201312_PSpaw_25gt.pdf 75Przegląd sPawalnictwa 12/2013 Paweł Grzywna Dominik Kukla Wpływ eksploatacji na wybrane właściwości mechaniczne stali X10CrMoVnB9-1 (P91) influence of exploitation conditions on mechanical  properties of X10crMoVnB9-1 (P91) steel gr inż. Paweł rzywna, dr inż. ominik K k a – IPPT PAn, Warszawa. Ce badań Badania materiałowe stali w dwóch stanach wy- eksploatowania służyły wykazaniu degradacji wystę- pującej na elementach energetycznych i postępującej wraz z liczbą godzin przepracowanych w warunkach podwyższonej temperatury oraz zmiennych obciążeń mechanicznych. Określenie metodyki wykonywania badań i wyznaczenie parametrów porównawczych sta- nowiło cel pracy. Przedmiot badań Badania prowadzono na próbkach żarowytrzyma- łej stali stopowej X10CrMoVnb9-1 (P91), stosowanej do budowy kotłowych przegrzewaczy pary, zbiorni- abstract Tests results of P91 steel taken from a scrap of a new pipeline and a pipeline after 80 000 h of its exploitation in real steam conditions were presented. Additionally, in the present paper comparative parameters were indicated. Chemical composition analysis, microstructural observa- tions, static tensile tests were carried out; also Wöhler’s characteristics were outlined. Moreover, there were con- sidered results of nondestructive methods such us eddy currents that allow quantitative assessment of fatigue damage evolution of P91 steel. Streszczenie Przedstawienie wyników badań stali P91 w stanie do- stawy i po 80 000 h przepracowanych na rurociągu pary świeżej oraz wskazanie parametrów porównawczych stanowi treść niniejszego opracowania. W pracy przed- stawione zostały wyniki badań składu chemicznego, mikrostruktury, statycznej próby rozciągania oraz cha- rakterystyki Wöhlera. nawiązano też do wyników badań nieniszczących otrzymanych przy użyciu metody prądów wirowych umożliwiających ilościową ocenę stopnia degra- dacji zmęczeniowej stali P91. ków pary, zbiorników ciśnieniowych i rurociągów pary z przeznaczeniem do pracy w zakresie temperatur do 650°C. Próbki do badań pobrano z dwóch rurociągów ze stali P91. Jeden z wycinków pochodził z elementu rurociągu pary świeżej eksploatowanego przez 80 tys. h w warunkach ciśnienia 8,4 MPa oraz temperatury 540oC. Drugi wycinek pochodził z części nieeksploato- wanego rurociągu o tej samej średnicy, w stanie do- stawy. Proces degradacji Proces degradacji tych elementów związany jest z oddziaływaniem warunków eksploatacyjnych (wy- soka temp. i ciśnienie), w których dochodzi do takich procesów jak grafityzacja, kruchość wodorowa czy korozja wżerowa. Dodatkowo dochodzi destruktyw- ny wpływ przekroczenia nominalnych parametrów pracy potęgujący dynamikę rozwoju tych procesów. W praktyce przemysłowej uszkodzenia elementów 76 Przegląd sPawalnictwa 12/2013 części ciśnieniowej kotłów są skutkiem więcej niż jed- nego rodzaju procesu niszczenia. W wielu przypadkach jest to proces złożony, o którym decydują minimum dwa lub więcej głównych czynników. Stąd konieczność roz- wijania procedur w zakresie monitorowania procesów degradacji oraz definiowania prawdopodobnego me- chanizmu niszczenia elementów instalacji energetycz- nych [1]. W związku z tym podjęto zagadnienie oceny wpływu oddziaływania warunków eksploatacyjnych w czasie 80 tys. h na mikrostrukturę i właściwości wy- trzymałościowe stali P91. yniki badań W pierwszej kolejności obydwa wycinki poddano ba- daniom składu chemicznego dla potwierdzenia zgod- ności ze składem normatywym. Wyniki przedstawione w tablicy I wskazują na dużą zgodność zawartości pier- wiastków stopowych obydwu wycinków z zakresem normatywym. W kolejnym kroku przeprowadzono dla próbek zarówno w stanie dostawy, jak i po eksploatacji bada- nia mikrostrukturalne oraz statyczną próbę rozciąga- nia, która jednocześnie pozwoliła uzyskać parametry materiałowe (Rm, Re) niezbędne do testów zmęcze- niowych. Badania mikrostrukturalne próbek ze stali w stanie dostawy i w stanie po eksploatacji ujawniły strukturę odpuszczonego martenzytu z wydzieleniami węglików, jednak w przypadku stali eksploatowanej stwierdzono mniejszy ich udział. Jak widać na rysunku 1 mikrostrukturę stali w stanie