201404_PSpaw_8972.pdf 23Przegląd sPawalnictwa 4/2014 Wpływ pełzania na uszkodzenia złącza spawanego rurociągu pary świeżej the effect of creep on the welded joint of steam  pipeline damage  Streszczenie W artykule przedstawiono opis uszkodzenia głów- nego rurociągu parowego po przepracowaniu ponad 251 tyś. h powstałego wskutek wystąpienia pęknięcia połączenia spawanego w strefie wpływu ciepła (SWC) spowodowanego zjawiskiem pełzania. Opisano również zabieg polegający na wymianie uszkodzonego odcinka rurociągu ze znacznym stopniem wyczerpania materiału oraz uszkodzonym połącze- niem spawanym na odcinek o identycznych wymiarach i w tym samym gatunku materiału pobrany z bloku ener- getycznego wycofanego z eksploatacji kilka lat wcze- śniej o znacząco niższym stopniu wyczerpania. Przedstawiono wyniki badań metalograficznych po- łączeń spawanych w zakresie oceny mikrostruktury w poszczególnych strefach, tj. w materiale rodzimym (MR), strefie wpływu ciepła (SWC) oraz spoinie (S) uszkodzonego rurociągu oraz po zabiegu wymiany. Zwrócono uwagę na konieczność poszerzenia prowa- dzonych badań diagnostycznych elementów poddanych długotrwałej eksploatacji, a w szczególności elementów pracujących w warunkach pełzania o diagnostykę opar- tą na określaniu stopnia degradacji mikrostruktury połą- czeń spawanych tych elementów. Słowa kluczowe: diagnostyka, rurociągi parowe, połączenia spawane, pełzanie abstract The paper describes damage to a main steam pipeline which has been in operation for 251 thousand hours and which occurred as a result of a crack in a welded joint in the heat affected zone (HAZ) caused by the creep effect. This article describes the replacement of the dam- aged sector of the pipeline with a high factor of material depletion and with a damaged welded joint in a sector with identical dimensions with the same grade of material taken from a phased-out power unit several years earlier with a significantly lower degree of material depletion. The findings present the results of the welded joint metallographicaltests in the range of microstructural as- sessment, in particular such areas as the parent material (PM), the heat affected zone (HAZ), the damaged welded joint (W) and the pipeline after replacement. Attention was drawn to the necessity to widen diagnos- tic tests of elements used in long-time operation, espe- cially creep effected elements, by introducing diagnostic tests based on defining the level of microstructure degra- dation of welded joints of such elements. Keywords: diagnostic testing, steam pipelines, welding joints, creep Paweł Urbańczyk Jacek Słania Grzegorz Golański Mirosław Matusik Mgr inż. Paweł Urbańczyk – Urząd Dozoru Technicznego; dr hab. inż. Jacek Słania, prof. IS – Instytut Spawalnictwa, Gliwice; dr hab. inż. Grzegorz Golański – Politechnika Częstochowska; mgr inż. Mirosław Matusik – Zakłady Remontowe Energetyki Katowice. Autor korespondencyjny/Corresponding author: jacek.slania@is.gliwice.pl 24 Przegląd sPawalnictwa 4/2014 Wstęp Stale stosowane w budowie instalacji energetycz- nych to głównie stale żarowytrzymałe cechujące się odpornością na korozję, działanie wysokiej temperatu- ry i wysoką odpornością na pełzanie [1]. Powszechnie w energetyce, szczególnie do wytwa- rzania rurociągów pary świeżej i wtórnie przegrzanej stosuje się stale chromowo-molibdenowo-wanadowe. Są to na ogół stale niskostopowe, nisko- lub średniowę- glowe o strukturze ferrytyczno-bainitycznej, bainitycznej oraz ferrytyczno-bainityczno-perlitycznej [2, 3÷5]. Długotrwała eksploatacja tych stali w warunkach peł- zania prowadzi do degradacji ich mikrostruktury w wy- niku procesów wydzieleniowych i generowania porów, pustek, mikro- i makropęknięć, co może