PS 5 2016 WWW.pdf 53PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 5/2016 Wpływ wielokrotnego naprawczego procesu spawania   metodą TOPTIG długotrwale eksploatowanych ścian  szczelnych na strukturę i twardość SWC złącza spawanego The Influence of TOPTIG Multiple Repair Welding of Long Operated Waterwall on the Structure and Hardness of Heat Affected Zone of Welded Joints Mgr inż. Janusz Pikuła, dr hab. inż. Mirosław Łomozik, dr inż. Tomasz Pfeifer – Instytut Spawalnictwa w Gliwicach. Autor korespondencyjny/Corresponding author: janusz.pikula@is.gliwice.pl Streszczenie Artykuł przedstawia problematykę związaną z przygoto- waniem i technologią spawania naprawczego związanego z remontami prowadzonymi na elemencie konstrukcyjnym po długotrwałej eksploatacji w przemyśle energetycznym. Określono wpływ wielokrotnego procesu spawania napraw- czego pęknięć powstałych w spoinie na strukturę i twardość strefy wpływu ciepła złącza spawanego ściany szczelnej. W badaniach proces spawania przeprowadzono przy użyciu zmechanizowanego spawania TOPTIG™, będącego wysoko- wydajną odmianą metody TIG. Słowa  kluczowe: spawanie remontowe; ściana szczelna; TOPTIG; energetyka; SWC Abstract The paper presents the problems of repair welding prepa- ration and technology of the element after long-term opera- tion in the power industry. It has been determined the influ- ence of multiple repair welding of cracks formed in weld on the structure and hardness of waterwall weld joint. Welding process was performed using mechanized welding TOPTIG™, which is the high-efficiency TIG method. Keywords: repair welding; waterwall; TOPTIG; power engine- ering; HAZ Wstęp Awarie spawanych instalacji energetycznych, często wy- nikające z dużego stopnia zużycia konstrukcji, wymagają przeprowadzenia stosownych napraw. Najlepszym rozwią- zaniem jest wymiana starych konstrukcji na nowe, jednak, ze względów technicznych i ekonomicznych takie rozwiąza- nie nie zawsze jest możliwe. W tym celu przeprowadza się spawanie remontowe [1]. Producenci energii i instytucje odpowiedzialne za sek- tor energetyczny przede wszystkim podtrzymują istniejący stan obiektów i instalacji energetycznych. Działania pole- gają na przeprowadzaniu racjonalnej i rzetelnej diagnostyki, przeglądów, napraw i modernizacji obiektów, które znacznie przekroczyły obliczeniowy czas pracy 100 000 godzin (wyni- kający z zastosowanej do obliczeń czasowej wytrzymałości na pełzanie). Sytuacja jest szczególnie dramatyczna gdyż większość eksploatowanych w Polsce bloków energetycz- nych przekroczyło już ten czas, osiągając czas eksploatacji ponad 200 000 godzin. Decyzje o przedłużeniu eksploatacji poza ten czas są podejmowane z zastosowaniem metody oceny opartej o dane średniej czasowej wytrzymałości na peł- zanie dla 200 000 godzin oraz o pozytywne wyniki komplek- sowych badań diagnostycznych [2,3]. Własności elementów Janusz Pikuła, Mirosław Łomozik, Tomasz Pfeifer konstrukcyjnych ulegają degradacji w wyniku uszkodzeń eks- ploatacyjnych. Wśród procesów niszczenia występujących w instalacjach energetycznych wyróżnia się pełzanie, zmę- czenie cieplno-mechaniczne, korozję wysokotemperaturową, erozję i kawitację, kruche pękanie i pęknięcia eksploatacyjne i korozyjne. Uwarunkowania techniczno-ekonomiczne, eko- logiczne, prawne i przede wszystkim czynniki materiałowo- technologiczne ukierunkowują rozwój technologii energe- tycznych. Wysokotemperaturowa wytrzymałość i trwałość (określana jako żarowytrzymałość) elementów konstruk- cyjnych urządzeń ciśnieniowych są zależne od stabilności struktury materiału, technologiczności, rozwiązań konstruk- cyjnych i poziomu zaawansowania technologii. Elementy konstrukcyjne w przemyśle energetycznym są eksploatowane w warunkach lokalnej kumulacji oddziały- wania niejednorodnych i niestacjonarnych pól temperatury oraz obciążeń mechanicznych, środowiska, zmian i nie- jednorodności struktury materiału. W związku z tym mogą występować zmiany własności mechanicznych, a przy okre- sowych, losowych przeciążeniach powstawać lokalne od- kształcenia plastyczne