Z dr. hab. inż. Volodymyrem Hutsaylyukiem, prof. WAT, z Wydziału Inżynierii Mechanicznej Wojskowej Akademii Technicznej o nowej metodzie kompleksowej oceny stanu infrastruktury w elektrowniach cieplnych, która została opisana w czasopiśmie „Materials”, rozmawia Marcin Wrzos.
Jak był powód podjęcia badań?
Obecnie w Polsce funkcjonuje około 55 cieplnych elektrowni zawodowych, które wytwarzają prawie 90% energii elektrycznej naszego kraju. W sąsiedniej Ukrainie jest to niemal 30%. W Europie rozwój tego typu elektrowni rozpoczął się w latach pięćdziesiątych ubiegłego wieku i trwał przez następne 40 lat. W konsekwencji ich średni wiek w Polsce wynosi około 47 lat, co oznacza, że podstawowe urządzenia używane do wytwarzania energii elektrycznej praktycznie wyczerpały swój zasób. Z uwagi na to, że przewidywany okres ich eksploatacji wynosił pierwotnie od 25 do 30 lat, konieczne jest teraz przeprowadzenie analizy stanu zużycia i degradacji materiałów, z których wykonane są elementy robocze elektrowni cieplnych.
Tylko na podstawie rzetelnej oceny faktycznego stanu materiałów można podjąć decyzję o dalszej eksploatacji urządzenia przez określony czas, konieczności jego wymiany w celu zapobieżenia katastrofalnym awariom sprzętu lub potrzebie natychmiastowego wycofania urządzenia z aktywnej eksploatacji. Pozyskanie takiej wiedzy wymaga ścisłego monitorowania istniejących konstrukcji oraz przeprowadzenia szeregu badań doświadczalnych w warunkach laboratoryjnych. Umożliwi to opracowanie odpowiednich metod prognozowania i oceny pozostałej żywotności konstrukcji, a także sformułowanie rekomendacji dotyczących przedłużenia okresu eksploatacji podstawowych urządzeń energetycznych.
Dlaczego jest to tak ważne?
Badania i analizy mające na celu ocenę stanu elektrowni cieplnych oraz prognozowanie ich dalszej żywotności stanowią kluczowy element zapewnienia stabilności i niezawodności systemu energetycznego. Ponadto, dokładna ocena stanu technicznego elektrowni jest istotna również z punktu widzenia bezpieczeństwa ludzi oraz ochrony środowiska naturalnego. Dlatego należy podjąć odpowiednie działania w celu zapewnienia ciągłości dostaw energii elektrycznej przy jednoczesnym minimalizowaniu ryzyka awarii i negatywnego wpływu na środowisko. Ostatecznie, zapewnienie stabilności i efektywności działania elektrowni cieplnych wymaga stałej troski o stan techniczny i konserwację tych obiektów, oraz podejmowania decyzji opartych na solidnych danych i analizach.
Badania opisane w czasopiśmie „Materials” skupiają się na analizie właściwości mechanicznych złącza spawanego. Skąd taki wybór?
Degradacja złączy spawanych po długotrwałej eksploatacji stanowi istotny czynnik ograniczający niezawodność i bezpieczeństwo pracy urządzeń w elektrowniach cieplnych. W obliczu potrzeby zapewnienia jak najdłuższej żywotności takiego sprzętu, istotne staje się dokładne zbadanie stanu strukturalnego i mechanicznego jego komponentów. Wczesne uszkodzenia spawanych połączeń są szczególnym wyzwaniem w energetyce cieplnej, ponieważ materiał spoiny jest bardziej podatny na degradację niż materiał rodzimy, zwłaszcza w warunkach wysokich temperatur i naprężeń.
Obszary spoin są szczególnie narażone na degradację, ponieważ są strukturalnie bardziej złożone niż otaczający je metal. Główne czynniki degradacji stali żaroodpornych w elektrowniach cieplnych to wysoka temperatura i naprężenia, które dodatkowo potęgowane są przez obecność wodoru. W długotrwałej eksploatacji stali żaroodpornych tworzą się węgliki, które z kolei wpływają na zdolność stali do absorpcji wodoru, co może prowadzić do kruchości materiału.
Jak można to zmierzyć?
