RIZIKA ODHADŮ OMEZENÍ ŽIVOTNOSTI PODLE STŘEDNÍCH HODNOT LINEÁRNÍ KOROZNÍ RYCHLOSTI RISK IN LIFETIME ASSESSMENT BASED ON MEAN VALUES OF LINEAR CORROSION RATE Abstrakt Jindřich DOUDA, Ladislav HORVÁTH, Jaromír SHEJBAL UJP PRAHA a. s., Nad Kamínkou 1345, 156 10 Praha - Zbraslav, Česká republika, douda@ujp.cz Jedním z kritérií potřebných pro kvalifikovaný odhad zbytkové životnosti uzlů technologického zařízení je střední hodnota lineární korozní rychlosti pro danou ocel a dané provozní podmínky. Příspěvek se zabývá možnými riziky použití tohoto parametru pro stanovení aktuálního technického stavu posuzovaného zařízení, např. energetického kotle. Abstract One of necessary criteria required for qualified residual lifetime assessment of any technological node in power industry is a mean value of linear corrosion rate, which is unique for both all steels and specific service conditions. Our paper deals with possible risks connected with a usage of this criterion in assessment of an actual state of examined technological facility like a power boiler. 1. ÚVOD Jsme-li postaveni před úkol provést kvalifikovaný odhad zbytkové životnosti uzlů energetického kotle, musíme zvažovat možné působení celé řady poškozovacích mechanismů. Rozhodující většina historických energetických zařízení v bývalém Československu byla navržena podle ČSN (potrubí, kotle, tlakové nádoby stabilní), což byly výpočtové kódy na svoji dobu velmi pokrokové a plně odpovídající předním světovým výpočtovým kódům. K vyhrazeným zařízením byly vypracovány passporty, které obvykle obsahují minimální přípustnou tloušťku stěny jednotlivých částí zařízení. Protože se jedná o snadno kontrolovatelný údaj, vžila se praxe, kdy je kontrola tloušťky stěny považována za základní kritérium zbytkové životnosti. Určité zlepšení tohoto přístupu spočívá v tom, že jsou na zařízení vyznačena měřicí místa a měření se provádí periodicky. Výhodou je, že se po čase získají alespoň údaje o rychlosti úbytku tloušťky stěny. Tento údaj je podle pracovních podmínek v dané oblasti možno přiřadit k rozhodujícímu poškozovacímu mechanismu. Například u přestupních ploch ekonomizérů, kde hlavním poškozovacím mechanismem je abraze tuhými částmi z vnějšího povrchu je možné získat představu o vazbě spalovaného uhlí na velikost abraze. U ostatních částí přestupních ploch, které pracují v podcreepové oblasti je tak možné získat informace o lineární korozní rychlosti. Postupy, založené na pouhém měření tlouštěk stěn nepřinášejí ovšem vstupní informace o dalších možných významných poškozovacích dějích u teplosměnných ploch, pracujících v podcreepové oblasti. Variabilita možných korozních dějů, interakce s dalšími poškozovacími mechanismy, jako například korozní únava při interakci napětí a koroze, nebo problémy s chemií napájecí vody, se již nedá laicky posoudit a i specializovaná pracoviště obvykle požadují odběr vzorků z tlakového systému. 2. POŠKOZOVACÍ MECHANISMY Z provedených a mnohokrát opakovaných rozborů vyplynulo, že životnost trubek teplosměnných systémů kotlů je ovlivněna těmito základními degradačními ději:
ztrátou tloušťky stěny v důsledku mechanického poškození. Zde se jedná převážně o abrazi. Nejedná se obvykle o poškození plošné na celém povrchu, ale lokální. Nalezení míst s abrazí je podmíněno znalostí konstrukce zařízení a obvykle i provozními zkušenostmi. povrchovým poškozením vnějšího povrchu korozí povrchovým poškozením vnitřního povrchu korozí povrchovými změnami struktury materiálu v důsledku působení difúzních dějů, změnami struktury vyvolanými dlouhodobým účinkem vysoké teploty, vznikem nevratných defektů vyvolaných působením vnějšího napětí, přítomností svarových spojů a jejich odlišného chování při dlouhodobém provozním namáhání. Tyto děje působí pochopitelně souběžně. Oproti tomu životnost komor a kotlových bubnů není obvykle limitována mechanickým poškozením, ani korozními úbytky, ale hlavně vznikem a šířením trhlin a změnami geometrie, vyvolanými dlouhodobým účinkem teploty v kombinaci s napětím, přičemž místa s největší pravděpodobností vzniku defektu jsou v TOO svarových spojů. Během dlouhodobého provozu dochází ke snižování nosného průřezu jednotlivých částí. Pokud uvažujeme teplosměnnou trubku, může se zeslabení týkat jejích lokálních částí, nebo může být zeslabení plošné. Při předpokládaném hodnocení dlouhodobě provozovaných zařízení s vysoce fluktuující obsluhou (v posledních dvaceti letech se tento jev stává pravidlem), není reálné zmapovat lokální zeslabení snad s výjimkou míst zeslabených abrazí, které může zjistit vizuální kontrola. Vizuální kontrola, spojená s měřením tloušťky stěny by měla, alespoň zhruba, zjistit a popsat rozdílné úbytky tloušťky stěny na straně spalin a na straně izolace. Zde zdůrazněná nutnost provádět kontrolní měření tlouštěk přestupních ploch na straně izolace vychází z toho, že u historických zařízení se často používala lehká izolace obsahující postupně se uvolňující, silně korozně působící látky (chlór). Druhým důvodem jsou pro malá energetická zařízení charakteristické četné odstávky do studeného stavu a velmi špatný stav stavební části kotelen. U zařízení dochází velmi často nejen ke kondenzaci vzdušné vlhkosti, ale i k masivnímu zatékání do izolace. Posouzení korozního napadení vnějších povrchů by mělo kvantitativně stanovit váhu lokálních napadení. Pro orientační odhady (pokud nejsou k dispozici žádné přesnější údaje) je možné použít velikost korozní rychlosti 0,1 až 0,2 mm.rok -1 pro části pracující v podcreepové oblasti. U vyšších teplot mohou být úbytky podstatně vyšší (necelistvá vrstva a odlupování), jak ukazuje například [1]. Posouzení korozního napadení vnitřních povrchů není jednoduchými nedestruktivními postupy možné. Tam, kde není možné odebrat vzorky lze zvolit následující postup. Pokud je u zařízení k dispozici přehled o výměnách částí teplosměnného zařízení z důvodu přehřátí trubky, je možné z četnosti usuzovat na stav úpravy vody. Pokud je prokazatelně doloženo, že k těmto problémům během provozu nedošlo, je možné předpokládat, že napájecí i kotlová voda se pohybovala během provozu v rozmezí kvality předepsané ČSN 07 7403 Voda a pára pro tepelná energetická zařízení s pracovním tlakem 8 MPa a vyšším (případně podle ČSN 07 7401 Voda a pára pro tepelná energetická zařízení s pracovními tlaky páry do 8 MPa ). Proniknutí organických látek do tlakového systému (ať již při úpravě napájecí vody, nebo během odstávek a oprav), přítomnost koloidních forem železa a mědi, nebo koloidních anorganických látek vede ke zvyšováni tepelného odporu na tepelně zatížených přestupních plochách. Vizuální kontrola geometrie přestupních ploch může potvrdit předpoklad o tom, že zařízení nebylo dlouhodobě provozováno s lokálně přehřátými