i uszkodzenia, występujące zwykle w strefach spiętrzenia naprężeń wywołanych karbami me- przeglad Welding Technology Review 54 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 5/2016 chanicznymi, karbami strukturalnymi oraz dużym gradien- tem temperatury. Zmiany struktury, geometria i naprężenia pozostające w złączach spawanych powodują koncentrację naprężeń zmniejszając tym samym wytrzymałość zmę- czeniową [4]. Szczególnie strefa wpływu ciepła (SWC) jako obszar o zróżnicowanej mikrostrukturze, jest podatna na ini- cjację pęknięć [5]. Jednym z elementów komory paleniskowej kotła jest ściana szczelna, której zadaniem jest zagwarantowanie szczelności kotła po stronie spalin i zwiększenie ogólnej sprawności kotła. Szeroko stosowane są rury opłetwowane składające się z rur gładkich, do których są przyspawane pła- skowniki lub kształtowniki [6]. W wyniku eksploatacji ścian szczelnych występują różne wady, m.in. takie jak [7]: wy- krzywienie panelu o ponad ±50 mm, przelotowe (na wskroś grubości) pęknięcia wzdłuż płetwy, nieprzelotowe pęknięcia w złączach spawanych wzdłuż płetw z wyjściem na ścian- kę rury (rys. 1), pęknięcia w materiale podstawowym rur, rozwarstwienia materiału rur wychodzące na powierzchnię i wyrwania zmniejszające grubości ścianki rury. Nieprzelo- towe pęknięcia w złączach spawanych wzdłuż płetw z wyj- ściem na ściankę rury wykrywa się podczas kontroli wizu- alnej lub badań magnetyczno-proszkowych. Wadę usuwa się poprzez wymianę odcinka rury z pęknięciem. Naprawa takich pęknięć może zostać wykonana poprzez wycięcie je- dynie fragmentu spoiny, a następnie ponowne ułożenie spo- iny [7]. Wycinana część materiału powinna być odpowiednio głęboka i długa, aby usunąć całą niezgodność, a na końcach kraterów powinien zostać wykonany łagodny skos od dna do powierzchni metalu spawanego [8]. Nie można wykluczyć możliwości powstawania pęknięć w spoinie w tym samym miejscu ściany szczelnej i związanych z tym ponownych na- praw. Dlatego jedną z głównych idei badań było określenie wpływu wielokrotnego spawania remontowego na strukturę i twardość złączy naprawczych ścian szczelnych. Rys. 1. Pęknięcie w spoinie ściany szczelnej w stanie po długotrwa- łej eksploatacji Fig. 1. The crack in the waterwall weld after long-term operation Spawanie remontowe instalacji energetycznych przepro- wadza się przede wszystkim elektrodami otulonymi (MMA), natomiast w niektórych przypadkach znajduje zastosowanie metoda TIG. W niniejszym artykule przedstawiono wyniki ba- dań spawania naprawczego przy użyciu wysokowydajnego automatycznego i zrobotyzowanego spawania metodą TIG - TOPTIG™. W standardowej mechanizacji spawania metodą TIG z dodatkiem drutu, drut jest podawany w sposób ciągły lub pulsujący i doprowadzany w tylną strefę jeziorka spawal- niczego bezpośrednio za łukiem, pod kątem 40°- 60°. W me- todzie TOPTIG system zmechanizowanego podawania dru- tu zintegrowano z dyszą gazową w sposób umożliwiający uzyskanie tylko 20° kąta odchylenia drutu od osi elektrody wolframowej. Metodę TOPTIG opracowano w celu uzyska- nia wysokiej prędkości spawania, spoin wysokiej jakości bez wad lub niezgodności spawalniczych i spawania bez rozprysku [9÷11]. Spawanie naprawcze metodą TOPTIG Badania przeprowadzono na wyciętych fragmentach ściany szczelnej ze stali kotłowej w gatunku P265GH. Ściana szczelna, z której wycięto próbki była eksploatowana przez 180 000 godzin i wymagała naprawy ze względu na korozję niskotlenową. Próbki do badań oczyszczono z korozji przy użyciu procesu piaskowania. Naprawianą spoinę usuwano przy użyciu procesu frezowania. Frezowanie stosowano każdorazowo przed kolejnym spawaniem naprawczym, aby usunąć spoinę pierwotną (spoinę, która pracowała w kotle), a następnie kolejne spoiny naprawcze. Na potrzeby badań przeprowadzonych w warunkach laboratoryjnych, zastoso- wanie procesu frezowania umożliwiło w trakcie przygotowa- nia próbek zmniejszenie wpływu występujących zmiennych czynników na wymiar i kształt obszaru przygotowanego do przeprowadzenia spawania naprawczego (m.in. głębokość rowka) oraz