DOPAD DIVERZIFIKACE VÝROBY A CENOVÝCH OMEZENÍ NA VÝSKYT ZNÁMÝCH VAD MATERIÁLU

18. ‐ 20. 5. 2010, Rožnov pod Radhoštěm, Česká Republika

DOPAD DIVERZIFIKACE VÝROBY A CENOVÝCH OMEZENÍ NA VÝSKYT ZNÁMÝCH VAD MATERIÁLU IMPACT OF PRODUCTION DIVERSIFICATION AND FINANCIAL LIMITS ON OCCURRENCE OF COMMON DEFECTS IN THE MATERIAL Ladislav HORVÁTH, Jindřich DOUDA, Marie SVOBODOVÁ, Jaromír SHEJBAL UJP PRAHA a.s., Nad Kamínkou 1345, 156 10 Praha – Zbraslav, Česká republika, [email protected] Abstrakt Existuje jen několik málo mechanismů mimo oblast pevnostního a stabilitního návrhu, které mohou vést k velmi rychlé ztrátě integrity relativně nových zařízení. Kromě případů křehkého lomu, který je v našich podmínkách většinou tlumen klimatickými podmínkami a kvalitou standardních ocelí a případně vodíkové křehkosti se jedná hlavně o korozní praskání ocelí. Abstract Out of strength and stability design parameters, there are only some mechanisms leading possibly to a very fast loss of integrity of components in relatively new facilities. Although, a brittle failure (in the Czech Republic, usually eliminated due to the weather conditions and quality of common steels) and hydrogenassisted cracking belong among them, too, the main part of this paper is focused on corrosion cracking in steels. 1.

ÚVOD

Atomizace výroby, které jsme v posledních patnácti letech svědky, s sebou přináší kromě pozitiv i některá rizika. Jedno z rizik je ztráta historické paměti dlouhodobého výrobce. V současnosti uplatňovaná evropskounijní analýza rizik zařízení je pro řadu výrobců pouhý obtěžující administrativní úkon. Jinak to být ani nemůže, protože o vlastní funkci zařízení, jeho interakci s dalšími zařízeními a okolím má velmi často mlhavé představy nejen výrobce, ale i zadavatel výroby a potenciální provozovatel.

Obecně dostupný

konstrukční software má obvykle již tak široký záběr, že se pro uživatele stává neomylnou černou bednou. Oblast pevnostní části návrhu umožňuje postupovat po několika úrovních zjednodušení a s výjimkou hrubých chyb při zadávání jsou výsledky obvykle uspokojivé. V oblasti materiálové je unifikace návrhových postupů výrazně složitější a není ještě zdaleka ukončena ani u té části výrobků, kde se za omyly platí nejvíce, tj. u vyhrazených zařízení. Přitom existuje jen několik málo mechanismů mimo oblast pevnostního a stabilitního návrhu, které mohou vést k velmi rychlé ztrátě integrity relativně nových zařízení. Kromě případů křehkého lomu, který je v našich podmínkách většinou tlumen klimatickými podmínkami a kvalitou standardních ocelí a případně vodíkové křehkosti se jedná hlavně o korozní praskání ocelí. Na první pohled by se mohlo zdát, že problematika korozního praskání je notoricky známá a byla vyřešena v minulém století. Přesto se v poslední době při servisní činnosti setkáváme se zvyšující četností tohoto procesu. V příspěvku se budeme snažit nalézt odpověď na příčinu. V závěru se pokusíme zamyslet nad tím, zda mohou jednotlivá materiálová pracoviště pomoci zvrátit tento vývoj. V [1] byl publikován článek, který se vrací k problematice hromadně vyráběných lodí Liberty. Podmínky válečné výroby vedly tehdy vládu USA k rozhodnutí vyrobit chybějící tonáž pro námořní dopravu. Program 1


umožnil vyrobit mezi roky 1941 až 1945 v šestnácti loděnicích celkem zhruba 2 700 těchto lodí. Je až zarážející, nakolik nese tehdejší válečná výroba společné znaky s poměry panujícími u řady dnešních strojírenských výrobců. Ve stručnosti bych vyjmenoval:

rozhodující slovo v otázkách výroby měli ekonomové

byla snaha vyrábět co nejrychleji

byly používány materiály, které byly právě k dispozici a jejichž cena je nejnižší

byla snaha, aby výrobu mohli provádět pracovníci s co nejnižší kvalifikací

výrobní a technologická dokumentace se během výroby přizpůsobovala výrobním možnostem

byla snaha minimalizovat operace, které jsou časově, nebo cenově náročné

Od roku 1941 do roku 1943 byla praskáním (křehkým lomem) ve velkém rozsahu postižena cca 1/3 vyrobených lodí, z toho u dvaceti došlo k plné destrukci. Nová loď, rozlomená v doku byla i přes omezení, daná válečným stavem, tučným soustem pro tehdejší novináře. Ještě po několik následujících desetiletí byla informace o možnosti „katastrofického“ praskání v povědomí široké veřejnosti. Daná

problematika

byla

intenzivně

řešena a na úrovni technických aplikací i uspokojivě vyřešena.

