Diagnostické merania na energetických zariadeniach sa vykonávajú na zistenie ich skutočného technického stavu, určenia zostatkovej životnosti a stanovenia optimálnej doby výmeny. Bolo vypracovaných veľa štúdií a článkov o spôsoboch kontroly a riešení poruchových stavov.
Napriek tomu sú pri výrobe aj počas prevádzky jednotlivých zariadení zisťované závažné chyby spôsobené nevhodnou konštrukciou, nedostatočnou kontrolou už v samotnom začiatku realizácie diela. Ide o technologické (výrobné) chyby dodávaných komponentov, zámena materiálu..., spôsobené nesprávnymi a neodbornými postupmi pri realizácii montážnych prác, nesystematickými kontrolami počas prevádzky zariadení. V príspevku poukážem na niekoľko praktických zistení, keď by sa dalo predísť závažným chybám bez nutnosti vynaloženia značných prostriedkov na opravu pei dodržaní základných predpisov a noriem.
Posúdenie poruchy zvarových spojov prevádzacieho potrubia NT časti kotla
Na prevádzacom potrubí bubon – vstupná komora prehrievača pary pri prevádzkových parametroch 0,54 Mpa/155 °C sa opakovane zisťovali praskliny zvarových spojov, vyžadujúce neplánovanú odstávku kotla. Na posúdenie sme dostali dva výrezy rúr, z ktorých jedna bola s prasklinou cez celú hrúbku steny a druhá vzorka bola s lokálne opravovaným zvarom z predchádzajúcej poruchy.
Vizuálnou a rozmerovou kontrolou bolo zistené, že zvárané rúry D 133, 6 mm z ocele P235GH/TC2 (12022.1) mali rôznu hrúbku steny: 9 mm a 6,5 mm. Obvodový zvar bol prasknutý na 2/3 obvodu rúry. Prasklina prechádzala cez celú hrúbku steny a šírila sa v prechodovej oblasti zvaru, aj v samotnom zvarovom kove a nakoniec prechádzala do základného materiálu, kde sa jej rast zastavil.
Zvárané rúry boli lineárne presadené. Presadenie vonkajšieho povrchu rúr bolo 3,0 mm, ale presadenie vnútorného povrchu rúr bolo až 5,0 mm. V zmysle STN EN 12952-5 [1] je predpísaná tolerancia pre presadenie vnútorných povrchov rúr 1,5 mm. Táto podmienka teda nebola splnená.
Vonkajší povrch zvaru bol nepravidelný, výška zvaru kolísala v rozmedzí 1 – 4,3 mm. Šírka krycej vrstvy zvarového spoja bola 18 – 20 mm. Vizuálnou kontrolou, ako aj makroskopickým pozorovaním boli zistené nasledujúce chyby (z výroby) v zmysle STN EN ISO 6520-1: nesprávne rozmery zvaru – chyba č. 521 – veľká zvarová medzera (šírka zvaru v koreni až 9,6 mm), lineárne presadenie rúr – chyba č. 5072 – (na vonkajšom povrchu 1,0 až 2,0 mm, čo vyhovuje st. C podľa STN EN ISO 5817, ale na vnútornom povrchu 3,5 až 5,0 mm), pretečený povrch zvaru – chyba č. 5061 (nedovolené), pozri obr. 2 miestne pretečený koreň zvaru – chyba č. 5041 a pretečený povrch zvaru v koreni zvaru (chyba č. 5062 – nedovolené).
Na obr. 3 je detail koreňa zvaru s prasklinou v prechodovej oblasti zvaru, tiahnucou sa po obvode rúry. Koreň zvaru je nepravidelný, šírka koreňovej húsenice sa pohybovala v rozmedzí 8 – 12 mm, miestne až 16 mm – v strede praskliny. Podľa STN EN ISO 9692-1 [2] tupý zvarový spoj tvaru V má mať pre hrúbku steny rúr od 3 mm do 10 mm zvarovú medzeru do 4,0 mm; odporúča sa hodnota 1 až 1,5 mm a výška otupenia do 2,0 mm. Táto podmienka nebola splnená!
