GÉPÉSZETI ÉS IRÁNYÍTÁSTECHNIKAI KFT Cégj. sz. : Adószám : Levél : Telefon : Fax :
01 09078751 10595394-2-43 H-1680 Budapest, Pf. 157 (1) 216 1500, 476 0084 (1) 216 2500
E-Mail :
[email protected]
Viz sgálati Jelentés Dokumentum sz.: AG 500 1001
Tárgya:
TVK Rt. Olefin 1. gyár F1051 pirolízis kemence DN150 főgőzvezeték biztonsági szelepág repedések
Megrendelő:
PETROLSZOLG Karbantartó és Szolgáltató Kft Munkaazonosító U50164 BR: 203078
Munkaszám:
AG 500/1205
Lapszám:
17 lap
Mellékletek:
1. Kárelemzés (AG 500 2091) 2. Anyagvizsgálati jegyzőkönyv (AGMI 2329) 3. Rugalmassági és feszültséganalízis (AG 500 2011) 4. Átalakítási terv (135-00.00.00) 5. CD-ROM
Budapest, 2005. november 09.
Tartalomjegyzék
1.
Bevezetés
3
2.
A vizsgálat célja, módszere, tartalma
4
3.
A vizsgált gőzvezeték jellemzői
5
3.1
Tervezési és tartós üzemi paraméterek
5
3.2
Gyártástechnológia, üzemvitel
5
3.3
Üzemindulás és leállás
6
3.4
A vízgőz fontosabb technológiai tulajdonságai
7
4.
Anyagvizsgálatok
7
5.
Rugalmassági és feszültséganalízis
7
6.
Összefoglaló értékelés
8
6.1
Az alkalmazott acélok korróziós érzékenysége
8
6.2
Az agresszív korróziós környezet
9
6.3
A helyi feszültségek
10
6.4
A törési idő
12
Megoldási lehetőségek
13
7.1
Acélkiválasztás
14
7.2
Vízkémia, tápvíz kezelés és felügyelet
14
7.3
A leállás-indulási művelet technológiai módosítása
14
7.4
A gőzvezeték konstrukciós módosítása
15
7.5
A hegesztési feszültségek csökkentése
16
7.6
Az expanziós feszültségek csökkentése
16
7.
8.
Megoldási javaslat
AG 500 1001 Rev1 2005-11-09
17
2 / 17
1.
Bevezetés
A TVK Rt. Olefin 1. gyár F1051 jelű bontókemence DN150 nagynyomású gőzvezeték (HD) biztonsági szelep leágazásában, közvetlenül az DN150/NA80 hegesztett T-idom csonkbekötő varrata mentén, az 1992 – 2004 közötti időszakban több alkalommal repedések keletkeztek 1. Az eseteket metallográfiai vizsgálatokkal elemezték, és az értékelések egybehangzó megállapítása szerint, a repedések az adott szerkezeti rész anyagának korróziós kifáradása miatt keletkeztek. A kifáradást okozó alternáló terhelésváltozással vagy alakváltozással kapcsolatban az értékelések adatokat nem tartalmaznak, a repedések keletkezésében döntő szerepet a (helyi) feszültségeknek tulajdonítottak. Ezért, az adott szerkezeti egység módosításával a (vélt) fárasztó igénybevétel csökkentésével kísérelték meg a problémát megoldani, a korróziós tényezők kimutatására nem, és így hatásuk csökkentésére sem került sor. A konstrukciós módosítások azonban nem hozták meg a kívánt eredményt. A korábbi vizsgálatok eredményei alapján kijelenthető, hogy a csővezeték belső felületéről kiinduló, feszültség által indukált helyi korróziós repedésekről van szó. A korróziós károsodás számos tényező (idő, hőmérséklet, geometria, környezet, anyagminőség, feszültség) hatáskombinációjaként alakul ki, és tucatnyi típusa ismert. Közös jellemzőjük, hogy a korróziós károsodás során az igénybevett szerkezet tönkremenetele korábban és/vagy kisebb feszültségnél bekövetkezik, összehasonlítva azon esetekkel, amikor korrózió nem lép fel vagy annak hatása elhanyagolható. Tehát a korróziós faktor kizárása az ilyen típusú károsodások, megelőzését szolgálja. Tény azonban az is, hogy pl. egy feszültségkorróziós mechanizmus esetében, a húzófeszültség küszöbérték alá csökkentése a repedésképződés feltételeit megszüntetheti, vagy egy már meglévő repedés stabilitásának (inkubációs idejének) a tervezési élettartamon túli meghosszabbodását is eredményezheti. A korróziós károsodások mechanizmusa bonyolult, és a legprimitívebb esetben sem írható le egy egyszerű formulával. A korróziós károsodás megelőzése, a rendszer megvalósításával (tervezés, gyártás, szerelés, stb.) és üzemeltetésével szemben, minden esetben speciális követelményeket támaszt. Tény, hogy az esetünkben bekövetkezett korróziós károsodás megelőzését biztosító (tervezési) követelmények a vizsgált esetben nem teljesültek, és az üzem gyakorlatilag az üzembehelyezés napjától kénytelen viselni a rendszeresen ismétlődő korróziós károsodások által okozott és lappangó veszélyt, az anyagi és jogi következményeket, illetve azokkal szemben helytállni. 1
A gőzvezetékbe hidegen hajlított állapotban beépített csőívek az 1990 évi üzembehelyezés után rövid idő alatt, sorozatban megrepedtek és néhány éven belül valamennyit lecserélték.
