Diagnostyka to nie tylko badania – rola systemu diagnostycznego w planowaniu remontów

Optymalizacja kosztów wytwarzania energii w praktyce, oznacza z reguły redukcję środków finansowych na remonty, inwestycje, modernizacje i diagnostykę. Oszczędności takie generują jednak zwielokrotnione koszty wytwarzania, bowiem mogą skutkować częstszymi, nieplanowanymi postojami coraz bardziej awaryjnych jednostek, a co za tym idzie – zmniejszeniem dyspozycyjności i pewności ruchowej bloków.

Do długoterminowego planowania eksploatacji zarówno starych, jak i nowszych urządzeń konieczna jest znajomość ich rzeczywistego stanu technicznego i monitorowanie szybkości postępu degradacji materiałów. Tylko oparta o dobrze zorganizowaną i rzetelną diagnostykę elementów kryterialnych strategia remontów, pozwala odpowiednio planować budżet remontowy. Doświadczenia eksploatacyjne pokazują, że możliwa jest bezpieczna, nawet długoterminowa eksploatacja urządzeń, pod warunkiem opracowania indywidualnego dla każdego elementu, programu diagnostycznego. Im wcześniej się go opracuje i wdroży, tym korzyści będą większe. Diagnostyka elementów urządzeń cieplno-mechanicznych pracujących ponad projektowy czas pracy oraz analiza możliwości eksploatacyjnej tych elementów oparta o system diagnostyczny muszą być wykonywane na podstawie oceny ich stanu technicznego, który należy rozpatrywać jako wypadkową stanu technicznego urządzeń, procesów uszkodzeń i trwałości indywidualnej poszczególnych elementów składowych, przez wysoko wykwalifikowaną kadrę specjalistów. W przypadku nowych urządzeń najlepiej jak najszybciej opracować dedykowany system diagnostyczny i sukcesywnie go realizować. Zbierana na tej podstawie baza danych o urządzeniu pozwoli w przyszłości optymalnie planować czas i środki na konieczne modernizacje i remonty mające na celu wydłużenie żywotności i zwiększenie dyspozycyjności.

Diagnostyka jako element planowania

Jeżeli polityka remontowa i odtworzeniowa w trakcie eksploatacji urządzenia jest zgrana z zaleceniami diagnostyki i profilaktyki, istnieje szansa, że stan techniczny urządzenia pozwoli na jego eksploatację. Oczywiście pod warunkiem sukcesywnego wypełniania zaleceń diagnostycznych. Jednak to nie wielkość nakładów inwestycyjnych, ale odpowiednie ich planowanie, decyduje o końcowym sukcesie. Ponoszenie nakładów na nieprzemyślane i źle zorganizowane badania diagnostyczne oraz brak profilaktyki eksploatacyjnej grożą tym, że stawiane diagnozy mogą być błędne, a wynikająca z nich realizacja zaleceń może wpłynąć negatywnie na możliwości pracy urządzeń, a w efekcie do ich przedwczesnej i nieuzasadnionej wymiany. Podstawowymi zasadami efektywnych działań diagnostycznych są:

  • wszechstronność analiz poprzedzających same badania,
  • wybór odpowiednich metod badawczych,
  • dobór odpowiednich metod analitycznych,
  • odpowiednia interpretacja uzyskanych wyników.

Warto w tym miejscu rozróżnić typową diagnostykę opartą na fizycznym wykonaniu badań od interpretacji uzyskanych wyników badań i prognozowaniu na tej podstawie dalszych możliwości eksploatacyjnych. Same wyniki badań mogą skłaniać do prostych wniosków: wymienić/naprawić lub nie. Natomiast proces prognozowania oparty jest na interpretacji wyników odpowiednio zaplanowanych badań z uwzględnieniem historii eksploatacji, analiz potencjalnego zachowania materiału i wyznaczenia czasu bezpiecznej eksploatacji do naprawy lub (w ostateczności) do wymiany elementu. Do analiz poprzedzających same badania należy zaliczyć w głównej mierze prześledzenie historii eksploatacji, w tym wyników badań historycznych.

Ocena stanu materiału eksploatowanego urządzenia wymaga znajomości procesów wpływających na obniżenie trwałości w zadanych warunkach roboczych, znajomości mechanizmów niszczenia oraz bogatej i wszechstronnej wiedzy na temat zróżnicowanej intensywności ich zachodzenia w zmiennych warunkach pracy. Kluczowe w tym przypadku są dobrze wykwalifikowane zespoły specjalistów, którzy dysponują najbardziej aktualną wiedzą inżynierską. Niezależnie od tego, czy mamy do czynienia z urządzeniem nowym czy też długo eksploatowanym, skuteczna diagnostyka musi być oparta o indywidualny system diagnostyczny. Powinna być również nierozerwalnym elementem planowania (rys. 1), a wydatków na nią ponoszonych nie należy rozpatrywać w kategorii kosztów, lecz inwestycji w przyszłość.

