PRAKSA PRACTICE

ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE (4/2003), str. 215-218 215

M. Karel

PROCENA OTPORNOSTI NA KOROZIJU POSUDE POD PRITISKOM U VODENOM KONDENZATU

ESTIMATION OF THE CORROSSION RESISTANCE OF PRESSURE VESSELS IN WATER CONDENSATE

Stručni rad / Professional paper UDK/UDC: 620.193.4:62-988 Rad primljen / Paper received: novembar 2003.

Adresa autora / Author's addres: Dipl. Ing. Matocha Karel, CSc. Vitkovice, a. s. Ostrava, Republika Češka

Ključne reči: ekvivalent ugljenika, korozione prsline, KISCC, napon tečenja, sopstveni naponi, zavareni spojevi

Key words: carbon equivalent, corrosion cracks, KISCC, yield strength, self stress, welded joints

Izvod

U radu su dati rezultati vrednovanja lima od čelika ALHTERM 55 i P355NH, i autoklavnih ispitivanja ovih čelika u vodenoj sredini koja simulira kondenzat iz autoklava za sušenje uglja u rudnika “Kolubara”.

Abstract

In this paper, The results of plate validation made of steels Altherm 55 and Pe55NH are given. Also, results of autoclave testing in water environment which simulates autoclave condensate for coal drzing on mining “Kolubara”.

UVOD Postrojenje za sušenje uglja u površinskim kopovima rudnika “Kolubara” sastoji se iz autoklava na koje su vertikalno priključene cilindrične posude, “bidoni”, koji služe za prikupljanje kondenzata iz autoklava. Radna temperatura bidona je 235 °C, pritisak 3 Mpa, a vodeni kondenzat iz autoklava, između ostalog, sadrži povećanu koncentraciju jona SO4

-2, HCO3 -1, i Cl -.

Bidoni su proizvedeni od C-Mn čelika ALTHERM 55, Voest Alpine. Nakon tri godine rada na unutrašnjoj površini cilindričnog plašta ovih posuda pronađene su prsline, uglavnom koncentrisane u oblasti zavarenih spojeva [1]. Kao uzrok pojave prslina smatra se korozija usled zamora, koja nastaje zajedničkim delovanjem napona (usled spoljnjeg operećenja, odnosno sopstveni naponi) i vodenog kondenzata na materijal bidona.

Iz literature [2,3] je generalno poznato da na C-Mn čeliku u vodi sa bikarbonatima dolazi do obrazovanja korozionih prslina. Pojava prslina usled korozije, odnosno njihovo širenje, kod ovog sistema je posledica periodičnog ponavljanja narušavanja zaštitnog oksidnog filma, anodnog rastvaranja na vrhu prsline, i konačno narušavanja pasiviteta.

Za izbegavanje pojave prslina na kritičnim mestima posude (zavarenim spojevima) u eksploataciji neophodno je da se za izradu posude upotrebi čelik sa nižim ekvivalentom ugljenika u odnosu na primenjeni čelik ALTHERM 55, najniži mogući nivo sopstvenih napona i primena čelika sa višom graničnom vrednošću otpornosti na obrazovanje korozionih prslina, KISCC. Iz ovih razloga Odeljenje za projektovanje i konstruisanje

VITKOVICE a.s. je predložilo da se za dance i omotač posude (bidona) primeni čelik P355NH sa smanjenim sadržajem sumpora (max.0,008%) i fosfora (max.0,012 %). Predloženi čelik pripada zavarivim normalizovano žarenim finozrnim čelicima za posude pod pritiskom prema EN 10028-3. Izabrani najniži sadržaj nečistoća, kao poseban zahtev koji može da garantuje proizvođač čelika, je iz razloga povećanog obrazovanja korozionih prslina u vodi na temperaturi 250 °C. Za konačno opredeljenje izbora vrste i kvaliteta čelika za izradu novih bidona zahtevana su uporedna ispitivanja otpornosti na obrazovanje korozionih prslina korišćenog i predloženog čelika u simuliranim radnim uslovima posude.

MATERIJALI ZA ISPITIVANJE Za ispitivanje materijala ALTERM 55 uzet je isečak lima iz bidona. Zbog toga je pre ispitivanja izložen termičkoj obradi normalizacije i žarenja: 890°C / 30 min. / hlađenje na vazduhu + 570°C / 8h. Za ispitivanje materijala P355NH upotrebljen je lim debljine 20 mm u normalizovano žarenom stanju posle valjanja. Tabela 1.Hemijski sastav ispitivanih materijala (mas%)

Materijal C Mn Si S P Nb V Cr

Altherm 55 0.23 1.59 0.44 0.015 0.023 0.001 0.01 0.18

P355NH 0.18 1.38 0.39 0.008 0.012 0.03

Ekvivalenat ugljenika, izračunat prema formuli:

1556CuNiVMoCrMnCCEV +

+++

++= (1)

PRAKSA PRACTICE

216 ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE (4/2003), str. 215-218

za čelik Altherm 55, iznosi CEV = 0.53, a čelika P355NH je znatno niži, i iznosi CEV = 0.41.

