Zapewnienie bezpieczeństwa instalacji przemysłowych z wykorzystaniem metod badań nieniszczących Krzysztof Jan KURZYDŁOWSKI Maciej Marian SPYCHALSKI Wojciech Leon SPYCHALSKI III Sympozjum Klubu Paragraf Politechnika Warszawska Wydział Inżynierii Materiałowej
58
Embed
Politechnika Warszawska Wydział Inżynierii Materiałowej · 4/58 Degradacja materiałów konstrukcyjnych - zmiany struktury (z reguły niekorzystną) zachodzące pod wpływem oddziaływania
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Zapewnienie bezpieczeństwa instalacji przemysłowych z wykorzystaniem metod badań nieniszczących
Krzysztof Jan KURZYDŁOWSKIMaciej Marian SPYCHALSKI
•Diagnozowanie stanu technicznego na etapie- Produkcji- Odbioru- Eksploatacji
•Badania całej konstrukcji i wybranych elementów
•Kryteria wyboru miejsc badania- Analiza ryzyka- Analiza warunków pracy (wytężenie, temperatura, środowisko)- Historia eksploatacji (miejsca wcześniejszych awarii, zmiany konstrukcyjne, wymiana elementów)- Doświadczenie i praktyka inżynierska- Obliczenia numeryczne
Zapewnienie bezpieczeństwa instalacji
3/58
Celem badań jest ograniczenie ryzyka awarii poprzez wykrycie wad materiałowych, ocena ich szkodliwości oraz monitorowanie ich rozwoju
Ryzyko awarii w warunkach prawidłowej eksploatacji jest zależne od procesów zachodzących w materiałach pod wpływem naprężeń, temperatury i środowiska eksploatacji.
Zapewnienie bezpieczeństwa instalacji
4/58
Degradacja materiałów konstrukcyjnych - zmiany struktury (z reguły niekorzystną) zachodzące pod wpływem oddziaływania czynników środowiskowych.
Zmiany te powodują zwykle spadek, szeroko rozumianych, właściwości użytkowych materiałów (w tym powodują zmiany właściwości mechanicznych).
W praktyce przemysłowej degradacja materiałów zachodzi zawsze, choć z różną intensywnością, której tempo może ulegać wahaniom lub (co jest częstsze) intensyfikacji w końcowym okresie eksploatacji.
Degradacja materiałów
5/58
Uszkodzenie zgrzewów wymiennika w wyniku korozji
Skutki degradacji materiałów
Uszkodzenie rury pieca pirolitycznego w wyniku przegrzania
6/58
Skutki degradacji materiałów
Wybuch instalacji – rozszczelnienie w wyniku zmęczenia materiału
Obciążenia mechaniczneStałe – Niebezpieczne w połączeniu z innymi czynnikami: wysoką temperaturą pracy – pełzanie, obniżoną temperaturą – kruche pękanie Zmienne – Niskocyklowe, Wysokocyklowe (podkrytyczny rozwój pęknięć), Udarowe (kruche pękanie)
Czynniki wywołujące degradację materiałów
8/58
Degradacja powierzchni – Jest procesom zachodzącym w warstwie wierzchniej mogą jej również towarzyszyć zmiany geometrii powierzchni, w skali mikroskopowej, związane pojawieniem się warstw skorodowanych, ich pękaniem i łuszczeniem się.
Degradacja w objętości – Jest znacznie trudniejsza do wykrycia i zdiagnozowania. Może objawiać się w postaci lokalnych nieciągłości (pęknięcia, mikro pory pustki) lub globalnych zmian struktury i właściwości (korozja wodorowa, rozrost ziaren, dyfuzja pierwiastków stopowych).
Degradacja materiałów
9/58
Korozja jest jedną z głównych form degradacji materiału.
