MECHANICKÉ VLASTNOSTI ODPOVÍDAJÍCÍ NORMĚ - NEDOSTATEČNÝ PODKLAD PRO ROZHODNUTÍ O APLIKACI

Transkript

1 MECHANICKÉ VLASTNOSTI ODPOVÍDAJÍCÍ NORMĚ - NEDOSTATEČNÝ PODKLAD PRO ROZHODNUTÍ O APLIKACI MECHANICAL PROPERTIES SATISFYING REQUIREMENTS OF THE CODE? INSUFFICIENT KNOWLEDGE TO MAKE A DECISION ON A USE OF THE MATERIAL Božena PODHORNÁ, Ladislav HORVÁTH, Marie SVOBODOVÁ, Jindřich DOUDA UJP PRAHA, a. s., Nad Kamínkou 1345, Praha - Zbraslav, Česká republika, podhorna@ujp.cz Abstrakt U trubek z uhlíkových ocelí, používaných na teplosměnné tlakové systémy, je velmi často jejich kvalita dokládána pouze výsledky mechanických zkoušek, které splňují minimální hodnoty, požadované příslušnou normou. Rozptyl normou povolených hodnot, zejména u meze kluzu a pevnosti, je u tohoto typu ocelí poměrně velký. Obvykle není garantováno ani to, že všechny trubky jsou z jedné tavby, ani to, že byly před dodáním porobeny shodným tepelným pochodům při výrobě a následném tepelném zpracování. Jedna dodávka tak může být tvořena kusy strukturně značně odlišnými. Do jednoho tlakového celku se tak mohou dostat kusy s různým, již na počátku vneseným stupněm teplotní degradace. To se v provozu s teplotním zatížením projeví různým gradientem poklesu mechanických vlastností na jednom, zdánlivě homogenním celku. Příspěvek popisuje jeden konkrétní případ trubek výparníku z oceli ST35.8. Abstract The quality of carbon steel tubes used in pressure heat transfer systems is very often demonstrated only by results of mechanical tests. In fact, although these results reach minimal values required by specific code (with relatively very spread range of values, especially of tensile and yield stresses), the quality of the tubes is not ensured. It is because of different structure while maintaining the required mechanical properties. Different melting and heat treatment during and post-production of the tubes cause these differences. So very easily, structures of tubes from one delivery can extremely vary. Thus, one pressure heat transfer system can consist of tubes with various initial levels of thermal degradation. As a consequence, a gradient of mechanical properties in different parts of the whole system under temperature loading conditions can vary as well. In this case, the system cannot be considered as a homogeneous unit. This contribution describes one specific occurrence in tubes from an evaporator made of ST35.8 steel. 1. ÚVOD Žijeme v době, kdy už prakticky o všem rozhodují peníze. Výjimkou nejsou ani obchodní vztahy při nákupu ocelí pro výstavbu, rekonstrukce a opravy tepelně technických zařízení. Většina dodavatelů je schopna a ochotna k dodávce materiálů připojit všechny možné i nemožné atesty, ovšem za úplatu. Standardně jsou k metráži trubek menších průměrů dodávány pouze materiálové listy pro značku oceli a výsledky mechanických zkoušek ze vzorku. Objednatel tak stojí před problémem, zda se má spokojit s těmito údaji, nebo si objednat a zaplatit další zkoušky. Toto rozhodování je zvláště obtížné při nákupu menších množství materiálu na opravy. V tomto případě tvoří již cena doplňkových atestů nezanedbatelné procento z celkové ceny. Paradoxně je toto rozhodování obtížné i při zajišťování 1

