Ing. František Cikryt - VÍTKOVICE a.s. Divize Energetické strojírenství

Kotlové bubny jsou tlakové válcové nádoby, jejichž stěna je oslabena polem otvorů pro zaústění trubek. Teplota stěny bubnu je dána teplotou sytosti páry při daném tlaku. Obvykle jde o přetlaky kolem 20 až 25 Mpa. V průběhu minulých let byl zjištěn velký výskyt poruch na vysokotlakých bubnech. Jedná se především o vznik trhlin ve svarovém spoji na přechodu válcového pláště do dna, na vnitřních hranách otvorů a v otvorech pro spádové trubky, v blízkosti zaústění zavodňovacích trubek, na vnějším povrchu svarových spojů a na těsnících plochách v otvoru průlezu. U několika kotlových bubnů byly detekovány vady po celém obvodě svarového spoje mezi pláštěm a dnem, které dosahovaly hloubky až 7 mm. V jiném případě byly po cca 119 000 hodinách provozu objeveny vady charakteru trhlin na vnitřním povrchu otvorů pro spádové trubky o hloubce až 10 mm a max. délce 70 mm. I když byly vady odstraněny a hrany zaobleny, při kontrole po cca 208 000 hod. provozu byly opět nalezeny trhliny na hranách vývrtů hloubky 1-2 mm, délky až 30 mm. Trhliny ležely v rovině kolmé k obvodovému napětí .Při prohlídkách bubnů byly rovněž objeveny vady charakteru trhlin v podélném svaru pláště uvnitř bubnu, cca 100 mm od křížového spoje. Jednalo se o shluk trhlin dlouhých do 50 mm, z nichž trhliny v podélném směru zasahovaly do hloubky až 6 mm a trhliny v příčném směru do hloubky cca 10 mm. Dosti často bývají objeveny defekty ve svaru mezi nátrubkem a pláštěm bubnu, které bývají detekovány z vnitřního povrchu otvoru. Jsou známé případy, kdy hloubka defektů dosahovala až do poloviny tloušťky stěny nátrubku.

Vysoké nebezpečí, které vyplývá z poruchovosti kotlových těles a dalších následků, si vyžádalo práce směřující k :

1. měření provozních stavů tělesa a získání podkladů pro výpočet provozního namáhání. Měření zároveň slouží ke stanovení okrajových podmínek při výpočtu zbytkové životnosti. Za tím účelem byl na těleso krátkodobě instalován systém sběru dat, který spolu s provozními údaji dává přehled o skutečném provozním zatížení, o rychlostech náběhu, odstavení a přechodových změnách. Z měření lze vyhodnotit rozdíl teplot po tloušťce stěny jak v parní části, tak ve vodním objemu.
2. zjišťování degradace materiálových vlastností kotlových těles po dlouhodobém provozu. Je hodnocen nejen základní materiál, ale i jeho svarové spoje. Zkoušky jsou prováděny jak na vzduchu, tak ve vodě při pracovní teplotě. Pro tyto zkoušky jsou používány materiály a svarové spoje z vyřazených kotlových těles, které byly v provozu až 200 000 hodin.
3. zpřesňování výpočtových metod s uvážením degradačních mechanismů, které se mohou uplatnit v provozu.
4. získání údajů o počátečním stavu kotlového tělesa z hlediska rozmístění a typu defektů metodou akustické emise (AE).

Pojem posouzení zbytkové životnosti kotlového bubnu je třeba chápat jako komplexní službu zákazníkovi, do které patří následující činnosti.