↓ Kliknij w rys., aby powiększyć ↓

Rys. 1 Diagnostyka jako element planowania

Rys. 1 Diagnostyka jako element planowania [1].

Systemy diagnostyczne

Aby odpowiednio opracować system diagnostyki dla poszczególnych elementów bloku energetycznego, konieczna jest znajomość skomplikowanych procesów niszczenia, przy czym należy mieć na uwadze, że nie ma idealnego modelu dla żadnych grup elementów. Wynika to z indywidualnych uwarunkowań projektowych, metalurgicznych, eksploatacyjnych i wielu innych czynników. Dlatego tak istotne jest indywidualne podejście do konkretnego obiektu analizy. ENERGOPOMIAR stosuje sprawdzone wytyczne dla opracowywania indywidualnych systemów diagnostycznych opartych o wypracowane procedury badawcze. Modele te są pogrupowane dla elementów kotłów i turbin parowych oraz systemów rurociągów przy założeniu zbliżonych parametrów pracy i zakładanych procesów niszczenia. Ponadto inne założenia stosowane są do oceny stanu technicznego elementów grubościennych, dla których istotnym czynnikiem jest zmęczenie niskocykliczne, inne dla cienkościennych, dla których decydującą rolę odgrywają z reguły procesy erozji i korozji, a jeszcze inne dla systemów rurociągów, dla których dochodzą skomplikowane stany naprężeń spowodowane kompensacją wydłużeń cieplnych. Dla elementów pracujących powyżej temperatury granicznej dodatkowym czynnikiem wpływającym na trwałość jest zmęczenie materiału wywołane pełzaniem.

W całym zakresie ocen stanu technicznego niezmiernie istotną kwestią, jeśli nie najważniejszą, są kompetencje zespołów oceniających wyniki badań. Należy tutaj rozróżnić kwestię fizycznego wykonania badań od „inżynieringu”, którego zadania w tym obszarze są bardzo szerokie. Praca będzie zakończona sukcesem pod warunkiem, że odpowiednio wykwalifikowany i posiadający niezbędną wiedzę specjaliści opracują odpowiedni, indywidualny program badań na podstawie danych projektowych, historycznych wyników badań i z uwzględnieniem mechanizmów niszczenia dla poszczególnych elementów urządzeń, a następnie zinterpretują uzyskane wyniki, uzupełniając je o wszelkie konieczne do tego celu analizy, w tym obliczeniowe. Do oceny stanu technicznego niezmiernie ważny jest też nadzór inżynierski nad wykonywaniem badań diagnostycznych, gdyż celem, któremu mają one służyć, ma być długoterminowa korzyść, a nie tylko doraźne dopuszczenie do eksploatacji bądź wykonanie naprawy.

Jak wcześniej wspomniano, w zależności od czasu eksploatacji, warunków pracy oraz mechanizmów niszczenia wpływających na żywotność poszczególnych urządzeń, prognozowanie dalszej przydatności eksploatacyjnej musi być zawsze poprzedzone szczegółową analizą, w tym doboru odpowiednich metod badawczych i obliczeniowych. Ponieważ w praktyce przemysłowej spotykane awarie elementów ciśnieniowych są przeważnie wynikiem działania więcej niż jednego rodzaju procesu niszczenia, indywidualne systemy diagnostyczne muszą je uwzględniać. Decydującymi elementami dla postawienia prawidłowej diagnozy są zatem: odpowiedni wybór miejsc do badań, właściwy dobór metod badawczych oraz ujawnienie charakterystycznych cech, które są efektem działania na konkretny element danych procesów niszczenia. Scharakteryzowanie występujących procesów niszczenia i przyporządkowanie im skutków powinno być punktem wyjścia dla opracowywania systemów diagnostycznych. Na rysunku 2 przedstawiono wybrane dane do oceny stanu wężownic przegrzewacza pary trzeciego stopnia kotła typu OP-130 po przepracowaniu ponad 250 tysięcy godzin. Dla analizowanego elementu kotła specjaliści ENERGOPOMIARU przeprowadzili na zlecenie Klienta ocenę dalszej przydatności eksploatacyjnej, w ramach której wykonano:

  • szczegółowe oględziny wizualne rur,
  • pomiar grubości ścianek kolan (340 p. pom.) i odcinków prostych (1700 p. pom.),
  • badania laboratoryjne materiałowe (metalograficzne, wytrzymałościowe, analizę spektralną) wraz z chemiczną analizą osadów wewnętrznych i zewnętrznych dla reprezentatywnych 9 rur (miejsca poboru próbek uwzględniały warunki i historię eksploatacji oraz oględziny wizualne),
  • obliczenia wytrzymałościowe,
  • analizę zebranych wyników z określeniem pozostałego czasu eksploatacji przegrzewacza, uwzględniając współspalanie biomasy.

