DEGRADACE MATERIÁLOVÝCH VLASTNOSTÍ OCELI 15 128 A PŘÍČINY VZNIKU TRHLIN VYSOKOTLAKÝCH PAROVODŮ Josef ČMAKAL, Jiří KUDRMAN, Ondřej BIELAK * ), Richard Regazzo ** ) UJP PRAHA a.s., * ) BiSAFE s.r.o., ** ) R+RNDT s.r.o. Práce byla zaměřena na sledování stupně provozní degradace oceli 15 128. V průběhu prací byly zjištěny lokální změny materiálových vlastností a to jak na dílech odebraných z dlouhodobě provozovaného vysokotlakého parního potrubí, tak i na dílech odebraných z přehříváků. Při řešení konkrétních příkladů provozního poškození byly detekovány na jednotlivých dílech lokální změny materiálových vlastností a byly lokalizovány oblasti vzniku počátečních stadií mikrotrhlin, ještě před rozšířením magistrálních trhlin. Obecně platí, že degradace oceli za vysokých teplot je vyvolána strukturními změnami, tj. globularizací a hrubnutím karbidických částic. Kinetika těchto změn a s tím i souvisejících změn mechanických vlastností je tedy funkcí teploty a doby jejího účinku. Klíčová slova: degradace materiálových vlastností, ocel 15 128, poškozování, vznik trhlin, creepové poškození. 1. ÚVOD V posledním období jsme se zabývali zjištěním příčin porušení některých částí energetických zařízení, jako jsou parovody a přehřívákové trubky. Jednalo se o díly vyrobené z oceli ČSN 415128. Tyto díly byly provozovány za teplot až 535 C a tlaku až 10 MPa. U jednoho z kontrolovaných kotlů byl v prostoru teploměrné jímky zjištěn únik média. Při defektoskopické kontrole [1] (kontroly byly provedeny podle předpisu AD-MERKBLATT HP 5/3) byla na jednom svaru zjištěna jedna nepřípustná vada (trhlina skrz celou stěnu potrubí), ostatní vady byly přípustné. Svar dále označujeme jako svar č. 1. Při zpřísněné registrační úrovni, kdy registrovaná úroveň byla zvýšena o 9 db (zvýšení bylo z důvodu, aby byly registrovány vady, které jsou podle AD-MERKBLATT HP 5/3 přípustné), byly v hloubkovém rozsahu 6 až 12 mm pod vnějším povrchem zjištěny oblasti vad ještě u dalšího svaru. Tento svar dále označujeme jako svar č. 2. Z obou svarů byly vyříznuty prstence o délce cca 250 mm se svarovým spojem uprostřed. Oblasti svarů byly opakovaně podrobeny defektoskopické kontrole. U prvního svaru byla potvrzena nepřípustná vady - trhlina přes celou stěnu potrubí, u druhého svaru byla zjištěna vada pouze při zpřísněné registrační úrovni a to do hloubky max. 8,6 mm. Potom byla na tomto prstenci provedena tlaková zkouška. Po tlakové zkoušce byla změřena sondou povrchových vln maximální hloubka vady 9,1 mm. Měření proběhlo opět při zpřísněné registrační úrovni.
