TurboCare Sp. z o.o. Określanie żywotności turbin parowych

1. TurboCare Sp. z o.o. Określanie żywotności turbin parowych Piotr Śmietana

2. Wyznaczanie żywotności resztkowej Cele określania resztkowej żywotności elementów turbin: • minimalizacja ryzyka eksploatacyjnego, w tym: • wyznaczenie bezpiecznych interwałów inspekcyjno-remontowych, • wyznaczenie terminu wymiany zużytych elementów, • optymalizacja parametrów eksploatacji, • weryfikacja uzyskanych wyników badań NDT, • określenie najbardziej niebezpiecznych miejsc elementów pod kątem monitorowania ich stanu. Czynniki decydujące o żywotności resztkowej turbin: • długość, sposób eksploatacji oraz odstępstwa od warunków obliczeniowych (przekroczenia, odstawienia, awarie), • nieznane i degradujące się własności mechaniczne materiału, • różne czasy pracy elementów składowych turbiny, • różna intensywność parametrów pracy elementów. Privileged & Confidential - Page 2

3. Przegląd metod określania żywotności resztkowej Obecnie stosowane metody oceny zapasu żywotności obejmują głównie: Badania pełzaniowe Parametry mechaniki pękania (np. KIC, CTOD, ac) Analizy numeryczne (MES) • Wyniki badań nieniszczących: • UT, PA, RBE – mapy wskazań; • MPM – globalny stan naprężeń własnych; • HB – przebiegi zmian twardości w funkcji godzin pracy Badania zmęczeniowe (zmęczenie cieplne i mechaniczne) i niszczące (najczęściej Re, Rm) Privileged & Confidential - Page 3

4. Próbki do badań własności mechanicznych Wymiary i ilość próbek do określenia: • Udarności sposobem Charpy’ego (KCV) – typowo do oceny porównawczej efektów rewitalizacji 10X10X55mm – minimum 2 próbki • Granicy plastyczności, wytrzymałości na rozciąganie, wydłużenia i przewężenia (Re, Rm, A5, Z) Ø16X100mm – minimum 2 próbki • Temperatury przejścia w stan kruchy (FATT) 10X10X55mm – minimum 6÷8 próbek • Współczynnika intensywności naprężeń, KIC 20X40X130mm – minimum 3 próbki – wykonalne na korpusach ale praktycznie niemożliwe do wykonania na komorach zaworowych Privileged & Confidential - Page 4

5. Dobór własności mechanicznych do obliczeń • Rozbieżność rzeczywistych i normatywnych własności mechanicznych stali i staliw „starych” korpusów turbin jest spowodowana m.in.: • niedoskonałościami odlewniczymi i obróbki cieplnej (struktury nierównowagowe), • spoinami naprawczymi, wykonywanymi na etapie produkcji i remontów, • degradacją mikrostruktury na skutek obciążeń cieplno-mechanicznych. Mogą one powodować niepewność wyników obliczeń. • Do oceny żywotności zaleca się dlatego pobranie próbek do statycznej próby rozciągania, celem wyznaczenia rzeczywistych wartości Re, Rm, E, A5, Z. Privileged & Confidential - Page 5

6. Wpływ gatunku materiału i mikrostruktury na dobór metody wyznaczenia żywotności – korpusy i komory zaworowe • Staliwa korpusów i komór zaworowych: • niejednorodna mikrostruktura i wielkość ziaren • duża ilość wtrąceń niemetalicznych i rzadzizn • liczne naprawy spawalnicze (fabryczne i remontowe) • struktury nierównowagowe (np. Widmannstättena) • Wyznacza się: Re, Rm, KCV, HB, A5, Z • Określenie FATT, KIC nie jest na obecnym etapie stosowane Korpus WP, mikrostruktura napoiny, traw. Mi1Fe Korpus WP, mikrostruktura i wtrącenia niemetaliczne, traw. Mi1Fe Korpus WP, nieciągłości hutnicze, stan nietrawiony Privileged & Confidential - Page 6

7. Wpływ gatunku materiału i mikrostruktury na dobór metody wyznaczenia żywotności – wirniki • Stale z których wykonywane są wirniki turbin parowych • (typu 26H2MF, 26NiCrMoV14-5, 30CrMoNiV5-1-1) cechuje na ogół: • równomierna mikrostruktura, • niskie rozrzuty własności mechanicznych w obrębie całej części. • Oprócz wyznaczenia Re, Rm, KCV, HB, A5, Z wyznacza się również: FATT, KIC Mikrostruktura stali 26H2MF, sorbit odpuszczania; traw. Mi1Fe Privileged & Confidential - Page 7

8. Elementy poddawane analizie żywotności resztkowej Część WP: • korpus – wewnętrzny i zewnętrzny • komory zaworów szybkozamykających • komory zaworów regulacyjnych • wirnik Część SP: • korpus – wewnętrzny i zewnętrzny • komory zaworów szybkozamykających • komory zaworów regulacyjnych • stacje zrzutowe • wirnik Część NP: temperatura <350°C – pełzanie pomijalne Privileged & Confidential - Page 8

9. Podstawy określania żywotności resztkowej • Analiza danych eksploatacyjnych • Badania materiałowe • wyznaczenie poeksploatacyjnych własności mechanicznych elementów turbin • wyniki badań zmęczeniowych, prowadzonych w laboratoriach Siemensa od II poł. XXw • Analizy obliczeniowe (MES) • Porównanie z danymi doświadczalnymi z innych maszyn podobnej konstrukcji Privileged & Confidential - Page 9