powodować uszkodzenia czy zniszczenie urządzeń lub ich elemen- tów [2, 6]. Powstające uszkodzenia struktury są niena- prawialne [2]. Stabilność mikrostruktury stali Cr-Mo-V zależy w dużej mierze od składu chemicznego stali i zabie- gów cieplnych, jakim poddawany jest materiał podczas wytwarzania, co ma bezpośredni wpływ na otrzymaną mikrostrukturę w stanie dostawy. Metody oceny trwałości elementów w warunkach pełzania Istnieje wiele teorii i opracowań, w których metody wyznaczania trwałości resztkowej oparte są na ocenie mikrostruktury, w myśl stwierdzenia, że w mikrostruk- turze materiału zakodowane są wszystkie informacje o dotychczasowej eksploatacji urządzenia bądź ele- mentu [2, 3, 6, 7]. Dlatego kluczową staje się ocena mikrostruktury materiału i oszacowanie na tej podsta- wie czasu dalszej bezpiecznej eksploatacji takiego elementu. Przy prezentowanym podejściu wszelkie in- formacje dotyczące eksploatacji nie są aż tak istotne, nabierają za to znaczenia takie czynniki jak właściwy dobór narzędzi i metod badawczych, które doprowadzą do ujawnienia cech badanego materiału [2, 8]. W [6] wyróżniono dwie grupy metod oceny stanu i prognozowania dalszej bezpiecznej eksploatacji ma- teriałów elementów ciśnieniowych pracujących w wa- runkach pełzania, a mianowicie: – metody oparte na przeprowadzeniu prób i badań materiałowych, które wymagają bezpośredniego do- stępu do elementu, wykonywania pomiarów i badań oraz pobrania próbek; – metody oparte na prowadzeniu obliczeń, w których uwzględnia się parametry obliczeniowe i rzeczywiste elementu bądź urządzenia. Obecnie stosowane programy obliczeniowe oparte na metodzie elementów skończonych (MES) są po- wszechnie stosowane w diagnostyce w celu np. okre- ślania miejsc o zwiększonej koncentracji naprężeń. Ma to szczególne znaczenie podczas wyboru miejsc do pobierania próbek czy wykonania pomiarów i badań diagnostycznych. należy zwrócić uwagę, że w wielu przypadkach stan naprężeń np. instalacji rurociągowej może być daleki od projektowego, m.in. z powodu błę- dów montażowych, konserwacyjno-remontowych, mo- dernizacyjnych, jak również eksploatacyjnych samego rurociągu, a także jego podpór, zawieszeń, elementów kompensacyjnych itp. Uszkodzenia mikrostruktury złącza spawanego na przykładzie rurociągu pary świeżej Opis badań Podczas prowadzenia badań diagnostycznych, związanych z przypadającą rewizją główną rurociągu pary świeżej, stwierdzono wystąpienie uszkodzenia o charakterze pęknięcia obwodowego w strefie wpły- wu ciepła (SWC) złącza doczołowego łączącego łuki gięte na odcinku od głównej zasuwy parowej (GZP) do trójnika rozdzielającego parę przed wejściem na tur- binę (rys. 1). Rurociąg o wymiarach ø323x32 mm był wykonany ze stali 12HMF. Czas eksploatacji rurociągu wynosił 251 124 h, ciśnienie pracy 13,0 MPa, a tempe- ratura pary 540oC. W związku z przebiegiem pęknięcia brano pod uwagę uszkodzenie o charakterze pełzaniowym, a ze względu na lokalizację wykonanego złącza zakła- dano możliwość wystąpienia w miejscu uszkodzenia zwiększonej koncentracji naprężeń spowodowanych brakiem samokompensacji lub jej ograniczonym zakre- sem na zniszczonym odcinku rurociągu. Rys. 1 Rurociąg pary świeżej: a) miejsce wy- stąpienia uszkodzenia rurociągu, b) określenie rozmiaru połączenia spa- wanego przed wykona- niem badań metalogra- ficznych – replikowych. Fig. 1. Steam pipeline: a) place of damage to a steam pipeline; b) sca- le of welded joint before metallographical exami- nation – replica a) b) 25Przegląd sPawalnictwa 4/2014 Przed przystąpieniem do naprawy uszkodzenia za- lecono wykonanie badań nDT w zakresie 100% UT oraz 100% MT, w celu określenia wielkości zalegania niezgodności i badań metalograficznych połączenia