MIKROSTRUKRURA OCELI Prstence byly předány k dalšímu posouzení. Z prstenců byly vyříznuty další díly a z nich připraveny vzorky pro jednotlivé expertízy. Cílem provedených prací bylo určení mechanizmu vzniku a šíření zjištěných trhlin a stanovení možných příčin havárie vysokotlakého parního potrubí. Nejprve byla zmapována nalezená trhlina a výsledky byly porovnány s údaji ultrazvukových defektoskopických kontrol. U svaru se skrytou trhlinou byly nalezeny pouze mělké povrchové trhliny. Oblast detekované vady pak byla z větší části pásem částečně propojených kavit a klínových trhlin vzniklých creepovým poškozením. Mikrostruktura oceli trubek byla feriticko-karbidická s karbidy vyloučenými rovnoměrně uvnitř a na hranicích zrn. Karbidy na hranicích byly podstatně hrubší. Ve svařováním tepelně ovlivněné oblasti oceli trubek byla mikrostruktura jemnozrnná, rovněž feriticko-karbidická. Feriticko-karbidická struktura svarového kovu byla velmi jemnozrnná, původní deskovitá morfologie feritu byla dlouhodobým účinkem teploty z větší části smazána. V oblasti krycí housenky zůstaly pouze slabě patrné zbytky původní výrazně deskovité struktury. U sledovaných vzorků byla také měřena velikost feritického zrna. Měření bylo provedeno metodou počítání zrn podle ČSN 420462. Na každém vzorku bylo měřeno minimálně 10 míst. K měření byla využita výše popsaná automatická analýze obrazu pomocí software LUCIE. Jako orientační hodnota byla měřena tloušťka a šířka desek u svarového kovu v oblasti krycí housenky. Výsledné hodnoty uváděné v tabulce 1 jsou aritmetickým průměrem měřených hodnot. Naměřené hodnoty svědčí o velmi jemnozrnné struktuře ve všech hodnocených oblastech. Tab. 1. Naměřené hodnoty velikosti zrna u vzorků odebraných ze svaru s průchozí trhlinou, svar č. 1, a ze svaru č. 2 Velikost zrna Označení strana trhliny svarový kov opačná strana spoje vzorku ocel trubky D tepelně ovlivněná oblast D b x h tepelně ovlivněná oblast ocel trubky D D D S1-4 0,041 0,021 0,014 0,009x0,05 0,018 0,028 5 S1 6 0,044 0,027 0,016 0,010x0,04 0,021 0,035 7 S1 7 0,038 0,023 0,012 0,009x0,05 0,016 0,026 9 S2 P1 0,048 0,025 0,013 nezjištěno 0,019 0,054 S2 P2 0,052 0,019 0,013 nezjištěno 0,016 0,048 S2 P3 0,040 0,024 0,020 0,012x0,02 9 0,016 0,052
S2 P4 0,055 0,019 0,019 0,010x0,03 8 0,022 0,044 3. MORFOLOGIE TRHLINY Svar č. 1 V místě pravděpodobné iniciace trhliny procházela trhlina celou tloušťkou stěny (viz obr. 1). Čelo po obvodu se šířící magistrální trhliny bylo ve vzdálenosti 8 až 12 mm od, tj. zhruba ve středu tloušťky stěny trubky (obr. 2). Trhlina vznikla a šířila se ve svařováním tepelně ovlivněné oblasti zhruba ve vzdálenosti 2 mm od rozhraní oceli trubky se svarovým kovem. Morfologie trhliny byla sledována jak v nenaleptaném tak i v naleptaném stavu. Svar č. 2 U svarového spoje č. 2 byla defektoskopicky indikována vada charakteru trhliny při vnějším trubky (obr. 3). Metalografické pozorování prokázalo v místě indikací pouze mělké nesouvislé povrchové trhlinky zasahující do hloubky 1,24 mm, resp. 1,12 mm. Z detailního rozboru těchto trhlin je dobře patrno, že trhlinky jsou tvořeny soustavou propojených klínových trhlin a kavit (obr. 4). Jde o charakteristickou morfologii creepového porušení (obr. 5). Creepové poškození tvořené shluky jen částečně propojených nebo samostatných kavit a klínových trhlin zasahuje u těchto vzorků do hloubky 5 až 7 mm od trubky. Stupeň propojení defektů se s rostoucí vzdáleností od snižuje. Ve větších vzdálenostech od tvoří kavity řádky na hranicích feritických zrn. U ostatních vzorků nebyly detekovány propojené povrchové trhlinky, shluky částečně propojených kavit a klínových trhlin byly však pozorovány zhruba ve stejném rozsahu. Předchozí pozorování ukázalo, že k iniciaci magistrální trhliny docházelo u tohoto vzorku na vnějším trubky. Sledování trhlinek a dalších defektů při naleptané struktuře plně potvrdilo, že jde o creepové poškození. Ve větších vzdálenostech od je pak dobře patrná tvorba a propojování kavit a klínových trhlin v tepelně ovlivněné oblasti svaru. 4. VÝSLEDKY MĚŘENÍ MECHANICKÝCH VLASTNOSTÍ U dvou vzorků vyrobených se zkušební částí přes svarový kov u svarového spoje č. 1 a jednoho vzorku ze spoje č. 2 byla měřena pevnost v tahu. Všechny vzorky se porušily ve svařováním tepelně ovlivněné oblasti na straně svaru s trhlinou. Je tedy zřejmé, že lom vznikal a šířil se v pevnostně nejslabším místě svaru. Výsledky zkoušek jsou uvedeny v tabulce 2. Hodnota meze kluzu svarového kovu byla odečtena ze zlomu křivky na tahovém diagramu.