10. Proces postępowania – wyznaczenie pozostałego resursu Zebranie i opracowanie danych eksploatacyjnych Stany ustalone Podział warunków pracy na przedziały temperaturowe, sumowanie godzin pracy w poszczególnych przedziałach Stany nieustalone Analiza przebiegów zmian temperatur i naprężeń podczas typowych rodzajów rozruchów i odstawień Wyznaczenie naprężeń ustalonych w czasie Wyznaczenie naprężeń i odkształceń podczas stanów nieustalonych Określenie zmęczenia niskocyklowego Określenie zmęczenia pełzaniowego Wyznaczenie stopnia wyczerpania żywotności elementu Ocena zmęczenia materiału elementu na podstawie jego własności mechanicznych Zalecenia dotyczące dalszej eksploatacji, okresów przeglądowych, bądź wymiany elementu Privileged & Confidential - Page 10

11. Wyznaczanie żywotności w oparciu o badania pełzaniowe • Wyniki badań zmęczeniowych i pełzaniowych prowadzone na zlecenie Siemens AG w kooperacji z TU Dresden i TU Stuttgart umożliwiają: • Ocenę własności materiału po przepracowaniu do 200.000 godzin pracy w warunkach pełzania (działania temperatur do 600°C) • Dostęp do przebiegów zmian własności mechanicznych (Re, Rm, A, Z), w funkcji temperatury (do 600°C) Privileged & Confidential - Page 11

12. Określenie ubytku żywotności – stany ustalone Pozostały resurs elementu po rewitalizacji Pozostały resurs elementu przed rewitalizacją Nagłe zniszczenie Wycofanie z użytku Stan obecny Stan po rewitalizacji Margines bezpieczeństwa I okres pełzania II okres pełzania III okres pełzania Privileged & Confidential - Page 12

13. Określenie ubytku żywotności – stany nieustalone Dane eksploatacyjne σ – naprężenie, T – temperatura, ac – krytyczna wielkość wady Określenie naprężeń i odkształceń podczas krytycznych faz rozruchów (przykład wirnika) Źródło: Viswanathan, R. Damagemechanisms and life assessment of high-temperaturecomponents, ASM International, Ohio, 1993. Wyznaczenie ubytku żywotności spowodowanego rozruchami Privileged & Confidential - Page 13

14. Obliczenia Metodą Elementów Skończonych Oprócz podstawy do wyznaczania żywotności resztkowej, analizy te służą: • określeniu miejsc uprzywilejowanych do rozwoju pęknięć – do badań NDT stanu powierzchni (VT, PT, MT, HB, mikrostruktura) i objętości materiału (UT, PA, ET, MPM), • rozważeniu różnych wariantów modernizacji (obróbka maszynowa, spawanie, napawanie), • weryfikacji doświadczeń eksploatacyjnych. Privileged & Confidential - Page 14

15. Obliczanie pozostałego resursu wirników Określenie ilości, rozmiaru i rozmieszczenia nieciągłości objętościowych Badanie ultradźwiękowe otworu centralnego WYNIKI, ZALECENIA Analiza 2D i 3D nieciągłości Wyznaczenie pola naprężeń – ALGOR, ANSYS, WECAN Privileged & Confidential - Page 15

16. Obliczanie pozostałego resursu wirników – c.d. Wyznaczenie resursu wałów wirnikowych bazuje na danych zebranych podczas badania otworu centralnego (RBE, Rotor BoreExamination) Opracowanie i analiza wyników badania RBE Narzędzia do analizy wskazań 2D Dane z systemu diagnostycznego RBE Program do mapowania i analizy sygnału z badań ultradźwiękowych UMAP Ultrasonic Mapping and Analysis Program • Narzędzia do analizy wskazań 3D Określenie pozostałej żywotności, programWEROLE Oprogramowanie do wyznaczania pola naprężeń ALGOR ANSYS WECAN Wskazanie miejsc najsilniej zanieczyszczonych wtrąceniami niemetalicznymi i nieciągłościami, wydanie zaleceń do przedłużenia żywotności (np. obróbka otworu centralnego, modernizacja tarcz itp.) Privileged & Confidential - Page 16

17. Obliczanie pozostałego resursu wirników – c.d. Oprócz oceny żywotności resztkowej wałów wirników istnieje potrzeba badania tarcz wirnikowych i wrębów łopatkowych – elementów najsilniej obciążonych: metoda Phased-Array Schemat badania PA wrębu łopatkowego i jego wizualizacja defektoskopowa Privileged & Confidential - Page 17

18. Obliczanie pozostałego resursu wirników – c.d. W razie stwierdzenia niedopuszczalnych wskazań, wręby mogą być odtworzone i legalizowane pod wymiar stopek istniejących łopatek albo modernizowane pod łopatki z innymi stopkami Napawanie i obróbka maszynowa uszkodzonych wrębów Pęknięcie wrębu towarzyszące korozji naprężeniowej Wytrzymałość i żywotność materiału wrębów jest wówczas taka, jak materiału nowego. Privileged & Confidential - Page 18

19. Podsumowanie Ocena żywotności elementów turbin przeprowadzana przez TurboCare umożliwia: • Podjęcie decyzji o naprawie, modernizacji lub wymianie w oparciu o ich rzeczywisty stan techniczny, • Wskazanie najbardziej wytężonych części maszyny, • Odpowiednio wczesne zaplanowanie zamówienia elementów nowych, • Wyznaczenie terminów bezpiecznych przeglądów i przewidywanego zakresu badań nieniszczących (MPM, VT, PT, MT, UT, ET, PA) i/lub niszczących (wytrzymałościowych), • Optymalizację parametrów pracy pod kątem bezpiecznego użytkowania, • Podjęcie decyzji o ewentualnych zmianach parametrów pracy (zmiana trybu pracy turbiny). Privileged & Confidential - Page 19

20. Dziękuję za uwagę Privileged & Confidential - Page 20