201113_PSpaw.pdf 13Przegląd sPawalnictwa 13/2011 Bolesław Augustyniak Leszek piotrowski marek chmielewski ocena stanu trójnika rurociągu pary świeżej ze stali 13HMF metodą emisji magnetoakustycznej assessment of state of steam pipe t-joint made of 13HMf  grade steel using magnetoacoustic emission effect  Bolesław Augustyniak, Leszek Piotrowski, Marek Chmielewski – Politechnika Gdańska. Streszczenie Zbadano trójnik w rurociągu pary świeżej ze stali 13HM o czasie eksploatacji ok. 66 000 h. Mierzono: na- tężenie emisji magneto akustycznej (EMA), twardość HV, współczynnik tłumienia fal ultradźwiękowych (dB/mm). W przypadku badania EMA do magnesowania użyto gru- bościenny elektromagnes jarzmowy o adaptowanych ra- mionach a sygnał napięciowy z szerokopasmowej son- dy był filtrowany w celu eliminacji zakłóceń przemysło- wych. Porównawcza analiza tych trzech wielkości fizycz- nych umożliwiła identyfikację obszarów o mniejszym lub większym stopniu zdegradowania mikrostruktury. Wyka- zano, że odcinki łączników w trójnikach o mniejszej gru- bości ścianki mogą być bardziej zdegradowane od od- cinków o większej grubości ścianki. Te wyniki świad- czą o dużym potencjale diagnostycznym opracowywa- nej metody badania zmian w mikrostrukturze rurociągów pary świeżej wykonanej ze stali 13HMF. Abstract The study focused on a part of the steam pipe (T – jo- int) in a power plant boiler made of 13HMF grade steel (in service over 66 000 hours) with magneto-acoustic emis- sion (MAE). Two complementary techniques - the hard- ness measurement (HV) and ultrasound attenuation co- efficient analysis (dB/mm) have also been applied. The MAE signal was detected by large band sensor when thick pole electromagnet (adapted to pipe curvature) and appropriate filtering of acoustic had been applied. Com- parative analysis of those three quantities allowed detec- tion of the areas with different level of microstructural da- mage. It was revealed that parts of the joint made of lower thickness wall pipe are more creep-damaged than parts with higher thickness of the wall. These results demon- strate the high potential of the proposed technique of as- sessment of creep damage of power plant steam tubes made of 13HMF grade steel. Wstęp Proces degradacji, jakiemu ulegają elementy kon- strukcji w warunkach zmiennych naprężeń i wyso- kiej temperatury pogarsza znacząco właściwości me- chaniczne tych stali, aż do wystąpienia makroskopo- wych uszkodzeń [1]. Złożoność problemów technicz- nych występujących w sferze diagnostyki urządzeń energetycznych, a jednocześnie dążenie do podwyż- szenia dokładności prognozowania trwałości reszt- kowej są powodem ciągłego rozwoju nowych metod diagnozowania stanu materiału [2, 3]. Nieniszcząca ocena stopnia utraty właściwości wytrzymałościowych stali w przemyśle energetycznym jest zadaniem ogrom- nie ważnym i nadal nierozwiązanym w skali gospodarki światowej. W energetyce krajowej występuje problem diagnozowania i wymiany elementów instalacji ener- getycznych wykonanych głównie ze stali ferromagne- tycznych (10H2M, 15HM i 13HMF) a eksploatowanych dłużej niż 100 000 h. Wynika stąd zasadność podej- mowania intensywnych wysiłków na rzecz rozwoju me- tod badań nieniszczących służących do diagnozowa- nia właśnie takich gatunków stali. Zasadne jest zasto- sowanie dla nieniszczącego diagnozowania zmian mi- krostruktury eksploatowanych stali przynajmniej dwóch komplementarnych technik: techniki magnetycznej wykorzystującej właściwości ferromagnetyczne tej stali (a w szczególności zjawisko emisji magneto-akustycz- nej) oraz technikę ultradźwiękową. 