Tab. 2. Výsledky zkoušek pevnosti v tahu Označení vzorku Mez kluzu tepelně ovlivněné oblasti R p02 [MPa] Mez kluzu svarového kovu R p02 [MPa] Mez pevnosti tepelně ovlivněné oblasti R m [MPa] S1 95 300 350 495 S1 96 293 348 491 S2 PIS 306-516 Dále byly připraveny čtyři vzorky, odebrané ze svarového spoje č. 1, pro stanovení vrubové houževnatosti. Byla zjištěna příznivá hodnota na úrovni 200 J/cm 2. U vzorků č. 91 a 92 odebraných ze spoje č. 1 a vzorku P2 odebraného ze spoje č. 2 byly měřeny průběhy tvrdosti přes svarový kov. Měření bylo provedeno ve vzdálenosti 1 mm od (ho) ve středu tloušťky stěny (s) a 1 mm od vnitřní stěny trubky (hg). Výsledky měření jsou uvedeny v tabulce 3. Tvrdosti odpovídají použité oceli a nevykazují žádné extrémní hodnoty. Svařováním tepelně ovlivněná oblast, kde došlo ke vzniku a šíření trhliny, vykazuje systematicky nižší tvrdost (hodnoty v tabulce jsou zvýrazněny). Tab. 3. Výsledky měření průběhu tvrdosti HV 10 přes svarový spoj Pořadov é číslo Měřené místo Vzorek 91 Vzorek 92 Vzorek P2 měření spoje ho s hg ho s hg ho hg 1 ocel 156 161 165 157 161 157 142 142 2 trubky 156 157 154 163 141 143 3 159 157 154 160 139 143 4 tepelně 219 232 193 197 233 233 180 181 5 ovlivněn 202 161 209 233 210 181 6 á oblast 212 165 182 232 206 173 7 svarový 206 215 221 243 221 213 178 171 8 kov 206 177 176 227 209 219 129 206 9 199 168 153 201 189 193 172 177 10 tepelně 153 138 149 191 191 179 178 160 11 ovlivněn 155 140 140 164 196 187 155 150 12 á oblast 144 136 150 167 185 198 150 150 13 ocel 138 142 148 142 160 147 141 136 14 trubky 143 136 149 145 138 15 146 146 148 137 132
5. MĚŘENÍ TLOUŠŤKY OXIDICKÉ VRSTVY Pokud akceptujeme, že tloušťka oxidické na lomové ploše je úměrná době oxidace, můžeme z tloušťky oxidické na lomové ploše stanovit čas vzniku trhliny. Výsledky měření tloušťky oxidických vrstev na lomových ploch jsou uvedeny v následující tabulce č. 4. Tab. 4. Výsledky měření oxidické u svaru S1 Vzorek 61 Vzorek 62 Vzorek 63 Vzorek 91 Tloušťka Tloušťka Tloušťka Tloušťka 0,5 0,144 0,8 0,187 0,7 0,050 0,8 0,110 2,2 0,116 1,8 0,122 3,4 0,053 1,6 0,105 3,4 0,063 3,0 0,141 4,6 0,088 3,0 0,090 5,6 0,005 4,4 0,114 6,0 0,068 4,2 0,045 8,2 0,110 5,8 0,087 7,2 0,055 5,4 0,060 9,0 0,091 6,8 0,123 9,2 0,060 8,0 0,100 10,4 0,044 8,0 0,084 10,6 0,062 8,8 0,090 11,8 0,042 9,6 0,105 11,6 0,047 10,4 0,080 13,2 0,056 10,8 0,108 12,8 0,059 11,6 0,060 14,2 0,079 11,04 0,093 14,0 0,054 13,0 0,050 15,2 0,081 12,8 0,110 15,8 0,047 13,6 0,040 17,0 0,071 14,4 0,099 17,2 0,032 15,4 0,036 19,8 0,115 15,6 0,094 16,4 0,057 21,6 0,058 16,4 0,091 17,6 0,030 22,6 0,029 18,0 0,071 Možnosti měření tloušťky oxidické u trhliny ve svarovém spoji č. 2 byly omezeny pouze na mělké trhliny, nalezené u vzorků P2 a P3. Výsledky těchto měření jsou uvedeny v tabulce č. 5. Tab. 5. Výsledky měření tloušťky oxidické na lomových ploch u svarového spoje č. 2 Vzorek P2 Tloušťk a Vzorek P3 Tloušťk a 0,3 0,00176 0,4 0,00096 0,6 0,00133 0,8 0,00077 0,9 0,00089
