolů.. 88

2 4 PŘEDMLUVA Cílem výzkumného záměru MSM Výzkum provozní degradace perspektivních konstrukčních materiálů, který byl schválen MŠMT ČR pro řešení ve ŠKODA VÝZKUM s.r.o. v letech 2004 až 2008, je rozvoj stávajících a vývoj nových metodik podávajících komplexní popis degradace nových typů materiálů používaných při výrobě strojních zařízení, konstrukcí a jejich komponent používaných v energetice a v dopravních systémech. Aplikační zaměření ŠKODA VÝZKUM s.r.o. podepřené moderní experimentální a výpočtovou základnou umožňuje sledovat a vyhodnocovat vliv prakticky celé škály potenciálních faktorů působících na degradaci vlastností materiálů. Laboratorní a provozní měření a výpočty konstrukčních uzlů i celých konstrukcí jsou podporovány rozbory základních materiálů (chemické složení, mechanické a fyzikální vlastnosti a mikrostruktura). S ohledem na působení ŠKODA VÝZKUM s.r.o. zejména v segmentech energetického a dopravního strojírenství je výzkumný záměr MSM je zaměřen zejména do těchto oblastí: - Hodnocení stupně degradace mechanických vlastností vybraných konstrukčních materiálů po aplikovaném mechanickém a mechanicko-tepelném namáhání v laboratorních podmínkách. Konfrontace laboratorních výsledků s reálně degradovanými strukturami. - Korelace stavu a rozvoje substruktury a žárupevných vlastností svařenců nových 9-12 % Cr ocelí a nízkolegovaných ocelí vyvíjených pro tepelné elektrárny s nadkritickými parametry vstupní páry. - Hodnocení zbytkové životnosti perspektivních materiálů používaných v tepelných elektrárnách na základě rozboru mikrostruktury a submikrostruktury materiálů, měřením elektrochemických parametrů a magnetostrikčních vlastností. - Hodnocení vlivu aplikace žárově stříkaných povlaků odolných proti opotřebení, korozi a teplotní degradaci na změny funkčních vlastností povlakovaných součástí. - Experimentální a výpočtové hodnocení zbytkové životnosti na základě nízkocyklových a vysokocyklových únavových vlastností materiálů a provozních spekter namáhání. - Vypracování postupu pro stanovení degradace mechanických vlastností materiálů oběžných lopatek turbin vlivem působení dynamických sil. - Stanovení vlivu vysokých frekvencí na porušování spojů částí konstrukce.

3 5 V této výzkumné zprávě jsou strukturovaně popsány dílčí úkoly výzkumného záměru MSM , které byly definovány na základě rešeršní etapy řešení výzkumného záměru. Dílčí úkoly výzkumného záměru byly v prvním pololetí roku 2004 interně schváleny odpovědným řešitelem výzkumného záměru Dr. Ing. P. Polachem i ředitelem společnosti Ing. M. Kepkou, CSc. Tento materiál umožní detailní interní kontrolu plnění cílů výzkumného záměru. Není přitom chápán jako statický, ale bude v průběhu řešení výzkumného záměru postupně zpřesňován tak, aby realizací definovaných dílčích úkolů došlo naplnění hlavního cíle výzkumného záměru (deklarovaného v přihlášce projektu do veřejné soutěže) a tím je vypracování a aplikace zejména těchto metodik: - Hodnocení stupně degradace mechanických vlastností konstrukčních materiálů, zejména korelace výsledků destruktivních a nedestruktivních experimentálních postupů. - Hodnocení stupně poškozování konstrukcí a konstrukčních prvků vlivem různých provozních podmínek. - Predikce nepříznivých projevů degradačních procesů probíhajících v materiálu, z něhož je konstrukce nebo konstrukční prvek vyroben. - Hodnocení zbytkové životnosti konstrukcí a konstrukčních prvků.

4 6 1. STRUKTURNÍ ASPEKTY STUDIA DEGRADACE MATERIÁLŮ ENERGETICKÝCH ZAŘÍZENÍ RNDr. Josef Kasl, CSc., Ing. Josef Strejcius, Ing. Jaroslav Koc, RNDr. Dagmar Jandová, Ph.D. 1.1 Úvod Dílčí úkoly jsou orientovány zejména do oblasti tepelných elektráren a zabývají se monitorováním a vyhodnocováním projevů degradace materiálů komponent energetických zařízení a ověřováním nových materiálů vykazujících pro dané výrobní technologie zlepšení odolnosti vůči jednotlivým degradačním procesům. Pozornost je věnována zejména působení creepového a korozního porušení, sledovány jsou však i projevy únavového poškození a porušení křehkým lomem. V zásadě lze práce rozdělit do čtyř dílčích úkolů: - Využití endoskopie při zjišťování defektů v jinak nepozorovatelných částech povrchů zařízení. - Elektrochemická polarizační měření degradačních procesů exploatovaných materiálů. - Mikrostrukturní změny svarových spojů během creepu. - Vytvoření etalonové stupnice pro hodnocení změn mikrostruktury během provozu vybraných dílů a uzlů.

