Marta  Wojas

 Zakłady Azotowe "Puławy", S.A.

  

                  Badania nieniszczące w nadzorowaniu ciśnieniowych

                urządzeń technologicznych w zakładzie chemicznym

                

       I. Wstęp

              

             W przemyśle nadzorowanie urządzeń technologicznych zaczyna się praktycznie od procesu projektowania, a trwa przez cały okres budowy i eksploatacji.

Projektowanie to etap planowania badań technicznych nieniszczących i niszczących na użytek wytwarzania  wg  wymagań projektowych.

Wytwarzanie to procesy, podczas których badaniu poddawane są materiały przeznaczone do budowy oraz elementy urządzeń podlegające przetwarzaniu; kontroli wymagają wtedy  miejsca, które podczas tych procesów podlegają obróbce wywołującej zmiany strukturalne, a tym samym wpływają na zmianę własności mechanicznych oraz na odporność korozyjną.

Eksploatacja urządzeń wymaga szczególnego nadzoru,  gdy urządzenia te pracują przy wysokich ciśnieniach i temperaturach oraz zawierają media niebezpieczne. Czas eksploatacji, temperatura, agresywność medium w danych warunkach, a także rodzaj i charakter obciążeń zewnętrznych / sposób eksploatacji / wpływają na zmiany stanu materiału w stosunku do stanu wyjściowego.

Rysunek 1 przedstawia schematycznie zakres zastosowań badań niszczących i nieniszczących urządzeń przemysłowych.

W praktyce nadzorowanie to ma na celu zagwarantowanie bezawaryjnej eksploatacji, a najlepszym sposobem na zapobieganie awariom jest działanie profilaktyczne.

Aby właściwie zaplanować badania profilaktyczne, konieczna jest analiza danych wyjściowych, tj. analiza:

-         konstrukcji urządzenia,

-         obliczeń konstrukcyjnych,

-         budowy urządzenia i ciężaru jego elementów,

-         rodzaju i stanu wyjściowego materiału użytego do budowy,

-         miejsc prawdopodobnych wystąpienia uszkodzenia w oparciu o znajomość parametrów pracy / ciśnienia, temperatury, rodzaju i agresywności medium / oraz kierunków przepływów,

-         źródeł wszelkich naprężeń eksploatacyjnych lub obciążeń zewnętrznych.

Analiza ta pozwala zaplanować terminy przeprowadzenia badań oraz ich rodzaje.

Spośród znanych i powszechnie stosowanych metod badawczych z grupy nieniszczących stosuje się badania pozwalające na wykrycie nieciągłości, uszkodzeń powierzchni, ubytków materiałowych itp. Są to:

-         badania wizualne, które pozwalają ocenić stan ogólny urządzenia, zlokalizować i wskazać miejsca wątpliwe, wymagające dalszych badań i identyfikacji ewentualnych uszkodzeń,

-         próby szczelności i próby ciśnieniowe,

-         badania powierzchniowe penetracyjne i magnetyczno - proszkowe,

-         ultradźwiękowy pomiar grubości ścianki materiału,

-         defektoskopowe badania ultradźwiękowe,

-         badania radiograficzne.

Stosowane są także metody nieniszczące, które pozwalają ocenić stan materiału, do których zalicza się:

-         badanie mikrostruktury  na powierzchni przy użyciu przenośnego mikroskopu optycznego o powiększeniu do 400x  lub / oraz  metodą replik triafolowych,

-         pomiary twardości twardościomierzem ultradźwiękowym,

-         analiza składu chemicznego przewoźnym spektrometrem emisyjnym,

-         ocenę stanu materiału metodą WIT.

Rysunek 2  przedstawia rodzaje stosowanych badań nieniszczących.

Wśród badań niszczących wymienić można badania:

-     mechaniczne i technologiczne - próby rozciągania, udarności, twardości, zginania itp

-         metalograficzne - makro- i mikroskopowe,

-         analizę składu chemicznego metodami chemicznymi.

Rysunek 3 przedstawia stosowane badania niszczące.

Wszystkie wymienione metody badawcze wykorzystywane są do badania zarówno materiałów jak i złączy spawanych.

