TurboCare Sp. z o.o. Określanie żywotności turbin parowych
description
Transcript of TurboCare Sp. z o.o. Określanie żywotności turbin parowych
TurboCare Sp. z o.o. Określanie żywotności turbin parowych
Piotr Śmietana
Cele określania resztkowej żywotności elementów turbin: minimalizacja ryzyka eksploatacyjnego, w tym:
wyznaczenie bezpiecznych interwałów inspekcyjno-remontowych, wyznaczenie terminu wymiany zużytych elementów, optymalizacja parametrów eksploatacji,
weryfikacja uzyskanych wyników badań NDT, określenie najbardziej niebezpiecznych miejsc elementów pod kątem monitorowania ich stanu.
Czynniki decydujące o żywotności resztkowej turbin: długość, sposób eksploatacji oraz odstępstwa od warunków obliczeniowych (przekroczenia, odstawienia, awarie), nieznane i degradujące się własności mechaniczne materiału, różne czasy pracy elementów składowych turbiny, różna intensywność parametrów pracy elementów.
Wyznaczanie żywotności resztkowej
Privileged & Confidential - Page 2
Obecnie stosowane metody oceny zapasu żywotności obejmują głównie:
Przegląd metod określania żywotności resztkowej
Privileged & Confidential - Page 3
Wyniki badań nieniszczących:• UT, PA, RBE – mapy wskazań; • MPM – globalny stan naprężeń
własnych; • HB – przebiegi zmian twardości w funkcji
godzin pracy
Badania zmęczeniowe (zmęczenie cieplne i mechaniczne) i niszczące
(najczęściej Re, Rm)
Badania pełzaniowe
Analizy numeryczne(MES)
Parametry mechanikipękania
(np. KIC, CTOD, ac)
Wymiary i ilość próbek do określenia:
Udarności sposobem Charpy’ego (KCV) – typowo do oceny porównawczej efektów rewitalizacji
10X10X55mm – minimum 2 próbki
Granicy plastyczności, wytrzymałości na rozciąganie, wydłużenia i przewężenia (Re, Rm, A5, Z)
Ø16X100mm – minimum 2 próbki
Temperatury przejścia w stan kruchy (FATT)
10X10X55mm – minimum 6÷8 próbek
Współczynnika intensywności naprężeń, KIC
20X40X130mm – minimum 3 próbki – wykonalne na korpusach ale praktycznie niemożliwe do wykonania na komorach zaworowych
Próbki do badań własności mechanicznych
Privileged & Confidential - Page 4
Dobór własności mechanicznych do obliczeń
Rozbieżność rzeczywistych i normatywnych własności mechanicznych stali i staliw „starych” korpusów turbin jest spowodowana m.in.:
niedoskonałościami odlewniczymi i obróbki cieplnej (struktury nierównowagowe), spoinami naprawczymi, wykonywanymi na etapie produkcji i remontów, degradacją mikrostruktury na skutek obciążeń cieplno-mechanicznych.
Mogą one powodować niepewność wyników obliczeń.Do oceny żywotności zaleca się dlatego pobranie próbek do statycznej próby rozciągania, celem wyznaczenia rzeczywistych wartości Re, Rm, E, A5, Z.
Privileged & Confidential - Page 5
Wpływ gatunku materiału i mikrostruktury na dobór metody wyznaczenia żywotności – korpusy i komory zaworowe
Staliwa korpusów i komór zaworowych:• niejednorodna mikrostruktura i wielkość ziaren• duża ilość wtrąceń niemetalicznych i rzadzizn• liczne naprawy spawalnicze (fabryczne i remontowe)• struktury nierównowagowe (np. Widmannstättena)
Wyznacza się: Re, Rm, KCV, HB, A5, ZOkreślenie FATT, KIC nie jest na obecnym etapie stosowane
Privileged & Confidential - Page 6Korpus WP, nieciągłości hutnicze, stan nietrawiony
Korpus WP, mikrostruktura napoiny, traw. Mi1Fe
Korpus WP, mikrostruktura i wtrącenia niemetaliczne, traw. Mi1Fe
Wpływ gatunku materiału i mikrostruktury na dobór metody wyznaczenia żywotności – wirniki
Stale z których wykonywane są wirniki turbin parowych (typu 26H2MF, 26NiCrMoV14-5, 30CrMoNiV5-1-1) cechuje na ogół:
• równomierna mikrostruktura,• niskie rozrzuty własności mechanicznych w obrębie całej części.