ewentualne przegrzanie materiału w trakcie usuwania spoiny przy użyciu szlifierki kątowej. Do spawania zastosowano urządzenie AIR LIQUIDE TOPTIG 220 DC oraz robot ROMAT 310 firmy Cloos (rys. 2). Rys. 2. Stanowisko spawalnicze na którym przeprowadzono wielo- krotny proces spawania naprawczego Fig. 2. Welding station used in carrying out a multiple repair welding process Jednokrotny proces spawania naprawczego obejmował usunięcie spoiny i proces spawania naprawczego, dwukrot- ny proces obejmował usunięcie spoiny, proces spawania naprawczego, ponowne usunięcie spoiny i ponowne spawa- nie naprawcze. Analogicznie przeprowadzono trzy-, cztero- i pięciokrotne spawanie naprawcze. W badaniach założono wykonanie spoiny naprawczej o wymiarach zbliżonych i nie mniejszych niż wymiary spoiny pierwotnej (usuwanej). Na podstawie badań metalograficznych makroskopowych zgła- dów złączy wyciętych z 3 losowych miejsc fragmentów ścia- ny szczelnej, stwierdzono brak powtarzalności pod względem 55PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 5/2016 kształtu i wymiarów spoin pierwotnych wykonanych w procesie produkcji (tablica I). Na tym etapie stwierdzono, że mogą występować różnice struktury i kształtu SWC złą- czy spawanych wykonanych w procesach naprawczych. Zgłady do badań metalograficznych makroskopowych trawiono przy użyciu odczynnika Adlera, natomiast mikro- skopowych trawiono dwuetapowo (3 i 2 sekundy) odczyn- nikiem Nital. Badania metalograficzne mikroskopowe wykonanych złączy naprawczych wykazały występowanie zjawiska od- działywania kolejnych cykli cieplnych wynikających z wielo- krotnego procesu spawania naprawczego, w efekcie czego w SWC tworzą się strefy struktur odpuszczonych i następuje rozdrob nienie ziarna, podobnie jak w procesie spawania wie- lowarstwowego, w którym kolejne cykle cieplne wywierają wpływ na mikrostrukturę [1]. Na rysunku 3 przedstawiono efekt zjawiska niecał- kowitego rozdrobnienia gruboziarnistego obszaru SWC drugiego złącza naprawczego, co jest efektem mniejszej głębokości wtopienia spoiny naprawczej. Wynika z tego ko- lejność ułożenia poszczególnych obszarów SWC począwszy od spoiny: gruboziarnisty, średnioziarnisty, drobnoziarnisty, średnioziarnisty i drobnoziarnisty. Zaobserwowano również zjawisko występowania w SWC w równej odległości od linii wtopienia stref o różnej strukturze i rozmiarze ziarn (rys. 4). Próbka 1,  slewa=4,2 mm, sprawa=3,5 mm Próbka 2,  slewa=3,8 mm, sprawa=3,4 mm Próbka 3,  slewa=4,7 mm, sprawa=4,0 mm Tablica I. Makrostruktura spoin pierwotnych, s - grubość lewej i prawej spoiny pachwinowej z głębokim przetopem zgodnie z PN-EN ISO 2553:2014-03 [12] Table I. The primary welds microstructure, s - thickness of left and right deep penetration fillet welds according to PN-EN ISO 2553:2014-03 [12] Rys. 3. Rozmieszczenie stref SWC, drugie złącze naprawcze, meto- da TOPTIG, spoina po lewej stronie Fig. 3. Distribution of HAZ zones, second repair joint, TOPTIG me- thod, weld on the left side Obserwację mikrostruktury złącza w SWC i pomiar twardości wykonano w 6 obszarach przedstawionych na rysunku 5. Mikrostruktura złączy naprawczych SWC wyko- nanych metodą TOPTIG była zróżnicowana pod względem fazowym. W obszarze 1 i 4 SWC (przy linii wtopienia) wy- stępował bainit, ferryt ziarnisty i płytkowy, jednak w niektó- rych złączach stwierdzono występowanie większej ilości ferrytu. W obszarach 2 i 5 w większości złączy stwierdzono występowanie ferrytu ziarnistego, ale występowały złącza Rys. 4.  Różnica mikrostruktury SWC w tej samej odległości od li- nii wtopienia (struktura gruboziarnista z lewej, drobnoziarnista z prawej, spoina – górna część rysunku), trzecie złącze naprawcze, metoda TOPTIG, powiększenie x200 Fig. 4. The difference in the microstructure of the HAZ at the same distance from the fusion line (coarse-grained structure on the left, fine-grained on the right, weld on the top of figure), third repair joint, TOPTIG method, magnification x200 Rys. 5. Obszary obserwacji mikrostruktury i pomiaru twardoście Fig. 5. Areas of microstructure observation and hardness measu- rement w których w tych obszarach przeważał bainit. W obszarze SWC najdalej oddalonym od linii wtopienia (obszary 3 i 6) główną fazą był ferryt ziarnisty w mieszaninie z bainitem lub perlitem. 