spawanego. Zastosowano metodę replik matrycowych obejmującą materiał rodzimy (MR), strefę wpływu cie- pła (SWC) po obu stronach uszkodzonego połącze- nia spawanego i spoinę (S). Badania miały na celu wykluczenie możliwości zastosowania podczas mon- tażu nieodpowiedniego materiału dodatkowego lub o niższych właściwościach wytrzymałości na pełzanie w porównaniu z zakładanym w projekcie. Metodyka i wyniki badań Powierzchnię elementu do badań metalograficznych szlifowano i polerowano, a następnie trawiono roztwo- rami właściwymi dla danego materiału. Wstępną ocenę mikrostruktury przeprowadzono przy użyciu przeno- śnego mikroskopu metalograficznego przy powiększe- niach 100x i 500x (tabl. I, rys. 3÷8). Badania metalograficzne wykonano metodą replik z zastosowaniem folii triafolowej zmiękczonej aceto- nem. Repliki po napyleniu węglem poddano badaniu za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego Philips XL-30. Klasyfikacji mikrostruktury badanych elementów do- konano wg diagramu przedstawionego na rysunku 2. Miejsce badania Opis struktury Stan materiału – stopień wyczerpania Twardość HV10 MR od strony GZP (rys. 3) ferrytyczno-bainityczna, liczne drobne wydzielenia wewnątrz ziaren ferrytu; w bainicie węgliki częściowo skoagu- lowane; na granicach ziaren liczne wy- dzielenia tworzące „łańcuszki” zmiany struktury bainitu – klasa I procesy wydzieleniowe – klasa a procesy uszkodzenia – klasa 0 główna klasa struktury – klasa 2 stopień wyczerpania materiału – 03÷0,4 (t/tz) 127 SWC od strony GZP (rys. 4) ferrytyczno-bainityczna, liczne drobne wydzielenia wewnątrz ziaren ferrytu; w bainicie węgliki częściowo skoagu- lowane; na granicach ziaren liczne wy- dzielenia tworzące „łańcuszki”; począt- ki zachodzenia procesów uszkodzeń wewnętrznych o charakterze pojedyn- czych pustek na granicach ziaren zmiany struktury bainitu – klasa I/II procesy wydzieleniowe – klasa a/b procesy uszkodzenia – klasa A/1 główna klasa struktury – klasa 2/3 stopień wyczerpania materiału – 05÷0,6 (t/tz) 148 S od strony GZP (rys. 5) drobnoziarnista mikrostruktura ferry- tyczno-bainityczna; w bainicie węgliki częściowo skoagulowane; liczne drob- ne wydzielenia wewnątrz ziaren ferrytu, na granicach ziaren liczne wydzielenia tworzące „łańcuszki” zmiany struktury bainitu – klasa I/II procesy wydzieleniowe – klasa a/b procesy uszkodzenia – klasa 0 główna klasa struktury – klasa 2 stopień wyczerpania materiału – 03÷0,4 (t/tz) 163 SWC od strony turbiny (rys. 6) – miejsce wystąpie- nia uszkodzenia ferrytyczno-bainityczna, liczne drobne wydzielenia wewnątrz ziaren ferrytu; w bainicie węgliki częściowo skoagu- lowane; na granicach ziaren liczne wydzielenia tworzące „łańcuszki”; oraz liczne ukierunkowane pustki również tworzące „łańcuszki” zmiany struktury bainitu – klasa I/II procesy wydzieleniowe – klasa a/b procesy uszkodzenia – klasa B/2 główna klasa struktury – klasa 3/4 stopień wyczerpania materiału – 0,6 (t/tz) 121 SWC od strony turbiny (rys. 7) – miejsce wystąpie- nia uszkodzenia ferrytyczno-bainityczna, liczne drobne wydzielenia wewnątrz ziaren ferrytu; w bainicie węgliki częściowo skoagu- lowane; na granicach ziaren liczne wy- dzielenia tworzące „łańcuszki” oraz ko- alescencja pustek zmiany struktury bainitu – klasa I/II procesy wydzieleniowe – klasa a/b procesy uszkodzenia – klasa B/3 główna klasa struktury – klasa 4/5 stopień wyczerpania materiału – 0,7÷0,8 (t/tz) 121 MR od strony turbiny (rys. 8) ferrytyczno-bainityczna, liczne drobne wydzielenia wewnątrz ziaren ferrytu; na granicach ziaren ferrytu liczne wydziele- nia tworzące „łańcuszki” oraz nieregu- larnie rozmieszczone pojedyncze pustki zmiany struktury bainitu – klasa I/II procesy wydzieleniowe – klasa a/b procesy uszkodzenia – klasa