Iz materijala su izrađeni: − ispitni uzorci za ispitivanje na zatezanje u

poprečnom pravcu;

− ispitni uzorci C(CT) debljine 12mm u smeru T-L, za vrednovanje otpornosti na stvaranje korozionih prslina u vodi sa okolnom temperaturom od 250 °C koja simulira vodeni medijum u bidonu.

Ispitivanje na zatezanje Ispitivanje je izvršeno na sobnoj temperaturi i na temperaturi 250 °C. Tabela 2. Rezultati ispitivanja zateznih karakteristika

Materijal Ispitna temper.(°C)

ReRp0,2 (Mpa)

Rm (Mpa)

A5 (%)

Z (%)

sobna 377 597 30 67 ALTHERM 55 250 333 554 - 60

sobna 400 546 31 72 P355NH 250 258 498 - 72 Kako proizilazi iz tabele 2. čelik P355NH pri radnoj temperaturi bidona ima znatno niži napon tečenja.

Mikrostrukturna ispitivanja Razlike u osobinama, što se tiče čvrstoće, proizilaze iz bitno različitih mikrostruktura ispitivanih čelika.

Mikrostruktura čelika P355NH je finozrna, slojevita, feritno-perlitna (sl.1), a mikrostruktura čelika ALTHERM 55 je grubozrna, mešavine ferita, perlita i bejnita (sl.2).

Slika 1. Mikrostruktura čelika P355NH: a) uvećanje 200x; b) uvećanje 500x

Slika 2. Mikrostruktura čelika ALTHERM 55: a) uvećanje 200x; b) uvećanje 500x

ISPITIVANJE OTPORNOSTI NA OBRAZOVANJE KOROZIONIH PRSLINA Pod pojmom obrazovanja korozionih prslina podrazumeva se stabilni porast prslina, izazvan istovremenim dejstvom napona (sopstvenih ili eventualno usled spoljašnjeg opterećenja) i vode, kao medijuma. Do subkritičnog porasta korozionih prslina dolazi samo onda kada osobine medijuma, stanje napona i osobine materijala istovremeno dostižu kritični nivo.

Kod čelika kod kojih je stabilni porast prslina karakteristični znak za ponašanje koje dovodi do loma, kao što je to slučaj kod oba ispitivana čelika na temperaturi od 250 °C, za vrednovanje otpornosti prema stvaranju korozionih prslina preporučuje se korišćenje R- krivih, koje se eksperimentalno utvrđuju ispitivanjima u korozionoj sredini pri polaganom povećanju brzine opterećenja (u = 0,001 mm/min). Upoređivanjem ovih R-krivi sa R-krivama koje su dobijene pri datoj temperaturi na vazduhu, a eventualno i sa R-krivama koje su dobijene u korozionom medijumu pri velikoj brzini opterećenja (u = 0,1 mm/min), može se zaključiti o osetljivosti datog čelika na obrazovanje korozionih prslina u datom medijumu.

Ispitni uzorci C(CT) (kompaktne epruvete za koroziona ispitivanja), dimenzija širine W =50 mm i debljine B = 12 mm, koji su prethodno razmatrani sa inicijalnim zamornim prslinama pri sobnoj temperaturi na vazduhu, operećeni su na servo hidrauličnom ispitnom uređaju INOVA, čiji je sastavni deo statički autoklav zapremine 11 litara (sl. 3).

a

b

a

b

PRAKSA PRACTICE

ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE (4/2003), str. 215-218 217

Slika 3. Laboratorijska oprema za koroziona ispitivanja u Vitkovice, a.s.

Pojedinačna ispitivanja u autoklavu izvedena su u vodi kao medijumu, pri temperaturi od 250 °C. Voda, kao medijum, pripremljena je od kondenzata iz bidona KOLUBARA postrojenja za sušenje uglja.

Tokom svakog autoklavnog ispitivanja beležena je zavisnost sila - pomeranje (poprečno svodno kretanje). Nakon postizanja izabranog pomaka sile, ispitni uzorak je rasterećen i izvađen iz autoklava.

Posle merenja plastične komponente razlaganja prsline Vp, telo je ciklirano (savijano) na vazduhu sve do loma. Pošto, nakon izazivanja konstantnog porasta prslina, ispitne uzorke treba posmatrati u odnosu na elasto-plastičnu mehaniku loma, razlaganje vrha prsline δ iz sile pri rasterećenju i plastične komponente razlaganja prsline u osi opterećenja Vp, biće određeno prema jednačini [4]:

ppo

VWaaaW

aER

VK−+

∆+−

+∆+−

= 4,0)(6,0)(4,0

6,02

)1(

0

0

2,

22

δ

pri čemu je:

K - faktor intenziteta napona u momentu rasterećenja ispitivanog uzorka; E - modul elastičnosti; Rp0,2 - napon tečenja; ∆a - podužni porast prsline; Vp - plastično razlaganje u osi opterećenja; aο - dužina zamorne prsline na početku; W - širina ispitnog uzorka.