Na dodanom druhom zvarenci bol opravovaný úsek zvaru na dĺžke 68 mm. Novým zvarom sa zavarila netesnosť na vonkajšom povrchu zvaru, ale nesprávne – chybná časť zvaru nebola dostatočne odstránená. V koreni zvaru ostala necelistvosť (pozri obr. 4), ktorá by po čase v dôsledku nestacionárnej prevádzky s kolísaním tlaku a najmä teploty ďalej rástla a spôsobila opakovanú netesnosť!
Meraním tvrdosti naprieč zvarovým spojom (ZM, TOO, ZK) nebol zistený podstatný rozdiel medzi jednotlivými oblasťami zvarového spoja. Zistené hodnoty tvrdosti ZM boli v zhode s STN 41 2022.
Na vnútornom povrchu rúr bola zistená jamková korózia s hĺbkou jamiek cca 0,1 mm. Jamky boli vyplnené koróznym produktom, vychádzajú z nich jemné trhlinky dlhé cca 0,05 mm. Na obr. 5 je vnútorný povrch rúry (10mm od zvaru). Na vonkajšom povrchu rúr bola nesúvislá tenká popraskaná oxidická vrstva a pod ňou bol vonkajší povrch napadnutý medzikryštálovou koróziou do hĺbky rádovo jedného zrna.
Jemná mikroštruktúra ZM rúr zvarencov bola feriticko-perlitická zmes bez znakov teplotného ovplyvnenia. Mikroštruktúra rúry s hrubšou stenou bola do značnej miery znečistená nečistotami.
Mikroštruktúrna analýza potvrdila všetky charakteristické modifikácie mikroštruktúr pri zváraní uhlíkových ocelí v závislosti od výšky ohrevu teplom zvárania. Lomová plocha v oblasti krycej húsenice prebiehala v hrubozrnnej krehkej TOO zvaru s krehkou W-štruktúrou (pozri obr. 6). Hlavnú lomovú plochu sprevádzajú vedľajšie mikrotrhliny (pozri obr. 7), niekedy tvoriace obálku necelistvostí, ľahko oddeliteľnú od materskej hmoty. Krehký lom bol iniciovaný už existujúcimi mikrotrhlinami a tiež koncentrátormi napätia, vrubmi.
Hlavnou príčinou opakovaných porúch zvarových spojov sú hrubé chyby v procese prípravy a vyhotovenia zvarových spojov. Hrubozrnná krehká W-štruktúra v TOO zvare má malú zásobu plasticity. Existujúce mikrotrhliny na vnútornom povrchu zváraných rúr a teplotný cyklus zvárania spôsobili v prechodovej oblasti zvaru aj v ZK rozvoj trhlín, vedúcich k úplnému porušeniu celistvosti zvarových spojov.
Kontrola rúrkového systému tepelného výmenníka chladiča nitróznych plynov
Kontrolovaný ohrievač je zvislý výmenník osadený 1 617 rúrkami vyrobenými z titánovej zliatiny s rozmermi Ø 25,5 x 0,9 x cca 8 000 mm. V rúrkach zhora prúdia horúce nitrózne plyny, ktoré sú ochladzované chladiacou vodou privádzanou na vonkajší povrch rúrok výmenníka. Chladiaca voda vystupuje z výmenníka vo výške cca 1m pod hornou rúrkovnicou (v oblasti prvej, druhej a tretej prepážky; vo výmenníku je celkom 15 prepážok). Vstup chladiacej vody sa nachádza v oblasti spodnej rúrkovnice.
Cieľom kontroly bolo zistiť príčinu korózneho alebo erózneho, prípadne mechanického poškodzovania vnútorného aj vonkajšieho povrchu rúrok výmenníka po cca deviatich rokoch ich prevádzky.
Skúškou rúrok výmenníka metódou vírivých prúdov a vizuálnou skúškou bolo zistené, že rúrky sú poškodzované jediným druhom možného napadnutia rúrok – plošnou koróziou ich vnútorného povrchu. Táto hlboká plošná korózia vnútorného povrchu rúrok bola identifikovaná výhradne v blízkom okolí prepážky č. 2 od hornej rúrkovnice, a to na cca 85 percentách všetkých kontrolovaných rúrok. Z defektoskopického merania vyplýva, že výrazná plošná korózia vnútorného povrchu rúrok zasahuje maximálne do hĺbky cca 2,5 m.