AG 500 1001 Rev1 2005-11-09
3 / 17
Ugyanakkor, a korróziós károsodás metallográfiai értékelése alapján megállapítható a korrózió típusa és alkalmas vizsgálatokkal tisztázható a mértékadó tényezők szerepe és hatása. Ezek ismeretében az okok megszüntetéséhez és/vagy a folyamat biztonságos korlátok között tartásához szükséges feladatok és intézkedések megtervezhetők és bevezethetők. Álláspontunk szerint, a DN150/NA80 hegesztett T-idom csonkbekötő varrata mentén keletkezett repedések feszültségkorróziós repedések. A repedések keletkezéséért felelős tényezőket, hatásukat, valamint a szükséges módosításokat és javító intézkedéseket, a jelentés további fejezeteiben részletesen bemutatjuk.
2.
A vizsgálat célja, módszere, tartalma
Kitűzött célunk, a korróziós mechanizmus, illetve a korróziós repedések típusának azonosítása, és a repedések megszüntetésére vagy kedvező irányú befolyásolására alkalmas megoldások kidolgozása, egy gazdaságos élettartam elérése érdekében, a meghibásodott komponens elemzése és a meghibásodást kiváltó okok feltárása alapján, metallográfiai és szilárdsági analízis módszerekkel. A korróziós repedések típusazonosítására metallográfiai és mechanikai vizsgálatokat végeztünk a repedéseket tartalmazó mintadarab, a csővezeték leágazásából, a legutóbbi (2004. augusztusi) javítás során kiváltott leágazás rész felhasználásával, és értékeltük a korábbi anyagvizsgálatok és kárelemzések eredményeit is. A helyszíni felmérések, egyeztetések, a rendelkezésünkre bocsátott tervezési- és üzemeltetési dokumentumok, DCS által mért/regisztrált tényleges üzemi paraméterek és alkalmi vízkémiai mérések2 eredményei alapján felmértük a korróziós repedések bekövetkezését befolyásoló tényezők szerepét. Végeselemes rugalmassági és feszültségi analízissel ellenőriztük a gőzvezeték mechanikai integritását, feltártuk a gyenge pontjait, vizsgáltuk a viselkedését különféle állapotokban az ismert terhelésekkel szemben, az eredeti, a jelenlegi és az általunk javasolt módosítást reprezentáló modelleken. A vizsgálat terjedelme a HD gőzvezeték egy szakaszára3, konkrétan az F1051 pirolízis kemence kilépő csonkjától a csővezeték első merev megfogásáig terjed ki, természetesen beleértve a biztonsági szelep felé leágazó csővezetékszakaszt is.
2
a rendszeres labormérések nem terjednek ki a gőzvezeték üzembiztonsága szempontjából fontos tápvíz összetevők meghatározására; 3 a helyi korróziós folyamat a gőzvezeték nem vizsgált, hasonló igénybevételű részeiben is előfordulhat, ez azt jelenti, hogy a vizsgálat megállapításainak kiterjesztése indokolt lehet. AG 500 1001 Rev1 2005-11-09
4 / 17
3.
A vizsgált gőzvezeték jellemzői
3.1
Tervezési és tartós üzemi paraméterek Jellemző Tervezési nyomás Tervezési hőmérséklet Névleges üzemi nyomás Névleges üzemi hőmérséklet Tényleges (tartós) üzemi nyomás Tényleges (tartós) üzemi hőmérséklet Csővezeték anyagminőség Csővezeték átmérő Csővezeték hőszigetelés
egység barg °C barg °C barg °C DN mm
min max változás 123 530 n.a. 110 n.a. 510 104 110 <5% 503 512 <2% X6 CrNiNb 1810 150/80/50 100/90/60
A HD gőzvezetékrendszer terveit a KTI B.V. (NL) készítette. A jelenleg érvényes jogszabályok szerint, a csővezeték, a 9/2001. (IV. 5.) GM, illetve a PED 97/23/EC II. mell. 3. cikkely 7. táblázat II. veszélyességi kategóriába tartozik. 3.2
Gyártástechnológia, üzemvitel
Kivonat a ”Gyártástechnológiai Előírások” (VI. Kiadás, Rev0) c. dokumentációból: ”2.2.5 Gőzrendszer Az Olefingyár teljes terhelése esetén 270 t/óra gőzt termel, melyet hajtóenergiaként, technológiai és fűtési célra lehet felhasználni, ill. exportjára is lehetőség van. A túlhevített nagynyomású gőz 107 bar nyomással és 520oC hőmérséklettel hagyja el az F8001 hőhasznosító kazánt és normál üzemben a magasnyomású HD kollektorba, kerül. A HD gőzkollektorba csatlakozik az F 1051 és F 1021 sz. kemence túlhevített nagynyomású gőzvezetéke is, amelyek az alábbiak szerint működnek. A termelt nagynyomású gőz nyomása az üzemi gőzhálózat nyomásától függ. Induláskor azonban, amikor a gőz a túlhevítőkön keresztül, a hangtompítós lefúvató felé áramlik, a nyomást a PI1250-en vagy a PI13143–on leolvasva, a HC13143 vagy a HIC1201 kézi szabályozóval lehet szabályozni. Az üzem gőzrendszere, a hajtóturbinák teljesítményének, valamint a technológiai felhasználásnak megfelelően, a következő nyomásszintekre oszlik: Nagynyomású gőzrendszer Középnyomású gőzhálózat Kisnyomású gőzhálózat I. Kisnyomású gőzhálózat II.