Wizualizacja dyfuzji wodoru w strukturze stali pozwala zaobserwować zwiększone wydzielanie wodoru wokół wtrąceń niemetalicznych. To z kolei sprzyja rozwarstwieniu na skutek zmniejszenia siły oddziaływania międzycząsteczkowego i wiązań chemicznych, zarówno wtrąceń niemetalicznych, jak i węglików, co prowadzi do wzrostu liczby wewnętrznych defektów w strukturze stali. W efekcie, osłabiona spójność między węglikami a otaczającą matrycą ferrytową może prowadzić do pęknięć elementów konstrukcyjnych, szczególnie w warunkach cykli termicznych i pełzania.
Złącza spawane, będące integralną częścią konstrukcji, często charakteryzują się podobnym składem i właściwościami co materiał rodzimy. Jednakże, degradacja stali żaroodpornych, zwłaszcza w wyniku uwodornienia, przyczynia się do ich kruchości, szczególnie w przypadku częstych zatrzymań i uruchomień procesów technologicznych.
Obecnie brakuje standardów kompleksowej oceny stanu eksploatacyjnego złączy spawanych, co utrudnia przewidywanie ich degradacji i podejmowanie odpowiednich działań naprawczych. Testy pełzania są kosztowne i wymagają dużych próbek metalu, dlatego istnieje potrzeba opracowania bardziej skutecznych metod oceny stanu metalu spoiny po długotrwałej eksploatacji. Badania eksperymentalne w tym zakresie są niezbędne dla zapewnienia bezpieczeństwa i niezawodności instalacji elektrowni cieplnych.
Czy temu celowi służyły podjęte badania eksperymentalne?
Tak, celem naszego zespołu było przeprowadzenie badań doświadczalnych dla uzasadnienia możliwości oceny stopnia degradacji metalu spoiny wykonanej ze stali żaroodpornej, z powodu jej długotrwałej eksploatacji w głównych rurociągach parowych elektrowni cieplnych. Były one oparte o klasyczne próby rozciągania gładkich próbek w warunkach atmosferycznych, jednakże po ich uprzednim poddaniu procesowi uwodornienia elektrolitycznego. Przeprowadzona analiza stosunku odpowiednich charakterystyk wytrzymałościowych pomiędzy eksploatowanym materiałem spoiny i spoina z materiału w stanie wyjściowym, umożliwiła zdefiniowanie stopnia jego degradacji.
Co to jest uwodornienie?
Jest to proces chemiczny polegający na dodaniu atomów wodoru do cząsteczek związków organicznych, często w celu zmniejszenia stopnia nienasyconych wiązań węgiel-węgiel. Proces ten jest szczególnie powszechny w chemii organicznej i przemysłowej, gdzie może być stosowany do produkcji różnych substancji, w tym paliw, produktów petrochemicznych, farmaceutyków, czy produktów chemicznych. Uwodornienie ma wiele zastosowań w różnych dziedzinach przemysłu, od produkcji paliw i produktów petrochemicznych po syntezę związków farmaceutycznych i materiałów chemicznych. Umożliwia ono modyfikację właściwości chemicznych związków organicznych i prowadzi do powstawania nowych produktów o różnych zastosowaniach.
Bywa również źródłem problemów…
Uwodornienie, szczególnie w przypadku instalacji przemysłowych, może prowadzić do pewnych negatywnych skutków dla metali, zwłaszcza gdy zachodzi w niepożądany sposób lub w niekontrolowanych warunkach. Wśród zagrożeń można wymienić osłabienie struktury metalu poprzez tworzenie się porowatości lub zmiana właściwości mechanicznych, co może obniżyć wytrzymałość i odporność na uszkodzenia mechaniczne. Spada również odporność korozyjna metali, co prowadzi do zwiększonego ryzyka korozji i degradacji materiału w obecności wilgoci, soli, substancji chemicznych lub innych czynników. Uwodorniony metal wykazuje zmniejszoną wytrzymałość zmęczeniową, co prowadzi do szybszego pojawiania się pęknięć zmęczeniowych podczas cyklicznych obciążeń. Dlatego kontrola tego procesu jest niezwykle istotna, aby zapobiec niepożądanym efektom i zachowaniu zdolności użytkowych konstrukcji przez cały czas eksploatacji.