• ověření skutečného technického stavu kotlového bubnu metodami NDT, AE s vytypováním kritických míst. Získání údajů o počátečním stavu kotlového bubnu z hlediska rozmístění a typu defektů.
• posouzení přípustnosti zjištěných vad a jejich vliv na bezpečný provoz zařízení
• návrh technologie opravy kotlového bubnu, je-li třeba
• provedení opravy nebo alespoň její technické dozorování
• zjištění údajů o dosavadním a plánovaném provozu. Údaje o dosavadním provozu lze získat přímo z řídícího systému kotle od provozovatele nebo instalováním monitorovacího systému na kotlový buben a to buď krátkodobě nebo dlouhodobě.
• stanovení příčiny poruchy nebo poškození bubnu a návrh na opatření k zamezení jejího opakování
• posouzení stupně degradace materiálových vlastností základního materiálu a svarových spojů. Nově se vyvíjejí metody, které umožňují posouzení stupně degradace materiálu metodou odběru malých vzorků z bubnu a to jak ze základního materiálu, tak i z oblasti svarových spojů. Výhoda této metody spočívá v tom, že nepoškozuje kotlový buben.
• návrh výpočtového modelu. Zpřesňování výpočtových metod, popisu mechanismů poškozování a jejich hodnocení.
• výpočet teplotních polí, deformací a napjatosti pro provozní zatížení
• posouzení čerpání životnosti vlivem proběhlých provozních režimů a stanovení trendu čerpání pro předpokládaný další provoz
• stanovení přípustné a kritické velikosti vad
• doporučení pro úpravu provozních režimů
• stanovení intervalu opakování nedestruktivních kontrol
• technická pomoc zákazníkovi při jednání s dozornými orgány

 Životnost a provozní spolehlivost kotlových bubnů je ovlivněna konstrukčním provedením, použitou technologií výroby, použitým materiálem, provozním režimem a způsobem kontrol během provozních odstávek. Významnou úlohu při posuzování dalšího provozu hraje zpětné získávání informací o provozních režimech, kritických místech konstrukce, stupni degradace materiálových vlastností po dlouhodobém provozu a o opravách a rekonstrukcích provedených v minulosti .

Výskyt vad typu trhlin u provozovaných vysokotlakých kotlových bubnů vyrobených z ocelí 13123 a 15223 vyvolal potřebu hodnocení zbytkové životnosti těchto zařízení. Z těchto důvodů jsou ve VÍTKOVICÍCH a.s. Ostrava prováděna komplexní hodnocení materiálových vlastností vyřazených kotlových bubnů, které byly vyrobeny ve VÍTKOVICÍCH a provozovány po různou dobu na elektrárnách v České republice i v zahraničí.

Pro hodnocení materiálových vlastností kotlových bubnů jsou stanovovány následující materiálové charakteristiky základních materiálů a svarových spojů.

• Materiálové charakteristiky stanovované tahovou zkouškou (Rp0,2,Rm, A, Z) při laboratorní teplotě a pracovní teplotě bubnu.
• Přechodová teplota materiálu bubnu stanovená rázovou zkouškou v ohybu.
• Teplota nulové tažnosti TNDT, resp. RTNDT.
• Lomové chování materiálů charakterizované parametry lomové mechaniky KIC, J - integrálu JIC, kritickým rozevřením trhliny d_C, resp. parametry J-R křivky. Tyto charakteristiky je možno stanovovat v rozmezí teplot -196 oC až 600 oC.
• Charakteristiky nízkocyklové únavy (křivka životnosti eat=f(2Nf) a cyklická křivka napětí-deformace stanovovaná v režimu konstantní amplitudy celkové deformace) při laboratorní teplotě a pracovní teplotě.
• Charakteristiky šíření únavových trhlin na vzduchu a ve vodním prostředí (prahová hodnota Kth pro šíření únavových trhlin, závislost da/dN na DK) při laboratorní teplotě a pracovní teplotě bubnu.
• Charakteristiky odolnosti vůči koroznímu praskání ve vodě při pracovní teplotě materiálu kotlových bubnů. Pro stanovení prahové hodnoty pro korozní praskání KISCC a závislosti rychlosti šíření korozní trhliny na DK je používána metoda "slow strain rate test" u zkušebních těles CT s počáteční únavovou trhlinou.

Doposud provedená hodnocení materiálových vlastností z vyřazených kotlových bubnů:

