Zapewnienie bezpieczeństwa instalacji przemysłowych z wykorzystaniem metod badań nieniszczących

Krzysztof Jan KURZYDŁOWSKIMaciej Marian SPYCHALSKI

Wojciech Leon SPYCHALSKI

III Sympozjum Klubu Paragraf

Politechnika WarszawskaWydział Inżynierii Materiałowej

2/58

•Diagnozowanie stanu technicznego na etapie- Produkcji- Odbioru- Eksploatacji

•Badania całej konstrukcji i wybranych elementów

•Kryteria wyboru miejsc badania- Analiza ryzyka- Analiza warunków pracy (wytężenie, temperatura, środowisko)- Historia eksploatacji (miejsca wcześniejszych awarii, zmiany konstrukcyjne, wymiana elementów)- Doświadczenie i praktyka inżynierska- Obliczenia numeryczne

Zapewnienie bezpieczeństwa instalacji

3/58

Celem badań jest ograniczenie ryzyka awarii poprzez wykrycie wad materiałowych, ocena ich szkodliwości oraz monitorowanie ich rozwoju

Ryzyko awarii w warunkach prawidłowej eksploatacji jest zależne od procesów zachodzących w materiałach pod wpływem naprężeń, temperatury i środowiska eksploatacji.

Zapewnienie bezpieczeństwa instalacji

4/58

Degradacja materiałów konstrukcyjnych - zmiany struktury (z reguły niekorzystną) zachodzące pod wpływem oddziaływania czynników środowiskowych.

Zmiany te powodują zwykle spadek, szeroko rozumianych, właściwości użytkowych materiałów (w tym powodują zmiany właściwości mechanicznych).

W praktyce przemysłowej degradacja materiałów zachodzi zawsze, choć z różną intensywnością, której tempo może ulegać wahaniom lub (co jest częstsze) intensyfikacji w końcowym okresie eksploatacji.

Degradacja materiałów

5/58

Uszkodzenie zgrzewów wymiennika w wyniku korozji

Skutki degradacji materiałów

Uszkodzenie rury pieca pirolitycznego w wyniku przegrzania

6/58

Skutki degradacji materiałów

Wybuch instalacji – rozszczelnienie w wyniku zmęczenia materiału

7/58

Podwyższona TemperaturaWysoka, stała – Nawęglanie, odwęglanie, utlenianie, rozrost ziarn, koagulacja wydzieleń, dyfuzja pierwiastków stopowych, kruchość odpuszczania, kruchość 475°C, kruchość fazy sigmaZmienna – zmęczenie termiczne

Środowisko (gazowe lub ciekłe)

Suche – korozja chemiczna (narastanie warstw - utlenianie, nawęglanie)Wilgotne – korozja galwaniczna, równomierna, szczelinowa, wżerowa, międzykrystaliczna, selektywna, naprężeniowa, zmęczeniowa, wodorowąZmienne – Erozja, Erozja-korozja

Obciążenia mechaniczneStałe – Niebezpieczne w połączeniu z innymi czynnikami: wysoką temperaturą pracy – pełzanie, obniżoną temperaturą – kruche pękanie Zmienne – Niskocyklowe, Wysokocyklowe (podkrytyczny rozwój pęknięć), Udarowe (kruche pękanie)

Czynniki wywołujące degradację materiałów

8/58

Degradacja powierzchni – Jest procesom zachodzącym w warstwie wierzchniej mogą jej również towarzyszyć zmiany geometrii powierzchni, w skali mikroskopowej, związane pojawieniem się warstw skorodowanych, ich pękaniem i łuszczeniem się.

Degradacja w objętości – Jest znacznie trudniejsza do wykrycia i zdiagnozowania. Może objawiać się w postaci lokalnych nieciągłości (pęknięcia, mikro pory pustki) lub globalnych zmian struktury i właściwości (korozja wodorowa, rozrost ziaren, dyfuzja pierwiastków stopowych).

Degradacja materiałów

9/58

Korozja jest jedną z głównych form degradacji materiału.

