23.-25.5.2006,Hradec nad Moravicí
METAL 2006
PŘIČINY DEGRADACE HOUŽEVNATOSTI KOMPONENT PARNICH TURBIN PŘI PROVOZNICH TEPLOTACH THE CAUSES OF THOUGHNESS DEGRADATION OF STEAM TURBINES COMPONENTS AT OPERATION TEMPERATURES Jaroslav Koutský Západočeská univerzita v Plzni,Univerzitní 8,306 14 Plzeň,ČR,
[email protected] Abstrakt Bezporuchovost a životnost parních turbín.Nízkocyklová únava rotorů a pokles jejich houževnatosti za provozu.Teplotní křehkost.Metoda rtg.difrakce hodnocení degradace houževnatosti.Degradace houževnatosti skříní.Moderní akustické techniky identifikace poruch:SAM,EMAT. Degradace houževnatosti za provozu je proces postihující všechny vysoce namáhané komponenty zejména skříně a rotory a je významná pro hodnocení zbytkové životnosti.Příčiny a jejich fenomenologická charakteristika vyžadují další studie.Výskyt teplotní křehkosti zapříčiňují stopové a některé legující prvky,které při provozních teplotách segregují na hranicích zrn a tím podmiňují křehký lom.Teploty 450 a 650 C vymezují interval teplotní křehkosti.Při žíhacích zkouškách má teplotní křehkost časové minimum.Při superpozici zatížení není prověřeno,zda houževnatost má s časem stálou sestupnou tendenci.Provozní teploty leží v intervalu kritických teplot křehnutí při popouštění.Ověření souvislosti teplotní křehkosti a popouštěcí křehkosti vyžaduje soustředit výzkum na děje na povrchu bývalých austenitických zrn. Not break-down rate and reliability of steam turbines.Lowcycle fatique of rotors decrease of their toughness during operation.Temperature brittleness.X-ray diffraction method of thoughness degradation evaluation.Thoughness degradation of castings.Modern acoustic technics of failures identification:SAM,EMAT. Toughness degradation at operation is the process affecting all highly components,esp. Castings and rotors and is meanigfull for evaluation of residual service life.The causes and their phenomenological characteristics need futher studies.Temperature brittleness is caused by trace and some alloying elements segregating at operation temperatures ongrain boundaries and thus conditionating brittle fracture.450 and 650 C temparatures deliminate the interval oftemperature brittleness.At annealing tests the temperature brittleness is temporarily minimalized.At superposition of load it was not verified if thoughness decreases with time permanently.Operation temperatures are in the critical interval of brittlening during tempering.The connection of temper brittleness and temperature brittleness should be verifyed By research of processes on the surface of earlier austenitic grains. 1. ÚVOD Spolehlivost je komplexní vlastnost,která podle určení objektu a podmínek jeho provozu zahrnuje především bezporuchovost a životnost.Spolehlivost parních turbín nebyla 1
23.-25.5.2006,Hradec nad Moravicí
METAL 2006
předmětem tak intenzivních studií jako z pochopitelných důvodů spolehlivost jaderných elektráren.Nebyly provedeny tak komplexní analyzy,které by umožňovaly definovat celkovou spolehlivost parní turbíny a její vývoj,jaké jsou charakteristické poruchy a jejich příčiny,jaké jsou nejporuchovější komponenty,atd.Je nesporné,že materiálové poruchy patří k nejvýznamnějším a kontrola materiálového stavu komponent za provozu patří k těm nejdůležitějším. Materiálové poruchy v provozu parních turbín lze kategorizovat následovně: porušování povrchu korozí,porušování celistvosti (trhliny),degradace mechanických vlastností. Mnohaleté zkušenosti s výrobou a provozem Škodováckých turbín umožňují blíže definovat druhy poškození a usoudit,kterým komponentám by měla být věnována přednostní pozornost. Jsou to: oběžné lopatky,rotory a skříně. 