Stosowane metody i techniki badawcze są powszechnie znane i uznane lecz na nic zda się badanie wykonane gdziekolwiek, jakąkolwiek metodą, jeśli nie znamy odpowiedzi na pytanie:

II. Gdzie szukać?  Czego szukać?  Kiedy szukać?  Jak szukać?

W rozdziale niniejszym podejmuję próbę odpowiedzi na powyższe pytania na podstawie wieloletniego doświadczenia.

W zakładzie chemicznym jest tak wiele różnych rodzajów aparatów, urządzeń i rurociągów, że nie sposób omówić wszystkie . Spośród aparatury wybrałam wymienniki ciepła, w których medium grzewczym / chłodzącym jest woda.

Wymienniki ciepła płaszczowo - rurowe, które chcę przedstawić, to urządzenia zbudowane z trzech zasadniczych elementów tj. płaszcza, rur prostych lub u - rur spawanych w ściany sitowe oraz nie mniej istotnych dla zjawisk, które będą omawiane - przegród / rys. 4 /. Konstrukcja taka daje dwie przestrzenie: rurową i płaszczową / międzyrurową /. Rozmieszczenie wody i medium technologicznego bywa różne, tj. w rurach lub w przestrzeni płaszczowej.

Woda  dość często stosowana w wymiennikach, może być źródłem wielu uszkodzeń.

Kiedy woda znajduje się w rurach, na wewnętrznych powierzchniach rur spotykamy zjawiska korozyjne różne pod względem charakteru w zależności od gatunku materiału. Wodnej korozji powierzchniowej równomiernej lub wżerowej ulegają stale węglowe / nisko - i średniostopowe o strukturach ferrytycznych.

Korozja taka jest rodzajem korozji elektrochemicznej polegającej  na niszczeniu metali w środowisku wodnym, przy czym zimna, czysta chemicznie woda nie atakuje stali. Tylko woda zawierająca rozpuszczony tlen, a taka występuje w instalacjach chemicznych, jest główną przyczyną korozji. W wyniku  tej korozji może nastąpić perforacja rury lub ograniczenie jej drożności przez produkty korozji.

Wykrycie tego rodzaju ubytków jest możliwe poprzez badanie wizualne z zastosowaniem endoskopu, co pozwala na jakościową ocenę rozmiaru zjawiska; jeśli mamy do czynienia tylko z korozją równomierną, można ewentualnie zastosować pomiary grubości ścianek od wewnątrz, co przy dużej ilości rur / kilka tysięcy / jest czasochłonne, drogie i ma charakter statystyczny. Najczęściej stosowanymi sposobami oceny są wobec tego badania wizualne oraz badanie szczelności  i / lub próba wodna.

W rurach ze stali austenitycznych na powierzchni wewnętrznej mamy do czynienia z chlorkową korozją wżerową także o charakterze elektrochemicznym, gdzie różnica potencjałów powstaje pomiędzy powierzchnią pasywną metalu oraz znajdującymi się na tej powierzchni miejscami, które nie zostały spasywowane lub została uszkodzona warstwa pasywna. Taki rodzaj korozji wywołuje woda zawierająca sole, w tym sole chlorkowe / jon Cl^- /. Jej przebieg jest niezwykle charakterystyczny. Na powierzchni powstaje bardzo mały otworek o średnicy rzędu 0,1 mm, a następnie przebiega bardzo szybka penetracja w głąb materiału, gdzie powstaje kawerna znajdująca ujście na powierzchni zewnętrznej. Rys. 5 przedstawia poglądowo sposób powstawania takich wżerów, ustalony na podstawie własnych badań metalograficznych. Na rys. 6 widać rurę w przekroju poprzecznym z wżerem na wskroś oraz obraz radiograficzny / odbitka z radiogramu /. Wykrycie takich nieszczelności metodami nieniszczącymi nastręczało wiele trudności.

Badania wizualne gołym okiem powierzchni zewnętrznej były nieskuteczne, bo możliwe są oględziny tylko zewnętrzne rury pakietu, a ponadto nie zawsze wżery ujawniają się na zewnątrz.

Badanie wizualne  powierzchni wewnętrznych z zastosowaniem endoskopu daje także efekt mocno ograniczony. Próby takiej oceny „spaliły na panewce”. Otworów nie było widać, bo były bardzo małe. Pozostało więc w gruncie rzeczy tylko badanie szczelności i / lub próba ciśnieniowa.

