Stanovení životnosti kotlových trubek v tepelných energetických zařízeních
RNDr. Karel HRDINA, Ing. Hana SÝBOVÁ - Ingtest
Materiál kotlových trubek za provozu v tepelných energetických zařízeních podléhá řadě změn. Vlivem teploty a tlaku dochází v materiálu trubek k plastické deformaci, k precipitaci a sferoidizaci karbidů, k zotavování, k rekrystalizaci a k dalším strukturním změnám, které mají značný vliv na rychlost tečení materiálu kotlových trubek.
Rychlost tečení, a tím životnost kotlových trubek za provozu energetických zařízení ovlivňují tři parametry - provozní napětí, vyvolané pracovním tlakem, provozní teplota a čas. Na základě těchto tři provozních parametrů se určuje jakost materiálu kotlových trubek pro provoz energetických zařízení. Jakost kotlových trubek je pak dána hodnotami meze pevnosti sPt/105 a meze tečení sT1%/105.
V ideální situaci, kdy by trubky pracovaly za konstantní teploty a při konstantním napětí, bychom mohli určit jejich životnost relativně přesně. Avšak i za těchto podmínek bychom se opírali o výsledky dlouhodobých zkoušek meze pevnosti a meze tečení na válcových tyčích, tedy zkoušek s jednoosým tahem. Trubky jsou však v provozních podmínkách namáhány víceosým napětím, přičemž napětí v podélném směru je přibližně polovinou napětí v obvodovém směru.
Na rychlost tečení nepříznivě působí i jen krátkodobé přetížení materiálu trubek, které může být vyvoláno zvýšeným provozním tlakem nebo zvýšenou provozní teplotou.
Dosud se stav kotlových trubek, tj. jejich životnost během provozu, posuzuje podle narůstajících plastických deformací a strukturních změn jejich materiálu. Z praxe je však známo, že tato metoda je nepřesná a vede k předčasnému vyřazování kotlových trubek z provozu, i když by mohly být spolehlivě v provozu další dva roky nebo i déle.
Proto jsme si stanovili za cíl najít nové kritérium, jež by přesněji posoudilo stav životnosti kotlových trubek. V elektrárně Nové huti, a. s., Ostrava byly do stropnicové řady přehříváků kotlů č. 3 a č. 7 zabudovány trubky jakosti ČSN 15 123 o průřezu 38 x 5mm. Pracovní podmínky trubek byly: teplota 500 °C, tlak 10 MPa. Ze zabudovaných trubek byly v určitých časových intervalech odebírány vzorky a byly doplněny o vzorky odebrané z přehřívákových trubek kotle č. 2 z míst s různým stupněm plastické deformace a s různou dobou provozu, i z havarovaných trubek. Odebrané vzorky byly podrobeny zkouškám mechanických hodnot, metalografickému rozboru mikrostruktury, rozboru mikrostruktury rentgenografickou strukturní analýzou a relaxačním zkouškám. Stanovení dlouhodobé pevnosti a meze tečení u odebraných vzorků nebylo možné, protože tloušťka stěny trubek neumožňuje vyrobit žádoucí zkušební creepové vzorky. Z výsledků studia mechanických hodnot a měření tvrdosti můžeme u materiálu kotlových trubek konstatovat počáteční rychlé vytvrzování vlivem precipitace karbidů a jeho pozdější pokles, daný tím, že vytvrzovací efekt je rušen sferoidizaci karbidů. Mez pevnosti, mez průtažnosti a tažnost postupně s dobou provozu materiálu kotlových trubek klesají.
Metalografický rozbor odebraných vzorků prokázal, že mikrostruktura materiálu kotlových trubek se v prvních dvou letech provozu obohacuje nově tvořeným precipitátem a množství precipitátu roste. Potom proběhne postupná koagulace perlitického cementitu i precipitátu a nastane fragmentace hranic zrn (popř. i uvnitř zrn), která předchází lomu. Hranice těchto stadií nelze metalografickým šetřením přesně rozpoznat a také fragmentaci hranic zrn lze rozlišit obtížně. Na základě výsledků rozboru provedeného pomocí rentgenových paprsků můžeme konstatovat, že materiál kotlových trubek s vyhovující plastickou deformací má již nevyhovující strukturu a naopak.
Stupeň odporu materiálu proti plastické deformaci můžeme posoudit relaxační zkouškou. Pro relaxační zkoušky byly z odebraných kotlových trubek vyrobeny prstence stálého průřezu s mezerou v ose prstence. Elastické napětí v prstenci bylo vyvozeno zasunutím klínu do mezery prstence. Na základě vztahů z teorie pružnosti a pevnosti byl proveden výpočet napětí ve zkušebním prstenci smax v ose proti mezeře prstence. Při teplotě 500°C byl stanoven podíl smax /smax 0 tak, aby bylo možné graficky zachytit relaxační křivku funkční závislosti smax /smax 0 = f(t), kde smax je počáteční napětí v prstenci a t je zkušební doba.
Tvar a pokles napětí smax /smax 0 zřetelně rozlišily vzorky z trubek s různou dobou používání v provozu.
Relaxační zkoušky ukázaly, že trubky s trvalou plastickou deformací větší než 5 % mohou být pro další provoz vyhovující, a naopak trubky s trvalou deformací 2,5 % mohou být nevyhovující (z hlediska schopnosti vzdorovat plastické deformaci).
K plastickým deformacím kotlových trubek dochází při přetížení energetického zařízení, kdy teplota stěny kotlových trubek je tak vysoká, že materiál trubky je zatížen napětím velmi blízkým mezi tečení, popř. vyšším napětím, než dovoluje mez tečení. Doba trvání těchto extrémů v provozu bývá relativně krátká, ale trubky v takové situaci rychle podléhají trvalé změně deformace, i když struktura jejích materiálu z hlediska tečení zůstává beze změn.
Na základě provedených studií bylo stanoveno pásmo nevyhovujících napětí smax /smax 0, uvedené na obr. 1.
Obr. 1. Relaxační křivky
1 - interval pro stanovení životnosti kotlových trubek v provozu,
2 - relaxační křivka materiálu kotle trubky před zabudováním do energetického zařízeni,
3 - pásmo nevyhovujících napětí smax /smax 0
Například pro materiál ČSN 15 123 nesmí poměr relaxačních napětí smax /smax 0 po dobu 20 hodin při teplotě 500 °C a smax 0 = 190 MPa klesnout pod hodnotu 0,2. Jestliže je relaxační poměr nižší, je nutné materiál kotlových trubek považovat za nevyhovující pro další provoz. Ze stanovených hodnot smax /smax 0 v intervalu 0,2 až 1 lze určit dobu životnosti kotlových trubek v provozu.