2 velkých investičních akcí, kde součtové délky metráže trubek se pohybují v kilometrech a ekonomický tlak na minimální cenu vede často k nákupu trubek z velkého množství taveb. Výjimkou nejsou ani případy nákupu trubek stejné značky oceli pocházejících od různých výrobců. Podstatné pro rozhodování je i to, že u trubek malých průměrů nebylo historicky zvykem se podrobněji zajímat o jejich strukturu. Příspěvek se snaží ukázat na konkrétním příkladu některé možné problémy, plynoucí z neznalosti stavu struktury trubek. 2. TEPLOSMĚNNÉ TRUBKY V rámci projektu, týkajícího se zmapování možností odhadů zbytkové životnosti částí dlouhodobě provozovaných energetických zařízení vyrobených z uhlíkových ocelí, byly v UJP PRAHA a.s. popisovány strukturní změny ocelí při dlouhodobé teplotní expozici v podcreepové oblasti. Uhlíkové svařitelné žárupevné oceli jsou používány pro komponenty parních kotlů, jejichž provozní teplota nepřesáhne cca 400 C. Jsou to především výparníkové trubky, propojovací vodní a parní potrubí pro sytou páru, komory výparníkových stěn a parních sběračů, hady a závěsné trubky systémů EKO, kotlové bubny apod. Pro potrubní systémy byly u nás nejčastěji používány oceli jakosti 12021, podle ČSN. Uhlíkové žárupevné oceli jsou z pohledu strukturní skladby minimálně dvousložkové. Obsahují v ideálním případě ještě lamelární nebo globulární perlit nebo horní bainit, případně jejich směs. Lamelární perlit není z hlediska strukturní stability zcela rovnovážnou strukturou. Při dlouhodobém působní dostatečně vysoké teploty se mohou jeho lamely vlivem povrchového napětí sbalovat do kulovitého tvaru - sferoidizovat. Při dodržování správných provozních podmínek je tento proces pozvolný, dlouhodobý a perlitické lamelární kolonie globularizují. Tento jev je doprovázen poklesem tvrdosti. Tyto jednoznačně definovatelné změny mohou sloužit k odhadům zbytkové životnosti, přičemž úplná globularizace perlitu je obvykle signálem pro přípravu výměn z pohledu dožití, protože další fází změn je koagulace. Jemné globule cementitu se zvětšují a roste jejich vzájemná mezičásticová vzdálenost. Tento jev je doprovázen dalším poklesem pevnostních vlastností a markantním poklesem tvrdosti. Postupně dochází ke ztrátě rozhraní mezi perlitickými útvary a feritem a ke značnému rozptylu rozpadových produktů. Ocel, která prošla tímto degradačním procesem je zpravidla z hlediska mechanických vlastností již hluboko pod dolní hranicí normou předepsaných pevnostních hodnot. 3. VÝPARNÍKOVÉ TRUBKY Z KOTLE RK9 V MONDI ŠTĚTÍ Při rekonstrukci tohoto kotle jsme odebrali vzorek, neboť podle informace provozovatele doložené písemným podkladem byla k dispozici i jedna trubka z doby výstavby, tj. z roku 1972, která byla řádně označena a uložena ve skladu jako rezerva na případné opravy. Jednalo se o trubky φ64 x 5mm z materiálu ST35.8, který je složením a vlastnostmi prakticky totožný s ocelí Vzhledem k tomu, že doba teplotní expozice dosáhla ke dni odběru hodnotu větší než provozních hodin, byl předpoklad, že bude možné ověřit postupy hodnocení degradace, založené na změnách struktury. 3.1 Ocel exponované trubky Stručný popis materiálu z exponované trubky provedený na základě světelné metalografie je následující: 2

