Vztah mikrostruktury a zbytkové životnosti dílů energetických zařízení

Ing. Zbyněk BUNDA

Disertační práce

Relationship between microstructure and residual lifetime of power plant parts

Anotace:

Tato práce vychází ze současných moderních trendů, které lze zaznamenat jak na poli energetiky, tak v průmyslu obecně. Mezi tyto trendy spadá mimo jiné také zefektivnění stávajících diagnostických metod, případně nalezení nových procesů, které by přispěly ke zpřesňování výsledků zejména při stanovení úrovně degradace, či odhadu zbytkové životnosti energetických zařízení. Dalším dlouhodobým trendem je zvýšení kvality prováděných inspekčních prohlídek a také snaha eliminovat prostoje nutné pro kontrolu součástí, zejména odstávky elektráren a tepláren. Jednou z inspekčních technik, která vychází z těchto trendů je metoda ?nedestruktivní? metalografie doplněná výsledky z dalších zkoušek. Především se jedná o zkoušky tečení a nově vyvíjenou metodu small punch creep test. Hlavním cílem je využití poznatků a zkušeností získaných při řešení této práce v energetickém průmyslu a uchopitelnost výsledků v praxi. Tyto výsledky mohou být dále zpřesňovány např. dalšími nově zaváděnými moderními NDT metodami. Spolu s využitím dosud známých poznatků o degradaci a odhadu zbytkové životnosti dílů energetických zařízení se tato práce snaží přiblížit procesy probíhající v oceli pro použití v praxi. Cílem práce je také rozšířit spektrum diagnostických metod a vedle běžně používaných způsobů inspekce využívat také nekonvenčních způsobů. Literární rešerše se v úvodu zaměřuje na problematiku zbytkové životnosti a degradace materiálu. Popsány jsou hlavní způsoby poškozování komponent a jejich principy, pozornost je zaměřena především na využití v energetickém průmyslu. V další části je podán přehled běžně využívaných inspekčních metod, doplněný o další moderní či nově vyvíjené, především nedestruktivní a semidestruktivní techniky. Experimentální část byla provedena na materiálu kotlových trubek, oceli SA 213 T22 (ČSN 15 313), jehož charakteristika a chemické složení je zmíněno v úvodních kapitolách. Tento materiál byl provozovaný v elektrárně Ghazlan v Saudské Arábii po dobu přibližně 20 let. Byla provedena analýza materiálu ve stavu dodaném, následně ve stavu po provedených zkouškách tečení a také na nově vyrobeném, neexponovaném materiálu. V rámci experimentu byly provedeny zkoušky tečení a také zkoušky tečení na malých vzorcích (small punch creep test). Výsledky jsou v práci korelovány. Ze získaných Larson-Millerových parametrů byl následně proveden odhad zbytkové životnosti. Provedeny byly také tahové zkoušky za vysoké teploty. U vybraných vzorků byla provedena rozsáhlá metalografická analýza. Využity byly techniky světelné, elektronové a také konfokální mikroskopie. Pozornost byla zaměřena na hodnocení míry degradace materiálu a mapování výskytu kavit v mikrostruktuře.

Abstract:

This dissertation results from the modern trends observable not only in power engineering but in industry in general. One of these trends is, among others, efforts to make existing diagnostic methods more effective, or eventually discovering new processes, which could contribute to a better approximation of the results especially in the assessment of degradation degree or an improvement in residual lifetime determination. Another long-term trend is to increase the quality of inspection and also efforts to eliminate interruption of operation, which is necessary for supervision. This results into lower costs and ensuring quality of inspection. One of the inspection methods emerging from these trends is ?non-destructive? metallography. This method is correlated with results of further tests, especially the creep test and the new small punch test. The main aim is to apply the knowledge and the experiences, which were gained while solving this thesis, in practice. These results could be refined thanks to new and modern NDT methods. Along with the current knowledge of material degradation and residual lifetime assessment of parts of energetic components, this thesis is trying to describe processes in the materials for use in practise. The literature overview in the introduction looks at the problem of residual lifetime and degradation of the materials. This is followed by a description of what happens in the material during the power plant operation. The next section describes technologies for material inspection complemented with modern nondestructive and semi-destructive techniques or those being currently developed. . The experimental part was carried out on the material of the boiler tubes, steel SA 213 T22 (ČSN 15 313). Its properties and chemical composition is given in the opening chapters. The components made from this material were operated in Ghazlan power plant in Saudi Arabia for about 21 years. The material was analyzed in three states. The first state was the virgin material, second one was the material after operation and the third one was the material after operation and after creep tests. The creep tests and also small punch creep tests were carried out and their results were consequently correlated. The residual lifetime of the tubes was assessed based on the creep test results using Larson ? Miller parameters. The tensile tests at high temperature were also carried out. The metallographic analysis was undertaken on the selected samples using technique of light microscopy, scanning electron microscopy and confocal microscopy. Attention was paid to the assessment of the degradation level of the material and to the mapping of the cavities occurrence in the microstructure.

Klíčová slova

degradace materiálu, zbytková životnost, NDT, metalografie, kotlové trubky, creep, small punch creep test

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 29. 6. 2013

Zveřejnit od: 31. 12. 2999

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 13. 12. 2013

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI

Fakulta strojní

Doktorský studijní program / obor:
Strojní inženýrství / Materiálové inženýrství a strojírenská metalurgie