A/1 główna klasa struktury – klasa 2/3 stopień wyczerpania materiału – 05÷0,6 (t/tz) 126 tablica I. Wyniki badań metalograficznych materiału złącza spawa- nego w miejscu uszkodzenia: MR – materiał rodzimy, SWC – strefa wpływu ciepła, S – spoina, GZP – główna zasuwa parowa table I. Results of metallographical examinations of welded joint in place of damage: (MR) the parent material, (SWC) the heat affected zone, (S) the welded joint, (GZP) the main steam shut-off valve 26 Przegląd sPawalnictwa 4/2014 Rys. 2. Diagram klasyfikacji mikrostruktury i stopnia wyczerpania materiału [8, 11] Fig. 2. Microstructural clasification and degree of material depletion diagram [8, 11] Rys. 3. Mikrostruktura MR połączenia spawanego od strony GZP – cieniowana replika triafolowa SEM Fig. 3. Microstructure of PM of welded joint on the the main steam shut-off valve (GZP) side – shadowed replica SEM Rys. 4. Mikrostruktura SWC połączenia spawanego od strony GZP – cieniowana replika triafolowa SEM Fig. 4. Microstructure of HAZ of welded joint on the the main steam shut-off valve (GZP) side – shadowed replica SEM Rys. 5. Mikrostruktura S połączenia spawanego – cieniowana repli- ka triafolowa SEM Fig. 5. Microstructure of weld (W) of welded joint – shadowed replica SEM Rys. 6. Mikrostruktura SWC połączenia spawanego od strony turbiny (miejsce wystąpienia uszkodzenia) – cieniowana replika triafolowa SEM Fig. 6. Microstructure of HAZ of welded joint on the turbine side (in place of damage) – shadowed replica SEM Rys. 7 Mikrostruktura SWC od strony turbiny (miejsce wystąpienia uszkodzenia – replika nr 2) – cieniowana replika triafolowa SEM Fig. 7. Microstructure of HAZ of welded joint on the turbine side (in place of damage – replica no. 2) – shadowed replica SEM Rys. 8. Mikrostruktura MR od strony turbiny – cieniowana replika triafolowa SEM Fig. 8. Microstructure of PM of welded joint on the turbine side (in place of damage) – shadowed replica SEM 27Przegląd sPawalnictwa 4/2014 Sposób oceny badanej stali oraz kwalifikowania jej do dalszej eksploatacji przeprowadzono dodatkowo zgodnie z „Zasadami diagnostyki i oceny trwałości eksploatacyjnej elementów kotłów i rurociągów pracu- jących w warunkach pełzania” wydanymi przez Urząd Dozoru Technicznego [6]. Pomiar twardości wykona- no metodą Vickersa przy obciążeniu wgłębnika 10 kG (98,7 n) za pomocą przenośnego twardościomierza Krautkramer MIC 10. Mikrostruktury materiału złącza spawanego w miej- scu wystąpienia uszkodzenia przedstawiono na rysun- kach 3÷8, stosując następujące oznaczenia: MR – ma- teriał rodzimy, SWC – strefa wpływu ciepła, S – spoina, GZP – główna zasuwa parowa. analiza wyników Wyniki badań metalograficznych wykazały niebez- pieczne wyczerpanie materiału SWC połączenia spa- wanego i znaczny stopień wyczerpania materiału łuku giętego (od strony turbiny). Podjęto więc decyzję o wy- mianie odcinkowej elementu ciśnieniowego rurociągu wraz z usunięciem SWC po obu stronach łączonych elementów. Powstał wówczas problem dopasowania elementów w istniejącej konfiguracji. Ze względu na ograniczenia czasowe związane z pozyskaniem materiału odpowiedniego gatunku Rys. 9. Obszar badań oraz zakres wymiany elementów ciśnienio- wych rurociągu pary świeżej Fig. 9. Examination area and scope of replecement pressure ele- ments of main steam pipe i o odpowiednich wymiarach oraz wytworzeniem nowe- go elementu rurociągu podjęto decyzję o warunkowym dopuszczeniu wymiany elementu ciśnieniowego. Zabieg ten polegał na wycięciu z bloku wycofane- go z eksploatacji elementów rurociągu z tego samego materiału oraz o identycznych wymiarach i kształcie (rys. 9). Czas eksploatacji pozyskanych elementów ru- rociągu był znacząco krótszy od usuniętych. W