14 Przegląd sPawalnictwa 13/2011 W Politechnice Gdańskiej prowadzone są od sze- regu lat badania nad wykorzystaniem efektów magne- tosprężystych, a w szczególności emisji magnetoaku- stycznej, do diagnozowania stanu mikrostruktury eks- ploatowanych stali ferromagnetycznych. Dotychcza- sowe wyniki tych badań dla stali ferrytyczno-perlitycz- nych i perlityczno-bainicznych (typu 15HM i 10H2M) wskazują jednoznacznie na to, że metoda bazująca na efekcie emisji magnetoakustycznej (EMA) charakte- ryzuje się bardzo dobrymi właściwościami użyteczny- mi dla potrzeb badań nieniszczących [4]. Szczególnie korzystny jest fakt, że natężenie EMA okazuje się być dla tych stali monotoniczną i znacząco malejącą funk- cją stopnia degradacji już na wczesnym etapie proce- su degradacji (przed wystąpieniem uszkodzeń mikro- struktury). Badania testowe wykonane na cienkościen- nych elementach konstrukcyjnych (przegrzewacze pary), dawały relatywnie silne sygnały EMA [5÷8]. Ele- menty grubościenne (takie jak np. elementy rurociągu pary świeżej) stanowią dużo większe wyzwanie z me- trologicznego punktu widzenia. Składają się na to trzy podstawowe problemy ‘techniczne’: konieczność do- statecznie silnego magnesowaniem tego typu elemen- tów, osłabienie sygnału EMA w grubościennych i dłu- gich elementach oraz hałasy akustyczne o naturze me- chanicznej generowane się w rurociągu w trakcie re- montów bloków energetycznych. W niniejszym artykule przedstawione są wyniki ba- dań za pomocą techniki EMA trójnika rurociągu pary świeżej wykonanej ze stali 13HMF. Wykonano tak- że badania komplementarne polegające na pomiarze w wybranych obszarach trójnika współczynnika tłumie- nia ultradźwięków, twardości i mikrostruktury mikrosko- pem świetlnym. Układy pomiarowe Pomiar EMA Układy do magnesowania i detekcji właściwości magneto-akustycznych zostały wykonane na Wydzia- le Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej PG. Ry- sunek 1 przedstawia układ do magnesowania oraz de- tekcji sygnału EMA w trakcie pomiarów. Składa się on z elektromagnesu (E), szerokopasmowego przetwor- nika ultradźwiękowego (s), przedwzmacniacza (pw) oraz (niewidocznego na zdjęciu) analogowego układu wzmacniającego (wykorzystano układy z filtrem gór- noprzepustowym oraz bez filtra). Szczególnie istotne okazało się zastosowanie elektromagnesu o dużej po- wierzchni przekroju rdzenia zapewniającego względnie silne namagnesowanie dużego obszaru rury. Zastoso- wano przetwornik ultradźwiękowy szerokopasmowy typu WD firmy Physical Acoustic Corporation. Wzmoc- niony sygnał napięciowy U z przetwornika ultradźwię- kowego podawany był na przetwornik analogowo-cyfro- wy (12 bitów) i rejestrowany z dużą rozdzielczością dla jednego półokresu magnesowania z wykorzystaniem przenośnego komputera przystosowanego do badań w warunkach przemysłowych (rys. 2). Analizę zare- jestrowanego sygnału napięciowego przeprowadza- no „on-line” korzystając z oprogramowania stworzone- go przy wykorzystaniu pakietu LabVIEW 8.0. Analiza polegała na cyfrowej filtracji z wykorzystaniem techni- ki FFT (szybka transformata Fouriera) oraz wyznacza- niu chwilowego napięcia skutecznego Ua (sygnał rms). Wyniki tej analizy są także rejestrowane. Badania ultradźwiękowe i twardości oraz mikrostruktury Badania komplementarne