JELLEGZETES ÜZEMFENNTARTÁSI OBJEKTUMOK ÉS SZAKTERÜLETEK 5.17
Nagynyomású reaktorok karbantartásának eljárása és gyakorlati tapasztalatai* Dr. Élesztős Pál, tanszékvezető egyetemi docens, a műszaki tudomány kandidátusa Szlovák Műszaki Egyetem, Bratislava Écsi László, kutatómérnök Szlovák Műszaki Egyetem, Bratislava
Tárgyszavak: nagynyomású berendezés; karbantartás; mérés. Nagynyomású reaktorok a vegyipar és az energetika különböző területein elterjedten használatosak. Tekintettel működtetésük különleges paramétereire (nagy nyomás és magas hőmérséklet), karbantartásukra megkülönböztetett figyelmet kell fordítani. Az első nagynyomású polietilén reaktorokat a 70-es évek elején a legfejlettebb ipari államok műszaki összefogásával fejlesztették ki. Magát a reaktortestet több villamos ívkemencéből egyidejűleg öntött nagyméretű ingotból (öntecs) kovácsolták, majd nagy pontossággal megmunkálták. A szerzők évtizedeken keresztül kísérleteztek a reaktortestek lágyítás utáni felkeményítésével (belső túlnyomással), különböző méréseket végeztek a nyomáspróbák alatt, ill. az egyik leállított reaktortest anyagán mechanikai vizsgálatokat is. Cikkükben a reaktorok felújításának folyamatát és néhány anyagtani vizsgálat eredményét, a maradék élettartam meghatározásának lehetőségét, ill. tapasztalataikat adják közre.
1. A karbantartás főbb műveletei A gyártó (Japan Steel Work, Hokkaido) előírta a karbantartás főbb lépéseit, amelyek egyrészt szigorú megszorításokat tartalmaznak, másrészt *
A tanulmány az OKAMBIK (Országos Karbantartási és Munkabiztonsági Konferencia, 2005. május 18–20. Pécs) rendezvényen elhangzott előadás szerkesztett változata. A közlés engedélyezéséért köszönetet mondunk a szerzőknek.
a műszaki tudományok az informatikával karöltve olyan új eljárásokat kínálnak, amelyekkel néhány probléma ma már jobban kezelhető, mint a gyártás időszakában. Ezért a karbantartással kapcsolatos előírásokat a berendezés élettartama folyamán a tudomány és méréstechnika új lehetőségeivel bővítettük. Jelenleg a következő fő lépéseket alkalmazzuk: 1. Méretellenőrzés a nyomáspróba előtt és után. 2. Keménységmérés a nyomáspróba előtt és után. 3. Roncsolásmentes repedésvizsgálat (több módszerrel). 4. Mikroszerkezet-elemzés. 5. A belső felület ellenőrzése örvényárammal és ultrahangos vizsgálattal. 6. Nyúlásmérő bélyeges mérések a nyomáspróba alatt. 7. Akusztikus emisszió mérése a nyomáspróba alatt. 8. A maradék élettartam meghatározása (ASME szerint). 9. Az esetleges konstrukciós változtatások szilárdsági és élettartamvizsgálata. A vizsgálatok célja, hogy az üzemeltető kvalifikált döntéseket tudjon hozni a további biztonságos üzemeltetés érdekében.
2. Mérések a nyomáspróba alatt Az 1. ábrán ugyanazon reaktor két nyomáspróba alatt végzett mérési eredményeit ábrázoltuk 352 MPa belső túlnyomásnál. Az első mérést 10, a másodikat 20 éves üzemeltetés után végeztük. A relatív nyúlást és az elmozdulásokat két különböző módszerrel végeztük. Az eredményekből kitűnik, hogy a mérési értékek minimálisan térnek el egymástól. A második mérésnél a reaktortest hosszának változását is mértük a nyomás függvényében, eredményeinket a 2. ábrán ábrázoltuk.
3. Mikrostruktúra A rektorok anyagaként gyakran használatos a 4NiCrMo-tartalmú JSW VMCX4-140 számú acél. Pontos struktúrája vékony fóliákon elektronmikroszkópos eljárással (TEM = transmission electron microscope) vizsgálható. Ahogy a 3. ábra mutatja, az anyag alapstruktúrája alsó bénit, amelyben a cementit karbidjai interfázisos precipitációval keletkeztek. A cementit nagyságából és elrendeződéséből következtetve a struktúra megeresztett alsó bénit mellett megeresztett cementitet is tartalmaz. Az elektronmikroszkópos vizsgálatok alapján a reaktor anyaga hővel gerjesztett degradációt nem mutat ki.