Oprócz wyznaczenia Re, Rm, KCV, HB, A5, Z wyznacza się również: FATT, KIC
Mikrostruktura stali 26H2MF, sorbit odpuszczania; traw. Mi1FePrivileged & Confidential - Page 7
Elementy poddawane analizie żywotności resztkowej
Część WP:• korpus – wewnętrzny i zewnętrzny• komory zaworów szybkozamykających• komory zaworów regulacyjnych• wirnik
Część SP:• korpus – wewnętrzny i zewnętrzny• komory zaworów szybkozamykających• komory zaworów regulacyjnych• stacje zrzutowe• wirnikCzęść NP:temperatura <350°C – pełzanie pomijalne
Privileged & Confidential - Page 8
• Analiza danych eksploatacyjnych• Badania materiałowe
• wyznaczenie poeksploatacyjnych własności mechanicznych elementów turbin
• wyniki badań zmęczeniowych, prowadzonych w laboratoriach Siemensa od II poł. XXw
• Analizy obliczeniowe (MES)• Porównanie z danymi doświadczalnymi z innych maszyn
podobnej konstrukcji
Privileged & Confidential - Page 9
Podstawy określania żywotności resztkowej
Proces postępowania – wyznaczenie pozostałego resursu
Stany ustalonePodział warunków pracy na przedziały
temperaturowe, sumowanie godzin pracy w poszczególnych przedziałach
Stany nieustaloneAnaliza przebiegów zmian temperatur
i naprężeń podczas typowych rodzajów rozruchów i odstawień
Wyznaczenie naprężeń ustalonych w czasie
Określenie zmęczenia pełzaniowego Określenie zmęczenia niskocyklowego
Wyznaczenie naprężeń i odkształceń podczas stanów nieustalonych
Wyznaczenie stopnia wyczerpania żywotności elementu
Ocena zmęczenia materiału elementu na podstawie jego własności mechanicznych
Zalecenia dotyczące dalszej eksploatacji, okresów przeglądowych, bądź wymiany elementu
Zebranie i opracowanie danych eksploatacyjnych
Privileged & Confidential - Page 10
Wyznaczanie żywotności w oparciu o badania pełzaniowe
Privileged & Confidential - Page 11
Wyniki badań zmęczeniowych i pełzaniowych prowadzone na zlecenie Siemens AG w kooperacji z TU Dresden i TU Stuttgart umożliwiają:
Ocenę własności materiału po przepracowaniu do 200.000 godzin pracy w warunkach pełzania (działania temperatur do 600°C)
Dostęp do przebiegów zmian własności mechanicznych (Re, Rm, A, Z), w funkcji temperatury (do 600°C)
Określenie ubytku żywotności – stany ustalone
Privileged & Confidential - Page 12
Nagłe zniszczenie
Stan obecny
Marginesbezpieczeństwa
Stan po rewitalizacji
Wycofanie z użytku
I okres pełzania II okres pełzania III okres pełzania
Pozostały resurs elementu przed rewitalizacją
Pozostały resurs elementu po rewitalizacji
Określenie ubytku żywotności – stany nieustalone
Privileged & Confidential - Page 13
σ – naprężenie, T – temperatura,
ac – krytyczna wielkość wady
Określenie naprężeń i odkształceń podczas krytycznych faz rozruchów (przykład wirnika)
Dane eksploatacyjne
Wyznaczenie ubytku żywotności spowodowanego rozruchami
Źródło: Viswanathan, R. Damage mechanisms and life assessment of high-temperature components, ASM International, Ohio, 1993.