Przegrzewacz zaklasyfikowany był wcześniej do wymiany na podstawie wybiórczych wyników nieusystematyzowanych badań wykonywanych w przeszłości przez różne laboratoria. Dzięki wykonanej kompleksowej ocenie uwzględniającej opisane powyżej nieniszczące i niszczące metody diagnostyczne oraz obliczenia, okazało się, że nie ma konieczności wymiany rur, co więcej – ich stan był zaskakująco dobry, co pozwoliło na odstąpienie od ich wymiany i zaoszczędzenie znacznych funduszy.

↓ Kliknij w rys., aby powiększyć ↓

Rys. 2 Wybrane dane do analizy stanu wężownic przegrzewacza pary trzeciego stopnia  kotła OP-130 po przepracowaniu ponad 250 tysięcy godzin [4].

Rys. 2 Wybrane dane do analizy stanu wężownic przegrzewacza pary trzeciego stopnia
kotła OP-130 po przepracowaniu ponad 250 tysięcy godzin [4].

Ocenę tego przypadku przeprowadzono w oparciu o dedykowany dla wężownic przegrzewaczy system diagnostyczny. W jej wyniku stwierdzono, że:

  • Struktura badanych elementów po przepracowaniu ponad 250 tysięcy godzin nie uległa degradacji, a jej stan pozwala na ich dalszą eksploatację. Również własności mechaniczne nie budzą zastrzeżeń. Wszystkie uzyskane parametry wytrzymałościowe mieszczą się w granicach normatywnych przewidzianych dla gatunku stali 15HM (13CrMo44).
  • Głównym składnikiem osadu są związki korozji żelaza. Niepokój budzi ilość osadów, która znacząco przekracza bezpieczną wartość 600g/m2. Konsekwencją zbyt dużej ilości osadów mogą być zatory powstałe ze złuszczonych tlenków, które prowadzą do przegrzewania rur, a w dalszej kolejności do ich trwałego uszkodzenia. Powodują one również upośledzoną wymianę ciepła i sprzyjają lokalnemu przegrzewaniu.
  • Wcześniejsze wyniki badań sugerują, że największą awaryjność oraz degradację struktury mają rury umieszczone na przedzie przegrzewacza. Są to pierwsze rury od napływu spalin. Zjawisko to jest typowe dla tak usytuowanych przegrzewaczy.
  • Popioły z zewnętrznych powierzchni rur zawierają związki sodu, potasu i siarki. Związki te w połączeniu z chlorem tworzą niskotopliwe eutektyki o silnym działaniu korozyjnym. Dlatego przy współspalaniu biomasy (do 12% wagowo), szczególnie typu agro, można spodziewać się nasilenia procesów korozyjnych na wężownicach przegrzewacza. Szczególnie należy obawiać się związków chloru i potasu (KCl).
  • Wszystkie zmierzone grubości ścianek rur przegrzewacza są wyższe od wartości obliczonej na podstawie rzeczywistych własności wytrzymałościowych. Zapas grubości rur, zarówno kolan, jak i odcinków prostych, jest duży i wynosi ponad 1,8mm do wartości minimalnej niezbędnej sprostaniu zadanym obciążeniom.
  • Należy przeprowadzić prace mające na celu spięcie rur przegrzewacza, tak, aby poszczególne grodzie tworzyły spójne płaszczyzny. Każda wystająca z płata rura jest w większym stopniu obciążona cieplnie, co przyspiesza jej zużycie i sprzyja powstawaniu awarii.

W przypadku kotłów sodowych, dla których ewentualna nieszczelność ekranów lub rur przegrzewacza jest bardzo groźna, wspomaganie diagnostyczne remontów odbywa się głównie poprzez pomiary grubości ścianek i okresową kontrolę stanu materiału rur pod kątem wytrzymałościowym i ilościowym osadów. Bardzo istotne dla tych kotłów jest monitorowanie szybkości ubytków i wyeliminowanie w trakcie remontów planowych – elementów najsłabszych, dla których korozyjność spalin wywołała niepokojące pocienienia (rys. 3). Dla miejsc, w których występują największe ubytki, można wyznaczyć obszary do zabezpieczenia powłokami ochronnymi.