HD MD II ND I ND II
110 24 5 2,6
bar bar bar bar
2.2.5.1. Nagynyomású gőzhálózat HD Túlhevített HD gőz látja el a C2001 pirogázkompresszor magasnyomású (X2021), a C4001 etilénkompresszor (X 4021), a P8301 A/B tápvízszivattyúk (X8301 A/B) meghajtóturbináit, valamint a középnyomású MD II gőzrendszer PIC8002 redukáló állomását, ill. az R4501 - CO mentesítő reaktor - előtti hőcserélőt (E4502). Telitett HD gőz fűti a glikolos hőcserélőt (E2503), és a regeneráló hőcserélőt (E8601). Az ellennyomású turbinák a 24 bar-os gőzhálózatba dolgoznak. Szükség esetén a HC8003 szabályzó szeleppel a nagynyomású gőz egy hangtompítón át, ill. a HC8008 kézi szabályzóval közvetlenül az atmoszférába engedhető. A túlhevítőből kilépő gőzvezetéken az SV80011-16 biztonsági szelepek vannak elhelyezve.”
AG 500 1001 Rev1 2005-11-09
5 / 17
3.3
Üzemindulás és leállás
A gyártástechnológiai előírás szerint, üzeminduláskor (vagy leálláskor) a rendszer nyomás alá helyezése (vagy nyomáscsökkentése), kézi beavatkozás mellett történik, a gőzmennyiség szabályozásával, egy kézi szabályozón keresztül történő lefúvatással. A gőzvezeték túlnyomás-határolása, a vizsgált leágazás végén telepített, 2db biztonsági lefúvató szeleppel van biztosítva. A gőzvezeték lehűtési/felfűtési hőmérséklete a gőz hőtartalmával arányos, tehát annak az előírt közötti határokon belüli „vezetése” a lefúvatandó gőzmennyiséget szabályozó kezelőtől függ. A leállás/indulások4 során kialakuló nyomás- és hőmérsékletváltozás jellegzetes trendjét az alábbi diagramok szemléltetik. (a) Üzemleállás
(b) Üzemindulás
Jelmagyarázat: Gőz/víz hőmérséklet (oC) Gőz/víz nyomás (barg) Gőzdob (D 1051) tápvízszint (%) Szabályozó szelep (HIC 1201) nyitása (%) 4
A leállások/indulások száma az üzem adatai szerint 3-5 eset/év. A leállás és indulás közötti üzemszünet esetenként több napos, nagyrevíziók esetén több hetes is lehet. AG 500 1001 Rev1 2005-11-09
6 / 17
3.4
A vízgőz fontosabb technológiai tulajdonságai
A vízgőz (közeg) összetétele a tartós üzemállapotban megegyezik a D-1051 dobban tartózkodó tápvíz és a HPSSH1, HPSSH2 túlhevítők közötti szakaszban befecskendezett tápvíz összetételével. Az alkalmazott ausztenites CrNi-acél korróziós érzékenysége szempontjából kulcskérdés a tápvíz klorid-, nátronlúg- és oxigéntartalma. A tápvízben a klorid 8-16 mg/l, az oxigén 0.56 mg/l (1 mérés nem mérés!), a nátronlúg nem volt kimutatható, a pH 6.6-9.5 között alakul. 5 Tartós üzemben a közeg túlhevített száraz gőz minőségű, tisztán gáz halmazállapotú a csővezeték áramlással érintett terében. Tartós üzemi nyomáson, áramlási holtterekben esetleg előforduló tartósan legfeljebb ~330oC falhőmérsékletű részek környezetében a nedvesgőz és folyadék fázis egyaránt jelen lehet. A 3.3 (a)-(b) diagramok szerint, a leállás és indulás során, <2-3 barg és <135-145oC alatti nyomás-hőmérséklet tartományban a közeg gáz (nedvesgőz) és víz (kondenzátum) halmazállapotban egyaránt jelen lehet. A leállási szakaszban, a nyomás atmoszférikus értékre csökkenésekor a maradék gőz kondenzációja ~100oC-on teljes mennyiségben végbemehet, mivel a gőz kondenzációja során kialakuló depresszió teljes kiegyenlítésére, a nyitott lefúvatón keresztül levegő áramolhat be a rendszerbe. Természetesen a levegő is képes az egyensúlyi viszonyoknak megfelelő nedvesgőz mennyiség felvételére és a szakasz végére, ~50-70oC hőmérsékletű térben, helyenként a falon megtapadó vagy gravitációsan áramló kondenzátumfilm és magas páratartalmú levegő lehet. A rendszerbe beáramló levegővel érintkező helyi kondenzátumokban a nitrogén, oxigén és széndioxid elnyelődése is bekövetkezhet, ezért a közeg összetétele nem lehet azonos a tartós üzemállapotban érvényes összetétellel.
4. Kárelemzés A korábbi anyagvizsgálatok, a laborvizsgálatok és a gőzvezetékből kivágott mintadarabon elvégzett vizsgálatok értékelését az 1. és 2. sz. melléklet tartalmazza. 5. Rugalmassági és feszültséganalízis A gőzvezeték jelenlegi és javaslatunk szerint módosítandó állapotában végzett rugalmassági és feszültséganalízis a 3. mellékletben csatolva. 5
2005. augusztus-október időszaki mérések alapján. Az 1990. évi üzemindulástól eltelt időben a tápvíz összetételében (Cl, O2, pH, stb.) időben jelentős eltérések lehettek. Az O2 mérésére nem áll rendelkezésre megfelelő módszer
AG 500 1001 Rev1 2005-11-09
7 / 17
6. A korróziós károsodás összefoglaló értékelése A rendelkezésre álló adatok, tények és elvégzett vizsgálatok eredményei alapján megállapítható, hogy a vizsgált gőzvezeték DN150/NA80 leágazásában rendszeresen megjelenő repedések feszültségkorróziós repedések. A helyi feszültségkorróziós repedések keletkezéséhez szükséges feltételek: - az alkalmazott acél érzékenysége - az agresszív korróziós környezet - a küszöbértéket meghaladó helyi húzófeszültség a vizsgált leágazás környezetében egyidőben és tartósan fennálltak. A helyi feszültségkorróziós repedéseket tartalmazó szerkezet töréséhez, más tényezők hatása is hozzájárulhatott. A javító intézkedések bevezetéséig tovább érvényesülő korróziós tényezők hatásának értékelését és a folyamat egyszerűsített leírását az alábbiak szerint mutatjuk be.