částmi přestupního systému. Průvodním jevem lokálních přehřátí jsou obvykle charakteristické trvalé deformace přehřátých částí. V tom případě volíme pro rozvahy o zbytkové životnosti u dlouhodobě provozovaných zařízení tloušťku kysličníkové vrstvy na vnitřních stěnách přestupních ploch výparníku a EKA jako konstantní o tloušťce 0,05 mm.rok -1. Jedná s o tloušťku odvozenou z řady měření na vzorcích odebraných z dlouhodobě provozovaných kotlů (použití nižší hodnoty je vhodné podmiňovat nutností odebrání vzorků). 3. KONKRÉTNÍ PŘÍKLAD V předchozím textu byla provedena řada zobecnění vycházejících z toho, že jednotlivé skupiny malých energetických zařízení pracují při srovnatelných podmínkách provozu i parametrů. V praxi je možné se setkat i s případy, které se od průměru silně liší. Rozhodujícími degradačními vlivy mohou být např. nadměrná koroze, únavové porušování, a to včetně únavy tepelné. Kromě teploty a času hraje v tomto smyslu významnou úlohu druh použitého paliva, konstrukční provedení a způsob provozování. Jako příklad uvádíme konkrétní řešený případ. 3.1 Technické údaje kotle zobrazeného na schématu (viz obr. 1) Parní výkon: 64-160 t/h Palivo: od r. 1973 vysokosirný TTO (S > 2,5 %) do r. 1995 od r. 1995 středněsirný TTO (S < 1 %) Tlak: 9,32 MPa Teplota přehřáté páry: 535 C Rok výroby a zahájení provozu: 1973 3.2 Historie provozu 1973-1988 trvalý provoz 1988-1997 záložní kotel 1998-1999 provoz po dobu rekonstrukce jiného kotle 1999-2009 záložní kotel V posledních 10 letech pracoval kotel po dobu rekonstrukcí jiných kotlů dvakrát po delší dobu, z toho jedenkrát 6 755 hodin a v druhém případě 4 711 hodin. V ostatních letech je v provozu průměrně 600 h/rok, přičemž průměrný počet studených startů v posledních 10 letech je 22. Přitom např. v roce 2000 to bylo 29 studených startů. Celkový počet hodin provozu do konce roku 2009 je ~ 150 000 hodin. 3.3 Výskyt provozních poruch Provozními poruchami tlakového celku se rozumí výskyt jeho netěsností, z nichž významná část byla lokalizována do prostoru tzv. výsypky. Jedná se o nejnižší část spalovací komory, kde výparníkové trubky procházejí keramickou zazdívkou a která je místem častých poruch těsnosti. Vzhledem ke stále se opakujícím poruchám byly varné trubky obnaženy odstraněním zazdívky a byla proměřována tloušťka jejich stěn. Měření tlouštěk tak v této jinak nepřístupné části varných stěn ukázalo, že zbytková tloušťka stěn trubek na řadě míst podkročila hodnotu 2 mm, což je o více než 30 % méně než jmenovitá tloušťka stěny s velikostí všech přídavků rovných nule.
Obr. 1. Schéma kotle Fig. 1. Schematic of the boiler 4. ZÁVĚR Na základě výsledků diagnostických měření bylo přikročeno k rekonstrukci výsypky spalovací komory (náhrada trubek). Obr. 2 ukazuje stav některých z vyměněných trubek, jejichž stěna byla zeslabena korozí vnějšího povrchu často až do úplné perforace. Ukázalo se, že hlavní příčinou koroze vnějšího povrchu varných trubek v místech zazdívky je její sycení korozně agresivním kondenzátem při přerušovaném provozu kotle jako důsledek několika faktorů. Jedná se především o vliv používaného paliva, o způsob provozování kotle a o konstrukční řešení dolní části spalovací komory.
Obr. 2. Korozní napadení zatékajícím kondenzátem s vysokým obsahem síry Fig. 2. Corrosion attack by leaking condensate rich on sulphur Následné provozování kotle při odstávkách závodu v roce 2008 a 2009 proběhlo bez problémů. V současnosti probíhá příprava výstavby nového kotle. Po uvedení nového kotle do provozu bude záložní mazutový kotel zrušen. PODĚKOVÁNÍ 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. LITERATURA [1] KUDRMAN, J. a kol. Vývoj metodik, technologií a zařízení pro hodnocení stavu a rozsahu poškození teplosměnných ploch trubkových kotlů, přehříváků a výměníků tepla. Zpráva projektu FD-K2/22. [Výzkumná zpráva UJP 1112] UJP PRAHA a.s. : Praha, 2003, 96 s. [2] DOUDA, J. Diagnostika tlakového systému kotle K10. [Technická zpráva T279] UJP PRAHA a.s. : Praha, říjen 2004, 23 s. [3] DOUDA, J. Diagnostika tlakového systému kotle K10. [Technická zpráva T290 část I a část II] UJP PRAHA a.s. : Praha, únor 2005, 34 s.