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

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

Piotr Śmietana

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.

Wyznaczanie żywotności resztkowej

Privileged & Confidential - Page 2

Obecnie stosowane metody oceny zapasu żywotności obejmują głównie:

Przegląd metod określania żywotności resztkowej


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)

Badania pełzaniowe

Analizy numeryczne(MES)

Parametry mechanikipękania

(np. KIC, CTOD, ac)

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

Próbki do badań własności mechanicznych


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.


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, ZOkreślenie FATT, KIC nie jest na obecnym etapie stosowane

Privileged & Confidential - Page 6Korpus WP, nieciągłości hutnicze, stan nietrawiony

Korpus WP, mikrostruktura napoiny, traw. Mi1Fe

Korpus WP, mikrostruktura i wtrącenia niemetaliczne, traw. Mi1Fe

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. Mi1FePrivileged & Confidential - Page 7

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• wirnikCzęść NP:temperatura <350°C – pełzanie pomijalne


• 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


Podstawy określania żywotności resztkowej

Proces postępowania – wyznaczenie pozostałego resursu

Stany ustalonePodział warunków pracy na przedziały

temperaturowe, sumowanie godzin pracy w poszczególnych przedziałach

Stany nieustaloneAnaliza przebiegów zmian temperatur

i naprężeń podczas typowych rodzajów rozruchów i odstawień

Wyznaczenie naprężeń ustalonych w czasie

Określenie zmęczenia pełzaniowego Określenie zmęczenia niskocyklowego

Wyznaczenie naprężeń i odkształceń podczas stanów nieustalonych

Wyznaczenie stopnia wyczerpania żywotności elementu

Ocena zmęczenia materiału elementu na podstawie jego własności mechanicznych

Zalecenia dotyczące dalszej eksploatacji, okresów przeglądowych, bądź wymiany elementu

Zebranie i opracowanie danych eksploatacyjnych


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)

Określenie ubytku żywotności – stany ustalone


Nagłe zniszczenie

Stan obecny

Marginesbezpieczeństwa

Stan po rewitalizacji

Wycofanie z użytku

I okres pełzania II okres pełzania III okres pełzania

Pozostały resurs elementu przed rewitalizacją

Pozostały resurs elementu po rewitalizacji

Określenie ubytku żywotności – stany nieustalone


σ – naprężenie, T – temperatura,

ac – krytyczna wielkość wady

Określenie naprężeń i odkształceń podczas krytycznych faz rozruchów (przykład wirnika)

Dane eksploatacyjne

Wyznaczenie ubytku żywotności spowodowanego rozruchami

Źródło: Viswanathan, R. Damage mechanisms and life assessment of high-temperature components, ASM International, Ohio, 1993.

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.


Obliczanie pozostałego resursu wirników


Badanie ultradźwiękowe otworu centralnegoOkreślenie ilości, rozmiaru i rozmieszczenia

nieciągłości objętościowych

Analiza 2D i 3D nieciągłościWyznaczenie pola naprężeń – ALGOR, ANSYS, WECAN

WYNIKI, ZALECENIA


Obliczanie pozostałego resursu wirników – c.d.

Opracowanie i analiza wyników badania RBE

Program do mapowania i analizy sygnału z badań ultradźwiękowych

UMAPUltrasonic Mapping and Analysis Program

Oprogramowanie do wyznaczania pola naprężeń

ALGORANSYSWECAN

Określenie pozostałej żywotności, program WEROLE

Dane z systemu diagnostycznego RBE Narzędzia do analizy wskazań 2D

Narzędzia do analizy wskazań 3D

Wyznaczenie resursu wałów wirnikowych bazuje na danych zebranych podczas badania otworu centralnego (RBE, Rotor Bore Examination)

Wskazanie miejsc najsilniej zanieczyszczonych wtrąceniami niemetalicznymi i nieciągłościami, wydanie zaleceń do przedłużenia żywotności (np. obróbka otworu centralnego, modernizacja tarcz itp.)


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

W razie stwierdzenia niedopuszczalnych wskazań, wręby mogą być odtworzone i legalizowane pod wymiar stopek istniejących łopatek albo modernizowane pod łopatki z innymi stopkami



Wytrzymałość i żywotność materiału wrębów jest wówczas

taka, jak materiału nowego.

Napawanie i obróbka maszynowa uszkodzonych wrębów

Pęknięcie wrębu towarzyszące korozji naprężeniowej

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).


Dziękuję za uwagę


Documents

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