Jak wyglądały badania?
Badania dotyczące metalu dwóch obwodowych złączy spawanych na rurach o określonych parametrach technicznych miały na celu zrozumienie zmian, jakie zachodzą w tym materiale w wyniku długotrwałej eksploatacji w wysokich temperaturach. Materiał w dwóch obwodowych złączach spawanych na rurach o średnicy około 325 mm i grubości ścianki około 60 mm zostały poddane badaniom w celu zrozumienia ich zachowania w ekstremalnych warunkach pracy. Przebieg prac obejmował analizę stanu początkowego, reprezentowanego przez modelowe szwy spawalnicze, oraz ocenę stanu po około 2×105 godzinach w wysokiej temperaturze (540°C) na pionowym odcinku głównego rurociągu parowego w elektrowni cieplnej.
Proces spawania obejmował kilka etapów, z zastosowaniem elektrod o różnych średnicach, prądach i napięciach łuku, aby zapewnić odpowiednią ilość wprowadzanego ciepła. Po spawaniu następowała obróbka cieplna, polegająca na wielokrotnym nagrzewaniu i kontrolowanym chłodzeniu, mająca na celu uzyskanie pożądanej struktury materiału.
Właściwości mechaniczne badanych materiałów, takie jak twardość i wytrzymałość, zostały ocenione przy użyciu różnych testów laboratoryjnych, w tym testów rozciągania i udarności. Dodatkowo, próbki zostały poddane procesowi ładowania elektrolitycznego wodorem, aby zrozumieć wpływ tego czynnika na ich zachowanie się podczas eksploatacji.
Co udało się ustalić?
Analiza wyników obejmowała również badanie struktury mikroskopowej pęknięć materiału w stanie początkowym oraz po eksploatacji, przy użyciu skaningowej mikroskopii elektronowej. Całkowitą zawartość wodoru w materiałach oznaczono metodą chromatograficzną.
Wyniki tych badań dostarczają istotnych informacji na temat zachowania się metalu spawanego w ekstremalnych warunkach pracy, co ma kluczowe znaczenie dla bezpieczeństwa i niezawodności instalacji przemysłowych, takich jak rurociągi parowe w elektrowniach cieplnych.
Wykazaliśmy, że pomimo niskiej wrażliwości charakterystyk mechanicznych na degradację stali żarowytrzymałej, wykazywały one dość wysoką wrażliwość na degradację eksploatacyjną materiału w strefie spawania. W stanie początkowym charakterystyka materiału w strefie spawania przewyższała odpowiednie wskaźniki metalu bazowego. Jednak już po ~2∙105 h pracy twardość i udarność materiału w strefie spawania stały się nawet niższe niż dopuszczalne wartości dla materiału bazowego. Po eksploatacji materiału w strefie spawania na rurociągach parowych jego udarność KCV spadła o 86%, wytrzymałość na rozciąganie sYS o 26%, a granica plastyczności sYS o 44%. W tym samym czasie charakterystyka plastyczności materiału w strefie spawania zmieniła się niejednoznacznie, plastyczność zmniejszyła się o16%, a wydłużenie wzrosło o 33%. Nietypowa odwrotna zmiana obu wskaźników plastyczności oraz jednoczesny spadek twardości i wytrzymałości, charakteryzujących odporność na pękanie plastyczne, oraz udarności, charakteryzującej odporność na kruche pękanie są konsekwencją i charakterystyczną cechę degradacji eksploatacyjnej materiału w strefie spawania.
Czy zaobserwowano korelację między uwodorowieniem a degradacją metalu?
Po eksploatacji spoiny na rurociągach parowych integralna zawartość wodoru w materiale bazowym wzrosła o 30%, a materiału w strefie spawania – trzykrotnie. Tak wysoka zawartość wodoru w eksploatowanym materiału w strefie spawania została uznana za czynnik przyczyniający się do jego intensywniejszej degradacji. Próżniowe odgazowanie materiału w strefie spawania w stanie początkowym wykazało nieznaczny wpływ wodoru zaabsorbowanego podczas spawania na jego właściwości wytrzymałościowe i plastyczne. Jednak po odgazowaniu eksploatowanego materiału w strefie spawania, gdy rola zaabsorbowanego przez nią wodoru jest zredukowana do minimum, stwierdzono wyraźny negatywny wpływ degradacji na właściwości wytrzymałościowe i plastyczne, oraz jego właściwości mechaniczne podczas testów rozciągania.