celu określenia stanu mikrostruktury pobranego materiału poddano go pełnym badaniom diagnostycz- nym z określeniem stopnia wyczerpania materiału, a także na podstawie badań metalograficznych okre- ślono prognozę dalszej bezpiecznej eksploatacji. Wyniki badań metalograficznych pobranego elemen- tu zestawiono w tablicy II oraz na rysunkach 10 i 11. Miejsce badania Opis struktury Stan materiału – stopień wyczerpania Twardość HV10 MR od strony GZP (rys. 10) ferrytyczno-bainityczna, liczne drobne wy- dzielenia wewnątrz ziaren ferrytu; w bainicie węgliki częściowo skoagulowane; na grani- cach ziaren nieliczne wydzielenia zmiany struktury bainitu – klasa I procesy wydzieleniowe – klasa 0/a procesy uszkodzenia – klasa 0 główna klasa struktury – klasa 1/2 stopień wyczerpania materiału – 03÷0,4 (t/tz) 132 MR od strony turbiny (rys. 11) ferrytyczno-bainityczna, liczne drobne wy- dzielenia wewnątrz ziaren ferrytu; w bainicie węgliki częściowo skoagulowane; na grani- cach ziaren nieliczne wydzielenia zmiany struktury bainitu – klasa I/II procesy wydzieleniowe – klasa a/b procesy uszkodzenia – klasa 0 główna klasa struktury – klasa 2/3 stopień wyczerpania materiału – 03÷0,4 (t/tz) 134 tablica II. Wyniki badań metalograficznych materiału elementu pobranego z bloku wycofanego z eksploatacji: MR – materiał rodzimy, SWC – strefa wpływu ciepła, S – spoina, GZP – główna zasuwa parowa table II. Results of metallographical examinations pressure elements taken from a phased-out power unit: (MR) the parent material, (SWC) the heat affected zone, (S) the welded joint, (GZP) the main steam shut-off valve. Rys. 10. Mikrostruktura MR elementu wbudowanego w eksploato- wany rurociąg pary świeżej w miejsce elementu podlegającego wy- mianie od strony GZP – cieniowana replika triafolowa SEM Fig. 10. Microstructure of PM of pressure element taken from a pha- sed-out power unit on the (GZP) the main steam shut-off valve side – shadowed replica SEM Rys. 11. Mikrostruktura MR elementu wbudowanego w eksploatowa- ny rurociąg pary świeżej w miejsce elementu podlegającego wymia- nie od strony turbiny – cieniowana replika triafolowa SEM Fig. 11. Microstructure of PM of pressure element taken from a pha- sed-out power unit on the turbine side – shadowed replica SEM 28 Przegląd sPawalnictwa 4/2014 Po dokonaniu naprawy i obróbce cieplnej (wyża- rzaniu odprężającym) wykonanych złączy poddano je powtórnym badaniom metalograficznym z oceną wpły- wu zabiegów cieplnych na właściwości struktury wraz z określeniem stopnia wyczerpania materiału w miej- scu wykonanych połączeń spawanych. Miejsce badania Opis struktury Stan materiału – stopień wyczerpania Twardość HV10 MR od strony GZP (rys. 12) (po wymianie) ferrytyczno-bainityczna, pojedyncze drobne wydzielenia wewnątrz ziaren ferrytu; w bainicie węgliki częściowo skoagulowane; na granicach ziaren nieliczne wydzielenia zmiany struktury bainitu – klasa I procesy wydzieleniowe – klasa 0/a procesy uszkodzenia – klasa 0 główna klasa struktury – klasa 1/2 stopień wyczerpania materiału – 03÷0,4 (t/tz) 130 SWC od strony GZP (rys. 13) (po wymianie) ferrytyczno-bainityczna, pojedyncze drobne wydzielenia wewnątrz ziaren ferrytu; w bainicie węgliki częściowo skoagulowane; na granicach ziaren nieliczne wydzielenia zmiany struktury bainitu – klasa I procesy wydzieleniowe – klasa 0/a procesy uszkodzenia – klasa 0 główna klasa struktury – klasa 1/2 stopień wyczerpania materiału – 03÷0,4 (t/tz) 176 MR od strony turbiny (rys. 14) (po wymianie) ferrytyczno-bainityczna, pojedyncze drobne wydzielenia wewnątrz ziaren ferrytu; w bainicie węgliki częściowo skoagulowane; na granicach ziaren licz- ne wydzielenia tworzące „łańcuszki” zmiany struktury bainitu – klasa I/II procesy