68 Materials Structure, vol. 12, number 2 (2005) Mo ni to ring de gra dati on of power plants by x-ray diffracti on SLEDOVÁNÍ DEGRADACE ENERGETICKÝCH ZAØÍZENÍ POMOCÍ RTG DIFRAKCE J. Fiala 1,V. Men tl 2, M. Ko le ga 1, S. Nì me èek 1, V. Ko la rik 3, H. Fi e t zek 3, M. Juez-Lorenzo 3, L. Rol 3, I. Mar cel les 4, J. Ascue 4, S. Raza 5, A.Gi mé nez 6, J. M. Ar mes to 6, G. Cal derón 6, J. M. Ji me nez 7, F. Hni li ca 8, L. Bì lov ský 8 1 Zá pa do èes ká uni ver si ta v Plzni, 2 ŠKODA-Výzkum s.r.o., Plzeò, 3 Fraunho fer-in sti tut fûr Che mische Tech no lo gie, Pfinztal, BRD, 4 Tec na tom s.a., San Se bas ti an de los Reyes, Espa ~ na, 5 CINAR Ltd, Lon don, UK, 6 En de sa Ge ne ra ci ón s.a., Com postil la, Pon fer ra da, Espa ~ na, 7 Rep sol YPF, Mós to les, Espa ~ na 8 ÚJP Pra ha Keywords grain-by-grain dif frac tion, ma te ri als deg ra da tion, power plants Abs trakt Azimutální (laterální) profil rtg difrakèních linií obsahuje informace o struktuøe materiálu. Díky tomu se nám podaøilo zjistit proè materiál kotlových trubek po dlouho - do bém provozu v elektrárnách køehne. Abstract Az i muthal (lat eral) pro file of x-ray dif frac tion lines bears in for ma tion on ma te ri als struc ture. By means of this in for - ma tion we man aged to find out why the ma te rial of boiler tubes be comes brit tle af ter a long-last ing ser vice in power plants. 1. Úvod Nìkteré konstrukèní díly energetických zaøízení jsou za provozu vystaveny vysokým teplotám po dobu mnoha let. V dùsledku toho se jejich struktura a vlastnosti pos tupnì mìní [1]. O tìchto zmìnách toho není pøíliš známo. A to není dobøe, nebo zmìny vlastností materiálu, ke kterým dochází bìhem provozu, mohou významnì ovlivnit poruchovost a životnost zaøízení. Potíž je v tom, že doba, po kterou jsou energetická zaøízení provozována (dvacet a více let), je leckdy delší než trvání institucí, jež ta zaøízení spravují. Proto se vìtši nou svìdeèné vzorky nepoužitého materiálu z montáže energe tického zaøízení ztratí a stárnoucí nainstalovaný materiál pak není s èím porovnávat. Nám se podaøilo získat nìkolik vzorkù nepoužitého materiálu, který se zachoval po montáži jedné elektrárny postavené ve Španìlsku pøed 16 lety. Prozkoumali jsme strukturu tìchto vzorkù a jejich mechanické vlastnosti a porovnáním se vzorky odebranými z provozovaného zaøízení jsme získali informaci o zmìnách, ke kterým došlo ve struktuøe a mechanic kých vlastnostech materiálu bìhem šestnáctileté služby v elektrárnì. Tab. 1. Popis a oznaèení analysovaných vzorkù ocel trub ka tlouš ka stì ny trub ky [mm] ne použitá trub ka použitá trub ka vzo rek è. vzorek è. doba provozu [hod] teplota [ C] uvnitø trub ky vnì trub ky aus te ni tic ká (17241) 10,7 4 3 140 000 430-470 1250-1300 10,3 8 7 140 000 380-440 1300-1350 fe ri tic ko per li tic ká (15313) 13,7 6 5 56 000 430-470 1250-1300 9,3 10 9 140 000 380-450 1300-1350 Krystalografická spoleènost