A 4. ábrán a biztonsági membrán furatában keletkezett repedést látjuk.
Posunutie z εt 1.37 ε-ból számolt 1,37 Nameraná ∆D mért értékhodnota ∆D
1.27 1,27 1.32 1,32
1.24 1,24
1. 19 1,19
1.49 1,49
1.55 1,55 1.18 (0,76) (0.76) 1,18
1.59 1,59
priemer: átlag 1.37 1,37 priemer: átlag 1.33 1,33
1. ábra Az átmérő maximális változása nyomáspróbánál 5.00
Namerana zmena dlzky reaktoru
4.00 [ mm ] [mm]
3.00
2.00
Stup. tlaku
● emelkedő nyomás
1.00
⊕ csökkenő nyomás
Klesanie tlaku
0.00
-1.00 0
50
100
150
200
250
300
350
400
[MPa]
[ MPa ]
2. ábra A hosszméret változása a nyomás függvényében
3. ábra Az anyag mikroszerkezete
4. ábra Repedés a furatban
4. Keménységmérés A mikrokeménység mérése azt volt hivatott eldönteni, hogy a furat felülete felkeményedett, avagy lágyult. A keménység növekedése az adott anyag esetében a deformációs felkeményedésről tanúskodna statikus terhelésnél, viszont a ciklikus terhelés a keménység csökkenéséről tanúskodna. A mikrokeménységet HV 0,04 két síkban is mértük, kb. 0,5 mm-rel a felszín alatt, illetve a furat felületétől nagyobb távolságban. Az eredmények azt mutatták, hogy a felület alatti réteg keménysége 85 HVvel nagyobb, mint az alapanyagé a furattól megfelelő távolságban. Ilyen felkeményedést az üzemi terhelés nem okozhatott, csak mechanikus (statikus) túlterhelés, pl. a tömítőgyűrű előfeszítésekor.
5. A maradék élettartam A maradék élettartamot az ASME szabvány alapján számoltuk. Az eljárás röviden így foglalható össze: Nemlineárisan kiszámoljuk a maradék feszültség eloszlást a felkeményítés (nyomáspróba) után. A különböző ciklikus terhelésekre kiszámoljuk a főfeszültségek változását ∆σ1, ∆σ2, és ∆σ3, majd segítségükkel a következő képletből megállapítjuk a feszültségintenzitás értékét: σA =
Kσ 2
{
Max ∆σ1 − ∆σ2 ; ∆σ2 − ∆σ3 ; ∆σ3 − ∆σ1
},
Kσ az effektív feszültségkoncentráció együtthatója. Amennyiben a végeselem modelljének osztása megfelelően sűrű, Kσ= 1. Az így kapott σA-ból meghatározzuk a i-edik típusú ciklusra a megengedett ciklusszámot, Nimeg.
2
⎡ ⎤ ⎢ ⎥ 1 ⎢ A ⎛ 2300−t ⎞⎥ N imeg = ⎜ ⎟ , n N ⎢⎛ B ⎞ ⎝ 2300 ⎠⎥ ⎢ ⎜⎜ σA − ⎟⎟ ⎥ nσ ⎠ ⎢⎣ ⎝ ⎥⎦ ⎧ B⎫ σA = Max ⎨ σA ; ⎬ nσ ⎭ ⎩
ahol
. Az A és B együtthatók az anyag függvényei A = 0,6 · 105 MPa, (0,45 · 105 MPa alacsony ötvözésű acéloknál), 20 20 B = 1,43 · σco–0,43 R 20 e vagy B = 0,66 · R m –0,43 R e , σco a fáradási határ 106 ciklusra, R 20 és R m20 a folyáshatár és szakítószilárdság [MPa] 20 °C hőmére sékleten; t = a legmagasabb hőmérséklet. Ausztenites rozsdaálló acélokra: A = 0,6 105 MPa, B = σco vagy 270 MPa. A használatos biztonsági tényezők: ciklusszámra nN = 10, feszültségre nσ = 2. Az egyes ciklustípusokra ismert Ni és Nimeg értékekből meghatározzuk a károsodás lineáris együtthatójának összegét
U=∑
Ni . Nidov
Az egyik reaktor radiális furata körüli károsodáseloszlást az 5. ábrán ábrázoltuk.