Podczas badań wykazaliśmy, że dodatkowe uwodornienie elektrolityczne próbek wszystkich stref szwa spawanego przed próbą rozciągania w powietrzu zwiększa wrażliwość wszystkich właściwości mechanicznych na degradację metalu. W wyniku uwodornienia właściwości mechaniczne materiału w strefie spawania ulegają najbardziej znaczącemu obniżeniu, co wskazuje na zwiększoną podatność eksploatowanych metali na degradację materiału w strefie spawania na kruchość wodorową. Wyniki te potwierdziły możliwość wykorzystania względnej zmiany charakterystyki wytrzymałościowej dodatkowo uwodornionego materiału w strefie spawania do oceny stopnia jego degradacji eksploatacyjnej.
W centralnej części powierzchni pęknięcia eksploatacyjnej próbki materiału w strefie spawania, która została dodatkowo uwodorniona przed próbą rozciągania w powietrzu, stwierdzono zaokrąglone obszary lokalnych rozszczepień interkrystalicznych. Były one wyraźnie widoczne na tle klasycznych ciągliwych pęknięć wgłębnych. Głębokie pustki w środku tych obszarów rozszczepień uznano za wizualizowane fraktograficznie, pułapki wodorowe w defektach wzdłuż granicy matrycy z wtrąceniami. Podobne obszary kruchego rozszczepienia, nie zostały wykryte w pęknięciach uwodornionej próbki materiału w strefie spawania w stanie początkowym. W związku z tym założono, że dodatkowe uwodornienie wcześniej eksploatowanego materiału w strefie spawania przyczyniło się do fraktograficznej wizualizacji w nim defektów eksploatacyjnych.
Dlaczego badania są ważne?
Kompleksowa ocena stanu eksploatacyjnego złączy spawanych została oparta o podstawowe i jednocześnie proste badania właściwości mechaniczne materiałów w stanie wyjściowym i po eksploatacji. W połączeniu z zaawansowanymi technikami analizy fraktograficznej z wykorzystaniem mikroskopii skaningowej pozwala to na przewidywanie degradacji złączy spawanych i podejmowanie działań naprawczych jeszcze przed wystąpieniem poważnych problemów.
Również opracowana metodyka oceny stanu eksploatacyjnego złączy spawanych jest podstawą dla tworzenia algorytmów prognozujących opartych na danych o warunkach eksploatacyjnych i charakterystyce materiałów użytych do spawania, pozwalających na przewidywanie resursu złączy spawanych oraz planowanie ich napraw lub wymiany całych odcinków rur ze złączem spawanym.
Jaki cel miały badania?
Podejmując badania mieliśmy na uwadze wyzwania stojące przed elektrociepłownictwem w Polsce i Ukrainie. Jednak kompleksowa ocena stanu eksploatacyjnego złączy spawanych, przewidywanie ich degradacji oraz podejmowanie odpowiednich działań naprawczych mają zastosowanie w wielu innych sektorach przemysłu. Ich znaczenie dla zapewnienia bezpieczeństwa i niezawodności konstrukcji jest niezwykle istotne i ma wpływ na szeroki zakres dziedzin gospodarki.
Badania mogą być również ważne w kontekście rozwoju ekologicznego transportu i czystej energii opartej na wodorze, który może być przechowywany i przenoszony zarówno w gazowej, jak i ciekłej. Ten gazowy nośnik energii ma łączyć bezpieczeństwo i niezawodność. Przewidywanie degradacji złączy spawanych w infrastrukturze transportu i przechowywania wodoru oraz ustalanie ich resursu eksploatacyjnego ma kluczowe znaczenie dla planowania konserwacji i modernizacji, co przyczynia się do zapewnienia niezawodności i trwałości systemów.
Czy badania będą kontynuowane?
