8. ZakljuèakU okviru realizacije ovog zadatka na osnovu njemaèkih TRD propisa predložen je model za ocjenu stepena iscrpljenosti visokooptereæenih komponenti parnih kotlovskih postrojenja izraðenih od feritnog èelika kao posljedica ošteæenja nastalih u eksploataciji usljed puzanja i niskocikliènog zamora. U osnovi modela je podjela pokazatelja o eksploataciji na temperaturne razrede, u oba sluèaja, u radnim uslovima kotlovskog postrojenja. U sluèaju puzanja broj radnih sati kotla za period u kome se vrši ocjena se dijeli na temperaturne razrede prema srednjoj temperaturi razreda, odnosno za svaki razred se odreðuje parcijalni broj radnih sati komponente postrojenja u intervalu srednjih temperatura tog razreda. Pri tome se ne uzima u obzir eventualno odstupanje radnog pritiska, nego se za proraèun uzima maksimalni raspon pritiska. U sluèaju niskocikliènog zamora, podjela na temperaturne razrede se vrši prema maksimalnoj razlici gradijenta temperature kroz zid komponente i to pri ulasku i izlasku kotlovskog postrojenja u pogon. Za oba predložena modela napravljene su aplikacije u MS Excel-u (zbog jednostavnijeg izraèunavanja). Posebna vrijednost ovog rada je utvrðivanje ošteæenja u dijelovima postrojenja kotla UKO-3, nastalih kao rezultat puzanja i niskocikliènog zamora, koja se javljaju u praksi. Tokom eksploatacije materijal pregrijaèa pare trpi promjene koje se manifestuju kroz degradaciju osobina, te su stoga neophodne stalne kontrole i periodièna ispitivanja u cilju utvrðivanja trenutnog stanja materijala. Cilj ocjene stepena iscrpljenosti materijala bio je da se utvrdi uticaj režima rada na iscrpljivanje materijala, odnosno projektovani eksploatacioni vijek. Iz proraèuna bi se moglo zakljuèiti da je do procesa puzanja najvjerovatnije došlo u veæoj mjeri, nego što to pokazuje dobijena vrijednost ocjene stepena iscrpljenosti materijala usljed puzanja. Ovo opravdano ukazuje da ulazni podaci ne prikazuju stvarni režim rada postrojenja ili se puzanje ostvaruje na temperaturama nižim od temperatura koje odgovaraju granici puzanja. Radi toga, uz proraèun obavezno se vrše i metalografska ispitivanja koja doprinose zakljuèivanju, tj. konaènom stavu o iscrpljenosti materijala, što nije predmet ovog rada.

Prilog A-2/2

PRORAÈUN STEPENA ISCRPLJENOSTI MATERIJALA USLJED NISKOCIKLIÈNOG ZAMORA

PODACI O KOTLOVSKOM POSTROJENJU:

Kotlovsko postrojenje (osnovni podaci): UKO-3: proizvoðaè "KISMA SEIZO" Japan

Komponenta postrojenja:

pregrijaè pare

Godina puštanja u pogon:

1964

Materijal (prema DIN 17175:1979):

13 Cr Mo 4 4

Debljina zida (mm):

3,5

Vanjski dijametar (mm):

34

Radni pritsak punog optereæenja (bar):

80

Srednja temperatura zida (°C):

460

Broj ciklusa za prethodni period:

0

∞

Iscprljenost za prethodni period (%):

0,00

Broj razreda procjene:

6

Äè (°C)

Äp

??? Äói

2óa

nk

nk

Iscprljenost

Razred procjene

od do (bar) (°C) (N/mm2) (N/mm2) broj ciklusa do loma registrovani broj ciklusa ew (%)