wydzieleniowe – klasa a/b procesy uszkodzenia – klasa 0 główna klasa struktury – klasa 2/3 stopień wyczerpania materiału – 03÷0,4 (t/tz) 150 SWC od strony turbiny (rys. 15) (po wymianie) ferrytyczno-bainityczna, pojedyncze drobne wydzielenia wewnątrz ziaren ferrytu; w bainicie węgliki częściowo skoagulowane; na granicach ziaren licz- ne wydzielenia tworzące „łańcuszki” procesy degradacji struktury bainitu – klasa I/II procesy wydzieleniowe – klasa a/b procesy uszkodzenia – klasa 0 stan materiału – klasa 2/3 stopień wyczerpania materiału – 0,4 (t/tz) brak danych Przeprowadzone badania metalograficzne nie wy- kazały postępujących zmian w degradacji struktury, co pozwoliło na stwierdzenie, że właściwości elementu przed poddaniem go operacji technologicznej spawa- nia i obróbki cieplnej zostały zachowane. Wyniki badań metalograficznych połączeń spawa- nych zestawiono w tablicy III i na rysunkach 12÷15. tablica III. Wyniki badań metalograficznych połączeń spawanych wykonanych podczas łączenia wymienianych elementów ciśnieniowych: MR – materiał rodzimy, SWC – strefa wpływu ciepła, S – spoina, GZP – główna zasuwa parowa table III. Results of metallographical examinations of welded joints after replacement the pressure element: (MR) the parent material, (SWC) the heat affected zone, (S) the welded joint, (GZP) the main steam shut-off valve Rys. 15. Mikrostruktura SWC po dokonanej wymianie i wykonaniu połą- czenia spawanego elementu wbudowanego w eksploatowany rurociąg pary świeżej od strony turbiny – cieniowana replika triafolowa SEM Fig. 15. Microstructure of HAZ of welded joints after welding the repla- cement pressure element in operated steam pipeline on the (GZP) the main steam shut-off valve side – shadowed replica SEM Rys. 12. Mikrostruktura MR po dokonanej wymianie i wykonaniu po- łączenia spawanego elementu wbudowanego w eksploatowany ruro- ciąg pary świeżej od strony GZP – cieniowana replika triafolowa SEM Fig. 12. Microstructure of PM of welded joints after welding the repla- cement pressure element in operated steam pipeline on the (GZP) the main steam shut-off valve side – shadowed replica SEM Rys. 13. Mikrostruktura SWC po dokonanej wymianie i wykonaniu po- łączenia spawanego elementu wbudowanego w eksploatowany ruro- ciąg pary świeżej od strony GZP – cieniowana replika triafolowa SEM Fig. 13. Microstructure of HAZ of welded joints after welding the repla- cement pressure element in operated steam pipeline on the (GZP) the main steam shut-off valve side – shadowed replica SEM Rys. 14. Mikrostruktura MR po dokonanej wymianie i wykonaniu połą- czenia spawanego elementu wbudowanego w eksploatowany rurociąg pary świeżej od strony turbiny – cieniowana replika triafolowa SEM Fig. 14. Microstructure of PM of welded joints after welding the repla- cement pressure element in operated steam pipeline on the (GZP) the main steam shut-off valve side – shadowed replica SEM 29Przegląd sPawalnictwa 4/2014 Podsumowanie Ze względu na obecny stan wiedzy z zakresu pro- cesów strukturalnych zachodzących w materiałach po długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania, nale- ży w prowadzeniu badań diagnostycznych elementów ciśnieniowych urządzeń i instalacji energetycznych w sposób szczególny traktować połączenia spawane. Obecnie połączenia spawane elementów ciśnienio- wych poddawane są w czasie badań okresowych ba- daniom nieniszczącym, takim jak m.in. VT, MT oraz UT, jednak przedstawiony w niniejszym opracowaniu przy- padek sugeruje korektę podejścia diagnostycznego, tj. rozszerzenie go o badania metalograficzne. Metody badań nieniszczących mają ograniczoną „czułość” wykrywania niezgodności powodujących uszkodzenie, które mierzone są w milimetrach. Dla