W przypadkach, gdy woda występuje w przestrzeniach międzyrurowych, jest równie groźna, choć zjawiska korozyjne mają nieco inny przebieg oraz mogą występować w wielu miejscach, i tak :

-         korozja wżerowa i równomierna  na powierzchni zewnętrznej rur ze stali ferrytycznych; przestrzeń miedzy rurami zostaje wypełniona produktami korozji i praktycznie ustaje wymiana ciepła. W takim przypadku wystarczy przeprowadzić tylko badania wizualne.

-         korozja wżerowa chlorkowa występuje najczęściej, gdy zostanie uszkodzona w jakikolwiek sposób warstwa pasywna lub na powierzchni rur osiądą produkty korozji pochodzące np. z innych elementów budowy wymiennika, które wykonano ze stali węglowej. Rys. 7  przedstawia przykłady takiej korozji.  Na rysunku widać wżery występujące w pobliżu miejsc, gdzie były zamontowane przegrody ze stali węglowej pod rury ze stali austenitycznej. Jednocześnie tam, gdzie w materiale rury  występowały naprężenia wewnętrzne / łuk, strefa wpływu ciepła spoiny /, wystąpiły pęknięcia, ponieważ obecność w wodzie jonów Cl^- sprzyja korozji naprężeniowej.    W takim przypadku znowu badania wizualne spełniają swoje zadanie.

-         w tzw. „kieszeniach”.  Rury ze ścianą sitową łączone są przez spawanie, rozwalcowanie lub spawanie z rozwalcowaniem /  rys. 8 /. W przypadku mocowania bez rozwalcowania,  pomiędzy rurą i dnem sitowym powstaje martwa przestrzeń / rys. 9/, w której procesy korozyjne przebiegają bardzo intensywnie nie tylko podczas postoju. Tam medium jest praktycznie nieruchome. W takich przypadkach przydatne jest badanie wizualne z użyciem endoskopu powierzchni wewnętrznej rur na odcinku odpowiadającym grubości ściany sitowej w celu wykrycia ewentualnej perforacji. Pomocnym może być także badanie penetracyjne powierzchni wewnętrznej rury na odcinku dostępnym. Konieczne jest także badanie penetracyjne spoin łączących rury ze ścianą sitową, gdyż bardzo prawdopodobne jest równoczesne wystąpienie pęknięć na skutek korozji naprężeniowej oczywiście w przypadku stali austenitycznych / rys. 10 i 11 /.

W zjawiskach korozji wymienników ciepła ze stali na przebieg i szybkość procesu mają wpływ:

-         ruch ośrodka korozyjnego;  w ośrodkach nieruchomych sprzyjających osadzaniu się produktów korozji na powierzchni metalu procesy korozji wżerowej są intensywniejsze. Dotyczy to zarówno korozji wodnej stali węglowych jak i korozji chlorkowej wżerowej stali austenitycznych.

-         temperatura i pH w przypadku korozji chlorkowej wżerowej stali austenitycznych; intensywność korozji rośnie ze wzrostem temperatury aż do 90°C, zaś najgłębsze wżery powstają w roztworach obojętnych / pH bliskie 7 /. Wzrost temperatury oraz wzrost pH powyżej 7 / środowisko alkaliczne / powodują ograniczenie intensywności tego procesu, by przy temperaturze wrzenia ośrodka ustać prawie całkowicie.

Znając te zależności oraz obserwując okresy występowania takich zjawisk ustalono, że  najczęściej nieszczelności ujawniają się po postojach remontowych, kiedy przed ponownym zamontowaniem przeprowadzana jest próba wodna / próba szczelności / lub nawet w nowych urządzeniach, które po próbie wodnej stoją bez przepływu medium. Przyczyną zatem są resztki wody chłodzącej lub wody z próby wodnej.

Zjawisko można ograniczyć poprzez stosowanie do prób wodnych wody zdemineralizowanej, nie zawierającej soli chlorkowych oraz ograniczenie postoju remontowego do niezbędnego okresu.

Idealnym oczywiście rozwiązaniem byłoby stosowanie do chłodzenia wody zdemineralizowanej, co jednak  jest bardzo kosztowne. Decyduje więc rachunek ekonomiczny.

Bardzo „atrakcyjnym” dla oka jest efekt korozji selektywnej mosiądzu zachodzącej w rurach wymienników zbudowanych z tego materiału.