1 0 20 8 345 175,87200 192,81924 ∞ 90 0,00000

2 20

40

8

345

342,74057

344,71806

232538,84084

310

0,13331

3 40

55

8

345

467,89200

547,30731

21153,36555

290

1,37094

4 55

70

8

345

593,04343

879,25127

3857,16528

53

1,37407

5 70

85

8

345

718,19486

1289,50963

1200,17539

35

2,91624

6 85

100

8

345

843,34629

1778,08239

485,49453

10

2,05976

7 ------

------

------

------

------

------

------

------

------8 ------

------

------

------

------

------

------

------

------

Sumarne vrijednosti

788 7,85431

Prethodne vrijednosti

0 0,00000

UKUPNE VRIJEDNOSTI 788 7,85431

Prema TRD (Technische Regeln fur Dampfkesel) propisima

TRD 508, Anlage 1, Juli 1986

TRD 301, Berechnung, Anlage 1, August 1996

TRD 301, Berechnung, Oktobar 1997

AbstractDuring exploitation, material of the high-loaded components boiler plant is changed by degradation of the properties. Permanent controls and periodical testing are necessary in order to establish present state of the material. The goal of the testing was to determine influence of the work regime on the exhaustion of the material, i.e. designed exploitation time. Creep and lowcyclic fatigue are two basic processes which influence on the exploitation time of some preheater components. In this paper, models for the evaluation level of the exhaustion highloaded components because of creep and lowcyclic fatigue are suggested. Translation of TRD regulations is used for evaluation of the exhaustion (TRD regulations are basic in this field).

Key words : creep, lowcyclic fatigue, degradation of materials, TRD regulation

SažetakTokom eksploatacije materijal visokooptereæenih komponenti kotlovskog postrojenja trpi promjene koje se manifestuju kroz degradaciju osobina, te su stoga neophodne stalne kontrole i periodièna ispitivanja u cilju utvrðivanja trenutnog stanja materijala. Cilj ispitivanja bio je da se utvrdi uticaj režima rada na iscrpljivanje materijala, odnosno projektovani eksploatacioni vijek navedenih komponenti.Puzanje i niskociklièni zamor su dva osnovna procesa koja utièu na eksploatacioni vijek neke komponente parnog kotla.U radu su predloženi modeli za ocjenu stepena iscrpljenosti visokooptereæenih komponenti usljed puzanja i niskocikliènog zamora.Za ocjenu iscrpljenosti korišteni su prevodi TRD propisa koji su osnova u ovom podruèju.

Kljuène rijeèi: puzanje, niskociklièni zamor, degradacija materijala, TRD propisi

* Energoinvest, d.d. – Sarajevo, Hamdije Æemerliæa 2, 71000 Sarajevo, Bosnia and Herzegovina **Strojarski fakultet u Slavonskom Brodu, Trg Ivane Brliæ Mažuraniæ 2, 35000 Slavonski Brod

FATIGUE EVALUATION OF THE MATERIAL BASED ON THE TRD REGULATIONS

STUPANJ ISCRPLJENOSTI MATERIJALA PREMA TRD PROPISIMA

H. Hadžiahmetoviæ*Š. Klariæ**

I. Kladariæ**

8th International Symposium of Croatian Metallurgical SocietyS H M D ´2008

«Materials and Metallurgy»Šibenik 2008, June 22 – 26, Solaris Holiday Resort, Croatia

Legenda1. Ložište – sa ekranskim ložišnim, isparnim, ozraènim panelima i zavjesama;2. Bunker za ugljen;3. Dodavaèi ugljena iz bunkera ka instalaciji za recikuliranje dimnog plina iz ložišta;4. Prikaz naèina ubacivanja ugljena u proces sušenja sa recikulacijom dimnog plina iz

ložišta (poèetna faza sušenja ugljena);5. Mlinovi za mljevenje ugljena;6. Potisni aksijalni ventilatori za ubacivanje hladnog zraka u zagrijaè zraka;7. Parni zagrijaèi vanjskog hladnog zraka – koriste se u zimskom periodu kad je vanjska

temperatura niža od –2 °C;8. Zagrijaèi zraka;9. Zagrijaè zraka za ostvarivanje procesa sagorijevanja u ložištu (1);10. Plamenici za ubacivanje samljevenog ugljena i zagrijanog zraka u proces sagorijevanja

u ložištu (1);11. Gorionici zemnog plina – za stabilizaciju formiranog plamena u ložištu i za dodatno

sagorijevanje u kolièini od 8-10 % od ukupne potrebne razvijene kolièine topline u ložištu;