Erózia vonkajšieho povrchu rúrok a mechanické poškodzovanie rúrok na prepážkach (vybitie) na kontrolovaných rúrkach nebolo zistené. Príčinou plošnej korózie sú skondenzované nitrózne plyny, ktoré svojou vysokou agresivitou poškodzujú vnútorný povrch rúrok, hlavne v oblastiach druhej a tretej prepážky od hornej rúrkovnice (pozri obr. 8). Pri výrobe kyseliny dusičnej sa kondenzát nitróznych plynov vytvára už aj vo výmenníku, priamo nad kontrolovaným výmenníkom a steká priamo do jeho rúrok.
Výsledok hodnotenia kontrolovaných rúrok dokumentuje obr. 9, kde je schéma rúrkovnice s vyznačenými kontrolovanými rúrkami farebne rozlíšenými podľa hĺbky plošnej korózie.
Nakoľko podľa počtu zaslepených rúrok, výsledkov merania metódou vírivých prúdov a problémov pri častých neplánovaných odstávkach a nábehoch, pri vykonávaní tlakovej skúšky, keď dochádza k tzv. „zrúteniu, alebo vydutiu“ stenčenej hrúbky steny veľmi poškodených rúrok, bolo odporučené realizovať výmenu celého rúrkového zväzku v čo najkratšom čase, resp. vykonať také konštrukčné zmeny, ktoré by zabraňovali poškodzovaniu rúrok do hĺbky cca 2,5 m od hornej rúrkovnice.
V súčasnosti prevláda trend používať namiesto rúrkových doskové výmenníky. Napriek tomu sa ešte vo veľkej miere používajú rúrkové zväzky najčastejšie vyrobené z mosadze. V praxi sa stretávame s prípadmi, keď prevádzkovatelia namiesto diagnostiky výmenníkov riešia problémy až pri vzniku netesnosti – zaslepením rúr. Je to jedno z riešení ale rád by som upozornil, že aj teplú vodu (TÚV), ktorú veľké sídliská využívajú ako pitnú, ohrievame pomocou takýchto výmenníkov!
Najčastejšie chyby na prevádzkovaných kotlových bubnoch a spôsob ich bežnej opravy
Kotlové bubny sú hrubostenné tlakové nádoby, počas dlhodobej prevádzky sú vystavené okrem korózneho účinku pracovného média aj cyklickej únave, ktorá spôsobuje vznik netolerovateľných chýb typu trhlina. S rastúcim počtom odprevádzkovaných hodín, keď dochádza k degradácii mechanických vlastností - stárnutiu ocele je riziko vzniku poruchy vyššie. V súčasnosti u väčšiny prevádzkovaných bubnom presahuje doba prevádzky 100 tisíc hodín, u niektorých dokonca 200 tisíc, ojedinele 300 tisíc hodín. Preto je nutné v pravidelných intervaloch vykonávať prehliadky.
Najrizikovejším miestom pre vznik trhlín sú hrany vývrtov pre zavodňovacie rúry a zvary rúrový nástavec - bubon. V menšej miere vznikajú chyby typu trhlina na tesniacej ploche prielezov resp. na hlavných zvaroch. Samostatnou kapitolou je korózne poškodzovanie povrchu.
V ďalšom chcem zamerať pozornosť na chyby v mieste vývrtov spádových rúr.
Na obr. 10 a 11 sú uvedené dva príklady rôznych bubnov v rôznych prevádzkach, ktoré sú približne na konci projektovanej životnosti. Je potrebné zdôrazniť, že kontrola týchto bubnov bola dlhoročne vykonávaná revíznymi technikmi prevádzkovateľov – t.j. len vizuálne. Našou kontrolou ďalšími NDT metódami boli zistené chyby v rozsahu, ako je uvedené na jednotlivých obrázkoch.
Na obr. 12 a 13 je hrana vývrtu kontrolovaná VT a MT metódou s lineárnymi neprípustnými chybami. Veľkou chybou býva nedostatočná veľkosť polomeru zaoblenia hrán, tak ako v tomto prípade kde polomer zaoblenia bol pod 3mm.