dostawy cechuje więk- sza jednorodność struktury jak i wielkości ziaren. Właściwości wytrzymałościowe stali P91 przed i po eksploatacji określono na podstawie statycznej próby rozciągania na próbkach płaskich o przekroju kwa- dratowym, wyciętych wzdłuż osi głównej elementów rurociągu. Reprezentatywne charakterystyki wytrzy- małościowe stali w stanie dostawy po eksploatacji przedstawiono na rysunku 2. W celu otrzymania wia- rygodnych wyników próby rozciągania dla materiałów w stanie dostawy i po eksploatacji wykonano na pięciu próbkach. Średnie wartości parametrów wyznaczo- nych z tych testów zestawiono w tablicy II. Wyniki badań wytrzymałościowych wskazują na znaczny spadek wytrzymałości stali pod wpływem eksploatacji przy niewielkim wzroście uplastycznienia. niemniej jednak zmierzone parametry, dla obydwu ty- pów próbek, mieszczą się w szerokim zakresie normy. Stan stali C Mn Cr Mo V ni Cu Si S P P91 „0” 0,12 0,39 8,31 0,82 0,29 0,18 0,15 0,25 0,006 < 0,001 P91 „80 tys.” 0,11 0,43 8,16 0,86 0,24 0,28 0,13 0,15 0,008 0,042 Pn 10216- 2:2004 0,08÷0,12 0,3÷0,6 8÷9,5 0,85÷1,1 0,18÷0,25 < 0,4 < 0,3 0,2÷0,5 < 0,01 tab ica I. Zawartość pierwiastków stopowych w próbkach ze stali P91 przed i po eksploatacji oraz wg Pn 10216-2:2004 tab e I. The content of alloying elements in steel samples P91 before and after the operation and Pn 10216-2:2004 Rys. 1. Mikrostruktura stali P91 w stanie dostawy przy powiększeniu 20x (a) i 50x (b) oraz stali P91 po eksploatacji przy powiększeniu 20x (c) i 50x (d). ig. 1. P91 in the microstructure of the steel is delivered at a magni- fication x20 (a) x50 and (b), and the P91 steel operating at a magni- fication of x20 (c) x50 and (d) Rys. 2. Reprezentatywne krzywe rozciągania dla próbek ze stali w stanie dostawy i po eksploatacji ig. 2. Representative stress-strain curves for steel samples, as sup- plied and after the operation a) b) c) d) Stan stali Rm, MPa Re, MPa A, % P91 stan „0” 900 661 23 P91 stan „80 000” 662 497 24,5 Pn 10216-2:2004 630÷830 > 450 17÷19 tab ica II. Parametry wytrzymałościowe stali P91 przed i po eksplo- atacji oraz wg Pn 10216-2:2004 tab e II. The strength parameters of P91 steel before and after the operation, and by Pn10216-2: 2004 77Przegląd sPawalnictwa 12/2013 Kolejne badania o charakterze porównawczym do- tyczyły badań trwałości zmęczeniowej próbek ze stali P91 w stanie dostawy i po eksploatacji. Wyniki tych badań zestawione w formie charakterystyki Wöhle- ra przedstawia wykres na rysunku 3. Widać wyraźny spadek wytrzymałości w całym zakresie amplitudy na- prężenia od 320 do 680 MPa. Różnica w wartościach trwałości zmęczeniowej dla obydwu stanów materia- łu jest porównywalna w całym zakresie pomiarowym. Tym samym wykazano spadek tego parametru nieza- leżnie od amplitudy naprężenia. Badania te wykonano na próbkach osiowosymetrycznych, klepsydrycznych. Rys. 3. Charakterystyka zmęczeniowa stali w stanie nowym (0 h) i po eksploatacji (80 tys. h) ig. 3. The fatigue characteristics of steel in new condition (0 h) and after operation (80 000 h) Pods mowanie Wyniki eksperymentów wykazały spadek właści- wości mechanicznych stali wskutek eksploatacji. Wykonywane badania zmierzają do wyznaczenia parametrów określających w sposób ilościowy sto- pień degradacji materiału. Parametr wyznaczony w sposób nieniszczący na stali P91 opisany został w [1]. Opis parametru uszkodzenia zmęczeniowego wyznaczanego na podstawie przebiegów odkształ- ceń średnich oraz niesprężystych można znaleźć w [2, 3]. Literat ra [1] Kukla D., Grzywna P., Zagórski A. Ocena rozwoju degradacji zmę- czeniowej stali P91 na podstawie zmian kąta fazowego sygnału prądowirowego, Przgląd Spawalnictwa, 13/ 2012. [2] Kukla D., Zagórski A., Grzywna P.: Ocena rozwoju procesów zmę- czeniowych związanych z lokalnymi odkształceniami na przykła- dzie stali P91 dla energetyki, Energetyka, 08/2012. [3] Kowalewski Z., Kukla D., Grzywna P., Szymczak T.: Parametry uszkodzenia w procesie zmęczenia oraz ich miary, Energetyka 11/2012. r Redakcja Przegląd Spawalnictwa, ul. Świętokrzyska 14a, 00-050 warszawa tel.: 22 827 25 42, fax: 22 336 14 79; e-mail: pspaw@ps.pl, www.pspaw.ps.pl