2. PORUCHY EXPONOVANÝCH KOMPONENT 1.1 Oběžné lopatky Žáropevné lopatky vysokotlaké části turbíny jsou namáhány tečením a únavou za tepla a jejich poruchy náleží k procentuálně nejvýznamnějším.Při odstávce turbíny jsou nalézány popraskané lopatky,které musí být vyměněny.V našich podmínkách přicházejí v úvahu pro vysokotlakou část tři typy ocelí,nízkolegované,prosté vysokochromové a modifikované vysokochromové oceli. Struktura a žáropevné vlastnosti těchto modifikací potvrzují správnost aplikace Odingovy teorie tečení na vysvětlení jejich chování: optimální je heterogenní struktura ocelí,kde přítomnost jemných,teplotně stabilních precipitátů účinně brání pohybu dislokací. Z lomu havarovaných lopatek lze soudit,že se nejedná o typický lom tečení.Lom vznikl a šířil se v heterogenní sorbitické struktuře ve feritických řádcích,které jsou ohraničovány relativně hrubými karbidickými částicemi a nesporně vytvářejí křehký stav na fázovém rozhraní.Lom se též šířil relativně rychle.Dominující složkou porušení tudíž bylo únavové namáhání a pro postu trhliny zeslabené ,zkřehlé mezifázové rozhraní.Hodnoty tečení daného materiálu v tomto případě nejsou prvořadého významu.Zjišťování hodnot meze únavy za tepla lopatkových materiálů nebývá obvykle v arzenálu ani výrobců,ani odběratelů.Zvýšení životnosti lopatek z tohoto materiálu jednoznačně závisí na homogenitě struktury: struktura má být bez feritických řádků,čistě sorbitická. Provozní nálezy a zkušenosti nacházejí odraz v odborné literatuře: determinování užitného života vychází především z únavových zkoušek. 2.2 Turbínové rotory Turbínové rotory,jejich stav,namáhání,poruchy ,patří i v literatuře k rozsáhle studovaným tematům.Zvýšená pozornost je věnována analyze defektů,provozní degradaci,houževnatosti,zbytkové životnosti.Oceňování rizika defektů se provádí metodami lomové mechaniky,analyza degradace je prováděna metodami Augerovou elektronovou mikroskopií úspěšně,méně úspěšně analytickou spektroskopií,sekundární iontovou hmotovou spektroskopií,atd.Analýza zbytkové životnosti se děje s použitím modelu dvou-dimenziálních Asymetrických konečných prvků.Souvisí to se zvyšováním cyklického provozu rotorů.Důraz se klade na ovlivňování spolehlivosti rotorů metalurgickými faktory a na výrobu superčisté oceli pro turbíny. 2
23.-25.5.2006 Hradec nad Moravicí
METAL 2006
Pro Škodovácké turbínové rotory jsou k dispozici vrcholové oceli T 56-15335 a 15320. Vynikající vlastnosti oceli T 56 jsou výsledkem optimálního chemického složení,kteríé vedlo k tvorbě jediné karbidické fáze v zušlechtěné oceli,VC,jemně dispergované v celém objemu zrn,teplotně stabilní,a opět bezvýhradně potvrzující Odingovu teorii žárupevnosti. Pokles houževnatosti při dlouhodobém setrvání na provozních teplotách je fenomen,který musí být uvažován u všech exponovaných komponent parní turbíny.Tento pokles bývá nejvíce spojován s teplotní křehkostí.Jeho charakter bývá ve všech případech jednotný : pokles houževnatosti (obvykle je monitorován zkouškou vrubové houževnatosti) se po kratším nebo delším setrvání zastaví a po ještě delších dobách může mírně stoupat.Teplotní křehkost turbínových komponent je známa od samotného začátku nasazení legovaných ocelí v energetice.Konstrukteři se jistili,že použití materiálů musely předcházet dlouhodobé zkoušky žíhání k dosažení minima houževnatosti,které nesmělo být nižší než 30 Joulů/cm. Co je příčinou křehnutí?Jaké procesy probíhají v materiálu,které je způsobují? Výchozí stav ocelí po zušlechtění je struktura sorbitická nebo bainitická.Při dlouhodobém žíhání pozorujeme na mikroskopu většinou jen hrubnutí karbidů či zmenšování jejich množství,málokdy též změny velikosti zrn. Nízkolegované i vysokochromové oceli jsou v intervalu 450-600 C postihovány popouštěcí křehkostí,která u nízkolegovaných ocelí je vratná.Už v r.1916 si dal Krupp patent,jak ji odstranit či snížit.Jednoznačná teorie PK (popouštěcí křehkost) dosud neexistuje,přes rozsáhlý výzkum,který o ní probíhal v 2.polovině minulého století.Charakteristika PK je následující: lom probíhá po hranicích bývalých austenitických zrn a ovlivňují ji kontrastně horofobní a horofilní prvky. Teplotní křehkost se objevuje v témže teplotním intervalu jako PK.Má obdobné fenomenologické rysy: klesá vrubová houževnatost,tvrdost zůstává téměř beze změn. Je příčinná