Różne typy korozji charakteryzują się różnym obrazem powstających defektów:

– Galwaniczną

– Równomierną

– Szczelinową

– Wżerową

– Międzykrystaliczną

– Selektywną

– Naprężeniową

– Zmęczeniową

– Wodorową

Korozja

10/58

korozja wżerowa warstwa zgorzeliny

lokalne utlenienie dyszy wtryskiwacza

warstwa odwęglona

Korozja

11/58

Korozja

korozja naprężeniowa korozja wżerowa

20 µm

c

20 µm20 µm20 µm

c

dekohezja na granicach ziaren w kruchej warstwie wodorków

12/58

Wpływ temperatury

strefa odwęglona

Odwęglenie

%C↓

Zarodkowania na granicach

ziaren niepożądanych faz

13/58

Zmiana struktury stali ferrytyczno-perlitycznej wywołana długotrwałym wpływem pola temperatury

100 tys. h

20 tys. h

Wyraźna zmian dyspersji ziaren perlitu

Uwidacznia się przemiana struktury ferrytyczno-perlitycznej w strukturę ferrytyczno-węglikową

Wpływ temperatury

14/58

Pustki

Y. Nagakawa,Aero-Engine Business and Material TechnologiesJapan, Superalloys 2004, TMS, 2004.

Wpływ temperatury i naprężeń

15/58

Pasma ferrytu w stali austenitycznej

Pustki i mikropęknięcia na granicy faz istotnie różniących się właściwościami mechanicznymi

Wpływ temperatury i naprężeń

16/58

Obciążenia mechaniczne

łopatka turbiny

mur z kamienia wapiennego

zerodowane kierownice wirnik

Erozja i kawitacja

17/58

Stale niskostopowe, jak i stale odporne na korozję, mogą ulegać degradacji materiałowej, wywołanej degradacją wodorową.

Mechanizm degradacji wodorowej w znacznym stopniu zależy od szybkości dyfuzji, a także od zdolności do rozpuszczania wodoru.

W stalach austenitycznych pod wpływem wodoru zachodzą zmiany strukturalne związane m.in. z tworzeniem nietrwałych w temperaturze pokojowej faz wodorkowych, które powodują efekt kruchego pękania.

Niskostopowe stale Cr-Mo mogą ulegać atakowi wodorowemu, który ujawnia się m.in. uszkodzeniami w postaci wewnętrznego odwęglenia oraz pęcherzy, rozwarstwień i pęknięć.

Degradacja pod wpływem wodoru

18/58

Degradacja pod wpływem wodoru

19/58

Degradacja pod wpływem wodoru

20/58

Dobierając metody monitorowania degradacji materiału należy prać pod uwag możliwe mechanizmy degradacji, dostęp do badanych elementów czy możliwość pobrania wycinków materiałów. Nie bez znaczenia są aspekty ekonomiczne.

Przy obecnym poziomie rozwoju techniki i wiedzy o procesach degradacji możliwy jest często ilościowy opis kinetyki rozwoju uszkodzeń przy różnych warunkach obciążenia, temperaturach i środowiskach pracy.

Wybierając metody monitorowania degradacji materiału należy rozpatrzyć przede wszystkim wszystkie możliwe mechanizmy zniszczenia jakie mogą pojawiać się w rzeczywistych warunkach pracy urządzeń.

Monitorowanie degradacji materiałów

21/58

Techniki badań nieniszczących

Najczęściej stosowane techniki badań nieniszczących

• Metoda wizualna - Visual Testing (VT) - Ultraviolet, Infrared, and Visible Light. • Metoda penetracyjna - Penetrant Testing (PT) • Metoda prądów wirowych - Eddy Current/Electromagnetic Testing (ET) • Metoda magnetyczna - Magnetic Particle Testing (MT) • Metoda ultradźwiękowa - Utrasonic Testing (UT) • Metoda Radiograficzna - Radiography (RT): X-Rays, Gamma Rays, Beta Particles, Protons, Neutrons• Metoda emisji akustycznej - Acoustic Emissions (AE)

Przy wyborze metody badań nieniszczących należy kierować się informacjami zawartymi w odpowiednich normach dotyczących metod jak i sposobu badania określonych materiałów i urządzeń. Pomocne mogą tu być różnego rodzaju wytyczne określające optymalną metodę NDT w zależności od materiału i typu wady

22/58

Techniki badań nieniszczących

•Metody „lokalne”ultradźwiękowe, penetracyjne, prądów wirowych, magnetyczne, radiograficzne, …

•Metody „globalne”emisja akustyczna, wizualne, próba ciśnieniowa, badania szczelności, …

•Możliwość badania w czasie eksploatacjizależne od warunków pracy – tensometryczne, wizualne, emisja akustyczna, badania ultradźwiękowe, …