56 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 5/2016 Nieregularność struktury w SWC wynikająca z procesu spawania naprawczego miała bezpośredni wpływ na rozkład twardości w SWC, co wskazano strzałkami na rysunku 6. Kolejne procesy spawania naprawczego i wynikające z nich cykle cieplne powodowały różnice w twardościach poszcze- gólnych obszarów SWC, co widoczne jest w wynikach pomia- ru twardości w obszarze 4, w którym w czwartym i piątym złączu naprawczym stwierdzono wyższe twardości (rys. 7). Rys. 6. Zdjęcie makroskopowe (z lewej) i mapa twardości HV1 (z prawej) trzeciego złącza naprawczego wykonanego metodą TOPTIG Fig. 6. Macroscopic picture (left) and HV1 map hardness (right) of the third repair joint, TOPTIG method Rys. 7. Wartości twardości w spoinie i poszczególnych obszarach SWC kolejnych złączy naprawczych, punkty pomiaru wg schematu na rysunku 5 Fig. 7. Weld and HAZ hardness of repair joints, measurement points according to figure 5 Literatura [1] Łomozik M.: Rozprawy monografie 172, Morfologia i własności plastycz- ne obszarów strefy wpływu ciepła w stalowych złączach spawanych w aspekcie użycia ściegów odpuszczających. Wydawnictwa AGH, Kra- ków, 2007. [2] Dobrzański J.: Materiałoznawcza interpretacja trwałości stali dla energe- tyki. Open Access Library, tom 3, 2011. [3] Hernas A., Dobrzański J.: Trwałość i niszczenie elementów kotłów i tur- bin parowych. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice, 2003. [4] Biłous P., Łagoda T.: Structural notch effect in steel welded joints. Mate- rials & Design, tom 3, nr 10, 2009, s. 4562–4564. [5] Ahiale G.K., Oh Y-J.: Microstructure and fatigue performance of butt- welded joints in advanced high-strength steels. Materials Science and Engineering: A, nr 597, 2014, s. 342–348. [6] Glinkowski B., Drygalski E., Szczęsny T.: Technologia robót kotlarskich. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa, 1968. [7] Бурганов А.Д., Ленин Л.М., Бабич Б.Г.: Ремонт газоплотных паровых котлов. Москва, Энергоатомиздат, 1985. [8] Słania J., Urbańczyk P.: Technologia wytwarzania oraz plan kontroli ja- kości przegrzewacza pary kotła parowego wg PN-EN 12952-5. Przegląd Spawalnictwa, nr 5, 2012, s. 29-41. [9] Grundmann J.: Wysoko wydajne spawanie cienkich blach – TOPTIGTM. Biuletyn Instytutu Spawalnictwa, nr 5, 2008, str. 69-71. [10] Turyk E., Grobosz W., Kuzio T., Dudek S., Riabcew I.A.: Warunki technolo- giczne zmechanizowanego spawania TIG z użyciem różnych systemów regulacji parametrów prądowych i podawania drutu. Biuletyn Instytutu Spawalnictwa, nr 5, 2015, s. 28-33. [11] Fortain J.M., Guiheux S., Opderbecke T.: TOPTIG alternative to weld very thin sheet.. IIW Doc. No. XII-1885-06. [12] PN-EN ISO 2553:2014-03 Spajanie i procesy pokrewne - Umowne przed- stawianie na rysunkach - Złącza spajane. Wnioski Przygotowując parametry spawania naprawczego należy wziąć pod uwagę ewentualne różnice w wymiarach spoin naprawianych (usuwanych) i rowka wykonanego w procesie wycinania. Wielokrotny proces spawania naprawczego powoduje zróżnicowanie mikrostruktury SWC pod względem udziału poszcze- gólnych faz i wielkości ziarn. Podobnie jak w procesie spawania wielowarstwowego, w równej odległości od linii wtopienia mogą wystąpić strefy o różnej strukturze i rozmiarze ziarn, co wynika z oddziaływania kolejnych cykli cieplnych spawania. Występuje prawdopodobieństwo powstania karbów strukturalnych wynikające z dużego gradientu twardości napraw- czych złączy spawanych metodą TOPTIG, w których twardość spoiny może być nawet o 45% większa od twardości SWC przy linii wtopienia. W wielokrotnych złączach naprawczych nie występują niebezpieczne strefy bardzo wysokich twardości, jednak należy brać pod uwagę nieregularność pola twardości w SWC wynikającą z rozdrobnienia ziarn przy linii wtopienia i ewentualne karby strukturalne powstałe w tych obszarach.