souvislost mezi PK a TK ? Tak hluboce TK jako PK zkoumána nebyla.Jde spíše o spekulativní spojitost. Porovnejme naše poznatky a zkušenosti se zahraničními.Je potvrzován výskyt teplotní křehkosti u turbínových rotorů v USA a následná degradace houževnatosti.V studovaných ocelích (NiCrMoV a CrMoV) základní prvky ovlivňující citlivost k teplotní křehkosti jsou Mn,Si,P,Sn,Sb a As.Jsou prezentovány korelační vztah,vyjadřující posun tranzitní treploty křehkosti v závislosti na obsahu vybraných prvků.Tyto vztahy respektují experimentální ověřování.Z těchto experimentů a vztahů jednoznačně vyplývá,že P,Sn a As zvyšují náchylnost k TK.Augerova elektronová mikroskopie prokázala segregaci nečistot a některých prvků na hranicích zrn a potvrzuje fakt intergranulárního lomu.Všechny tyto výsledky a interpretace jsou ve shodě s našimi poznatky.V práci /1/ autoři interpretují výsledky měření tak,že křehnutí má,i když zpomaleně,neustále pokračující trend.Neodpovídají však experimentům daleko přesněji obalové křivky (čárkované),kdy posun tranzitníá teploty dosahuje maxima kol 20 000 hodin a dále se posun spíše snižuje? I v tomto případě by pak naše pozorování TK bylo souhlasné. V posledních létech byla studována degradace houževnatosti materiálů pomocí rtg.difrakce. Tato metoda poskytuje informace o změnách ve struktuře,které optická mikroskopie není schopná poskytnout.Autoři /2/ dospívají k závěru,že dlouhodobou vysokoteplotní exploatací dochází v exponovaných konstrukčních dílech energetických zařízení k rozpadu mozaikové struktury a hromadění pnutí,čímž materiál křehne.Prioritou této metody je odezva zatížení ve struktuře materiálu. 3
23.-25.5. 2006 Hradec nad Moravicí
METAL 2006
Předpokládáme-li příčinnou souvislost mezi PK a TK ,v obou případech se tedy porušení křehkým lomem lokalizuje na hranice bývalých austenitických zrn,kde koncentrace horofilních prvků (podle segregační teorie PK) zvyšuje povrchovou energii a iniciuje tak lom.Změny v mozaikové struktuře se nezdají sehrávat rozhodující úlohu. Technicky rozhodující hodnotou přípustné míry zkřehnutí je vrubová zkouška a podle ní je posuzována přípustnost dalšího provozu komponenty.Problematičnost vrubové zkoušky z fyzikálního hlediska je dobře známa.Přesto zůstává tato zkouška významnou zkouškou při posuzování náchylnosti ke křehnutí u tak významné komponenty jako je reaktorová tlaková nádoba v jaderné elektrárně.Zkoušky vrubové houževnatosti mají obecně široký rozptyl měřených hodnot,daný její citlivostí na lokální strukturu.Prokázána může být reálná tendence ke zkřehnutí jen provedením statisticky významného počtu zkoušek. Pro hodnocení zkřehnutí jinými metodami je proto zásadní,jak tato měření přesně transformovat na hodnotu vrubové houževnatosti. Zkoušky citlivosti k teplotní křehkosti byly prováděny jen žíháním v nezatíženém stavu.Není prozkoumáno,jak může ovlivnit zatížení její průběh.Klíčovou je tedy otázka,jak změny v mozaikových blocích se kvantitativně mohou projevit v hodnotách vrubové houževnatosti,jaká je tedy superpozice vlivu teploty a zatížení na houževnatost.A nemá-li tato superpozice vliv i na pokračování degradace po dosažení minima. 1.3 Turbínové skříně Degradace houževnatosti má zvláštní význam pro odlitky turbínových skříní.Litá struktura má apriorně nízkou houževnatost přirozeně dáno heterogenitou struktury.Výsledné mechanické vlastnosti používaných ocelí jsou závislé na pečlivém a promyšleném tepelném zpracování.Při popouštění těchto ocelí (např.422740) se objevuje kritický interval nízké vrubové houževnatosti (450-600 C).V něm se též zvyšují mechanické hodnoty (tvrdost, pevnost).To je jiný charakter popouštěcího diagramu než u tvářených ocelí.Na průběh změn mechanických vlastností při popouštění majÍ především vliv precipitační,popř.koagulační procesy v karbidické fázi.V ocelích,jejichž chemické složení dává předpoklady pro intenzivní precipitaci karbidu MC,se při vyšších popouštěcích teplotách objevuje sekundární vytvrzovací efekt a v témže teplotním intervalu (550 až 600 c) výrazně klesá vrubová houževnatost,což je nesporně důsledek této precipitace.Nejsou prokazatelné důvody pro spojení tohoto jevu s popouštěcí křehkostí dříve zmiňovanou. Lité varianty nízkolegovaných žáropevných ocelí jsou náchylné k určitému křehnutí při dlouhodobém žíhání na provozních teplotách,podobně jako tvářené modifikace. 