6.1
Az alkalmazott acélok érzékenysége
Az X6 CrNiNb 1810 és X6 CrNiTi 1810 jelű, 18%Cr-10%Ni névleges ötvözésű, Nb vagy Ti mikroötvözőkkel stabilizált acélok, a feszültségkorróziós repedésekre leginkább érzékeny acélok csoportjába tartoznak. A vizsgált esetben néhány ppm mennyiségű kloridot és oxigént tartalmazó tápvíz, 210 pH-értékek között, már 50oC-on az alkalmazott acélokra kifejezetten agresszív korróziós hatással van. A baloldali diagramon néhány korrózióálló acél feszültségkorróziós ellenállása van bemutatva, a Cl-tartalom függvényében, 8ppm oxigéntartalmú semleges (pH=7) közegben, különféle vizsgálati hőmérsékleten terhelve. Alkalmazott terhelőfeszültség: az acél vizsgálati hőmérsékleten érvényes min. folyáshatára. Vizsgálati idő 1000 óra. A vizsgálat esetben alkalmazott acélok az AISI 304/316 acélokra érvényes görbéje szerinti karakterisztikával jellemezhetők. (Re: Sandvik Handbook of Stainless Steels)
AG 500 1001 Rev1 2005-11-09
8 / 17
6.2
Az agresszív korróziós környezet
A helyi korróziós folyamat megindulásának és fenntartásának előfeltétele, hogy az adott helyen valamilyen (anyag, geometria, stb.) változás miatt eltérő potenciálú részek között ionáramlás alakuljon ki. Ehhez viszont egy megfelelő vastagságú, közvetítőközeg, elektrolit szükséges. A túlhevített (száraz) gőz nem vezetőképes, ezért helyi korróziót nem okozhat. A tápvízgőz kondenzátuma azonban igen, sőt az a tápvíznél agresszívabb hatású, mivel a hőátadási folyamatok és halmazállapotváltozások miatt a klorid- és oxigén helyi koncentrációja a tápvízben mérhető (és csekélynek vélt) érték (több) tízszeresét is elérheti. A közeg agresszivitása a hőmérséklettel nő. Tartós üzemállapotban legfeljebb a ~320oC falhőmérsékletű helyeken várható a gőz kondenzációjával a helyi korróziós folyamat kialakulása. A leágazás holtterében, a nem hőszigetelt biztonsági szelepek környezetében ez, bekövetkezhet. Ugyanakkor ebben a részben tönkremenetelt okozó repedések ez idáig nem jelentkeztek, ami nem zárja ki azt, hogy ebben a részben helyi korróziós repedések keletkeztek. Az üzemleállás során a gőz túlhevítettsége viszonylag gyorsan csökken és 2-3bar körüli túlnyomásnál, 135-145oC hőmérsékleten megkezdődik a gőz kondenzációja a csővezeték belső felületén. Ez természetesen azokon a helyeken történhet meg, ahol a falhőmérsékletek (tf ≤ ts) és a lokális áramlási viszonyok ezt lehetővé teszik (ti. a gőzvíz anyagátmenet során képződő vízrészecskéket a lefúvató felé áramló gőz nem tudja magával elragadni). A csővezeték felületén megtapadó kondenzációs film hőmérséklete, vastagsága, és agresszivitása a helyi hőátadási viszonyoktól és anyagjellemzőktől függően változik. Az atmoszférikus kondenzáció során a csővezetékbe beáramló levegővel érintkező kondenzátumok ”friss” oxigént és széndioxidot tudnak elnyelni, ami a korróziós hatást erősíti. A repedések megjelenésének helye szempontjából meghatározó körülmény, hogy azok környezetében a kondenzációs folyadékfilm kialakulását és fennmaradását a helyi geometriai és áramlási viszonyok elősegítették. A leágazás egy viszonylag nagy kapacitású holttérbe torkollik, ahol az agresszív környezet kialakulásának, szennyezőkben való feldúsulásának, és tartós fennmaradásának feltételei különösen kedvezőek. A vizsgált T-idom csonkbekötő varrata áramlási ”árnyékban” van és az agresszív közeg utánpótlása is biztosított, a holttérből gravitációsan leáramló, korróziós anyagokban gazdag kondenzátumokból. Üzeminduláskor a túlhevített gőzárammal érintkező folyadékfilm gyorsan felforr, leszakad, vagy elgőzölög a felületről. A leágazás holtterében rosszabb hőátadási viszonyok miatt, hosszabb idő alatt zajlik le az ott levő kondenzátumok átalakulása. Ezzel, a helyi korróziós károsodás (aktív szakasza) a következő leállásig átmenetileg szünetel. A 3.3 pont diagram szerinti esetben a korróziós támadás ~30 óráig tartott. AG 500 1001 Rev1 2005-11-09
9 / 17
A fentiek alapján kijelenthető, hogy tartós üzemállapotban agresszív korróziós környezet nagy valószínűséggel csupán a vizsgált leágazás holtterében alakulhat ki. Ugyanakkor, az ismétlődő üzemleállás-indulás műveletek során a gőzvezeték több más pontjában is huzamosabb ideig agresszív környezetre kell számítani. Ezeken a helyeken a helyi korróziós károsodás kialakulásának elektrokémiai feltételei adottak. 6.3