↓ Kliknij w rys., aby powiększyć ↓

Rys. 3 Wizualizacja pomiarów grubości ścianki kolan wężownic przegrzewacza trzeciego stopnia kotła sodowego [4].

Rys. 3 Wizualizacja pomiarów grubości ścianki kolan wężownic przegrzewacza trzeciego stopnia kotła sodowego [4].

Podsumowanie
Procesy niszczenia elementów urządzeń energetycznych przebiegają z różną szybkością i często są bardzo złożone. Ich znajomość jest podstawą do prognozowania dalszych możliwości eksploatacyjnych. Jeśli wiedzę tę połączy się w odpowiedni sposób z danymi historycznymi o konkretnym elemencie i z wykorzystaniem aktualnej wiedzy opracuje program diagnostyczny, istnieje szansa, że w ramach okresowych remontów uda się doprowadzić urządzenie do stanu zapewniającego dalszą eksploatację. Opracowywanie indywidualnego systemu diagnostycznego ma sens w przypadku urządzeń, dla których planowana jest długoterminowa eksploatacja oraz jeśli Klient chce uniknąć częstych odstawień awaryjnych. Dodatkowym atutem systemów diagnostycznych jest fakt zbierania i dysponowania aktualną wiedzą o rzeczywistym stanie technicznym i możliwościach pracy urządzenia, co pozwala na podejmowanie szybkich i racjonalnych decyzji o zakresie remontu lub w ostateczności – o wymianie elementu. Niewątpliwą zaletą odpowiednio dobranego programu diagnostycznego jest jego rola w polityce remontowej. Daje on bowiem możliwość zaplanowania działań remontowych z odpowiednim wyprzedzeniem oraz eliminacji praktycznie wszystkich słabych punktów urządzenia. Jeśli diagnostyka wykonywana jest „na gorąco”, bez odpowiedniego przygotowania, wówczas w czasie postoju remontowego może dochodzić do pojawiania się niespodziewanych usterek, których naprawa lub w razie konieczności wymiana, zwiększa koszty, wydłuża postój oraz nie daje pewności co do dalszych warunków bezpiecznej i bezawaryjnej pracy. Systemy diagnostyczne opracowywane przez odpowiednio wykwalifikowane zespoły inżynierów posiadających aktualną wiedzę z zakresu procesów niszczenia i ich diagnozowania są szczególnie ważne dla urządzeń eksploatowanych ponad obliczeniowy czas pracy. W sytuacji takiej niezmiernie istotne jest doświadczenie tych zespołów. Planowanie remontów urządzeń powinno każdorazowo uwzględniać zalecenia diagnostyczne i tendencje do występowania uszkodzeń wynikające z indywidualnych systemów diagnostycznych.

Autorzy: Artur Jasiński, Michał Kwiecień – „ENERGOPOMIAR” Sp. z o.o. Zakład Chemii i Diagnostyki

Rys.: zasoby autorów/„ENERGOPOMIAR” Sp. z o.o. Zakład Chemii i Diagnostyki

Literatura:

  1. Jasiński A.: Diagnostyka jako element planowania, „Chemia Przemysłowa” 2012, nr 2.
  2. Hernas A., Dobrzański J.: Trwałość i niszczenie elementów kotłów i turbin parowych, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2003.
  3. Zieliński A., Dobrzański J., Wodzyński J.: Ocena trwałości elementów części ciśnieniowej kotłów energetycznych w procesie dopuszczenia do eksploatacji poza obliczeniowy czas pracy, Prace IMŻ, t. 62, nr 1, Gliwice 2010.
  4. Jasiński A., Kwiecień M., Kołodziej A.: Sprawozdania i wyniki prac pomiarowych i badawczych, opracowania „ENERGOPOMIAR” Sp. z o.o., Zakład Chemii i Diagnostyki, Gliwice 2008−2013 (niepubl.).
  5. Dobrzański J.: Diagnostyka uszkodzeń elementów ciśnieniowych urządzeń energetycznych w ocenie przyczyn powstawania awarii na podstawie badań materiałowych, Prace IMŻ, nr 2, Gliwice 2009.

Artykuł ukazał się w czasopiśmie „Dozór Techniczny” nr 6/2013. Tekst oparty na referacie wygłoszonym podczas IX Forum Dyskusyjnego „Diagnostyka i chemia dla energetyki”, zorganizowanego przez „ENERGOPOMIAR” Sp. z o.o., Szczyrk, 22–24 maja 2013r.