Výpočet doby šíření trhliny z tloušťky oxidické byl proveden u svarového spoje č. 1. Pro růst tloušťky oxidické platí mocninný vztah. Nejčastěji jsou používány postupy navržené Larsenem [2] nebo Chalengerem a Viningem [3]. Pro prvý postup byl odvozen vztah mezi tloušťkou a dobou oxidace [2]. h = α (D. t) 1/2 kde α je materiálová konstanta (pro ocel 15128 α = 1,25.10-3 ); D je koeficient difúze železa do oxidu; t je doba oxidace. Autoři práce [2] došli k velmi podobnému výpočtovému vztahu: h = e [B/RT]. t 1/2 kde B je materiálová konstanta; R je plynová konstanta; T je teplota v K. Z obou výpočtových vztahů je zřejmé, že tloušťka oxidické je funkcí odmocniny doby oxidace. Lze tedy bez potíží určit z naměřené tloušťky na lomu dobu existence lomové plochy v daném místě, jestliže existuje jeden známý údaj tloušťky pro určitou dobu oxidace. V daném případě je to celková doba provozu a tloušťka oxidické na volném, kde předpokládáme, že oxidace na volném (vnějším) probíhala stejným mechanizmem a ze stejných podmínek jako na lomové ploše. Oba výše uvedené postupy vedou k jedinému vztahu pro určení relativní doby existence lomové plochy: t i / t 0 = (h i / h 0 ) 2, resp., t i = t 0 (h i / h 0 ) 2 kde t i je doba oxidace lomové plochy; t 0 je celková doba provozu; h i je tloušťka oxidické ve sledovaném místě lomové plochy; je tloušťka oxidické na volném vnějším trubky. h 0 Aby bylo možno tento výpočet provést, bylo nutno změřit tloušťku oxidické na vnějším. Naměřené hodnoty na 15 místech jsou uvedeny v tabulce č. 6. Tab. 6. Výsledky měření tloušťky oxidické na volném Naměřené hodnoty 0,365 0,371 0,356 0,347 0,371 0,369 0,348 0,352 0,365 0,353 0,352 0,346 0,372 0,364 0,354 Střední hodnota 0,359
Výsledky provedených analýz jednoznačně prokázaly, že příčinou vzniku trhlin je vysokoteplotní creep ve svařováním tepelně ovlivněné oblasti, tj. v místě nejnižších hodnot mechanických vlastností. Současně bylo zjištěno, že šíření magistrální trhliny předchází vznik poměrně rozsáhlých oblastí lokálního creepového poškození kavitami a klínovými trhlinami, které je detekovatelné běžnými defektoskopickými metodami. Creepové poškození je tedy možno zjistit s dostatečným předstihem, ještě ve stavu, kdy nehrozí perforace stěny trubky. Je proto možno doporučit včasný výpočet kritických míst napjatosti na základě reálného stavu oceli provozovaného potrubí a pravidelné defektoskopické kontroly těchto míst, jako prevenci případně havárie. Poděkování Prezentované výsledky studia degradačních dějů studovaných žárupevných ocelí byly získány v rámci projektů č. FD-K/088 a FDK/22 řešených v programu Konsorcia, dotovaných z prostředků MPO ČR. 7. LITERATURA [1] R. Regazzo, Ultrazvuková kontrola obvodového svaru na výřezu potrubí parovodu, R + R NDT, Zeleneč, říjen 2001. [2] L.H. Larsen, Subcritical Growth Due to Fatigue, Stress Corrosion and Creep, Elsevier, London New York, 19985, p. 483. [3] K.D. Chalenger, P.G. Vining, Trans ASME, 105, 1983, 280.
Obr. 1 Šíření trhliny u svaru 1 Obr. 2 Šíření čela trhliny ve svaru 1 Obr. 3 Povrchová trhlina ve svaru 2 Obr. 4 Propojování kavit na čele trhliny Obr. 5 Čelo trhliny ve svaru 2 Obr. 6 Morfologie creepového porušení