A helyi feszültségek
A feszültégkorróziós repedések a korróziós támadás során keletkezett felületi üregekből (pitting) vagy a támadás előtt már meglévő, felületre merőleges síkszerű hibákból (bemetszés) kiindulva terjednek az anyagban tovább szétágazó repedések formájában, csekély helyi deformációval. A repedés növekedése és terjedése a törésmechanikai törvényszerűségek szerint, három szakaszban megy végbe:
K I = f(G) σ (πa) 0.5 KI σ a f(G)
feszültségintenzitási tényező terhelőfeszültség repedéshossz geometriától függő tényező
Az 1. szakaszban, a küszöbfeszültséggel (σISCC) terhelt pitting csúcsában kialakuló feszültségintenzitásnál (KISCC), egy lappangási idő végén megjelenik a repedés, amely viszonylag csekély feszültségintenzitás változás mellett gyorsulva növekszik. Ez a szakasz a feszültségkorróziós károsodás meghatározó szakasza. A repedés hossza 2. szakaszban egyenletes sebességgel növekszik, egy nagy tartományban és ugyancsak egyenletesen növekvő feszültségintenzitás mellett A 3. szakaszban a repedésnövekedés hirtelen felgyorsul, instabillá válik, ezzel párhuzamosan a feszültségintenzitás ugyancsak gyors növekedéssel eléri az anyag törési szívósságát (KIC), majd ezt követően gyorsan és megállíthatatlanul bekövetkezik a szerkezet törése.
(N=1000xe)
(N=1000xe)
(N=400xe)
Feszültségkorróziós repedés keletkezése és terjedése a vizsgált leágazás anyagában (részletek a mintadarab metallográfiai felvételeiből) AG 500 1001 Rev1 2005-11-09
10 / 17
A küszöbfeszültség értékének meghatározása tehát törésmechanikai vizsgálatot
igényel, ami meghaladja a jelen vizsgálat kereteit, de a probléma megoldása szempontjából a küszöbfeszültség konkrét értékének ismerete nem is szükséges. A Sandvik AB feszültségkorróziós vizsgálati eredményei (5.1 p. diagram) szerint, a ~100oC-os, 0.8ppm kloridot és 8ppm oxigént tartalmazó neutrális folyadékban, ~200MPa állandó húzófeszültséggel terhelt AISI 304/316 acélokban 1000 órán belül feszültségkorróziós repedések keletkeznek. Az általunk vizsgált esetben, a leállás atmoszférikus kondenzációs szakaszában, a gőzvezeték felületére kicsapódó, ~100oCos folyadékrétegben, a Cl és az O2 (tápvízben mért értékek több tízszeres mértékű) koncentrációja következik be. Esetünkben agresszívabb közegről van szó. Összehasonlítás céljából közöljük a tárgyi szakirodalomban többször meghivatkozott E. Denhard által, esetünknél agresszívabb környezetben végzett feszültségkorróziós vizsgálatainak eredményeit: A diagramon a 300 sorozatú korrózióálló acélok törési ideje látható a terhelőfeszültség függvényében (42%-os MgCl forrásban levő vizes oldatban). A gőzvezetéknél alkalmazott Ti-stabilizált acél a 304, a Nb-stabilizált a 347 jelű acélnak felel meg. Az adott korróziós környezetben ~90-140 MPa húzófeszültség 2-8 órán belül az említett acélok törését okozta. (Re: E. Denhard, Corrosion, V16. N7. 131 o.)
A hivatkozott két vizsgálat terhelőfeszültség és törési idő adatai, a gőzvezetéknél alkalmazott acélok feszültségkorróziós érzékenységének gyakorlati értékelésére felhasználható referenciaadatok és alkalmasak a repedést előidéző küszöbfeszültség és a törést okozó húzófeszültség nagyságának és a törési időnek a behatárolására. A korróziós támadás időben túlnyomórészt a leállás-indulás atmoszférikus nyomású szakaszában zajlik, amikor a membránfeszültség nyilvánvalóan zérus, tehát a vizsgált feszültségkorróziós repedések keletkezésében a belső nyomás nem játszhatott szerepet. A leállás-indulás atmoszférikus szakaszát megelőző és követő rövid (<1h) ideig ható ~2-3 bar nyomásnál 6 ébredő helyi (Node 300) membránfeszültség <1MPa nagysága miatt ugyancsak nem mértékadó. Következésképp, a repedéseket a hegesztési hőfolyamat után visszamaradó feszültség és a csővezeték akadályozott üzemi hőtágulásából származó expanziós feszültség okozhatta, a helyi viszonyok által meghatározott kölcsönhatásban. 6
A kézi vezérlésű nyomásszabályozással esetleg előidézett szélsőséges nyomások, és lengések figyelembevétele elméleti jelentőségű lehet, ilyen eseményről nincs tudomásunk. A biztonsági szelepek az elmúlt 15 évben egyetlen egy esetben sem szólaltak meg.