J. Fiala a kol. 69 Tab. 2. Me cha nic ké vlast nos ti ana ly so va ných vzor kù: R p0,2 = mez klu zu; R m = pev nost v tahu; A = tažnost; KV = ná ra zo vá prá ce. ne použitá trub ka použitá trub ka ocel vzo rek è. Rp0,2 Rm A [%] KV [J] vzo rek è. Rp0,2 Rm A [%] KV [J] A (17241) FP (15313) 4 286 647 72 288 3 328 686 55 108 8 292 658 71 96 7 276 668 66 59 6 382 524 26 93 5 202 478 34 79 10 387 525 25 235 9 220 500 31 64 2. Mìøení Mìli jsme k disposici vzorky ze dvou typù ocelí bìžnì používaných v energetice: feriticko-perlitické (FP) oceli obsahující 0,15%C, 2%Cr a 1%Mo (ekvivalent ÈSN 15313) a austenitické (A) oceli s 18%Cr, 9%Ni a 1%Mn (což odpovídá složení oceli vyrábìné u nás s oznaèením ÈSN 17241). Od každé té oceli jsme získali vzorky ze dvou kotlových tru bek, jimiž se vede voda a kolem nichž táhnou žhavé plyny z topeništì. Popis a oznaèení vzorkù jsou uvedeny v tab.1. U analysovaných vzorkù jsme zmìøili mechanické vlastnosti a dále jsme zkoumali jejich strukturu svìtelnou mikroskopií a rtg difrakcí. Použili jsme pøi tom difraktometr D8 AXS Bruker, záøení CoK alfa a plošný posiènì citlivý detektor GADDS. 3. Výsledky a diskuse Výsledky mìøení mechanických vlastností jsou shrnuty v tab.2. Z uvedených hodnot je patrné, že po 140.000 hodi - nách exposice provozním podmínkám se podstatnì snížila odolnost obou ocelí vùèi køehkému porušení (vyjádøená hodnotou nárazové práce KV). Pevnost R m se pøíliš nezmìnila a u austenitické oceli je po provozu dokonce vyšší než pøed montáží. Na snímcích mikrostruktury (obr.1-8) je dobøe patrný rozdíl mezi pùvodní strukturou austenitické oceli ve vzorcích 4 a 8, jakož i rozdíl mezi pùvodní strukturou feriticko-perlitické oceli ve vzorcích 6 a 10. Vzorek 8 je jemnozrnnìjši než vzorek 4 a plasticky zdeformovaný, zatímco struktura vzorku 4 nejeví žádné stopy deformace; to odpo vídá tomu, že nárazová práce vzorku 4 je mnohem vìtší než ná razová práce vzorku 8. Obdobnì i mikro - struktura vzorku 6 má menší zrno než mikrostruktura vzorku 10. Stav plastické deformace však není na snímcích mikrostruktury vzorkù 6 a 10 patrný. Proè je nárazová práce KV vzorku 6 mnohem menší než KV vzorku 10 nelze tedy z mikrostruktury tìchto dvou vzorkù, jak se jeví ve svìtelném mikroskopu, vysvìtlit. Na snímcích mikro - struktury není také vidìt nic, co by vysvìtlovalo výrazné zhoršení odolnosti obou sledovaných ocelí vùèi køehkému porušení po 140.000 hodinách provozní exploatace. To objasòuje až rtg difrakce (obr.9-16). Na rentge no - gra mech jsou patrné difrakèní stopy od jednotlivých krystalkù (pøesnì vzato mosaikových blokù [2, 3]), z èehož lze odhad nout jejich velikost. Velikost blokù má zásadní význam pro mechanické vlastnosti oceli, nebo urèuje volnou dráhu dislo kací, jež pøi pohybu v rámci jednoho mosaikového bloku (jedné difrakènì koherentní oblasti) pøekonávají pouze Peierls- Nabarrovo napìtí. Porovnání obr. 9-10, 11-12 a 15-16 ukazuje, že po 140.000 hodinách provozu došlo k desintegraci