5. ábra A károsodás eloszlása százalékban
6. Az anyag mechanikai tulajdonságának mérése az üzemmódból való kiiktatás után Az egyik reaktortest a biztonsági membránok közelében keletkezett repedés folytán az üzemmódból ki lett iktatva. Azokról a helyekről, ahol számításaink szerint a legnagyobb károsodás volt várható, próbatesteket készítettünk, és azt húzó- és fárasztóvizsgálatoknak vetettük alá. Próbatesteket készítettünk a vastag falú edény köpenyének külső részéből is, hogy eredményeinket az itt mért, illetve a gyártó által megadott értékekkel is összehasonlíthassuk. Ezeket a méréseket egy prágai laboratórium tőlünk függetlenül is elvégezte. Az összehasonlítás közeli értékeket mutatott és a fáradásvizsgálatok az exponált helyeken az észlelhetőség határán mutattak csak kisebb értékeket, mint a nem károsodott részek.
7. Konstrukciós változtatások A menetek kalibrálásánál kitűnt, hogy az egyik furat menete már nem felel meg az előírásoknak, ezért megvizsgáltuk, hogy a közelebbi nagyobb menetméret mennyire befolyásolja a feszültségi állapotot, és hatása van- e a maradék élettartamra. A fedőlap modellje a 6. ábrán látható. A feszültségi állapotot az eredeti és a változtatott geometriával három terhelési esetre vizsgáltuk: 1. szerelés utáni előfeszített állapot, 2. a nyomáspróba, 280 MPa belső túlnyomás, 3. a maradó feszültségek, nyomás nélkül előfeszitett állapot.
6. ábra A fedőlap modellje
A 7. ábrán a furatok közelében a maradó feszültség eloszlást ábrázoltuk. Az analízisből kitűnik, hogy a furatok környezetében kialakul egy képlékeny zóna, amelynek terjedelme és mértéke elfogadható értékeket ad.
7. ábra A maradó feszültség eloszlás a nyomáspróba után
8. Összefoglalás A különleges igényeknek kitett nyomástartó edények biztonságos üzemeltetése érdekében a mechanika legújabb ismereteit kell alkalmazni. Irodalom [1] Élesztős, P. -Benča, Š. -Berky, R.: Zhodnotenie technického stavu reaktora PE L7 v.č. FC-4-0434 po regenerácii, SjF STU, 1996. [2] Élesztős, P. -Benča, Š. -Berky, R.: Zhodnotenie technického stavu reaktora PE V 303 tov.č. 2340281/6 po regenerácii. [3] Mark I and Mark III Polyethylene Reaction Vessels Inspection Procedures and Rules for Approval of Maximum Operation Conditions. Imperial Chemical Industries Ltd., Welwyn Garden City, 1978. [4] ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section VIII, Division 2: Pressure Vessels - Alternative Rules, 1983 SI Edition. [5] Bošanský, J.: Technická správa,analýza príčiny vzniku defektu v otvore poisneho ventilu reaktora, PE V 303 – II, IBOK Bratislava, júl 2002 [6] P.Bernasovský a kol.: Materiálová analýza trhliny v otvore reaktora PE3 na linke č.7, Technická správa VÚZ, okt.1998 [7] Élesztős, P., Benča, Š., Poděbradský, J., Chmelko, V., Berta, I.: Expertízne posúdenie materiálu reaktora PE L-7 po jeho vyradení z prevádzky, Technická správa SjF STU, Bratislava 2002
[8] Élesztős, P., Écsi, L.: EXPERIMENTAL TESTS ON THE BODY OF A POLYETHYLENE REACTOR, First International Conference on Maitenence Manegment for Quality life, Safety and Prodictivity, 14.-15. 4.2005 Venezia, Taliansko [9] Écsi, L., Élesztős, P.: SOME ADVANCES IN NUMERICAL METODS WITH A VIEW TO MAINTENANCE, First International Conference on Maitenence Manegment for Quality life, Safety and Prodictivity, 14.-15. 4.2005 Venezia, Taliansko