Stejně tak byly

řešeny i problémy spojené s korozním praskáním. Jako podstatná vada se ovšem ukazuje, že tyto kapitoly z nauky o materiálu byly uzavřeny v době před rozvojem internetu a internet bývá velice často

jediným

používaným

zdrojem

informací u řady výrobců. Dnes

se

informace

popraskaných Obr. 1. Jeden den starý T2 tanker SS Schenectady, rok 1943 Fig. 1. One-day old T2 tanker SS Schenectady, year 1943

o

korozně

výrobcích,

např.

svařencích prakticky nepublikují. Jednak proto,

že

se

jedná

o

problematiku

specializovaným pracovníkům známou a jednak proto, že se metalografové dostávají k těmto případům až obvykle v rámci reklamačních, nebo soudních řízení mezi dodavatelem a odběratelem. Neexistuje statistika, jaký podíl produkce je takto postižen, ale v poslední době se naše pracoviště s touto problematikou setkává čím dál tím častěji, a proto jsme náš příspěvek pojednali spíše jako připomenutí na dvou charakteristických aplikacích.

2.

PŘÍPAD PRVNÍ – LOUHOVÁ NÁDRŽ 50 m3

Jedná se o stojatou válcovou nádobu o průměru 3 020 mm a výšce 7 200 mm s plochými dny, opatřenou ve své spodní části průlezem a o úhel 60 ° pootočeným vlásenkovým trubkovým výměníkem pro ohřev skladované látky. Plášť nádrže je svařovaný z plechů o tloušťce 6 mm. Byla použita ocel S355J2G3. Trubky vlásenek výměníku byly vyrobeny z oceli 11 353.1. Plášť je svařen pod tavidlem. Použitý svařovací drát je 2


OK AUTROD 12.10, výrobce ESAB Vamberk, s.r.o. Další použitý svařovací materiál, použitý na výrobu nádrže, je OK AristoRod12.50. Oba svařovací materiály jsou vhodné ke svařování uhlíkových ocelí. Nádrž je podle osvědčení o jakosti a komplexnosti výrobku určena pro pracovní látku NaOH bez omezení koncentrace a je vyrobena jako netlaková. Trubkový výměník je určen pro ohřívání NaOH bez uvedení koncentrace. Uvnitř trubek je jako zdroj tepla určena pára o nejvyšším dovoleném tlaku 1,6 MPa, nejnižším dovoleném tlaku 0 MPa, nejnižší dovolené teplotě 0 °C, nejvyšší dovolené teplotě 200 °C a zkušebním tlaku 2,3 MPa. Štítkové hodnoty nádrže (viz. obr. 2) se shodují s osvědčením s tím, že je zde omezena teplota NaOH na 100 °C. Při prvním stáčení NaOH z železniční cisterny bylo v souladu s návodem k obsluze na stáčení chemikálií na CHÚV provedeno předehřátí obsahu železniční cisterny parou 1,6 MPa napojenou na topný systém cisterny. Po ohřátí obsahu (NaOH) bylo přistoupeno k přečerpávání do nádrže. Po začátku přečerpávání byl zprovozněn i topný vlásenkový výměník v nádrži. Při naplnění Obr. 2. Štítek nádrže Fig. 2. Plate on lye storage tank

více než 2/3 nádrže bylo obsluhou stáčení zjištěno pronikání cizí látky na povrch izolace. Stáčení bylo přerušeno. Po sejmutí izolace byla zkonstatována mnohočetná ztráta

integrity pláště nádoby ve svarových spojích. Obsah nádrže byl přepuštěn do sousední shodné nádrže a stáčení bylo ukončeno. Mnohačetná ztráta integrity pláště nádrže je patrná z následujících dvou obrázků (obr. 3). Po prohlídce dokumentace a stavu na místě bylo jako nejpravděpodobnější důvod vzniku trhlin stanoveno korozní praskání. Důvodem byla jednak rychlost, s jakou se mnohačetné defekty projevily, jednak jejich lokalizace ve svarových spojích. Charakter, orientace a četnost odpovídají koroznímu praskání. Řada trhlin v obvodových svarech a tepelně ovlivněné oblasti je přímo viditelná jak z vnějšku nádoby (viz. obr. 4), tak zevnitř. Příčina ztráty integrity byla stanovena a následně potvrzena jednoznačně. Přitom „sodný louh“ je jednou z nejstarších průmyslově vyráběných a skladovaných chemikálií. Oblast použitelnosti uhlíkové oceli v NaOH je omezena právě nebezpečím výskytu korozního praskání a nikoli izočárou korozní rychlosti. V řadě korozních

sborníků

existují

přímo

diagramy,

které

více,

nebo

méně

konzervativně

stanovují

pravděpodobnost vzniku korozního praskání v závislosti na koncentraci a teplotě NaOH. Na stejném místě jsou uvedena i doporučení na snížení zbytkového napětí ve svarových spojích u těchto zařízení. Přes tyto „obecně známé“ skutečnosti proběhla výroba a montáž těchto nádrží, kde byly uplatněny všechny tři učebnicové podmínky pro vznik korozního praskání (tahové napětí, vyšší teplota a styk s NaOH).