AG 500 1001 Rev1 2005-11-09
11 / 17
A vizsgált hegesztett kötésekben működő hegesztési maradó feszültségek nagysága és eloszlása a hegesztési technológia, a geometria és az anyagtulajdonságok függvénye. A maradó feszültségek legnagyobb várható értéke, a hegesztést követő hőkezelés nélküli állapotban, az anyag tényleges folyáshatárával egyezik meg. A bizonylat szerint a DN150-X6CrNiNb1810 acélcső folyáshatára σys = 241MPa. A maradó feszültségnek az adott acél üzemi hőmérsékleten érvényes folyáshatárát meghaladó része, helyi alakváltozással leépül. A folyáshatár 510oC-on, (az API RP 579 F2 szerint) legfeljebb σysr = 187MPa, ez tehát a maradó feszültség maximuma. A feszültség felület és vastagság menti eloszlása, pl. az API RP 579 E7 szerinti függvényekkel jellemezhető. A DN150/80 leágazás ráültetett csonk (stub-on) típusú hegesztett kötésében keletkezett repedések a hegesztési varratot merőlegesen metsző, csonktengely irányú repedés, és azokat a varrattal párhuzamos feszültségek (gyűrűfeszültségek) okozták. A varratra merőleges feszültségek a repedések szempontjából nem meghatározóak. A varrattal párhuzamos feszültség maximuma a hegesztés középvonalában a belső felületen van (187MPa), a repedésekre húzóirányú, és vastagságirányban kifelé csökken. A feszültség felület menti eloszlása szerint, a varratgyök középvonalában mérhető maximumról, a varratgyök két oldalán ~25mm távolságon belül zérusra csökken. A feszültség helyi eloszlása a javított varratszakaszok mentén átrendeződik, nagyobb felületen és mélységben érvényesül. A vizsgált hegesztett kötésnél 100oC hőmérsékleten ~14MPa expanziós feszültség ébred. A rugalmas alakváltozások tartományában a visszamaradó feszültség és az expanziós feszültség, mint statikus terhelések összeadhatók. Így, az atmoszférikus kondenzációs szakaszban zajló korróziós támadás során, a vizsgált repedésnél, a korróziós közeggel érintkező felületi rétegben 187MPa ± 14MPa húzófeszültség működhetett, amely a fent hivatkozott 1000 órás tönkremenetelhez tartozó referenciafeszültséggel azonos vagy azt megközelíti. Ez azt jelenti, hogy a feszültségkorróziós repedés megindulásához szükséges jelentősen alacsonyabb küszöbfeszültség a korróziós támadás idején és helyén rendelkezésre állt. 6.4
A törési idő
A vizsgált leágazás, az 1997. augusztusi javítás és a 2004. augusztusi tönkremenetel között eltelt időben, összesen 21-35 üzemleállás/indulási szakaszban volt korróziós támadásnak kitéve. Az egymást követő korróziós támadási szakaszokban, a repedések keletkezése és növekedése a fent vázolt mechanizmus 1. szakasza szerint folytatódhatott mindaddig, amíg a törést okozó repedés aktuális mérete és feszültségintenzitása (a halmozódó helyi károsodásoknak megfelelően) elérte azt a szintet, amely után a további stabil növekedéséhez, instabillá válásához és a rész töréséhez az üzemi terhelési és feszültségállapot, a korróziós hatás nélkül már elégséges vagy az adott esetben éppen szükséges volt. 7 7
A repedés megindulása után, a helyi maradó feszültségeloszlás újrarendeződik, és nagysága a repedésnövekedéssel arányosan csökken (relaxáció).
AG 500 1001 Rev1 2005-11-09
12 / 17
A szerkezeti rész effektív törési ideje, a mintadarab környezetében érvényes helyi viszonyok között, 630-1050 óra8, ami a 6.3 pontban hivatkozott Sandvik-féle törési referenciaidővel jól összemérhető. Az első üzembehelyezés óta 45-75 alkalommal előforduló leállás-indulások során 1350-2250 órányi halmozott korróziós támadás érhette a gőzvezetékbe eredetileg beépített részeket. Ez a törési referenciaidőnél nagyobb, ugyanakkor e részekben tönkremenetelt okozó repedés (a hidegen alakított csőíveket nem számítva) ez idáig nem keletkezett. Ez azt jelenti, hogy az agresszív környezet (tartósan) másutt nem alakulhatott ki, vagy a helyi feszültség nagysága, eloszlása kedvezőbb és a károsodás, illetve repedés még nem érte el a kritikus szintet. Utóbbi esetben a törés bármikor bekövetkezhet, amit még időben elvégzendő helyi vizsgálatokkal lehet és kell megnyugtatóan igazolni vagy cáfolni.
7. Megoldási lehetőségek A korróziós károsodás értékelése alapján belátható, hogy a gőzvezeték konstrukciós és technológiai módosítása elkerülhetetlen. A megoldást azok a módosítások képviselik, amelyek alkalmasak a feszültségkorróziós folyamat kialakulásához szükséges három tényező közül legalább egyet megszüntetni vagy hatástalanítani. A vizsgált esetben alkalmazható gyakorlati értékű megoldási lehetőségek az alábbiak: (a) A feszültségkorrózióra nem érzékeny acélok alkalmazása - Cr-Mo ötvözési rendszerbe tartozó acélok alkalmazása a leágazásban (b) Az agresszív korróziós környezet kialakulásának megelőzésére - a rendszerbe belépő tápvizek vízkémiai kezelése és rendszeres felügyelete - a leállás-indulási művelet technológiai módosítása - a gőzvezeték konstrukciós módosítása a veszélyes leágazásban (c) A feszültségek csökkentése - a hegesztési visszamaradó feszültség csökkentése a leágazásban - az expanziós feszültségek csökkentése a leágazásban 7.1
Acélkiválasztás
Megfontolható a feszültségkorrózióra nem érzékeny Cr-Mo ötvözésű vagy magasabb Ni-tartalmú acélok alkalmazása a gőzvezeték DN150/80 hegesztett Tleágazás csatlakozó elemeinél. Az alkalmazás előtt tisztázandó a heterogén hegesztett kötések hegesztési, hőkezelési és vizsgálati terve, valamint a heterogén kötések üzemi viselkedése, különös tekintettel a visszamaradó feszültségekre. A megoldás hátránya, hogy csak a helyi korróziós károsodás előzhető meg. 8
Az egyes leállás-indulási szakaszokban fellépő korróziós támadás időtartamaként, egységesen, a 3.3 pontbeli diagramon dokumentált 30 órát vettük figyelembe (lásd még a 4. megjegyzést).