Różne typy korozji charakteryzują się różnym obrazem powstających defektów:
– Galwaniczną
– Równomierną
– Szczelinową
– Wżerową
– Międzykrystaliczną
– Selektywną
– Naprężeniową
– Zmęczeniową
– Wodorową
Korozja
10/58
korozja wżerowa warstwa zgorzeliny
lokalne utlenienie dyszy wtryskiwacza
warstwa odwęglona
Korozja
11/58
Korozja
korozja naprężeniowa korozja wżerowa
20 µm
c
20 µm20 µm20 µm
c
dekohezja na granicach ziaren w kruchej warstwie wodorków
12/58
Wpływ temperatury
strefa odwęglona
Odwęglenie
%C↓
Zarodkowania na granicach
ziaren niepożądanych faz
13/58
Zmiana struktury stali ferrytyczno-perlitycznej wywołana długotrwałym wpływem pola temperatury
100 tys. h
20 tys. h
Wyraźna zmian dyspersji ziaren perlitu
Uwidacznia się przemiana struktury ferrytyczno-perlitycznej w strukturę ferrytyczno-węglikową
Wpływ temperatury
14/58
Pustki
Y. Nagakawa,Aero-Engine Business and Material TechnologiesJapan, Superalloys 2004, TMS, 2004.
Wpływ temperatury i naprężeń
15/58
Pasma ferrytu w stali austenitycznej
Pustki i mikropęknięcia na granicy faz istotnie różniących się właściwościami mechanicznymi
Wpływ temperatury i naprężeń
16/58
Obciążenia mechaniczne
łopatka turbiny
mur z kamienia wapiennego
zerodowane kierownice wirnik
Erozja i kawitacja
17/58
Stale niskostopowe, jak i stale odporne na korozję, mogą ulegać degradacji materiałowej, wywołanej degradacją wodorową.
Mechanizm degradacji wodorowej w znacznym stopniu zależy od szybkości dyfuzji, a także od zdolności do rozpuszczania wodoru.
W stalach austenitycznych pod wpływem wodoru zachodzą zmiany strukturalne związane m.in. z tworzeniem nietrwałych w temperaturze pokojowej faz wodorkowych, które powodują efekt kruchego pękania.
Niskostopowe stale Cr-Mo mogą ulegać atakowi wodorowemu, który ujawnia się m.in. uszkodzeniami w postaci wewnętrznego odwęglenia oraz pęcherzy, rozwarstwień i pęknięć.
Degradacja pod wpływem wodoru
18/58
Degradacja pod wpływem wodoru
19/58
Degradacja pod wpływem wodoru
20/58
Dobierając metody monitorowania degradacji materiału należy prać pod uwag możliwe mechanizmy degradacji, dostęp do badanych elementów czy możliwość pobrania wycinków materiałów. Nie bez znaczenia są aspekty ekonomiczne.
Przy obecnym poziomie rozwoju techniki i wiedzy o procesach degradacji możliwy jest często ilościowy opis kinetyki rozwoju uszkodzeń przy różnych warunkach obciążenia, temperaturach i środowiskach pracy.
Wybierając metody monitorowania degradacji materiału należy rozpatrzyć przede wszystkim wszystkie możliwe mechanizmy zniszczenia jakie mogą pojawiać się w rzeczywistych warunkach pracy urządzeń.
Monitorowanie degradacji materiałów
21/58
Techniki badań nieniszczących
Najczęściej stosowane techniki badań nieniszczących
• Metoda wizualna - Visual Testing (VT) - Ultraviolet, Infrared, and Visible Light. • Metoda penetracyjna - Penetrant Testing (PT) • Metoda prądów wirowych - Eddy Current/Electromagnetic Testing (ET) • Metoda magnetyczna - Magnetic Particle Testing (MT) • Metoda ultradźwiękowa - Utrasonic Testing (UT) • Metoda Radiograficzna - Radiography (RT): X-Rays, Gamma Rays, Beta Particles, Protons, Neutrons• Metoda emisji akustycznej - Acoustic Emissions (AE)
Przy wyborze metody badań nieniszczących należy kierować się informacjami zawartymi w odpowiednich normach dotyczących metod jak i sposobu badania określonych materiałów i urządzeń. Pomocne mogą tu być różnego rodzaju wytyczne określające optymalną metodę NDT w zależności od materiału i typu wady