metod badań opartych na defektoskopii ultradźwięko- wej, których podstawową zasadą jest wykorzystywanie zjawiska odbicia fal ultradźwiękowych od powstałej nieciągłości materiału, wykrywalność powstałych nie- zgodności w stalach wynosi ok. 0,5 mm [10]. Oznacza to, że dla procesów degradacji zachodzących w struk- turze materiału wykrywalność wad jest ograniczona do wielkości uszkodzeń makroskopowych, tj. występo- wania makropęknięć powstających wskutek mechani- zmów pełzania. Pojawienie się makropęknięć związane jest z koń- cem trzeciego okresu pełzania, tzw. pełzania przyspie- szonego i oznacza wycofanie elementu z eksploatacji, a niewykrycie ich w odpowiednim czasie może prowa- dzić do rozszczelnienia lub poważnego uszkodzenia rurociągu. Dodatkowo należy wziąć pod uwagę stan wiedzy oraz świadomość dotrzymywania warunków prowa- dzenia procesu spawania na instalacjach energetycz- nych w latach 60-, 70- i 80-tych. W latach, kiedy były budowane bloki energetyczne, będące obecnie w eks- ploatacji, również sprzęt spawalniczy, tj. jego dokład- ność w pomiarze parametrów prowadzonego proce- su spawania, jak również przyrządy do prowadzenia procesu obróbki cieplnej po spawaniu i wyposażenie pomiarowo-badawcze były mniej dokładne, co mogło mieć istotny wpływ na jakość wykonanych połączeń spawanych. Obecnie laboratoria wykonujące szacunkowe okre- ślanie trwałości urządzeń oraz instalacji pracujących w warunkach podwyższonej temperatury, a w szcze- gólności pełzania opierają swoje prognozy dotyczące wyznaczenia czasu dalszej bezpiecznej eksploatacji na badaniach spadku właściwości oraz stopnia wy- czerpania mikrostruktury materiału podstawowych elementów wchodzących w skład takich urządzeń lub instalacji, tj. kolan trójników, odcinków prostych, komór, kolektorów itp. Ze względu na to, że połączenie spawane jest pod- dawane degradującym działaniom zachodzącego pro- cesu pełzania, a które może okazać się najsłabszym ogniwem pracującego urządzenia bądź instalacji, nale- ży rozważyć konieczność prowadzenia badań i oceny mikrostruktury takiego połączenia spawanego podczas wykonywania zabiegów diagnostycznych, mających na celu wyznaczenie czasu dalszej bezpiecznej eks- ploatacji. Szczególnie strefa wpływu ciepła, jako strefa przejściowa pomiędzy spoiną a materiałem rodzimym, może wykazywać wyższy stopień wyczerpania mikro- struktury oraz spadek właściwości wytrzymałościo- wych i plastycznych w porównaniu z materiałem rodzi- mym. należy również zwrócić uwagę na to, że urządzenia będące w eksploatacji, a poddawane ocenie, mogą za- wierać połączenia spawane wykonane przy użyciu sto- piwa o niższych właściwościach wytrzymałościowych np. na pełzanie niż łączone elementy (błąd technolo- giczny). Poza tym proces spawania prowadzony jest w pew- nym zakresie temperatury, przez co w złączu występują strefy o zróżnicowanej wielkości ziarna i typie struktury, co jest związane z procesami przemian zarówno fazo- wych, jak i wydzieleniowych zachodzących w obrębie połączenia spawanego [9]. Również zakres tempera- turowy przeprowadzonej obróbki cieplnej może mieć wpływ na właściwości połączenia spawanego. W związku z powyższym sugeruje się rozszerzenie badań diagnostycznych prowadzonych na elementach ciśnieniowych urządzeń czy instalacji energetycznych pracujących w warunkach pełzania, o określanie stop- nia trwałości i wyznaczania możliwego czasu bezpiecz- nej eksploatacji, z uwzględnieniem badania połączeń spawanych. 30 Przegląd sPawalnictwa 4/2014 Wnioski na podstawie przeprowadzonej analizy sformuło- wano następujące wnioski: 1. Podczas prowadzenia badań diagnostycznych elementów ciśnieniowych pracujących w warun- kach pełzania należy poszerzyć prowadzenie oceny stopnia wyczerpania struktury o połącze- nia spawane, a w szczególności o badania strefy wpływu ciepła (SWC). 