3 Ocel exponované trubky obsahuje co do metalurgické čistoty ve větším množství drobné oxidické a sulfidické vměstky, často v komplexní formě. Mikrostruktura je rekrystalizovaná, feriticko-perlitická. Feritické zrno je velikostně rovnoměrné v rámci třídy č. 7,5 podle normy ČSN EN ISO 643. Perlit je jemný převážně lamelární. Částečně je zachována řádková orientace ve směru podélné osy trubky. Vnější povrch na straně spalin je pokryt souvislou vrstvičkou do tloušťky 50 µm. Částečné oduhličení vnějšího povrchu dosahuje hloubky cca 180 µm po celém obvodu trubky. Pro vnitřní povrch jsou charakteristickým jevem četné korozní důlky nepřesahující však hloubku cca 70 µm. Magnetitová vrstvička na vnitřním povrchu varné trubky má tloušťku cca 10 µm. 3.2 Ocel neexponované trubky Stručný popis materiálu z neexponované trubky provedený na základě světelné metalografie je následující: Ocel rezervní neexponované trubky obsahuje z pohledu metalurgické čistoty drobné sulfidické vměstky. Mikrostrukturu tvoří jemné, ale velikostně heterogenní zrno feritu spolu s převážně globulárním perlitem. Ferit obsahuje též značné množství drobného precipitátu. Velikost feritického zrna je č. 10 s ojedinělými hrubšími zrny až do velikosti č. 8. Částečné oduhličení vnějšího povrchu zasahující do hloubky cca 150 µm je doprovázeno výrazným selektivním zhrubnutím feritických zrn až na velikost č. 5. Na vnitřním povrchu je patrná povrchová deformace struktury. 3.3 Porovnání obou stavů Již výše uvedený popis ukazuje na značné strukturní rozdíly. Na obrázcích 1 a 2 jsou ukázky struktury obou trubek ve shodném zvětšení 160x. Přestože obě trubky podle dokladů pocházejí ze stejné dodávky, jedná se bezpečně minimálně o různé tavby. Struktura ve větším zvětšení (v našem případě 1600x, viz. obr. 3 a 4) dokládá dva podstatné údaje. Protože u exponované trubky se perlit vyskytuje převážně ve formě lamelární, můžeme tvrdit, že provozní teplota výparníku nebyla dostatečně vysoká, aby došlo k jeho globularizaci, tj. ke změně na jejímž hodnocení je postaven model stanovení čerpání životnosti na základě strukturních změn. Naopak převážně globulární forma perlitu a vyšší stupeň precipitace u nepoužité trubky, která by ukazovala na značný stupeň vyčerpání životnosti provozem dokládá, že pro strukturní změny u méně tepelně namáhaných částí bývají často rozhodující tepelné pochody při výrobě a následném tepelném zpracování u výrobce. 3

4 Obr. 1. Exponovaná výparníková trubka, strana spalin vnější povrch (vyznačena tloušťka povrchové vrstvy a hloubka částečného oduhličení) Fig. 1. As-exposed evaporator tube, combustion side - outer surface (surface layer and partial decarburised layer marked) Obr. 2. Nexponovaná výparníková trubka vnější povrch (vyznačena hloubka částečného odhličení a zhrubnutí feritického zrna) Fig. 2. Virgin evaporator tube outer surface (partial decarburised layer and coarsed ferrite grains marked) 4

5 Obr. 3. Exponovaná trubka, strana spalin mikrostruktura (zvětšeno 1600x) Fig. 3. As-exposed tube, combustion side microstructure (magnification 1600x) Obr. 4. Nexponovaná trubka mikrostruktura (zvětšeno 1600x) Fig. 4. Virgin tube microstructure (magnification 1600x) 4. ZÁVĚR Uvedený konkrétní příklad ukazuje, že ani mnohaleté skladování svědečného vzorku nemusí přinést očekávaný přínos, pokud u nového materiálu, který je složen z řady taveb nebyla zmapována vstupní 5

6 struktura. Splnění minimálních normových hodnot mechanických vlastností, které byly i v námi uvedeném případu dodavatelem garantovány, neposkytlo žádnou informaci o tom, že v souboru jsou strukturně velmi odlišné trubky. Tímto zjištěním se zpětně dají vysvětlit některé atypické poruchy teplosměnných systémů. Příspěvek vnikl v rámci řešení programu IMPULS MPO ČR, číslo FI-IM4/049, Pravděpodobnostní řešení materiálové životnosti a spolehlivosti provozu malých a středních energetických zařízení. 6