5 7 1.2 Rešerše - popis výchozího stavu, trendy a směry výzkumu Databáze povrchových vad zjišťovaných endoskopem Spolehlivost provozu energetických zařízení závisí mimo jiné i na předcházení vzniku a na rozvoji materiálových defektů. K tomuto účelu může významným způsobem přispět i nedestruktivní kontrola stavu zařízení, zejména nepřístupných povrchů, vizuální endoskopickou metodou [1/1]. Cílem je zjistit skutečný stav vybraných částí zařízení se zaměřením na výskyt defektů, korozního či erozního opotřebení nebo mechanického poškození atd. Endoskopie je moderní diagnostickou disciplinou, využívanou především v lékařství a průmyslu, která se používá při kontrole, při níž je nutné rozeznat na povrchu zkoušených objektů detaily, které nejsou přímou vizuální zkouškou pozorovatelné, nebo se jedná o povrch obtížně přístupný. Podle konstrukce lze rozlišit dva typy endoskopů: pevné endoskopy (tzv. boroskopy) a flexibilní endoskopy (tzv. fibroskopy). Endoskopy umožňují provádět bezdemontážní prohlídky (případně jen omezené úpravy). Defektoskopická šetření výrazně zkracují termíny oprav, kontrol nebo odstávek v provozu. Informace má přitom tu nejpřirozenější formu - obraz. Aparatura je okamžitě použitelná, mobilní a relativně lehce ovladatelná. K endoskopu lze připojit klasický nebo digitální fotoaparát, průmyslovou kameru nebo digitální videosystém, který umožňuje archivaci endoskopických záznamů v počítači, jejich dodatečné zpracování a především jejich proměřování. Rozsáhlé softwarové vybavení např. umožňuje měřit skutečné rozměry předmětů v reálném trojrozměrném prostoru a eliminovat tím zkreslení vznikající vlivem perspektivy. Tím výrazně roste přesnost interpretace a vyhodnocování měření a vznikají možnosti dalších aplikací. K dispozici je i další bohaté příslušenství včetně zaváděcích trubic nebo mechanických manipulátorů, které lze připevnit k sondě a provádět jimi jednoduché mechanické úkony uvnitř vyšetřované oblasti (např. stěry z povrchu nebo odběr úsad či korozních produktů pro další analýzu). Hlavními výhodami, které přináší použití endoskopů, jsou proto zejména úspora času, zvyšování bezpečnosti a spolehlivosti a kvality zařízení. Nejčastějšími oblastmi využití průmyslových endoskopů jsou bezdemontážní prohlídky turbín, motorů, převodovek, trubek a potrubních systémů, tlakových nádob, kotlů a nádrží, odlitků, dutých kovových konstrukcí aj. Inspekce a diagnostika pomocí endoskopů se zaměřuje především na výskyt mechanických vad, stupeň opotřebení, stav a postup korozního či erozního poškození, kvalitu svarových spojů (zejména v oblasti kořene), kvalitu opracování, povrchovou úpravu, zanášení a průchodnost trubek apod. Řadu zařízení lze kontrolovat přímo za chodu, tj. v nezměněných provozních podmínkách. Ve ŠKODA VÝZKUM s.r.o. dosud takové zařízení nebylo k dispozici a bylo zakoupeno (v rámci řešení výzkumného záměru) začátkem roku 2004 (systém je samozřejmě již prakticky využíván).

6 8 Studium degradace materiálů elektrochemickými metodami V procesu dlouhodobé provozní exploatace podléhají materiály změnám, jejichž důsledkem je pokles plastických a křehkolomových charakteristik, iniciace a růst defektů a celková degradace užitných vlastností. Vlivem účinků pracovního prostředí též velmi často dochází k různým formám korozního poškození zařízení nebo jeho částí. Míra degradace je závislá jak na výchozích vlastnostech materiálů a výrobní kvalitě dílů, tak na době provozu a na konkrétních provozních podmínkách daného zařízení. Skutečná doba provozu energetických zařízení téměř vždy přesahuje konstrukční předpoklady a současný nástup obnovitelných zdrojů energií navíc nutí provozovatele klasických tepelných elektráren pracovat stále častěji v režimu nestálého výkonového zatížení s negativními dopady na provozní životnost a spolehlivost. V současnosti používané metody hodnocení aktuálního stavu energetických zařízení a postupy stanovení zbytkové životnosti jsou empirické a subjektivní a vyžadují další vývoj. Pro kvalifikované rozhodování o dalším provozu, včetně stanovení doby do vyčerpání životnosti s vyloučením rizik nepředvídatelných provozních poruch, je potřeba celá řada technických informací. Důležitými daty v tomto rozhodování jsou i údaje o provozním prostředí a aktuálním stavu materiálu zařízení a důkladná znalost mechanismů degradace materiálových vlastností za podmínek působení provozního prostředí. Užitečnými technikami pro získávání relevantních dat o degradaci materiálových vlastností, stavu funkčních povrchů a interakce provozního prostředí jsou elektrochemická polarizační měření (viz např. [2/1] a [3/1] s dalšími odkazy). Tyto techniky umožňují objektivní hodnocení odolnosti legovaných ocelí a slitin proti lokálním formám korozního napadení. Z měření polarizačních křivek a testu elektrochemické reaktivace lze usuzovat na odolnost proti důlkové korozi, mezikrystalové korozi po tepelném či radiačním zcitlivění nebo náchylnosti ke koroznímu praskání. Výhodou je, že se jedná o měření málo invazivní, aplikovatelná jak formou laboratorních zkoušek na odebraných vzorcích, tak formou insitu. Elektrochemická impedanční měření se výrazně uplatňují v oblastech hodnocení nátěrových systémů a protikorozních povlaků a korozním monitoringu energetických a chemických zařízení. Současná úroveň této techniky a dostupnost výkonného měřícího vyhodnocovacího software umožňují nasadit tuto techniku i při studiu degradačních procesů spojených s dlouhodobým působením vysokých teplot, ať už při řešení problémů vysokoteplotní koroze nebo sledováním změn při dlouhodobé exploataci. Ve ŠKODA VÝZKUM s.r.o. byly v této oblasti již provedeny poměrně rozsáhlé experimentální práce. K měření je využívána upravená aparatura Amel 2051 pronajímaná ze ZČU v Plzni. V roce 2005 bude zahájeno budování vlastního moderního experimentálního vybavení.