Obliczenia Metodą Elementów Skończonych
Oprócz podstawy do wyznaczania żywotności resztkowej, analizy te służą: określeniu miejsc uprzywilejowanych do rozwoju pęknięć – do badań NDT stanu
powierzchni (VT, PT, MT, HB, mikrostruktura) i objętości materiału (UT, PA, ET, MPM),
rozważeniu różnych wariantów modernizacji (obróbka maszynowa, spawanie, napawanie),
weryfikacji doświadczeń eksploatacyjnych.
Privileged & Confidential - Page 14
Obliczanie pozostałego resursu wirników
Privileged & Confidential - Page 15
Badanie ultradźwiękowe otworu centralnegoOkreślenie ilości, rozmiaru i rozmieszczenia
nieciągłości objętościowych
Analiza 2D i 3D nieciągłościWyznaczenie pola naprężeń – ALGOR, ANSYS, WECAN
WYNIKI, ZALECENIA
Privileged & Confidential - Page 16
Obliczanie pozostałego resursu wirników – c.d.
Opracowanie i analiza wyników badania RBE
Program do mapowania i analizy sygnału z badań ultradźwiękowych
UMAPUltrasonic Mapping and Analysis Program
Oprogramowanie do wyznaczania pola naprężeń
ALGORANSYSWECAN
Określenie pozostałej żywotności, program WEROLE
Dane z systemu diagnostycznego RBE Narzędzia do analizy wskazań 2D
Narzędzia do analizy wskazań 3D
Wyznaczenie resursu wałów wirnikowych bazuje na danych zebranych podczas badania otworu centralnego (RBE, Rotor Bore Examination)
Wskazanie miejsc najsilniej zanieczyszczonych wtrąceniami niemetalicznymi i nieciągłościami, wydanie zaleceń do przedłużenia żywotności (np. obróbka otworu centralnego, modernizacja tarcz itp.)
Obliczanie pozostałego resursu wirników – c.d.
Oprócz oceny żywotności resztkowej wałów wirników istnieje potrzeba badania tarcz wirnikowych i wrębów łopatkowych – elementów najsilniej obciążonych:
metoda Phased-Array
Privileged & Confidential - Page 17
Schemat badania PA wrębu łopatkowego i jego wizualizacja defektoskopowa
W razie stwierdzenia niedopuszczalnych wskazań, wręby mogą być odtworzone i legalizowane pod wymiar stopek istniejących łopatek albo modernizowane pod łopatki z innymi stopkami
Obliczanie pozostałego resursu wirników – c.d.
Privileged & Confidential - Page 18
Wytrzymałość i żywotność materiału wrębów jest wówczas
taka, jak materiału nowego.
Napawanie i obróbka maszynowa uszkodzonych wrębów
Pęknięcie wrębu towarzyszące korozji naprężeniowej
Podsumowanie
Ocena żywotności elementów turbin przeprowadzana przez TurboCare umożliwia:
Podjęcie decyzji o naprawie, modernizacji lub wymianie w oparciu o ich rzeczywisty stan techniczny,
Wskazanie najbardziej wytężonych części maszyny,
Odpowiednio wczesne zaplanowanie zamówienia elementów nowych,
Wyznaczenie terminów bezpiecznych przeglądów i przewidywanego zakresu badań nieniszczących (MPM, VT, PT, MT, UT, ET, PA) i/lub niszczących (wytrzymałościowych),
Optymalizację parametrów pracy pod kątem bezpiecznego użytkowania,
Podjęcie decyzji o ewentualnych zmianach parametrów pracy (zmiana trybu pracy turbiny).
Privileged & Confidential - Page 19
Dziękuję za uwagę
Privileged & Confidential - Page 20