Zjawisko tzw. selektywnego odcynkowania mosiądzu zachodzi w środowisku wody napowietrzonej, zawierającej jony chlorkowe, przy zbyt dużych przepływach. Następuje wtedy zubożenie stopu w cynk. Ten rodzaj korozji łatwo rozpoznać gołym okiem, gdyż na powierzchni mosiądzu powstaje miedź gąbczasta oraz w postaci korków  / rys. 12 /.  

 I tym razem badanie wizualne oraz próba wodna / próba szczelności / posłużą do wykrycia uszkodzeń.

Przedstawienie powyższych przykładów miało na celu wskazanie jak bardzo ważne dla osób wykonujących badania, a zwłaszcza dla planujących i nadzorujących je, mają:

-         zaznajomienie się z obiektem w zakresie materiału, z którego obiekt zbudowano, mediów np. składu stosowanej wody, parametrów jego pracy, okresu pracy, czasu postoju itp. oraz

-         znajomość, przynajmniej ogólna, zjawisk i miejsc ich występowania.

Wynika stąd także wniosek, iż praktyka zawodowa osób wykonujących badania ma znaczenie, którego nie sposób przecenić.

Ponadto na tle powyższych przykładów można łatwo wyjaśnić, dlaczego każde badanie nieniszczące / i nie tylko / powinno rozpocząć się od zaznajomienia się z obiektem oraz od badań wizualnych ogólnych i szczegółowych.

III. Badania nieniszczące stanu materiału

Kolejnym niezwykle ważnym elementem nadzorowania eksploatacji urządzeń w chemii jest ocena stanu materiału, który niewątpliwie ulega degradacji w stosunku do stanu wyjściowego.

Przez stan materiału danego gatunku rozumie się:

-         stan jego powierzchni wewnętrznej i zewnętrznej,

-         defekty / nieciągłości wewnętrzne wykrywane konwencjonalnymi, znormalizowanymi metodami nieniszczącymi,

-         skład chemiczny,

-         stan jego struktury,

z których wynikają w sposób jednoznaczny jego własności fizykochemiczne i mechaniczne.

Do budowy urządzeń używa się materiałów pochodzących od uznanych wytwórców.  Materiały te posiadają oczywiście ściśle określone składy chemiczne i własności potwierdzone atestem materiałowym.

Można zatem rzec - na podstawie atestów  stan wyjściowy materiału jest znany na tyle, na ile dokładnie opisują go dane tego dokumentu.

Atesty te jednak wielokrotnie nie zawierają informacji o składzie chemicznym konkretnego wyrobu, lecz tylko wynik analizy wytopowej,  własności mechaniczne sprawdzane są na próbkach kwalifikacyjnych, a nie na próbkach pobranych z wyrobu, a informacji o stanie struktury nie ma wcale.

Ponadto własności w dużej mierze określono metodami niszczącymi, które w odniesieniu do materiału zabudowanego w danym urządzeniu mają znikome zastosowanie. Oczywiście można wykonać trepanację i przeprowadzić badania niszczące, jednak zwykle wiąże się to z ryzykiem podczas naprawy, a użytkownicy takich urządzeń niechętnie przyjmują propozycje trepanacji.

Dlatego w odniesieniu do materiałów, których stan dobrze opisuje twardość i mikrostruktura, wykorzystuje się do nadzorowania urządzeń:

-         metodę analizy składu chemicznego przewoźnym spektrometrem emisyjnym,

-         badanie struktury powierzchniowej przy zastosowaniu mikroskopu przenośnego o powiększeniu do 400x i / lub  metody replik triafolowych,

-         pomiary twardości przenośnym twardościomierzem ultradźwiękowym,

-         ocenę skłonności materiału do kruchego pękania metodą WIT.

Materiałami takimi są stale ferrytyczno - perlityczne / bainityczne /  do pracy w podwyższonych temperaturach węglowe i niskostopowe powszechnie stosowane w chemii i energetyce. Należą do nich takie gatunki jak np.  K10, K18, St41K, 15HM, 10H2M, 13HMF oraz ich odpowiedniki światowe.

Stale te w podwyższonej temperaturze ulegają degradacji polegającej na rozpadzie perlitu / bainitu oraz wydzieleniach i przemianach węglików, co wiąże się z obniżeniem twardości oraz własności wytrzymałościowych.