7 9 Vývoj mikrostruktury svarových spojů progresivních ocelí při creepovém zatěžování Stoupající ceny paliv a tlak na snížení emisí nutí přední světově výrobce energetických zařízení k modernizaci energetických centrál spočívající zejména ve zvýšení účinnosti, větší provozní pružnosti, v prodloužení životnosti a v ekologicky co nejméně závadném provozu. Cílů spojených se zlepšením účinnosti lze dosáhnout zvýšením vstupních parametrů páry, s čímž je neoddělitelně spojeno zlepšení stávajících materiálů ve směru zvýšení jejich užitných vlastností, zejména pevnosti a houževnatosti, žárupevnosti, odolnosti proti vysokoteplotní oxidaci a proti únavovému porušování. Řešení materiálové problematiky parních turbín s nadkritickými parametry páry se týká především nejvíce exponovaných dílů, kterými jsou: - vysokotlaké a středotlaké rotory a lopatky, - vysokotlaká a středotlaká vnitřní tělesa a tělesa ventilů, - vnitřní šrouby VT a ST těles a ventilových komor, - trubky parovodů a přehříváků. Zvládnutí materiálové problematiky těchto kritických dílů pro zvýšené provozní teploty v celé šíři je záležitostí velice nákladnou a pro jednotlivého výrobce energetických zařízení téměř nerealizovatelnou. Proto dochází ke sdružování výzkumných kapacit, zabývajících se touto problematikou nejen v národních, ale i mezinárodních měřítcích. Zatímco v 60. letech minulého století byly parametry ocelí západoevropské a americké provenience přibližně stejné, vývoj v následujícím období se odehrával ve znamení předstihu USA a Japonska. Od začátku 80. let začaly snahy evropských výrobců o intenzivní vzájemnou spolupráci ve výzkumu, jehož jádro bylo ve vývoji nové generace žáropevných 9 12 % Cr ocelí. Většina těchto aktivit probíhala v rámci projektů EU COST. Jako zatím poslední proběhl od roku 1999 mezinárodní projekt COST 522 Ultra Efficient Low Emission Power Plants. Program trval 5 let, organizačně byl dělen na tři skupiny - parní turbíny, plynové turbíny a pomocné aktivity. Hlavními cíly v oblasti moderních parních turbín byly vývoj a ověření vhodných materiálů, zejména na bázi feriticko-martenzitických ocelí pro vstupní teploty páry až 650 C, tlak větší než 300 bar a účinnost 50 %. Projekt navázal na řešení započatá v rámci projektu COST 501 a vedle experimentálního vývoje nových perspektivních materiálů byl zaměřen na hodnocení a ověřování poloprovozních výkovků a odlitků (rotorů, skříní, trubek, ventilů a šroubů) ve spojení s prověřováním technologie výroby, kvality, homogenity vlastností v objemu kovu a stability užitných hodnot. Důraz byl kladen na objasnění podstaty zpevňujících mechanizmů a mikrostrukturní stability konstrukčních materiálů za zvýšených teplot. K aktivitám v oblasti materiálů pro parní turbíny patřilo materiálové modelování a studium zbytkové životnosti provozovaných materiálů.

8 10 Společnost ŠKODA VÝZKUM s.r.o. se do těchto aktivit úspěšně zapojila od začátku 90. let [4/1]. V návaznosti na dříve získané výsledky proběhne v rámci výzkumného záměru studium vývoje mikrostruktury svarových spojů používaných při svařování částí parních turbín, které patří z hlediska degradace vlastností materiálu během provozu ke kritickým místům turbíny. Stále se zvyšující parametry páry (teplota i tlak) vedou k urychlení precipitačních procesů v materiálu, které probíhají odlišně v různých částech svarového spoje a mohou způsobit nukleaci a šíření trhlin. Precipitaci je tedy nutno zkoumat cíleně v předem vytypovaných lokalitách, kde lze předpokládat vznik nežádoucích struktur. V návaznosti na mikrostrukturní rozbor lze potom upravit technologii svařování tak, aby výskyt oblastí náchylných k tvorbě trhlin byl vyloučen. Simulace precipitačních procesů za podmínek blízkých provozu turbíny se již provádí pomocí creepových zkoušek homogenních svarových spojů oceli P91 za teplot 525 C až 625 C. Další dlouhodobé zkoušky při teplotách do 650 C budou pokračovat v rámci výzkumného záměru. Stav materiálu po creepové expozici bude sledován pomocí světelné, řádkovací a transmisní elektronové mikroskopie. Repliky a fólie pro transmisní elektronovou mikroskopii budou zhotovovány cíleně z kritických lokalit. Pozornost bude věnována stavům vznikajících ve svarech litých skříní s litými nebo tvářenými hrdly pro nízko- i vysokolegované oceli.