• Kotlový buben kotle č.3088 elektrárny Tisová u Sokolova, materiál 15223.9, vyřazeno z provozu po 30 letech. Provedeno komplexní hodnocení základního materiálu a obvodového svarového spoje plášť-dno.
• Kotlový buben kotle K11 elektrárny III, Třinecké železárny . Vyřazen z provozu po 200 000 hodinách. Materiál 13123. Provedeno komplexní materiálové hodnocení základního materiálu a obvodového svarového spoje plášť-dno.
• Kovaný kotlový buben z elektrárny Tiszapalkonya-Maďarsko, vyřazené po 200 000 hodinách provozu. Materiál 13123.9. Proveden komplexní rozbor materiálových vlastností pláště kotlového bubnu, který byl vykován ve VÍTKOVICÍCH z jednoho kusu na přelomu roku 1955-56.
• Kotlový buben kotle K9 Mělník, vyřazený z provozu po 134 000 hodinách. Materiál 15223.9. Provedeno komplexní hodnocení základního materiálu a obvodového svarového spoje plášť-dno.
• Kotlový buben kotle K9 Mělník, vyřazený z provozu po 134 000 hodinách. Materiál 15223.9. Provedeno hodnocení náchylnosti obvodového svarového spoje vůči koroznímu praskání ve vodě teplotě 290 oC.
• Odhad teploty RTNDT materiálu 15223.9 z kotlového bubnu elektrárny Dunamenti-Maďarsko. Zkušební materiál - vývrt o průměru 90 mm z oblasti válcové části pláště.
• Hodnocení křehkolomových vlastností materiálu 15223.5 víka vstupního otvoru kotlového bubnu 2. bloku elektrárny Nováky .
• Hodnocení odolnosti oceli WB -36 vůči nízkocyklové únavě, subkitickému růstu trhlin na vzduchu a ve vodním prostředí a stanovení křehkolomových vlastností.

V rámci posuzování zbytkové životnosti tlakového systému parního kotle byly ve VÍTKOVICÍCH a.s. v posledních letech provedeny tyto práce :

• Kotlový buben K1 VSŽ Košice - posouzení vadných svarů, stanovení kritické velikosti vady
• Teplárna VÍTKOVICE K11 - posouzení zbytkové životnosti kotlového bubnu
• Silon Planá nad Lužnicí - posouzení zbytkové životnosti kotlového bubnu a stanovení kritické velikosti vady
• El. Dunamenti, Maďarsko - posouzení zbytkové životnosti kotlového bubnu K12
• El. Tisza II, Maďarsko - posouzení zbytkové životnosti kotlových bubnů K1 - K4
• Teplárna II Bratislava posouzení zbytkové životnosti kotlových bubnů K5, K6
• El. Nováky, 2.blok - návrh technologie opravy a posouzení zbytkové životnosti kotlového bubnu po opravě
• El. Tušimice I - posouzení možnosti dalšího provozu kotlových bubnů K3, K4, K5

Na základě výsledků získaných z výše uvedených experimentálních prací lze konstatovat, že pro:

• z porovnání získaných základních mechanických vlastností při laboratorní teplotě s hodnotami uvedenými v atestu vyplývá, že ani technologické operace při výrobě kotlového bubnu ani expozice na teplotě po dobu 200 000 hodin nevedla k významným změnám pevnostních a plastických vlastností
• 200 000 hodin provozu vedlo k významnému zvýšení teploty RTNDT až na RTNDT = min. 57 oC oproti původní hodnotě RTNDT= - 45OC.
• z hodnocení odolnosti vůči křehkému porušení vyplývá, že lomová houževnatost materiálu pláště je významně nižší než lomová houževnatost svarového kovu
• únavové zkoušky v oblasti makroplastických deformací ukázaly, že zvýšení teploty zkoušení z 25 oC na 320 oC se pro e at< 1% projevilo významným snížením životnosti
• přítomnost vodního prostředí o teplotě 100 oC nevedla ke zvýšení rychlosti šíření únavových trhlin. Avšak při cyklování zkušebních těles ve vodním prostředí o obsahu kyslíku 8 ppm a teplotě 280 oC došlo k významnému zvýšení rychlosti šíření trhliny oproti šíření na vzduchu.
• kinetika šíření únavových trhlin na vzduchu je u studované oceli závislá na asymerii cyklu
• únavová životnost svarových kovů obou svarových spojů (APT,ROS)při teplotě zkoušení 320 oC je významně nižší v porovnání s únavovou životností základního materiálu.

• z porovnání získaných základních mechanických vlastností při laboratorní teplotě s hodnotami uvedenými v atestu vyplývá, že po 30 letech provozu došlo k významnému zvýšení meze kluzu a meze pevnosti při současném poklesu tažnosti A5. Na této skutečnosti se může rovněž podílet plastická deformace plechu vyvolaná při zkružování.
• teplota RTNDT plechu, ze kterého byl vyroben plášť bubnu je po 30 letech provozu rovna 107 oC. Po 134 000 hodinách provozu je změřená teplota materiálu kotlového tělesa

RTNDT = -5oC, pro cca 90 000 hodin provozu je změřená teplota materiálu tělesa RTNDT = -10oC.