12. Cirkulaciona pumpa za ostvarivanje prinudne cirkulacije kroz ekranske, isparne, ložišne, ozraène površine i panele;

13. Lanèana puzeæa rešetka za odvoðenje šljake i pepela iz kotlovskog ložišta;14. Sustav pregrijaèa pare i meðupregrijaèa pare;15. Sustav zagrijaèa vode – ekonomajzer;16. Kotlovski doboš;17. Nosaè kotlovske konstrukcije sa oznakom krajnje visine gabarita kotla - ujedno služe za

viseæe potpore parnog kotla;18. Odvod dimnog plina iz kotla ka regenerativnom zagrijaèu zraka (8);19. Dogrijaè zagrijanog zraka u uslovima kad je okolna temeperatura zraka ispod –15 °C.

Slika 1. Šema kotla

Prilog A-1/2

PRORAÈUN STEPENA ISCRPLJENOSTI MATERIJALA USLJED PUZANJA

PODACI O KOTLOVSKOM POSTROJENJU:

Kotlovsko postrojenje (osnovni podaci):

UKO-3: proizvoðaè "KISMA SEIZO" Japan

Komponenta postrojenja:

pregrijaè pare

Godina puštanja u pogon:

1964

Materijal (prema DIN 17175:1979):

13 Cr Mo 4 4

Minimalna debljina zida (mm):

3,5

Vanjski dijametar (mm):

34

Koeficijent slabljenja (v):

0,73

Radni pritsak punog optereæenja (bar):

80

Srednja temperatura zida (°C):

460

Maksimalni radni napon (N/mm2): 46

Broj radnih sati za prethodni period (h): 210000 Iscprljenost za prethodni period (%): --------

Broj razreda procjene:

6

?m (°C) (na izlazu iz komponente)? p

?m? ZB/?/p (h)

Z?/p (h)

Iscprljenost za specificirani periodRazred

procjeneod

do

Srednja vrijednost

(bar)

(°C)

na osnovu srednje temperature zida

vrijeme eksploatacije

eZ (%)

1 <400

420

420

80

435

nemam relevantne podatke za temperaturu 435 °C

16000

------

2 420

430

425

80

440

nemam relevantne podatke za temperaturu 440 °C

10000

------

3 430

440

435

80

450

971745207024

100000

0,000014 440

450

445

80

460

15595654501

80000

0,000515 450

460

455

80

470

828857045

3000

0,000366 460

470

465

80

480

104186675

1000

0,000967 ------

------

------

------

------

------

------

------8 ------

------

------

------

------

------

------

------

Sumarne vrijednosti 210000 0,00185

Prethodne vrijednosti 0 0,00000

UKUPNE VRIJEDNOSTI 210000 0,00185

Prema TRD (Technische Regeln fur Dampfkesel) propisima

TRD 508, Anlage 1, Juli 1986

TRD 301, Berechnung, Anlage 1, August 1996

TRD 301, Berechnung, Oktobar 1997

9. Literatura[1] Halima Hadžiahmetoviæ: Diplomski rad, ''Ocjena iscrpljenosti materijala visokooptereæenih komponenti kotlovskog postrojenja ” Zenica, juni 2004.godine[2] TRD propisi serije 300, 301 i 508

1. TRD – propisi (Technische Regeln fuer Dampfkessel)

Stupanj iscrpljenosti materijala, koji je opredjeljujuæi pokazatelj prilikom donošenja odluke o zamjeni pojedinih visokooptereæenih komponenti parnih kotlovskih postrojenja, može se ocjeniti na osnovu njemaèkih TRD propisa serije 500 i 300. Najnovija izdanja za neke od ovih propisa ukazuju na aktuelnost ovog problema. TRD propisi se, pored ocjene stupnja iscrpljenosti materijala, odnose i na nivo sigurnosno-tehnièkih zahtijeva u pogledu proizvodnje materijala, proraèuna, opremanja, montaže, ispitivanja i eksploatacije komponenti parnog kotlovskog postrojenja (slika br.1).