23/58

Techniki badań nieniszczących

24/58

Przykłady

25/58

Warunki pracy

Środowisko:- Węglowodory- sole amonowe (NH4HS)- Wodór- Woda

Temperatura: 60 °CPrędkość: > 7 m/s

erozja - korozja

korozja wodorowa - pęcherze

Monitorowanie uszkodzeń rurociągu

26/58

Widok z góry

Widok od strony północnej

N

S

E W

Miejsca Miejsca występowania występowania pocienieńpocienień

wejście od 1-E-08 H

wejście od 1-E-08 H

Pocienienia rurociągu 1-P-1071 na odcinku 8”

27/58

Lp PrzekrójPunkty pomiarowe

A B C D

P34I 19,9 20,0 18,8 19,6

II 19,3 19,3 19,8 16,3

Prosta 34

I

II

~90mm

Max 20,0 mm

Min 16,3 mm

A

BC

D G nom = 23,01G min = 13,79

Wyniki pomiarów grubości odcinka 8”

28/58

Erozja rur 8”

Obserwowane ubytki materiału we fragmencie rurociągu 8” 1-P-1071

29/58

Phase Array - Rury 8” i 12”

30/58

Rura 8” – rekonstrukcja

31/58

Modelowanie MES

Naprężenia obwodowe

32/58

Naprężenia obwodowe

Modelowanie MES

33/58

1

MN

MX

XY

Z

42.57850.964

59.3567.736

76.12284.508

92.894101.28

109.666118.053

OCT 9 200623:31:35

PLOT NO. 5

NODAL SOLUTION

STEP=1SUB =1TIME=1SEQV (AVG)DMX =.060071SMN =42.578SMX =118.053

Naprężenia zredukowane w rurze 12” z uszkodzeniem

Modelowanie MES

34/58

X

Y

Z

020

4060

80100

120140

160180

OCT 13 200618:39:25

PLOT NO. 9

NODAL SOLUTION

STEP=1SUB =1TIME=1SEQV (AVG)DMX =.314663SMN =4.467SMX =368.328

Modelowanie MES

Naprężenia zredukowane w rurze 12” z uszkodzeniem

35/58

Zb.1-V-04

kolano179

Zb.1-V-04

kolano169

kolano171

Widok od strony północnej

Widok od strony wschodniej

WE

N

S

NS

E

W

Korozja wodorowa

Rozwarstwienia wodorowe

36/58

Monitoring - Badania Emisji Akustycznej

37/58

Pomiary grubości

Kolano 179

38/58

Lokalizacja

wykrytego

pęcherza

od powierzchni

zewnętrznej

850

Rozwarstwienia wodorowe

39/58

Rozwarstwienia wodorowe

40/58

ANSYS 10.0AUG 20 200609:19:44PLOT NO. 4NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1VSUM (AVG)RSYS=0PowerGraphicsEFACET=1AVRES=MatSMX =7.337

X

Y

Z

0.8151781.632.4463.2614.0764.8915.7066.5217.337

ANSYS 10.0AUG 20 200609:22:29PLOT NO. 5NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1VSUM (AVG)RSYS=0PowerGraphicsEFACET=1AVRES=MatSMX =7.337

X

YZ

0.8151781.632.4463.2614.0764.8915.7066.5217.337

Przepływ czynnika przez kolano - rozkład prędkości, m/s

Modelowanie MES

41/58

Modelowanie MES

ANSYS 10.0AUG 20 200609:23:44PLOT NO. 7NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1PRES (AVG)RSYS=0PowerGraphicsEFACET=1AVRES=MatSMN =.129E+08SMX =.130E+08

X

Y

Z

.129E+08

.129E+08

.129E+08

.129E+08

.129E+08

.129E+08

.130E+08

.130E+08

.130E+08

.130E+08

ANSYS 10.0AUG 20 200609:25:15PLOT NO. 8NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1PRES (AVG)RSYS=0PowerGraphicsEFACET=1AVRES=MatSMN =.129E+08SMX =.130E+08

X

YZ

.129E+08

.129E+08

.129E+08

.129E+08

.129E+08

.129E+08

.130E+08

.130E+08

.130E+08

.130E+08

Przepływ czynnika przez kolano - rozkład ciśnienia, Pa

42/58

ANSYS 10.0AUG 20 200618:32:33PLOT NO. 7NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1UX (AVG)RSYS=0PowerGraphicsEFACET=1AVRES=All(Full)DMX =30.896SMN =-.141933SMX =.115576