AG 500 1001 Rev1 2005-11-09
13 / 17
7.2
Vízkémia, tápvíz kezelés és felügyelet
A korrózió megszüntetésének legbiztosabb, egyben legköltségesebb módszere. A tápvíz Cl, CO2, OH és O2 tartalmának <10ppb nagyságrendi értékekre csökkentése a problémát megszünteti. Valamennyi felhasznált forrásból származó víz központi vízkezelését és rendszeres felügyeletét igénylő eljárás. Nagy előnyként jelentkezhet a csővezetékek és szerelvények kísérőfűtések kondenz visszatérő csővezetékeinek jelentős költséget okozó korróziós problémáinak megoldása. 7.3
A leállás-indulási művelet technológiai módosítása
A módosítás célja, a helyi korróziós folyamat elektrokémiai feltétele kialakulásának megelőzése a kondenzátum képződésének megakadályozásával, szabályozott leállási (hűtési) viszonyok mellett. A gőz harmatpont feletti ~20C-os túlhevítettségének biztosításával a kondenzáció elkerülhető. Ennek érdekében, és feltételezve, hogy az eljárásnak technológiai akadálya nincs, az F-1051bontókemence gőzvezetékének teljes lehűtését nem megkövetelő, rövid időtartamú (~3-4napos) üzemleállások során (az esetek túlnyomó többsége ilyen), az atmoszférikus nyomás elérése, illetve a kondenzáció megkezdődése előtt a lefúvatást meg kell szüntetni, és a csővezetéket temperálás (a) vagy kiszárítás (b) céljából le kell választani a HD gőzrendszerről. A gőzvezeték leválasztása történhet, pl. a HPSSHI túlhevítő és a kemencedob közötti szakaszba beépítendő új szerelvény, a lefúvató felé leágazó csőszakaszban a HIC1201 nyomásszabályozó előtt levő elzárószerelvény, valamint az üzemi HD gőzhálózatba való becsatlakozás előtt levő elzáró szerelvényekkel. A leválasztást követően, egy megfelelő p-T paraméterű, pl. 3barg/160oC túlhevített gőzzel kell folyamatosan temperálni a leszakaszolt gőzvezetéket, célszerűen a meglévő technológiai és technikai lehetőségek kihasználásával kialakított zárt cirkulációs folyamatban, a szükséges kiegészítő feltételek megteremtésével. A temperálás az üzemindulás kezdetéig fenn kell tartani. A hőntartás biztosítja a kondenzáció elkerülését, és a zárt folyamat kizárja az O2, CO2 és más, a levegőben levő korrózív anyagok rendszerbe való bejutását. Hosszabb idejű üzemleállások esetén a gőzvezeték (viszonylag) gyors kiszárítása (b) a megoldás. A leszakaszolt de a lefúvató felé nyitott csővezetéket, a kondenzációs hőmérséklet elérése előtt, száraz meleg levegővel ki kell szárítani, majd néhány tized bar nyomásra feltöltve lezárni. AG 500 1001 Rev1 2005-11-09
14 / 17
Részleges megoldást (c) jelenthet a késleltetett kondenzáció és a levegő rendszerbe beáramlásának a megakadályozása. A leállásoknál, a lefúvatást az atmoszférikus nyomás elérésekor és ~120oC gőzhőmérsékletnél meg kell szüntetni egyidőben a csővezetéket a rendszerről le kell választani. A zárt rendszerben a hűlés hatására vákuum keletkezik, amely a további kondenzációt késlelteti. A hőmérséklet csökkenésével a korróziós hatás is csökken. A gőzvezeték szilárdságilag a teljes vákuumra (-1barg = FV) többszörös biztonsággal megfelel, azonban ebből a szempontból ellenőrizni kell valamennyi érintett nyomáshatároló elemet, csatlakozó szerelvényt stb. A döntés előtt, a zárt rendszerben vákuum alatt zajló folyamatot mindenre kiterjedően ellenőrizni kell.
7.4
A gőzvezeték konstrukciós módosítása
A gőzvezeték konstrukciós módosítása a leágazás utáni holttér megszüntetésére irányul. A biztonsági szelepcsoport a DN150 csővezeték felett kerül elhelyezésre. Egyidőben a forduló utáni, a csővezeték tengelyirányú elmozdulását határoló csőtartó megszüntetésre kerül. A leágazás alá, függőleges irányú elfordulást határoló új csőtartót telepítünk (a biztonsági szelepek funkciója miatt). A megoldás a holttér minimális méretét és szabad leüríthetőségét biztosítja.