W/w metody, bardzo dobrze zdają egzamin w monitoringu stanu materiału urządzeń, gdy znane są wyjściowe wielkości określone właśnie tymi metodami. Zmiany tych wartości w wyniku eksploatacji dają wystarczająco dobre informacje, by na ich podstawie bezpiecznie eksploatować urządzenia.

Wielokrotnie jednak mamy do czynienia z urządzeniami wieloletnimi, dla których parametrów takich nie określono. Zatem rejestrowany pierwszy raz stan przyjmowany jest za stan wyjściowy.

Przykładem zastosowania takiego zestawu badań może być aparat, który wyłączony z eksploatacji, znalazł inne zastosowanie. Jednak brak było wiarygodnych informacji o gatunku, własnościach i bieżącym stanie ich struktury.

Plan badań obejmował badania wizualne i defektoskopowe materiału i złączy spawanych, które dały wynik pozytywny tzn. spełniły kryteria dozorowe.

Wtedy przystąpiono do badań mających na celu ocenę własności materiału w oparciu o analizę składu chemicznego, pomiary twardości, badanie struktury powierzchniowej oraz badanie skłonności do kruchego pękania metodą WIT. Równolegle zostały przeprowadzone badania niszczące w celu określenia własności wytrzymałościowych na próbkach wyjętych  z części aparatu, który składał się z 4 - ch elementów tj. dwu walczaków z kołnierzami oraz dwu pokryw.

Miejsca pobrania próbek do badań niszczących oraz miejsca wykonania badań nieniszczących przedstawia rys. 13.

W oparciu o pozytywne wyniki przeprowadzonych badań aparat został dopuszczony do eksploatacji. W ocenie wyników badań niszczących zastosowano także kryteria określone w warunkach technicznych dozoru technicznego.

Wyniki tych badań posłużyć mogą jako dane wyjściowe do oceny stopnia degradacji stanu materiału w dalszej eksploatacji.

W tabeli 1 przedstawiono wyniki badań własności wytrzymałościowych wyznaczonych metodą niszczącą oraz metodą WIT. Z tabeli tej wynika, że rozbieżności wyników określonych tymi metodami mieszczą się w granicach  +/_ 10%. Jednocześnie metodą replik  zarejestrowano różnice strukturalne pomiędzy punktami pomiarowymi metodą WIT / rys.14 /

Uzyskano też informację, że materiał nie wykazuje skłonności do kruchego pękania.

Stosując metodę WIT bacznie obserwuje się uzyskane wyniki stosując równolegle badanie struktury powierzchniowej oraz badania defektoskopowe. Zbiór uzyskanych wyników  porównywanych z wynikami uzyskanymi przy zastosowaniu innych metod badawczych wykorzystany zostanie do ewentualnej walidacji tej metody.

Z dotychczasowej praktyki jej stosowania wynika, że jest to metoda przydatna do oceny skłonności materiału do kruchego pękania w oparciu o wyznaczony współczynnik intensywności tłumienia fali ultradźwiękowej.  Należy jednak zwrócić uwagę na fakt, że jeśli stal kotłowa w stanie wyjściowym takiej skłonności nie wykazuje, to małe jest prawdopodobieństwo wystąpienia kruchego pęknięcia w trakcie eksploatacji, chyba, że wystąpi korozja wodorowa. Jeśli natomiast materiał w stanie wyjściowym wykazuje skłonność do kruchego pękania, to jego eksploatacja musi odbywać się pod nadzorem przede wszystkim badań nieniszczących wykrywających pęknięcia pod warunkiem, że własności materiału są takie, że spełniony jest warunek wytrzymałościowy.

Na zakończenie tego rozdziału należy podkreślić znaczenie metod nieniszczących dla oceny stanu materiału w praktyce eksploatacyjnej. Świadomość ich niedoskonałości zmusza do ciągłej pracy nad ich doskonaleniem i jeśli nawet informacja uzyskana za ich pośrednictwem jest obarczona błędem, to warto, znając rozmiary tego błędu, kontrolować i wiedzieć, co się dzieje w materiale. Taka procedura postępowania jest znakomitym inżynierskim narzędziem bieżącej oceny, jednak trzeba pamiętać, że w przypadkach wątpliwych, dla zachowania bezpieczeństwa, jednak należy wykonać badania niszczące.

Rys. 2 Stosowane badania nieniszczące