mosaiko vých blokù. Zatímco by se dalo èekat, že dlouhodobým žíháním struktura zre - krys talisuje a zhrubne, ve skuteènosti se zjemnila. To vysvìt luje proè pevnost exploatací vpodstatì nekle sla, nìkdy dokonce stoupla. Ostré reflexe materiálu v panen - ském stavu (obr. 9 nebo 15) se po provozu stanou rozmazané, difusní (viz obr. 10 a 16), což svìdèí o elas - tické defor maci a tedy pnutích [4], jež zpùsobí zkøeh nutí po 140.000 hodinách exploatace. Pnutí mohla vznik nout za provozu tepelnou únavou v dùsledku opakovaných zmìn teploty kotlové trubky [5] nebo hromadìním para - krystalických distorsí pøi rekrystali saci [6]. Také reflexe na difraktogramu vzorku 6 jsou difusní, zatímco na difrak - togramu vzorku 10 nalézáme reflexe ostøe ohra nièené, což dokazuje pøítomnost pnutí ve vzorku 6 a vysvìt luje tak, proè je tento vzorek mnohem køehèí než vzorek 10. 4. Závìr Dlouhodobou vysokoteplotní exploatací dochází v expo - novaných konstrukèních dílech energetických zaøízení k rozpadu mosaikové struktury a hromadìní pnutí, èímž materiál køehne. Tyto procesy je možno dobøe sledovat rtg difrakcí, zatímco svì telná mikroskopie není pro tento úèel dostateènì citlivá. Po dì ko vá ní Tento èlánek vznikl za finanèního pøispìní Ministerstva školství, mládeže a tìlovýchovy v rámci projektu výzkumu a vývoje LNOOB084. Literatura 1. V.Men tl, F.Hni li ca, S.Nì me èek, R.Med lín, J.Fi a la, NDT Wel ding Bul le tin 13 (2003) 21-30. 2. J.Fiala, I.Schindler, R.Foret, S.Nìmeèek, Strojnícky èasopis 53 (2002) 1-23. Krystalografická spoleènost
70 SLEDOVÁNÍ DEGRADACE ENERGETICKÝCH ZAØÍZENÍ POMOCÍ RTG DIFRAKCE 3. J. Fiala, S. Nìmeèek, Advances in X-ray Analysis 44 (2001) 24-31. 4. J. Fiala, R. Medlín, S. Nìmeèek, NDT World Review 19 (2003), no.1, 54-55. 5. A. Puškár, Medzné stavy materiálov a súèastí, Veda, Bratislava 1989. 6. J. Kasl, J. Fiala, P. Zuna, Materials Structure in Chemistry, Biology, Physics and Technology 9 (2002), no.2, 94-98. Obr. 1. Mikrostruktura vzorku 4. Obr. 2. Mikrostruktura vzorku 3. Obr. 3. Mikrostruktura vzorku 8. Ó Krystalografická spoleènost
J. Fiala a kol. Obr. 4. Mikrostruktura vzorku 7. Obr. 5. Mikrostruktura vzorku 6. Obr. 6. Mikrostruktura vzorku 5. Obr. 7. Mikrostruktura vzorku 10. Ó Krystalografická spoleènost 71
72 SLEDOVÁNÍ DEGRADACE ENERGETICKÝCH ZAØÍZENÍ POMOCÍ RTG DIFRAKCE Obr. 10. Rtg difraktogram vzorku 3: reflexe (111) a (200) Obr. 8. Mikrostruktura vzorku 9. Obr. 11. Rtg difraktogram vzorku 8: reflexe (111) a (200) Obr. 9. Rtg difraktogram vzorku 4: reflexe (111) a (200) Obr. 12. Rtg difraktogram vzorku 7: reflexe (111) a (200) Ó Krystalografická spoleènost
J. Fiala a kol. 73 Obr. 13. Rtg difraktogram vzorku 6: reflexe (110) a (200) feritu. Obr. 15. Rtg difraktogram vzorku 10: reflexe (110) a (200) feritu. Obr. 14. Rtg difraktogram vzorku 5: reflexe (110) a (200) feritu. Obr. 16. Rtg difraktogram vzorku 9: reflexe (110) a (200) feritu. Krystalografická spoleènost