3. METODY IDENTIFIKACE TRHLIN Pro studium celistvosti (identifikace trhlin) jsou používány různé akustické techniky.V popředí zájmu a četně publikována je metoda SAM (Scanning acoustic microscopy), pracuje s frekvencemi 10_100 MHZ,transduktory (čočky) jsou fokusovány.C-SAM metoda (Ultrasonic C-mode acoustic microscopy) byla široce použita v semikonduktorovém průmyslu.HF-SAM (Highfrequency) je nasazována pro detekci v blízkosti povrchu vad.Byla použita též pro detekci mikrotrhlin v únavově namáhaných vzorcích,skluzové pásy stejně jako mikrotrhliny byly detekovány,technika pro detekci trhlin a skluzových pásů je odlišná.Prvé skluzové pásy se objevují v prvém cyklu.První mikrotrhliny byly objeveny při 20 cyklech. Jaké dedukce lze z inženýrského hlediska z těchto výsledků pro únavové porušování odvodit. 4
23.-25.5.2006 Hradec nad Moravicí
METAL 2006
Předně se potvrzuje známé schema únavového porušení .Na povrchu vznikají četné zárodky trhlin,které dále rostou v v závislosti na orientaci mikrostruktury,srůstají,až vytvoří jednu magistrální trhlinu,která se šíří až do lomu.Tato druhá část šíření únavového lomu je důležitá,neboť rychlost šíření je větší než v prvé fázi.Pokud chceme šíření únavového lomu zpomalit nebo zastavit,je nutné se soustředit na druhou fázi porušení.Vzniká otázka,jak soustředění se na vznik zárodků únavových trhlin,resp.jejich šíření v prvé fázi ,může přispět k prodloužení životnosti únavou namáhaných komponent. Četné publikace se v poslední době objevují o metodě EMAT (electromagnetic-acoustic transducers) a to v řadě vyspělých průmyslových států.Tato metoda je s úspěchem používána především v dopravě,k odhalování defektů na kolejnicích.Poněvadž jde o odhalování defektů velikosti 1 mm a více,je inženýrsky významná. 4. ZÁVĚR 1.Degradace houževnatosti za provozu je proces postihující všechny vysoce namáhané komponenty parních turbín.Příčiny a jeho fenomenologická charakteristika vyžadují další studie.Výskyt teplotní křehkosti mají na svědomí stopové a některé legující prvky,které při provozních teplotách segregují na hranicích zrn a tím podmiňují křehký lom. Teploty 450 až 600 C vymezují interval teplotní křehkosti.Při žíhacích zkouškách má teplotní křehkost časové minimum.při superpozici zatížení není prověřeno,zda houževnatost má s časem stálou sestupnou tendenci. Predikce degradace houževnatosti při dlouhodobém zatížení při provozních teplotách bez kvantitativní návaznosti strukturních defektů určených rtg.difrakcí na konkretní hodnoty vrubové houževnatosti není spolehlivě možná. Provozní teploty leží v intervalu kritických teplot křehnutí při popouštění.Ověření souvislosti TK a PK vyžaduje soustředit výzkum na děje na povrchu austenitických zrn.U odlitkových ocelí však procesy v intervalu kritických teplot neodpovídají typické popouštěcí křehkosti.To komplikuje pohled na společné vysvětlení procesů nízkolegovaných ocelí při vývoji teplotní křehkosti. 2.Dominujícím procesem porušení celistvosti komponent je únavový lom. Realistické zhodnocení únavového poškození komponent bezprostředně souvisí se znalostí rychlosti šíření magistrální trhliny.Používané identifikační metody poskytují možnosti relativně spolehlivého monitorování šíření trhliny a odhadu životnosti.Metody lomové mechaniky jsou pro hodnocení favorizovány. LITERATURA /1/ VISWANATHAN,R.,BRUEMMER,S.M. In-service degradation of thoughness of steam turbine rotors,Journal of Engineering Materials and Technology,Transactions of the ASME,1985,v.107,p.316-324. /2/ FIALA,J.,aj.Sledování degradace energetických zařízení pomocí RTG difrakce,Materials , Structure,2005,vol.12,number 2,.s.68-93.
5