9 11 Etalonová stupnice pro hodnocení degradace mikrostruktury materiálů energetických zařízení Komponenty podrobené creepovému namáhání mají omezenou životnost v důsledku vlivu zvýšené teploty a napětí vedoucím ke změnám struktury materiálu. Vzhledem ke creepové expozici se u nízkolegovaných Cr Mo ocelí nejvíce sledují: - vývoj mikrostruktury (tendence ke sferoidizaci perlitu/bainitu), - formování kavit na hranicích zrn, - vývoj karbidů (zhrubnutí precipitátu ve feritické matrici a na hranicích zrn, reprecipitace, změna mezičásticové vzdálenosti, vývoj denudovaných zón podél hranic zrn). Pro popis těchto změn byla v 70. letech vypracována 6-stupňová Neubauerova etalonová řada, která byla rozpracována na několika pracovištích do různě modifikovaných a zpřesňujících stupnic. Jednotlivým stupňům poškození je přiřazována i očekávaná zbytková životnost (první detekce kavit v polovině životnosti). Tyto etalony však prakticky nezahrnují změny mikrostruktury. Jím byla věnována pozornost celé řady prací pro jednotlivé případy materiálů, jejich výrobního postupu a případně i provozních podmínek, v nichž se sledovaly různé charakteristiky (fázové a chemické složení precipitátu, morfologie, velikostní a prostorové rozložení precipitátu atd.). V poměrně málo častých studiích z provozních situací se většinou využívala ke sledování mikrostruktury metoda replik, díky své malé invaznosti (narušení integrity zkoumaných dílů). ŠKODA VÝZKUM s.r.o. má dlouholeté bohaté zkušenosti se sledováním a hodnocením mikrostruktury v provozu. Nicméně systematické zpracování těchto výsledků a aplikace nových technik (kvantitativní popis mikrostruktury metodami obrazové analýzy, řádkovací elektronové mikroskopie a transmisní elektronové mikroskopie tenkých fólií) nebylo dosud provedeno. V dílčím úkolu bude s využitím těchto metod vytvořena stupnice pro hodnocení degradačních procesů pro materiály VT rotorů na bázi oceli [1/1] Koc, J.: Technologie endoskopického zkoušení a její přínos pro hodnocení zbytkové životnosti hlavních komponent parních turbín. Výzkumná zpráva ŠKODA VÝZKUM s.r.o., VYZ 0606/2002, Plzeň, [2/1] Strejcius, J.: Elektrochemická diagnostika a nedestruktivní hodnocení korozního napadení. Výzkumná zpráva ŠKODA VÝZKUM s.r.o., VYZ 0603/2002, Plzeň, [3/1] Strejcius, J.: Elektrochemické potenciodynamické polarizační křivky žárupevných ocelí. Výzkumná zpráva ŠKODA VÝZKUM s.r.o., VYZ 0665/2003, Plzeň, [4/1] Jandová, D. Kasl, J.: Kvantitativní mikrostrukturní rozbor 10 % Cr ocelí se zvýšenou creepovou odolností. Výzkumná zpráva ŠKODA VÝZKUM s.r.o., VYZ 0629/2002, Plzeň, 2002.

10 Dílčí úkoly Dílčí úkol č. 1.1: Databáze povrchových vad zjišťovaných endoskopem Zodpovědný řešitel dílčího úkolu: Ing. Jaroslav Koc Anotace Vypracovat databázi indikací zjištěných endoskopickou prohlídkou defektních míst u komponent energetických zařízení v korelaci s poznatky získanými dalšími nedestruktivními (UZ zkoušení, replikační technika sledování mikrostruktury atd.), a případně i destruktivními zkouškami (chemický rozbor, stanovení mechanických parametrů, mikrostrukturní rozbor, fraktografický rozbor atd.). Tento neustále se rozšiřující soubor poznatků by měl být vodítkem a pomocníkem při dalších videomikroskopických pozorováních na provozovaných energetických zařízeních. Vedlejším cílem, byť ne realizovaným v rámci výzkumného záměru, by měla být akreditace metody. Plánované období řešení dílčího úkolu: Popis prací prováděných v roce 2004: Studium příslušné problematiky v literatuře s vypracováním rešeršního podkladu (1-9/2004). Základní osvojení praktické práce s endoskopem (1 12/2004). Vypracování kostry databázového systému pro archivace všech relevantních údajů (11/2004). Provádění konkrétních pozorování a měření (průběžně). Vypracování shrnujících podkladů pro průběžnou zprávu z řešení výzkumného záměru (11/2004). Popis prací prováděných v letech : Zpracovávání výsledků jednotlivých kontrol a průběžné doplňování databáze; shrnutí postupu do průběžných a závěrečné zprávy. Zajištění vzorků: Vzorky a poznatky defektních míst budou získávány při pracích na komerčních zakázkách z výroby i při prohlídkách zařízení na elektrárnách.