2. Ocjena stepena iscrpljenosti materijala

Ocjena stupnja iscrpljenosti materijala visokooptereæenih komponenti kotlovskog postrojenja prema njemaèkim TRD propisima se provodi na temelju modeliranja uticaja stvarnog stanja komponente i uvjeta eksploatacije na njen vijek trajanja.Stvarno stanje komponente je odreðeno osobinama i metalurškim stanjem materijala od kojeg je izraðena, njenom geometrijom odreðenom projektnim rješenjem, rezultatima mjerenja i ispitivanja, kao što je izmjerena minimalna debljina zida i drugi pokazatelji, a uvjeti eksploatacije rezultatima mjerenja parametara eksploatacije kao što su tlak i temperatura pregrijane vode ili pare, odnosno temperaturnog profila i gradijenata u toku zagrijavanja i hlaðenja vode.

3. Ocjena stupnja iscrpljenosti materijala usljed puzanja

Ocjena stupnja iscrpljenosti materijala, kao rezultat statièkog optereæenja, se provodi na osnovu proraèunskog vijeka trajanja neke komponente parnog kotlovskog postrojenja. Ovaj proraèun je zasnovan na rezultatima mjerenja tlakova i temperatura u eksploataciji i minimalne izmjerene debljine zida posmatrane komponente. Odreðivanje proraèunskog vijeka trajanja se provodi na osnovu dijagramskog predstavljanja zavisnosti vremenske èvrstoæe za datu radnu temperaturu J od broja radnih sati; dijagram zavisnosti se formira tako što se nanesu vrijednosti minimalne vremenske èvrstoæe za 10000, 100000 i 200000 sati u eksploataciji (slika 2). Vijek trajanja komponente se iz ovog dijagrama dobija kao vrijednost na vremenskoj osi koja odgovara toèki presjecišta maksimalnog dozvoljenog napona komponente ó i pravaca provuèenih izmeðu parova taèaka koje odgovaraju gore pomenutim vrijednostima gB

vremenske èvrstoæe. Alternativna moguænost je da se umjesto dijagramskog odreðivanja koristi direktno izraèunavanje pomoæu analitièkih izraza koji su dobijeni rješavanjem odgovarajuæeg para linearnih jednadžbi. Ovako dobijena vrijednost za stvarni broj sati koji može da izdrži materijal u eksploataciji, prema TRD propisima se definira kao proraèunski vijek trajanja ili životni vijek komponente i oznaèava sa Z . Period eksploatacije oznaèen sa Z je vrijeme eksploatacije nakon kojeg treba raèunati na pojavu ošteæenja B 0

materijala posmatrane komponente i iznosi 60% od vijeka trajanja komponente, tj. Z =0,6×Z .0 B

Ocjena stupnja iscrpljenosti usljed puzanja se vrši tako što se uzme u obzir režim eksploatacije u periodu za koji se vrši ocjena, odnosno rezultati mjerenja temperatura i tlakova. Dozvoljeno je da se uticaj nadtlaka ne uzme u obzir, s tim da se u tom sluèaju za proraèun koristi nadpritisak koji odgovara punom optereæenju postrojenja.Ukupna iscrpljenost materijala e se dobija kao odnos broja radnih sati u posmatranom periodu Z i proraèunskog vijeka trajanja komponente Z . Z J/p B/J/p

Izraèunavanje se može provesti za posmatrani period eksploatacije tako što se izvrši podjela u razrede prema registriranim temperaturama itlakovima. 4. Ocjena stupnja iscrpljenosti materijala usljed niskocikliènog zamora

Ocjena stupnja iscrpljenosti materijala komponenti parnog kotlovskog postrojenja kao rezultat niskocikliènog zamora se provodi prema TRD propisima serije 500 i 300. Ocjena se odnosi na visokooptereæene komponente, odnosno komponente parnog kotlovskog postrojenja koje imaju najmanji vijek trajanja. U obzir se uzimaju optereæenja kao rezultat mehanièkih i toplinskih naprezanja koja nastaju u toku eksploatacije. Ova naprezanja su posebno izražena u toku puštanja u pogon i zaustavljanje postrojenja, odnosno prelazak u režim toplog hoda. Pri tome se ocjena vrši na osnovu rezultata mjerenja nadtlaka, temperatura i temperaturnih gradijenata u zidu komponente u periodu eksploatacije za koji se provodi ocjena.