3


Obr. 3. Stav pláště nádrže po prvním napuštění skladované látky Fig. 3. Storage tank shell after first filling with storage liquid

Obr. 4. Pohled na vnější obvodový svar Fig. 4. View from outside on circumferential weld

4


3.

PŘÍPAD

DRUHÝ

ČPAVKU 1 000 m

–

ZÁSOBNÍKY

3

V prvním případě jsme se zabývali skladováním naprosto běžné chemikálie, jakou sodný louh bezesporu je. I v tomto druhém případě se přidržíme běžné chemikálie a tou je bezvodý kapalný čpavek (NH3). Opět se jedná o chemikálii, která je skladována v řadě chemických provozů po celé republice. U těchto nádrží by ztráta integrity

vedla

k úniku

par

do

ovzduší

v koncentracích přímo ohrožujících život. Proto je jim v celém světě věnována značná pozornost již

Obr. 5. Zásobník na čpavek

zhruba od padesátých let minulého století [2]. U

Fig. 5. Ammonia storage tank

nás je výrobcem velkých skladovacích nádrží společnost Vítkovice, která se této problematice

věnuje zejména u ocelí 11 418 a 11 503, včetně omezení vzniku korozního praskání u nově budovaných zásobníků anodickým nástřikem povrchu zinkem. Jako druhý příklad jsme tak zvolili korozní praskání 1 000m3 kulových zásobníků (obr. 5). Při životnosti zásobníků dvacet a více let je většina provozovaných zásobníků bez vnitřní povrchové ochrany. U těchto zásobníků se při pravidelných kontrolách objevují drobné trhlinky, které jsou obvykle vybrušovány (obr. 6). V řadě případů dochází v místech s odstraněnými trhlinami k jejich opětovnému vzniku (jedná se o tepelně ovlivněnou oblast svarů v místech s vysokou základní hodnotou membránového napětí, ke které se načítají například napětí od přídavného ohybu v místě nohou, nebo od geometrických imperfekcí jako jsou například střechovitosti). V případě, že již dojde k propojování jednotlivých trhlin je další provoz i při kontinuální kontrole akustickou emisí velmi problematický (obr. 7). Obr. 6. Drobné mnohačetné defekty typu trhlina Fig. 6. Numerous small defects – crack type

V tomto

případě

se

jedná

o

kompromis

mezi

požadovanými

mechanickými vlastnostmi oceli a cenou s kalkulací ještě přijatelného rizika, o kterém výrobce ví a snaží se ho poměrně rozsáhlým materiálovým výzkumem minimalizovat. Ve výběrových řízeních na obnovu čpavkových zásobníků, zvláště menších, se ovšem objevují firmy,

které za výrazně nižší cenu nabízejí prostou obnovu těchto zařízení podle původní, několik desítek let staré dokumentace.

4.

ZÁVĚR

5


Příspěvek popisuje dva případy korozního praskání skladovacích nádrží. V prvním případě se jedná o výsledek neznalosti a konstrukční chyby, v druhém případě o kompromis daný cenovými omezeními. V obou případech ovšem aplikace vede k vytvoření rizika. Protože v ani jednom případě se nenaplnil scénář havárie velkého rozsahu, která by byla pro naše veřejnoprávní či veřejnonesvéprávní media zajímavá, můžeme očekávat, že se i v následujících letech budeme potýkat s podobnými výrobky. Je otázkou, nakolik

naše

okouzlení

z nového,

ze stále

se

rozšiřujících možností popisu a zkoumání struktur, sledování vzniku nových materiálů a popisu jejich chování ospravedlňuje stále menší zájem o „známé vyřešené“ problémy a poznatky u technicky průměrných Obr. 7. Spojování trhlin Fig. 7. Cracks coupling

či podprůměrných aplikací, kterých bohužel stále přibývá. Nevíme, zda postavení materiálových pracovišť ve

společnosti

vůbec

dává

možnost

bojovat

s představou, že pouhé vlastnictví výrobní technologie opravňuje k výrobě čehokoliv. 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]

THOMSON, P. How Much Did the Liberty Shipbuilders Learn? New Evidence for an Old Case Study. Journal of Political Economy, 2001, roč. 109, č. 1, s. 103-137.

[2]

NYBORG, R., DRONEN, P-E., LUNDE, L. Stress Corrosion Cracking in Low Temperature Ammonia Storage Tanks. In Sborník z konference AIChE Ammonia Safety Symposium. Vancouver: AIChE, Canada, 1994, paper no. 1a.

6

DOPAD DIVERZIFIKACE VÝROBY A CENOVÝCH OMEZENÍ NA VÝSKYT ZNÁMÝCH VAD MATERIÁLU

Recommend Documents