11 13 Dílčí úkol č. 1.2: Studium degradace materiálů elektrochemickými metodami Zodpovědný řešitel dílčího úkolu: Ing. Josef Strejcius Anotace Hlavním cílem úkolu v oblasti elektrochemických polarizačních měření je realizace a ověření pokročilé přenosné elektrochemické aparatury pro hodnocení degradace materiálových vlastností energetických zařízení v důsledku dlouhodobého provozu, vhodné pro měření mimo laboratoř, např. při plánovaných revizních odstávkách. Dalším cílem úkolu je stanovení elektrochemických charakteristik exploatovaných materiálů a korelace těchto hodnot s dalšími daty charakterizujícími poškození materiálu (změny mechanických a křehkolomových vlastností, vývoj mikrostruktury a submikrostruktury atd.). Soubory takovýchto systematizovaných dat by umožňovaly kvalifikované odhady proběhlých změn, a potažmo i zbytkové životnosti jednotlivých komponent, na základě elektrochemických měření prováděných formou in-situ. Plánované období řešení dílčího úkolu: Popis prací prováděných v roce 2004: Studium příslušné problematiky v literatuře s vypracováním rešeršního podkladu (1-9/2004). Vypracování nástinu přehledu vzorků, na kterých budou prováděna měření v roce 2004 (6/2004). Vypracování systému pro archivaci a databázové zpracování výsledků vlastních elektrochemických měření a dalších relevantních údajů o sledovaných vzorcích (původ vzorků, jeho historie a vlastnosti složení, mikrostruktura, mechanické vlastnosti atd.) (11/2004). Marketinková studie k realizaci mobilní aparatury (12/2004). Vypracování shrnujících podkladů pro průběžnou zprávu z řešení výzkumného záměru (11/2004). Popis prací prováděných v letech : Realizace přenosné aparatury. Měření elektropolarizačních křivek na stacionárním zařízení, korelace výsledků s dalšími vlastnostmi materiálu chemickým složením, mikrostrukturou, mechanickými a křehkolomovými vlastnostmi. Zpracování a archivace výsledků. Sestavení podkladů pro průběžné zprávy z řešení výzkumného záměru.

12 14 Popis prací prováděných v letech : Ověření přenosné aparatury v provozních podmínkách. Měření elektropolarizačních křivek na stacionárním zařízení, korelace výsledků s dalšími vlastnostmi materiálu chemickým složením, mikrostrukturou, mechanickými a křehkolomovými vlastnostmi. Zpracování a archivace výsledků. Sestavení průběžné a závěrečné zprávy. Zajištění vzorků: Zdrojem materiálu s definovanými vlastnostmi budou jednak akce COST (COST 536: hlavně nové perspektivní 9 % chromové oceli pro zvýšené nebo nadkritické parametry páry, ve stavu po výrobě a po zkouškách tečení, tj. po definované tepelně-napěťové expozici, popř. dlouhodobém žíhání), klasické CrMoV (popř. CrMoVW) oceli, vzorky z vyřazených VT skříní a rotorů ŠKODA shromážděných v rámci řešení projektu 106/97/0752 GAČR Provozní spolehlivost a degradační procesy energetických zařízení.

13 15 Dílčí úkol č. 1.3: Vývoj mikrostruktury svarových spojů progresivních ocelí při creepovém zatěžování Zodpovědný řešitel dílčího úkolu: RNDr. Dagmar Jandová, Ph.D. Anotace Hlavním cílem je pochopení podstaty zpevňujících mechanismů (creepové pevnosti) a mikrostrukturní stability průběhu strukturních změn (dlouhodobé žáropevnosti) svarových spojů progresivních materiálů používaných k výrobě komponent parních turbín. Výsledky studia budou sloužit k výběru nejvhodnějších kombinací materiálů a technologických postupů při výrobě, zajišťujících požadované parametry pro vybrané díly a uzly. Plánované období řešení dílčího úkolu: Popis prací prováděných v roce 2004: Obsáhlá literární rešerše sledované problematiky (1-9/2004). Vytypování studovaných stavů, systematizace sledovaných vzorků (6/2004). Konkrétní měření na dostupných vzorcích (průběžně). Vypracování shrnujících podkladů pro průběžnou zprávu z řešení výzkumného záměru (11/2004). Popis prací prováděných v letech : Fraktografické rozbory a studium mikrostruktury metodami světelné a elektronové mikroskopie a mikroanalýzy svarových spojů v základním stavu a po creepové expozici. Zpracování výsledků a korelace s žárupevnými vlastnostmi. Zpracování průběžných a závěrečné zprávy. Zajištění vzorků: Budou použity vzorky z běžících úkolů VTR ŠKODA POWER s.r.o. a z dřívějších i nově plánovaných projektů COST 536.

14 16 Dílčí úkol č. 1.4: Etalonová stupnice pro hodnocení degradace mikrostruktury materiálů energetických zařízení Zodpovědný řešitel dílčího úkolu: RNDr. Josef Kasl, CSc. Anotace Vypracovat etalonovou stupnici pro hodnocení degradačních změn mikrostruktury během dlouhodobého provozu vybraných kombinací materiálů, dílů a pozic u parních turbín. Pomocí stupnice z nedestruktivního sledování mikrostruktury objektivně hodnotit rozvoj degradace materiálu a zbytkové životnosti. Plánované období řešení dílčího úkolu: Popis prací prováděných v roce 2004: Literární rešerše sledované problematiky (1-9/2004). Vytypování sledovaných vzorků a jejich zajištění (6/2004). Sledování mikrostruktury na dostupných vzorcích (průběžně). Vypracování shrnujících podkladů pro průběžnou zprávu z řešení výzkumného záměru (11/2004). Popis prací prováděných v letech : Sledování mikrostruktury na vybraných místech turbín podle možností daných generálními opravami turbosoustrojí. Zpracování výsledků a jejich využití jako podkladů pro vytvoření etalonové stupnice. Zpracování průběžných zpráv. Popis prací prováděných v roce 2008: Vypracování etalonové stupnice. Zajištění vzorků Budou použity vzorky z dřívějších zakázek a dostupné vzorky ze ŠKODA POWER s.r.o.