2. Przy prowadzeniu prac związanych z naprawą pęknięć należy dokonać analizy mechanizmu po- wstania uszkodzenia przez np. badania, w tym badania metalograficzne w miejscu lub w pobliżu występującego uszkodzenia. 3. Po przeprowadzeniu naprawy czy też wymiany spoiny lub części rurociągu po długim okresie eksploatacji należy wykonać ponowne kontrolne badania określające stopień degradacji struktury. Badania te mają na celu stwierdzenie bądź wyklu- czenie wystąpienia ewentualnych negatywnych skutków prowadzenia procesu spawania oraz ob- róbki cieplnej (wpływ wprowadzonego ciepła na właściwości struktury materiałów łączonych). 4. Podczas wykonywania prac związanych z za- biegami remontowo-modernizacyjnymi długo eksploatowanych urządzeń pracujących w wa- runkach pełzania, których wzajemne połączenia powstały w procesie spawania, należy brać pod uwagę powyższe zalecenia. Sytuację taką trzeba rozpatrzyć w szczególności dla elementów, które przekroczyły wartość trwałości projektowej. 5. Podczas prowadzenia napraw polegających na ingerencji w połączenie spawane sugeruje się usunięcie całej strefy wpływu ciepła z połączenia spawanego, jeśli tylko warunki techniczne na to pozwalają. najlepszą metodą określenia zakre- su wymiany połączenia spawanego, a w szcze- gólności SWC, wydaje się przeprowadzenie trawienia, analogicznego jak w procesie badań metalograficznych metodą replik matrycowych, całego bądź tylko części połączenia spawanego na obiekcie. 6. Podczas prowadzenia obróbki cieplnej należy zwracać szczególną uwagę na temperaturę od- puszczania (dla stali niskostopowych), stosowa- ną podczas procesu produkcyjnego materiału rodzimego, z którego wytworzony został element ciśnieniowy. Podczas prowadzenia obróbki ciepl- nej nie należy przekraczać tej temperatury ze względu na możliwość pojawienia się w struktu- rze austenitu, który po schłodzeniu może tworzyć nieodpuszczony martenzyt powodujący kruchość połączenia spawanego. Literatura [1] Dobrzański L.A.: Materiały inżynierskie i projektowanie ma- teriałowe. Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo. Wydawnictwa naukowo-Techniczne, Warszawa 2006. [2] Dobrzański J.: Materiałoznawcza interpretacja trwałości stali dla energetyki. Open Access Library. Published since 1998 as Studies of the Institute of Engineering Materials and Bio- materials, Vol. 3, 2011. [3] Schwarz M., Schubert J., Loog D., Maile K., Seliger P., Kör- ner P., Lüdenbach G.: Microstructure Rating Charts for Eva- luating the Microstructure Steels for High-Pressure Piping and Boiler Components.VGB – TW 507e. VGB Technischen Vereinigung der Grosskraftwerksbetreiber E.V., Essen 2005. [4] Staub F.: Metaloznawstwo. Śląskie Wydawnictwo Technicz- ne, Katowice 1994. [5] Maciejny A.: Przemiany strukturalne stali Cr-Mo-V i ich wpływ na mechanizm pękania. Zeszyty naukowe Politech- niki Śląskiej, nr 229. Gliwice 1968. [6] Opracowanie Urzędu Dozoru Technicznego, Zasady dia- gnostyki i oceny trwałości eksploatacyjnej elementów kotłów i rurociągów pracujących w warunkach pełzania, Warszawa 2013. [7] ECCC Recomendations – Vol. 6 [Issue 1] Residual Life As- sessement and Microstructure. Edited by S. Concari. Pie- cenza 2005. [8] Hernas A., Dobrzański J.: Trwałość i niszczenie elementów kotłów i turbin parowych. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2003. [9] Dobosiewicz J., Zbroińska-Szczechura E.: Trwałość spoin rurociągów wykonanych ze stali martenzytycznych. Biuletyn Pronovum 2010, 1, 825. [10] Mackiewicz S., Szelążek J., Gutkiewicz P.: Badania ultradź- więkowe procesu degradacji stali eksploatowanych w ener- getyce. Energetyka 2013, 10, 738.