XY

Z

-.141933-.113321-.084709-.056096-.027484.001128.02974.058352.086964.115576

Deformacje w okolicy pęknięcia międzywarstwowego wychodzącego powierzchnie wewnętrzną

Modelowanie MES

43/58

ANSYS 10.0AUG 20 200618:54:41PLOT NO. 16NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1SEQV (AVG)PowerGraphicsEFACET=1AVRES=All(Full)DMX =30.896SMN =4.898SMX =157.723

X

YZ

4.89821.87838.85955.83972.8289.801106.781123.762140.743157.723

Naprężenia zredukowane w okolicy pęknięcia międzywarstwowego wychodzącego powierzchnie wewnętrzną

Modelowanie MES

44/58

Monitoring ciągły:

• pomiary emisji akustycznej• pomiary tensometryczne• pomiary ciśnienia, temperatury i szybkości przepływu

Monitoring okresowy:

• ultradźwiękowe pomiary grubości• ultradźwiękowe pomiary geometrii uszkodzeń metodą PhaseArray

Monitoring

45/58

Monitoring

46/58

Monitoring

47/58

Monitoring - Ultradźwiękowe badania rozwarstwień

48/58

Monitoring - Ultradźwiękowe badania rozwarstwień

49/58

Monitoring - Ultradźwiękowe badania rozwarstwień

50/58

Monitoring - Ultradźwiękowe badania rozwarstwień

Statystyka wyników

głębokość zalegania

rozwarstwienia

23 sierpnia

25 sierpnia

05 września

13 września

20 września

21 września

28 września

02 października

21 listopada

Obszar badania [mm x mm]

400x 320

400x 320

400x320

440x320

460x320

540x540

540x540

540x540

540x540

Średnia [mm] 36,00 39,27 38,06 33,51 38,42 42,54 39,86 39,68 38,98

błąd pomiaru 0,27 0,43 0,38 0,36 0,43 0,35 0,44 0,42 0,34

Min [mm] 18,44 10,31 24,38 12,95 15,62 17,81 13,38 10,76 15,93

Max [mm] 44,06 62,81 61,83 58,80 58,43 63,75 61,66 64,50 63,43

51/58

Monitoring - Badania tensometryczne

52/58

-50

0

50

100

150

200

29-9 30-9 1-10 2-10 3-10 4-10 5-10 6-10 7-10 8-10 9-10 10-10 11-10 12-10 13-10

[um

/m]

Ww_04 Ww_05 Ww_07

-50

0

50

100

29-9 30-9 1-10 2-10 3-10 4-10 5-10 6-10 7-10 8-10 9-10 10-10 11-10 12-10 13-10

[um

/m] Ww_10 Ww_11

Monitoring - Badania tensometryczne

53/58

-50

0

50

100

29-9 30-9 1-10 2-10 3-10 4-10 5-10 6-10 7-10 8-10 9-10 10-10 11-10 12-10 13-10

[um

/m] Ww_06 Ww_02

-50

0

50

100

150

29-9 30-9 1-10 2-10 3-10 4-10 5-10 6-10 7-10 8-10 9-10 10-10 11-10 12-10 13-10

[um

/m] Ww_03 Ww_ref

Monitoring - Badania tensometryczne

54/58

Monitoring - Badania Emisji Akustycznej

55/58

Czujnik z przedwzmacniaczem VS30-V

Przedwzmacniacz AEP4

Uchwyt

Czujnik zintegrowanych z przedwzmacniaczem VS150-RIC

Monitoring - Badania Emisji Akustycznej

56/58

Monitoring - Badania Emisji Akustycznej

57/58

Badania przed eksploatacją - Badania Emisji Akustycznej

Zastosowanie metody Emisji Akustycznej podczas wygrzewania nowego reaktora

Wynik badań

- aktywne źródła emisji akustycznej

- pęknięcia (metodą penetracyjną) w spoinie łączącej nakładkę do której przymocowane były uchwyty montażowe

58/58

Podsumowanie

• Konstrukcje inżynierskie ulegają degradacji materiałowej także w warunkach prawidłowej eksploatacji

• Degradacja materiałów i uszkodzenia mogą być monitorowane nowoczesnymi metodami z zakresu badań nieniszczących

• Współczesne metody monitorowanie degradacji pozwalają na bezpieczną eksploatację instalacji o znacznym stopniu degradacji materiału