Pomimo szerokiego zakresu badań nad uwodornieniem metali nadal istnieje potrzeba dalszego zrozumienia wielu aspektów mechanizmów uwodornienia metali, takich jak procesy dyfuzji wodoru w strukturze metalu, wpływ mikrostruktury na wrażliwość na uwodornienie. Istnieje zapotrzebowanie na opracowanie nowych metod kontroli procesu uwodornienia, takich jak optymalizacja parametrów procesów chemicznych, mechanicznych czy termicznych, które mogą pomóc w minimalizacji negatywnych skutków tego procesu i poprawie wydajności tak materiałów metalowych, jak i ich połączeń.
Kontynuacja badań nad uwodornieniem metali może przynieść wiele korzyści w zakresie zrozumienia tego procesu, opracowania nowych materiałów i technologii oraz poprawy wydajności i trwałości metalowych konstrukcji i urządzeń. W związku z rosnącym zainteresowaniem wodorem jako nośnikiem energii, badania nowych materiałów odpornych na uwodornienie o zwiększonej odporności na uwodornienie wymaga opracowania bardziej zaawansowanych technik diagnostycznych, takich jak mikroskopia elektronowa, spektroskopia mas, czy techniki obrazowania in situ, umożliwi lepsze zrozumienie procesów zachodzących podczas uwodornienia metali na poziomie mikroskopowym i molekularnym
Perspektywy przyszłych badań obejmują kontynuację pracy nad zrozumieniem mechanizmów uwodornienia, rozwój nowych materiałów odpornych na ten proces oraz doskonalenie technik diagnostycznych w celu poprawy kontroli i minimalizacji negatywnych skutków uwodornienia metali.
Z kim współpracowała Wojskowa Akademia Techniczna podczas badań?
Realizacja badań z przedstawionej tematyki danym artykule odbywała się w ciasnej współpracy z zespołami i naukowcami z Zakładu Diagnostyki Korozji i Degradacji Wodorowej Materiałów, Fizyczno-Mechanicznego Instytutu NAS Ukrainy im G. W. Karpenko Narodowej Akademii Nauk Ukrainy, Katedry Automatyki Przemysłowej, Tarnopolskiego Narodowego Uniwersytet Techniczny im. Iwana Puluja oraz Wydziału Materiałoznawstwa i Inżynierii Materiałowej, Narodowego Uniwersytetu Politechniki Lwowskiej w Ukrainie. Jest to kontynuacja ponad dwudziestoletniej współpracy tych zespołów, której początki sięgają lat 1999 – 2001.Realizowaliśmy wtedy wspólnie europejski projekt Equipment life electric power plant countries Central and East Europe (ERB IC15 CT98 0813). Pełniłem w nim wtedy rolę jednego z głównych wykonawców ze strony Narodowego Uniwersytetu Technicznego im. Iwana Puluja.
Marcin Wrzos
fot. Mariusz Maciejewski
***
Dr hab. inż. Volodymyr Hutsaylyuk, prof. WAT pracuje w Instytucie Robotów i Konstrukcji Maszyn na Wydziale Inżynierii Mechanicznej WAT. W 2005 r. zdobył certyfikat docenta w Katedrze Materiałoznawstwa. W 2002 r. obronił rozprawę doktorską „Wpływ wstępnego obciążenia cyklicznego na odporność na kruche pękanie stali żarowytrzymałej”, napisaną pod kierunkiem prof. P. Yasniy na Narodowym Uniwersytecie Technicznym im. Iwana Puluja w Tarnopolu. Wcześniej, w 1995 r. uzyskał tytuł magistra inżyniera broniąc pracy „Zwiększenie wydajności obrabiarek wiertniczych i wytaczarek za pomocą modernizacji mechanizmów ochronnych” na Wydziale Mechaniczno-Technologicznym.
W latach 2003 – 2006 pracował na stanowisku profesora uczelni na Narodowym Uniwersytecie Technicznym im. Iwana Puluja w Tarnopolu. W 2007 r. rozpoczął pracę w Instytucie Robotów i Konstrukcji Maszyn na Wydziale Inżynierii Mechanicznej WAT.
W obszarze jego zainteresowań naukowych wymienić należy: odporność na kruche pękanie stali żarowytrzymałej, wpływ wydajności obciążenia wstępnego na naprężenie wstępne, krótkie pęknięcia i niezawodność połączeń nitowych w konstrukcjach lotniczych, trwałość elementów ze stopów aluminium po przeciążeniu oraz praktyczne zastosowanie mechaniki pękania.