15 Zhodnocení významu dílčích úkolů Plánované práce v rámci dílčích úkolů č. 1.1 až č. 1.4 jsou směrovány pro rozvoj metodik potenciálně (dílčí úkol č. 1.1) či přímo (dílčí úkoly č. 1.2 až č. 1.4) využitelných ve v segmentu energetického strojírenství, v oblasti parních turbín (ve skupině ŠKODA např. ve společnosti ŠKODA POWER s.r.o.). Dílčí úkol č. 1.3 přímo navazuje na vývojovou činnost v oblasti nových ocelí využitelných v parních turbínách se zvýšenými parametry vstupní páry, se kterými se počítá, resp. jsou již nyní využívány výrobci parních turbín. Dílčí úkol č. 1.4 přímo zapadá do v současné době rozvíjeného programu pro ČEZ a.s., jehož cílem je umožnit klasifikaci zbytkové životnosti jednotlivých komponent energetických zařízení.

16 18 2. HODNOCENÍ PROCESŮ DEGRADACE KONSTRUKČNÍCH MATERIÁLŮ S CÍLEM STANOVENÍ ZBYTKOVÉ ŽIVOTNOSTI KONSTRUKCÍ Doc. Ing. Václav Mentl, CSc., Bc. Ivana Andrlová, Ing. Václav Kanta 2.1 Úvod Degradaci mechanických vlastností konstrukčních materiálů je možno definovat jako zhoršení původních mechanických vlastností, které byly brány v úvahu při návrhu a dimenzování konstrukcí, výpočtech jejich životnosti, spolehlivosti a bezpečnosti. Základním inženýrským problémem degradace mechanických vlastností vlivem působení externích faktorů je zvyšování sklonu materiálů a konstrukcí k porušení křehkým lomem. V některých případech se jedná o nevyhnutelné zhoršení mechanických vlastností v důsledku jejich zabudování do určité konstrukce (víceosá napjatost, konstrukčně nevyhnutelné vruby, svařování apod.), další případy klasické degradace spočívají v dlouhodobém působení externích vlivů/provozních podmínek (vysoká teplota, cyklické zatěžování, koroze, jejich kombinace), kterým se rovněž není možné vyhnout a jejichž vliv je nutno respektovat již ve stádiu návrhu konstrukce a volby vhodných materiálů. Strojírenské konstrukce jsou projektovány na určitou dobu života/provozu tak, aby splňovaly potřebné technické parametry a bezpečnostní požadavky. Mechanické vlastnosti konstrukčních materiálů nejsou absolutními konstantami, ale mění se v závislosti na podmínkách jejich použití/aplikace v konstrukci, zejména v závislosti na teplotě, rychlosti zatěžování/deformace a na charakteru napjatosti. Význam pochopení degradačních procesů a jejich výzkum v poslední době nabývá na významu zejména ze dvou následujících důvodů: - Je obecným zájmem používat vyrobené konstrukce co nejefektivněji, a tedy také co nejdéle, aniž by hrozilo nebezpečí jejich poruch, které by mohly mít za následek ekonomické ztráty, resp. ztráty na lidských životech. - V důsledku vývoje nových moderních a odolnějších materiálů nové generace je v zájmu výrobce i uživatele umět posoudit míru a rychlost degradačních procesů materiálů při působení různých provozních faktorů a zaručit dlouhodobou životnost projektovaných součástí a zařízení.

17 Rešerše - popis výchozího stavu, trendy a směry výzkumu Do popředí tak vystupuje problematika hodnocení stupně degradace mechanických vlastností konstrukčních materiálů, hodnocení stupně jejich poškozování vlivem různých provozních faktorů a vypracování metodik pro včasné předcházení nepříznivým projevům degradace mechanických/užitných vlastností. Základním problémem stanovení zbytkové životnosti konstrukce s uvažováním degradačních procesů probíhajících v materiálu, z něhož je konstrukce vyrobena, je vyhodnocení/znalost stupně/rozsahu degradace/ztráty původních vlastností materiálu. Pro její určení je nutné využít korelaci výsledků destruktivních metod (obvykle dostupných ve stádiu vývoje a výroby) a nedestruktivních metod (ve stádiu provozu konstrukce, kdy destruktivní metody jsou nedostupné nebo realizovatelné jen v omezeném rozsahu). Měřítkem popsaných změn nejsou v dostatečné míře základní mechanické vlastnosti, podstatně citlivější se v tomto směru jeví zkoušky rázem v ohybu, resp. zkoušky lomové houževnatosti. Jedná se však o zkoušky destruktivní, pro které je obtížné, nebo v řadě případů i nemožné, odebrat z konstrukce dostatečné množství materiálu potřebného na výrobu zkušebních těles. Navíc velmi často nejsou známy (nebyly měřeny) původní hodnoty materiálových parametrů před uvedením konstrukce do provozu. Konvenční techniky nedestruktivních metod jsou sice v dnešní době dobře zvládnuté, spolehlivě však fungují pouze jako nástroj zjišťování necelistvostí výrobků. Optické (metalografické) metody jsou v tomto směru účinnější, ale jsou poměrně málo citlivé a indikují až změny, které se projevují až v posledních stádiích procesu degradace. Latentní stupeň degradace, která nepokročila natolik, aby už vznikly necelistvosti, resp. rozsáhlé strukturní změny patrné v mikroskopu, může být přesto velmi závažný a vést (v důsledku zkřehnutí struktury) ke křehkému lomu. Pro rozpoznání a kvantifikaci latentního stupně degradace materiálu se dobře osvědčuje rentgenografická technika využívající difrakce. Změny, které jsou na difrakčním obrazu struktury pozorovatelné již v latentním stádiu degradace materiálu, výrazně ovlivňují sklon ke křehkému lomu. Hodnocení stupně degradace konstrukčních částí a změn mechanických vlastností materiálů použitých v konstrukci se v poslední době stává jedním z významných odvětví výzkumu, vývoje a zkušebenských metodik. O tom svědčí jak poptávka z průmyslové oblasti, tak řada publikací, příspěvků na konferencích atd. na dané téma, viz stručný přehled pořádaných akcí a seznam literatury z poslední doby:

18 20 [1/2] Int. Conf. Damage and Fracture Mechanics. Kréta [2/2] Plant Life Extension Conference April 2004, Cambridge, UK. [3/2] BALTICA VI Int. Conf. on Life Management an Maintenance for Power Plants. Helsinki-Stockholm [4/2] ECF 15: Advanced Fracture Mechanics for Life and Safety Assessments. Stockholm, [5/2] Int. Sem.: Risk Based Management of Power Palant Equipment. London, [6/2] HIDA Conf.: Probabilistic Life Assessment and Preventive Maintenance in Industrial Plant. Cambridge, UK, [7/2] ICPVT10 Conf. on Pressure Vessel Technology. Vienna, [8/2] Kachanov, L.M.: Introduction to Continuum Damage Mechanics. M. Nijhoff Publ., The Netherlands, [9/2] Krajcinovic, D.: Damage Mechanics. North-Holland, ŠKODA VÝZKUM s.r.o. se dlouhodobě a systematicky v minulosti věnovala a permanentně věnuje (viz. např. projekt EU XPECTION) studiu problémů spojených s degradací mechanických vlastností, zkoušením, měřením a vyhodnocováním, a to zejména materiálů používaných v konstrukci energetických zařízení (součásti parních turbín, skříně, rotory atd.): [10/2] Mentl, V.: New Relationship Describing the Creep Behaviour of Structural Materials, Imperial College of Sience and Technology. Mech. Engn. Dept., London, [11/2] Mentl, V.: Některé problémy tečení a pevnosti při tečení při nestacionárním zatížení a teplotě. VŠSE Plzeň, [12/2] Mentl, V.: Pevnost těles s povrchovými trhlinami. Výzkumná zpráva ÚVZÚ ŠKODA Plzeň, TIZ 1160, [13/2] Mentl, V.: Residual Strength of Surface Crack Specimen. Proc. Int. Conf. Analytical and Experimental Fracture Mechanics, Rome, Italy, [14/2] Janda, R. Mentl, V.: Vliv opakovaných plastických deformací na zbytkovou pevnost ocelí pro jaderný program. Konf. ICF, Srní, [15/2] Mentl, V. Janda, R. Kotas, M.: Hodnocení pevnosti materiálu tlakových nádob s uvažováním povrchových trhlin. Sem. Hodnotenie prevádzkovej spoľahlivosti konštrukcií, Trnava, [16/2] Janda, R. Kotas, M. Mentl, V.: Rozbor vlivu malocyklové únavy na pevnost těles s povrchovými trhlinami. Sb. konf. Dynamické a pevnostné problémy strojníckych konštrukcií" Pezinok, [17/2] Janda, R. Mentl, V. Kapitán, S.: Pevnost čočkových kompenzátorů při opakovaném namáhání za vysokých teplot. EAN 81, Štrbské Pleso, [18/2] Janda, R. Mentl, V.: Studie lomové houževnatosti materiálu rotoru turbíny TISZAI po hodinách provozu. Výzkumná zpráva ÚVZÚ ŠKODA Plzeň, TIZ 1205, 1981.