(a) Jelenlegi állapot
(b) Átalakítás után
A leágazás átalakításának köszönhetően, az agresszív környezet helyi kialakulását lehetővé tevő holttér megszüntetése mellett, a csatlakozásnál mérhető expanziós feszültségek a jelenlegi érték 1/4-1/7-ére csökkennek. A leágazás konstrukciós módosítása lehetővé teszi a szerkezeti egység kritikus hegesztett kötéseinél a feszültségoldó hőkezelés elvégzését is. Az átalakítás során, a csővezetéki analízissel kimutatott tervezési és szerelési hibák megszüntetésére és kisebb, a korróziós folyamat szempontjából nem meghatározó módosítások elvégzésére is sor kerülhet. AG 500 1001 Rev1 2005-11-09
15 / 17
7.5
A hegesztési feszültségek csökkentése
A javasolt konstrukciós módosítás szerint, a DN150/80 hegesztett T-leágazás helyett az eredeti terv szerinti weldolet típusú leágazás kerül beépítésre. Csatlakozó elemek mérete és anyagminősége a jelenlegi állapot szerint (Nb- vagy Tistabilizált ausztenites CrNi-acélok, homogén hegesztett kötések) A DN150/80 weldolet leágazás, a DN80 csőtoldat, a DN80/80 T-idom és a 90o-os ívcsövekből álló hegesztett szerkezet egység előgyártásban készül és annak feszültségoldó hőkezelése egy kampányban elvégezhető. Előgyártásban, feszültségoldó hőkezelés nélkül készülhetnek a heg. toldatos elzáró szerelvények hegesztett kötései. Helyszíni és hőkezelés nélküli hegesztési varratok a DN150 alapcső két körvarrata. A feszültségoldó hőkezelést (PWHT) 850-950°C, 10-15 perc paraméterekkel kell elvégezni. A maradó feszültség az eredeti érték ~10%-ára csökkenhet.
7.6
Az expanziós feszültségek csökkentése
Döntően a 7.4 pontban vázolt konstrukciós módosítás közvetlen következményeként, a csővezeték akadályozott hőtágulásából származó helyi expanziós feszültség drasztikusan csökken. A rugalmassági és feszültséganalízis alapján számított expanziós feszültségek nagyságának összehasonlítása, a leágazás csonkbekötő varratában (Node 300) és a leágazás utáni körvarratban (Node 3000) a tartós üzemben és a korróziós támadás hőmérsékletén: Konstrukciós kialakítás eredeti terv jelenlegi állapot javasolt módosítás
AG 500 1001 Rev1 2005-11-09
Tartós üzem - 510oC Node 300 Node 3000 67 MPa 69 MPa 46 MPa 28 MPa 12 MPa -
Leállás - 100oC Node 300 Node 3000 36 MPa 26 MPa 14 MPa 12 MPa 2 MPa -
16 / 17
8.
Megoldási javaslat
A jelen esetben, egy 15 éve üzemelő és névleges élettartama felében járó, a vizsgált leágazásban súlyosan károsodott rendszerbe kell beavatkozni. A beavatkozás eredményességének fokmérője, a gőzvezetékrendszer (gazdaságos) maradék élettartamára gyakorolt kedvező hatás. A maradék élettartamot ugyanakkor, a szerkezetben felhalmozódott, a feszültségkorróziós folyamat megállításával nem megszűntethető károsodások jellege és mértéke is meghatározza. A maradó károsodások közül, a repedések a meghatározóak. A jelen vizsgálat tapasztalatai alapján biztosak lehetünk abban, hogy az üzemelő gőzvezetékben számos olyan repedés lehet, amely a szerkezet váratlan (helyi) törését okozhatja. Ezért, a repedések roncsolásmentes vizsgálatokkal történő feltárását és törésmechanikai értékelését megkerülhetetlen feladatnak tartjuk, amit a javító intézkedésekkel egyidőben szükséges elvégezni. A törésmechanikai elemzés alapján dönteni lehet a repedést tartalmazó szerkezeti rész (azonnali vagy későbbi) cseréje, de akár a repedésnek a szerkezetben való megtűrése mellett is. A körülményeket és adottságokat figyelembevéve, olyan kombinált eljárást kell bevezetni, amely a feszültségkorróziós folyamat megszüntetése mellett kedvező hatással van a repedéseket tartalmazó szerkezet élettartamára. Ehhez, a feszültségkorróziós folyamat jelenlegi szinten történő megállítására alkalmas eljárások (7.2, 7.3a, 7.3b) mellett, a járulékos helyi igénybevételek csökkentésére alkalmas megoldásokat (7.4, 7.5) is alkalmazni kell. A műszaki elvárásnak megfelelő (bár nem egyenértékű) megoldások az alábbiak: (a) Tápvíz kezelés, leágazás módosítása (7.2, 7.4) (b) Tápvíz kezelés, leágazás módosítása + PWHT (7.2, 7.4+7.5) (c) Szabályozott leállás temperálással, leágazás módosítása (7.3a, 7.4) (d) Szabályozott leállás temperálással, leágazás módosítása + PWHT (7.3a, 7.4+7.5) (e) Szabályozott leállás kiszárítással, leágazás módosítása (7.3b, 7.4) (e) Szabályozott leállás kiszárítással, leágazás módosítása, + PWHT (7.3b, 7.4+7.5) (f) Szabályozott leállás vákuum alatt részleges kondenzációval, leágazás módosítása + PWHT (7.3c, 7.4+7.5)
Moumoulidis Ioannis okl. gm. műszaki szakértő G-D-33, G-D-63 AG 500 1001 Rev1 2005-11-09
17 / 17