Na obr.14 je schématicky znázornený charakteristický tvar výbrusu zistených chýb. Z našej praxe vieme, že pokiaľ sa hrany zaoblia na aspoň R=8mm na začiatku prevádzky, chyby sa už ďalej nevyskytujú, resp. ich rozsah je oproti uvedeným príkladom zanedbateľný.
Na obr. 15 je znázornená chyba v koreni zvaru bubon - nádstavec. Tieto chyby sa vyskytujú hlavne v prípade, že sa vo zvaroch nachádzajú chyby z výroby - neprievar koreňa a troska.
Zisťovanie chýb NDT metódami v týchto miestach je obtiažne pre nedostatok priestoru a tvar spoja. Je možné použiť kombináciu viacerých metód, ale stanoviť presnú hĺbku chyby a tým stanoviť spôsob opravy - výbrus, resp. zavarenie z vonkajšieho povrchu 3 vzhľadom na min. výpočtovú hrúbku je časovo a finančne náročná úloha.
Na začiatku vzniku neprípustných lineárnych chýb (trhlín) v telese bubna je samotný konštrukčný návrh a následne kvalita realizácie prác. Aj napriek tomu, pokiaľ sa vykonávajú prehliadky v pravidelných intervaloch a zistené chyby sa dôsledne odstraňujú, nedochádza k ich ďalšiemu vzniku, resp. rozsah poškodzovania je malý. V prípade zanedbania pravidelných prehliadok NDT metódami, výsledkom býva náročná a finančne nákladná oprava.
Nezávislá kontrola dodávateľských prác (treťou stranou)
V nadväznosti na predchádzajúci príklad vzniku chýb na kotlových bubnoch uvediem konkrétne výsledky nezávislej (výstupnej) kontroly nových bubnov.
Účelom kontroly je overiť merania vykonané výrobcom so zameraním na NDT kontroly (VT, MT, RT, UT). Názorný príklad nevhodného konštrukčného návrhu je na obr. 14. Centrovací rúrový nástavec je situovaný v strede hlavného obvodového zvaru. Aby nedošlo ku kríženiu nástavca s hlavným zvarom, konštruktér navrhol vybratie, ale vychádzal podľa výkresovej šírky rozovretia zvarovej medzery a nezohľadnil reálnu šírku zvaru. V dôsledku malej medzery vznikli ideálne podmienky pre čo najobtiažnejšie zváranie so vznikom chýb na obr.15 – pórovitosť, studené spoje, trhliny. Navyše musela byť vykonaná oprava brúsením v lokalite TOO hlavného zvaru – viď obr. 16. Príklad zistenej lineárnej indikácie na vnútornom povrchu plášťa bubna v blízkosti hlavného zvaru – je na obr. 17.
V praxi sa stretávame s prípadmi, ktoré majú vplyv na funkčnosť a bezpečnosť zariadení. Stáva sa, že vypracovaný plán kontrol a skúšok, ako aj súvisiaca dokumentácia nezohľadňuje požiadavky nákupnej objednávky,... Okrem nekompletnosti dokumentácie ako chýbajúce protokoly o skúškach (niekedy pravdepodobne vyhotovené „od stola“), nesúhlasia napr. čísla tavieb na polotovaroch s dodanou dokumentáciou, rozmery ako aj drsnosť povrchu nezodpovedá predpisu, kvalita tepelného spracovania je minimálne diskutabilná ... to sú všetko nedostatky ktoré sa stále v reálnych podmienkach objavujú.
Tieto problémy je možné jednoducho eliminovať dodržiavaním predpisov a noriem.
Literatúra:
[1] STN EN 12952-5: Vodorúrkové kotly a pomocné zariadenia. Časť 5: Vyhotovovanie a konštrukcia tlakových častí kotla
[2] STN EN ISO 9692-1: Zváranie a príbuzné procesy. Odporúčania na prípravu spojov. Časť 1: Ručné oblúkové zváranie, zváranie v ochrannej atmosfére, zváranie plynom, zváranie TIG a zváranie ocelí lúčom
[3] Bielak, O.; Masák, J.: Možnosti opravy vad kotlových těles ve svarech plášť – nátrubek. Tlakinfo, 2007
TEXT/FOTO Ján Smriga, ORGREZ, a. s.