wobec metody EMA wy- konane zostały przez Laboratorium Badań Materia- łowych ME Groupe z Warszawy. Badania te polega- ły głównie na pomiarze współczynnika tłumienia fal ultradźwiękowych (dla częstotliwości 2, 4 i 15 MHz). Mierzono także twardości (za pomocą twardościomie- rza Krautkramer MIC-10) i wykonywano analizę mikro- struktur mikroskopem przenośnym (Instrukcja badaw- cza Nr 02 do procedury Nr P05 „Mikroskopia Świetlna Metoda przenośna – PMS” – IB02). Informacja o badanym trójniku Na rysunku 3 pokazano schemat trójnika w ruro- ciągu pary świeżej. Czas eksploatacji tego trójnika to ok. 66 000 h. Zaznaczono na nim obszary badań EMA i UT (punkty 1÷8) oraz pięć spoin. Linie przerywane to spoiny konstrukcyjne trójnika a linia ciągłe ozna- czają spoiny montażowe trójnika z resztą rurociągu. Rys. 1. Układ pomiarowy pod- czas pracy na rurociągu pary świeżej Fig. 1. Working meter circuit on the fresh steam pipeline Rys. 2. Komputer stosowany w trakcie pomiarów Fig. 2. Komputer used in the me- asurements Rys. 3. Schemat trójnika pary świeżej Fig. 3. fresh steam three-way pipe 15Przegląd sPawalnictwa 13/2011 Należy zaznaczyć, że punkty 1 i 2 oraz 3 i 4 dotyczą dwóch łączników. Przed przyspawaniem do korpusu trójnika zostały one przetoczone na wymagane wymia- ry. Charakterystyczna dla nich jest zmiana zewnętrznej średnicy. Okrągła kula trójnika wraz z szyją jest mono- blokiem i ten element został wykonany metodą kucia. Punkt 5 leży na szyi korpusu. Punkty 7 i 8 leżą na frag- mentach rurociągu dospawanych do trójnika. Wyniki badań Podstawą dla uzyskania zadowalających wyników pomiaru EMA w przypadku elementów grubościennych było wyeliminowanie zakłóceń w sygnale EMA. Opracowując technikę badania EMA elementów grubościennych stwierdzono, że rejestrowane przez głowicę szerokopasmową zakłócenia akustyczne wy- stępujące w rurociągu grubościennym w kotle charak- teryzują się wystarczająco różnym widmem częstotli- wości od widma sygnału EMA. Dzięki temu mogą być wyeliminowane poprzez stosowanie filtrów analogo- wych lub też przez obróbkę cyfrową zarejestrowanego pełnego sygnału napięciowego. Należy podkreślić, że opracowane z wykorzystaniem pakietu LabVIEW pro- cedury filtracji i analizy sygnału umożliwiły skuteczną detekcję sygnału EMA oraz szybką ocenę stanu ruro- ciągu w trakcie wykonywania badania EMA. Przedstawione wyniki pomiaru EMA uzyskano sto- sując odpowiednią filtrację. Wykresy zmierzonego chwilowego poziomu napięcia EMA są pokazane na rysunku 4. Są to fragmenty pętli histerezy zarejestro- wane dla wzrastających wartości prądu zasilającego elektromagnes jarzmowy. Szerokie maksimum w natę- żeniu EMA jest skutkiem złożonego rozkładu czasowo przestrzennego indukcji magnetycznej wewnątrz gru- bościennego elementu na skutek generacji prądów wi- rowych. Rejestrowany sygnał jest efektem sumowania fal akustycznych EMA emitowanych z obszarów o róż- nym stanie magnesowania [9, 10]. Analizę porównaw- czą natężenia EMA ułatwia zestawienie całek z wykre- sów wartości chwilowych natężenia EMA (rys. 4). Całki te pokazane są na rysunku 5. Jak widać, poziomy sy- gnału EMA różnią się dość znacznie. Największe na- tężenie EMA stwierdzono dla punktów 1, 3 i 5, a naj- mniejsze dla punktu 7. Natężenie EMA jest relatywnie niskie także dla punktów 5 i 8. Wyniki ultradźwiękowego pomiaru grubości przed- stawiono na rysunku 6. Widać, że grubość ścian- ki wstawek zmienia się od ok. 72 mm (punkty 