• z hodnocení odolnosti vůči křehkému porušení pomocí LEPLM vyplývá, že lomová houževnatost materiálu pláště je významně nižší než lomová houževnatost svarového kovu.
• únavové zkoušky v oblasti makroplastických deformací prokázaly významný vliv teploty zkoušení. Zvýšení teploty zkoušení z 25oC na 350 oC vedlo k významnému snížení životnosti v celém studovaném rozsahu deformací.
• kinetika šíření únavových trhlin na vzduchu při laboratorní teplotě je velmi málo závislá na asymetrii cyklu R
• přítomnost vodního prostředí o teplotě 300 oC a vysokém obsahu kyslíku vede k významnému zvýšení rychlosti šíření únavových trhlin. Zvýšení rychlosti šíření ve vodě oproti šíření na vzduchu je významně ovlivněno frekvencí cyklování
• rychlost šíření únavové trhliny ve svarovém kovu je při R = 0,5 více než 2x vyšší než rychlost šíření únavové trhliny v základním materiálu
• změna asymetrie cyklu z R = 0 na R = 0,5 vyvolala významné zvýšení rychlosti šíření únavové trhliny ve svarovém kovu
• hodnocení odolnosti jednotlivých částí obvodového svarového spoje vůči koroznímu praskání ve vodě o teplotě 290 oC prokázalo výrazně vyšší odolnost TOZ ve srovnání se základním materiálem a svarovým kovem
• prahová hodnota KISCC byla vypočtena z J-R křivky stanovené při rychlosti zatěžování 0,001 mm/min. Prahová hodnota pro TOZ vykazuje přibližně 3x vyšší hodnoty než pro základní materiál

Experimentální práce na materiálech 13 123 a 15 223 potvrdily, že provozní zatížení má dominantní vliv především na zhoršení křehkolomových vlastností materiálů - výrazný vzrůst tranzitních teplot, a výrazný pokles lomové houževnatosti. Důsledkem toho je nutnost provádět tlakové zkoušky kotlových bubnů při zvýšených teplotách a zmenšování dovolené velikosti přípustného defektu s dobou provozu.

Předložená zpráva shrnuje poznatky o poruchách objevených při provozu kotlových bubnů a hlavní závěry experimentálního hodnocení základních materiálů kotlových bubnů a jejich svarových spojů po dlouhodobém provozu. Tyto práce byly ve VÍTKOVICÍCH a.s. započaty na základě objevených poruch kotlových bubnů a na základě množících se požadavků provozovatelů kotlů o stanovení zbytkové životnosti kotlových bubnů.

Postupným získáváním údajů o vlastnostech materiálu po dlouhodobém provozu bylo možné hodnotit zbytkovou životnost kotlových bubnů, posuzovat přípustnost objevených defektů a doporučovat provozovateli podmínky pro další bezpečný provoz kotlových bubnů. Současně byl pro tyto účely vyvinut diagnostický systém monitorování životnosti vybraných technických zařízení tepelných elektráren. Dožití tlakové nádoby je signalizováno varujícími změnami v jejím chování a nasazení diagnostiky, jak provozní, tak v přestávkách provozu musí ověřovat stupeň poškození a včas předejít poruše nebo havárii.

Každé zařízení podléhá v provozu degradaci materiálu a postupně ztrácí svou funkci. Pokud není důvodem k vyřazení z provozu zastaralá koncepce díla, špatná účinnost, či jiné aspekty, je jeho život určen zbytkovou životností, která zaručuje potřebnou rezervu oproti selhání materiálu. Toto kriterium se uplatňuje stále častěji, protože provozní podmínky jsou stále náročnější a životnost se čerpá rychleji. Vzrůstající provozní namáhání spolu s účinky pracovních látek vede k urychlené iniciaci a rozvoji vad materiálů, ke komplexní degradaci jeho vlastností. V posledních několika desítkách let nepříznivé účinky působící na ocelové konstrukce rostly rychleji, než stoupala odolnost materiálů uplatněním nových technologií. Proto původně dostatečná rezerva materiálu klesá a poruchy zařízení se množí.