19 21 [19/2] Janda, R. Mentl, V. Jandoš, F.: Příspěvek k problematice porušování materiálu 15CH2MFA s austenitickým návarem při nízkocyklové únavě. Výzkumná zpráva ÚVZÚ ŠKODA Plzeň, TIZ 1237, [20/2] Mentl, V. Janda, R.: Růst povrchových trhlin při cyklickém zatěžování. Sem. Bruchmechanik II, Geissing, Germany, [21/2] Mentl, V. Janda, R.: Rychlost šíření trhlin v oceli ŠKODA TBW po hodinách provozu. Sb. konf. Únava materiálů a konstrukcí, Praha, [22/2] Janda, R. Mentl, V.: Aenderung der mechanischen Werkstoffeigenschaften bei einen Dampfturbinenrotor nach Betriebstunden. Kol. Schadensfallanalyse Freiberg, Germany, 1987, Neue Hütte 33, 1988, [23/2] Janda, R. Mentl, V.: Aenderungen der mechanischen Werkstoffeigenschaften bei eine Dampfturbinenrotore. Neue Hütte 33, [24/2] Janda, R. Mentl, V.: Pevnostní a křehkolomové vlastnosti materiálu vnitřní VT skříně elektrárny Kakanj v Jugoslávii. Výzkumná zpráva ÚVZÚ ŠKODA Plzeň, VZVÚ 0508, [25/2] Janda, R. Mentl, V.: Pevnostní a křehkolomové vlastnosti VT rotoru turbíny 110 MW z ocele z elektrárny Tušimice po dlouhodobém provozu. Výzkumná zpráva ÚVZÚ ŠKODA Plzeň, VZVÚ 0524, [26/2] Mentl, V.: Hodnocení degradace křehkolomových vlastností ocelí používaných pro velké výkovky rotorů parních turbín pomocí korelací křehkolomových parametrů. Přednáška na sem. Metodické a aplikační problémy lomové mechaniky, Žinkovy, [27/2] Mentl, V. Janda, R.: Lomová houževnatost ocelí pro rotory parních turbín a turbogenerátorů. Výzkumná zpráva ŠKODA VÝZKUM s.r.o., VZVÚ 0718, Plzeň, [28/2] Mentl, V. a kol.: Korelace křehkolomových vlastností velkých výkovků. Výzkumná zpráva ŠKODA VÝZKUM s.r.o., VZVÚ 0719, Plzeň, [29/2] Janda, R. Mentl, V.: Rychlost šíření únavových trhlin ve svarovém spoji svařovaného rotoru a jeho odolnost proti křehkému lomu. Výzkumná zpráva ŠKODA VÝZKUM s.r.o., VZVÚ 0727, Plzeň, [30/2] Mentl, V. Kříž, J.: Vliv stvolových vycezenin na křehkolomové vlastnosti. Výzkumná zpráva ŠKODA VÝZKUM s.r.o., VZVÚ 0750, Plzeň, [31/2] Janda, R. Mentl, V.: Hodnocení přípustnosti defektů v konstrukcích a výpočet kritických velikostí trhlin. Výzkumná zpráva ŠKODA VÝZKUM s.r.o., VZVÚ 0819, Plzeň, [32/2] Mentl, V. Janda, R.: Hodnocení křehkolomových vlastností velkých výkovků. Výzkumná zpráva ŠKODA VÝZKUM s.r.o., VZVÚ 0833, Plzeň, [33/2] Janda, R. Mentl, V.: Únavová pevnost svarového spoje NT rotoru parní turbíny 1000 MW. Výzkumná zpráva ŠKODA VÝZKUM s.r.o., VZVÚ 0839, Plzeň, [34/2] Mentl, V. Janda, R.: Křehkolomové vlastnosti hrubozrnné zóny tepelně ovlivněné oblasti reaktorových ocelí vytvořené simulací dvou a tří cyklů opravného svařování. Výzkumná zpráva ŠKODA VÝZKUM s.r.o., VZVÚ 0841, Plzeň, 1994.

20 22 [35/2] Mentl, V. Janda, R.: Statická a dynamická lomová houževnatost ocele měřená ve vývrtech velkých výkovků. Výzkumná zpráva ŠKODA VÝZKUM s.r.o., VZVÚ 0845, Plzeň, [36/2] Mentl, V.: Odolnost proti iniciaci a šíření tvárné trhliny v oceli Výzkumná zpráva ŠKODA VÝZKUM s.r.o., VZVÚ 0846, Plzeň, [37/2] Mentl, V.: Fracture Toughness and J R Curves Scatter of a Low-Pressure Turbine Rotor Steel. Int. Conf. Structural Failure, Product Reliability and Technical Insurance, Vienna, [38/2] Janda, R. Mentl, V.: Pevnostní a křehkolomové vlastnosti materiálu skříně parní turbíny z tvárné litiny ČSN Výzkumná zpráva ŠKODA VÝZKUM s.r.o., VZVÚ 1106, Plzeň, [39/2] Mentl, V. Bečka, J.: Resistance of Coarse Grain Region of HAZ Produced in Nuclear Pressure Vessel Steels by Simulation of Two and Three Cycles of Repair Welding. 2 nd Int. Symposium Mis-matching of Welds, Reinsdorf-Lueneburg, Germany, [40/2] Chvojan, J. Mentl, V. Vojtíšek, J.: Fatigue Life Assessment of a 1000 MW Turbo- Generator Rotor. Proc. 6 th Int. Fat. Congress Fatigue 96, Berlin, Germany, [41/2] Vojtíšek, J. Mentl, V.: Hodnocení křehkolomových vlastností velkých výkovků pro energetiku. Konf. Novinky v oblasti skúšania materiálov, Košice, chata Jahodná, [42/2] Janda, R. Mentl, V.: Pevnostní a křehkolomové vlastnosti materiálu skříně parní turbíny z tvárné litiny ČSN Výzkumná zpráva ŠKODA VÝZKUM s.r.o., VZVÚ 1106, Plzeň, [43/2] Džugan, J. Mentl, V. Jandová, D.: Změna dynamické lomové houževnatosti v závislosti na deformaci oceli P 900 za studena. Inženýrská mechanika 99, Svratka, [44/2] Mentl, V.: Hodnocení degradace základního materiálu a svaru parovodu. Výzkumná zpráva ŠKODA VÝZKUM s.r.o, VYZ 53/01/00, Plzeň, [45/2] Mentl, V.: Využití metod zkoušení dynamické lomové houževnatosti pro hodnocení tvářených a litých tepelně namáhaných částí. Výzkumná zpráva ŠKODA VÝZKUM s.r.o., VYZ 0536/2001, Plzeň, [46/2] Barták, J. Žlábek, P. Mentl, V.: Fatigue Crack Growth Rate in Anisotropic Materials. ECF 14, Krakow, [47/2] Žlábek, P. Mentl, V.: Měření rychlosti šíření únavových trhlin v nehomogenním prostředí representovaném svary v materiálu pro tlakové nádoby. Přednáška sem. Lomová mechanika a únava 2002, Žinkovy, [48/2] Mentl, V.: Service Degradation Assessment of Structural Materials and Components, SPT-7. Int. Conf. Technology, Patent and the Law: The Challenge of the 21 st Century, Vienna, 2002.