1 i 3) do 52 mm (punkty 2 i 4). Dla pozostałych badanych ob- szarów grubość ścianki jest też bliska wartości 50 mm. Wyniki pomiaru twardości przedstawiono na rysun- ku 7. Widać znaczące różnice wartości twardości po- między wstawkami trójnika (poziom ok. 175 HV) a szy- ją (punkt 5) i zewnętrznymi elementami dospawanymi do trójnika (punkty 7 i 8). Tłumienie ultradźwięków okazało się być także róż- ne dla poszczególnych fragmentów trójnika. Z wy- ników pokazanych na rysunku 7 wynika, że tłumie- nie dla punktów 1 oraz 3 (grubsza ścianka) jest sys- tematycznie mniejsze od tłumienia dla punktów 2 i 4 Rys. 4. Natężenie emisji EMA w obszarach zaznaczonych na trójniku Fig. 4. MAE signal intensity in marked areas on the three-way pipe Rys. 5. Całki z natężenia EMA w obszarach zaznaczonych na trójniku Fig. 5. MAE signal integral intensity in marked areas on the three-way pipe Rys. 6. Grubość elementu wyznaczona za pomocą UT Fig. 6. Wall of pipe thickness measured using ultrasounds Rys. 7. Twardość HV w obszarach zaznaczonych na trójniku Fig. 7. HV hardness in the marked areas on the three-way pipe 16 Przegląd sPawalnictwa 13/2011 (cieńsza ścianka). W punkcie 5 tłumienie jest relatyw- nie wysokie. Ważnym w analizie danych momentem jest zesta- wienie wyników pomiaru EMA (całki) z wartościami twardości HV i współczynnikiem tłumienia. Takie zesta- wienie przedstawiono w postaci wykresu trójwymiaro- wego na rysunku 9. Wyróżnić należy najpierw punk- ty 3 i 1 – o dużym poziome EMA i względnie wysokiej twardości HV. Zgodnie z przyjęta koncepcją o charak- terze zmian natężenia EMA w procesie degradacji na- leży przypuszczać, że te fragmenty łącznika nie uległy jeszcze degradacji. Punkty 4 i 2 – leżące w strefie cień- szej ścianki łącznika cechują się dużo niższym pozio- mem EMA w porównaniu z obszarami 1 i 3, a więc na- leży cieńsze fragmenty łącznika ocenić jako relatyw- nie bardziej zdegradowane niż te należące do strefy o grubszej ściance. Obszar dla punktu 5 (szyja trójni- ka) charakteryzuje się wysokim poziomem EMA ale re- latywnie niską twardością. Współczynniki tłumienia dla wszystkich punktów położonych na trójniku mają po- dobną wartość. Stwierdzona dla punktu 5 różnica w po- ziomie twardości przy tym samym poziomie EMA i tłu- mienia może wynikać z mikrostruktury materiału łącz- ników i korpusu trójnika. To zostało potwierdzone ba- daniami metalograficznymi. Za pomocą mikroskopu świetlnego zbadano obrazy mikrostruktury w punk- cie 1 i punkcie 5. W przypadku łącznika stwierdzono strukturę ferrytyczno-bainityczną (ziarno o średnicy D = 40 mm ± 10 mm). W punkcie 5 występowały bardzo duże ziarna ferrytu (D = 150 ± 10 mm) z udziałem fazy zapewne perlitycznej. Duże ziarno ferrytu sprawia, że zwiększa się poziom emisji EMA a faza perlityczna jest przyczyną mniejszej twardości tej części trójnika. Punk- ty 7 i 8 należą do obszaru ‘odrębnego’ w sensie struk- tury rurociągu a zapewne i mikrostruktury. W przypadku punktu 7, widoczne na rysunku 9 cechy – niski poziom EMA , niski poziom HV oraz wysoki poziom tłumienia, sugerują zakwalifikowanie tego fragmentu do grupy ma- teriałów relatywnie najbardziej zdegradowanych. Punkt 8 – charakteryzuje się wysokim poziomem EMA, dużą twardością i małym tłumieniem fal ultradźwiękowych. Na tej podstawie można i należy ten obszar zaliczyć do ma- teriału mniej zdegradowanego niż materiał w obszarze punktu 7. Należy dodać, że odcinki rur dospawane do obu