Ukupna iscrpljenost se izraèunava sumiranjem iscrpljenosti kao rezultat puzanja i niskocikliènog zamora:e=e +ez w

Opravdanost i meðusobni odnos pri sumiranju iscrpljenosti zahtijeva detaljnije obrazloženje, a ponekad i podrobnije istraživanje.

6. Ocjena iscrpljenosti materijala kao posljedica drugih ošteæenja i nedostataka

Prema TRD propisima ocjena stupnja iscrpljenosti materijala se odnosi na ošteæenja koja nastaju kao posljedica puzanja i niskocikliènog zamora tako da druga ošteæenja na prvi pogled nisu relevantna za ovu ocjenu. Meðutim, treba imati u vidu da neka od opisanih ošteæenja kao što su pojedina korozijska ošteæenja, erozijska i abrazijska ošteæenja, indirektno doprinose iscrpljavanju materijala tako što dovode do smanjenja debljine zida komponente, a time i do poveæanja maksimalnog radnog napona koji komponenta treba da izdrži. Stoga je, prije nego što se pristupi mjerenju debljine zida komponente, posebno kada su u pitanju starija postrojenja, potpuno opravdano izvršiti vizualni (obièno endoskopski) pregled stanja ošteæenja unutrašnjeg zida kako bi se dobili pokazatelji o nivou i karakteru ošteæenja. Na osnovu rezultata ovog ispitivanja može se izvesti zakljuèak da li mjerenje debljine zida ima uopæ smisla ili kako planirati mrežu mjernih mjesta da se dobije reprezentativna vrijednost minimalne debljine zida.Korozijska ošteæenja i nedostaci vezani za stanje materijala komponente, projektna rješenja, operacije u toku montaže i eksploatacije mogu dovesti do pojave pukotina bez obzira na dostignuti stupanj iscrpljenosti materijala. Neka visokooptereæena komponenta parnog kotlovskog postrojenja treba biti zamjenjena kada se na njoj otkrije prisustvo kritiènih pukotina. Proizilazi da i sama ocjena otkrivenih pukotina na nekoj komponenti uslovno predstavlja i ocjenu stanja iscrpljenosti materijala, pošto karakterizacija takvih pukotina kao kritiènih, istovremeno znaèi i ocjenu vijeka trajanja.

7. Ocjena ukupne iscrpljenosti materijala usljed puzanja i niskocikliènog zamora

Na osnovu predloženog modela u sluèaju stepena iscrpljenosti usljed puzanja i u sluèaju stepena iscrpljenosti usljed niskocikliènog zamora, u cilju pojednostavljenja samih izraèunavanja, napravljene su aplikacije u MS Excel-u.Rezultati proraèuna stepena iscrpljenosti materijala usljed puzanja i proraèuna stepena iscrpljenosti materijala usljed niskocikliènog zamora pomoæu jedne takve aplikacije dati su u prilogu A. Ostali radni parametri i podaci su unešena u proraèun i dati na stranici A-1/2. Prema proraèunu datom na stranici A-1/2, stepen iscrpljenosti usljed puzanja iznosi 0,00185 %, a stepen iscrpljenosti materijala kao posljedica niskocikliènog zamora, prema proraèunu datom na stranici A-2/2 u istom prilogu, iznosi 7,85431 %, tako da ukupna iscrpljenost iznosi: e= 7,85616 %.

5. Ocjena ukupne iscrpljenosti materijala usljed puzanja i niskocikliènog zamora

Slika 2. Dijagram za odreðivanje Z i Z0 B