łączników maję tę samą grubość ścianki. Tym sa- mym różnice w poziomie twardości jaki i współczynnika tłumienia muszą wynikać z różnic w mikrostrukturze obu dospawanych rur. Należy też przypuszczać, że te zmia- ny są rezultatem eksploatacji, a nie wynikają z różnic w mikrostrukturze w stanie dostawy. Podsumowanie Zbadano trójnik w rurociągu pary świeżej. Mierzo- no: natężenie emisji magneto akustycznej, twardość, współczynnik tłumienia fal ultradźwiękowych. Porów- nawcza analiza tych trzech wielkości fizycznych umoż- liwiła identyfikację obszarów o mniejszym lub więk- szym stopniu zdegradowania mikrostruktury. Wyka- zano, że odcinki łączników w trójnikach o mniejszej grubości ścianki mogą być bardziej zdegradowane od odcinków o większej grubości ścianki. Te wyniki świad- czą o dużym potencjale diagnostycznym opracowywa- nej metody badania zmian w mikrostrukturze rurocią- gów pary świeżej wykonanej ze stali 13HMF. Niniejsze badania były finansowane z programu badawczego KBN Nr 1133/T08/2005/29 Rys. 8. Tłumienie UT w obszarach na trójniku zmierzone dla często- ści 2 i 4 MHz Fig. 8. Ultrasound attenuation in the marked areas on the three-way pipe for 2 i 4 MHz frequency Rys. 9. Wartości EMA w funkcji twardości (HV) i tłumienia (dB/mm) Fig. 9. MAE values in the function of hardness (HV) and attenuation (dB/mm) 17Przegląd sPawalnictwa 13/2011 Literatura [1] Hernas A., Dobrzański J.: Trwałość i niszczenie elementów ko- tłów i turbin parowych, Wyd. Politechnika Śląska, Mon. 2, Gli- wice 2003. [2] Dobosiewicz J.: Badania diagnostyczne urządzeń cieplno-me- chanicznych w energetyce – cz. II, kotły i rurociągi. Diagnosty- ka Techniczna, Warszawa: Biuro-Gamma, 1999. [3] Deputat J.: Nieniszczące metody badania materiałów; War- szawa, Biuro Gamma, 1997. [4] Augustyniak B.: Zjawiska magnetosprężyste i ich wykorzysta- nie w nieniszczących badaniach materiałów, Wyd. Politechnika Gdańska, Gdańsk, Monografia 38, 2003. s. 1-192. [5] Augustyniak B., Chmielewski M., Piotrowski L., Głowacka M.: Assessment of 15HM steel quality with three methods based on Barkhausen effect; Proc. of 9th International Scientific Con- ference AMME2000, Sopot 11.10.-14.10.2000, Ed. L. A. Do- brzański, 2000, s. 27-30. [6] Augustyniak B., Piotrowski L., Chmielewski M., and Sablik M.: Nondestructive Characterization of 2Cr-1Mo Steel Quality using Magnetoacoustic Emission, IEEE Trans. Magn., vol. 38, 5/2002, s. 3207-3209. [7] Sablik M.J., Augustyniak B., Piotrowski L.: Modeling incipient creep damage effects on Barkhausen noise and magnetoaco- ustic emission; J. Magn. Magn. Mater. vol. 272-276 (2004) s. e523-e525. [8] Augustyniak B., Piotrowski L., Chmielewski M., Sablik M.: Cre- ep damage zone detection in exploited power plant tubes with magnetoacoustic emission; Przegląd Elektrotechniczny, nr 4/2007, s. 93-98. [9] Augustyniak B., Piotrowski L., Augustyniak M., Chmielewski M., Sablik M.J.: Impact of eddy currents on Barkhausen and magnetoacoustic emission intensity in a steel plate magnetized by a C-core electromagnet; J. of Magnetism and Magnetic Ma- terials. v. 272-276, (2004), s. e543-e545. [10] Augustyniak M., Augustyniak B., Chmielewski M., Sadowski W.: Impact of plate dimensions on time and space distribution of magnetic field induction inside the plate magnetized with C- core at various frequencies, Przegląd Elektrotechniczny. R 83, nr 6/2007, pp. 48-50 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