Vrednovanje ALTHERM 55 prema obrazovanju korozionih prslina u vodi bidona Autoklavna ispitivanja ispitnih uzoraka od čelika ALTHERM 55 su sprovedena pri brzini opterećenja u = 0,001 mm/ min i u = 0,1 mm/ min.

Pri laganoj brzini opterećenja obrazovanje korozionih prslina je ispoljeno smanjenom otpornošću u odnosu na subkritični porast prslina. Rezultati autoklavnih ispitivanja u vodi bidona pri temperaturi vazduha od 250 °C dati su u tabeli 3. i grafički prikazani u koordinatama log δ -log ∆a na slici 4.

Tabela 3. Rezultati autoklavnih ispitivanja za ALTHERM55 Poprečna svodna brzina kretanja

aο

(mm)

P odl

(N)

Vpl

(mm)

∆a

(mm)

δ (mm)

27.27 18150 0.62 0.86 0.20

27.41 18100 1.43 3.01 0.45

27.37 16400 0.32 0.32 0.12

u = 0.001

mm/min

27.70 18080 0.98 1.25 0.30

27.51 18280 0.65 0.29 0.21

27.26 20000 1.34 1.44 0.41

27.53 17530 0.33 0.13 0.12

u = 0.1

mm/min

27.60 20300 0.95 0.83 0.30

218 ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE (4/2003), str. 215-218

Slika 4. Grafički prikaz rezultata autoklavnih ispitivanja

ALTHERM 55

Kao što proizilazi iz slike 4, prisustvo vodenog medijuma na vazduhu temperature 250 °C pri laganom opterećenju koje se ujednačeno povećava dovodi do korozionih prslina.

Na osnovu podataka dobijenih iz analiza utvrđena je granična vrednost faktora naponskog intenziteta za početak konstantnog porasta kao posledice obrazovanja korozionih prslina, KISCC = 42 Mpa m1/2.

Vrednovanje čelika P355NH prema obrazovanju korozionih prslina u vodi bidona Dimenzije ispitnih uzoraka su 85x380x20 mm. Izvedeno je samo pet C(T) uzoraka sa inicijalnom zamornom prslinom. Autoklavna ispitivanja u vodi kao medijumu na temperaturi od 250 °C u ovom slučaju su izvedena samo za brzinu opterećenja u = 0.001 mm/min.

Rezultati autoklavnih ispitivanja su dati u tabeli 4, a grafički, zajedno sa rezultatima dobijenim za čelik ALTHERM 55, na slici 5. Tabela 4. Rezultati autoklavnih ispitivanja za P355NH

Uzorci aο (mm)

P odl (N)

V pl (mm)

∆a (mm)

δ (mm)

1 27.31 12 400 0.13 0 0.06 2 27.09 16 650 0.73 0.35 0.23 3 27.24 19 400 1.51 0.93 0.46 4 27.98 14 900 0.50 0.20 0.16 5 27.10 14 189 0.63 0.25 0.19

Iz slike 5 je jasno da je otpornost čelika P355NH u odnosu na stvaranje subkritičnog porasta prslina u vodi kao medijumu u bidonu znatno veća u odnosu na čelik ALTHERM 55. Iz rezultata autoklavnih ispitivanja na uzorku 1. može se konstatovati da je za kontrolisan sistem materijal / medijum granična vrednost KISCC kod čelika P355NH veća od KISCC > 80 Mpam1/2, dakle najmanje dvostruko veća od ALTHERM 55.

Slika 5. Grafički prikaz rezultata autoklavnih ispitivanja ALTHERM 55 i P355NH za brzinu opterećenja u=0,001 mm/min

ZAKLJUČAK Na osnovu eksperimentalnih radova, koji su bili usmereni na upoređivanje čelika ALTHERM 55 i P355NH može se konstatovati sledeće:

1. Ekvivalent ugljenika CEV čelika P355NH je znatno niži u poređenju sa ekvivalentom ugljenika čelika ALTHERM 55.

2. U poređenju sa čelikom ALTHERM 55, čelik P355NH ima niži napon tečenja na radnoj temperaturi bidona.

3. Čelik P355NH pokazuje znatno veću otpornost na obrazovanje korozionih prslina u vodenom medijumu bidona na temperaturi od 250 °C.

Iz navedenih konstatacija proizilazi nesumljiva prednost primene čelika P355NH, kao materijala za izradu novih bidona. LITERATURA

[1] G.Tatarkin, V.Ilić, N. Filipović, M. Zrilić:Otkrivanje i karakterizacija prslina na zavarenim spojevima u toku eksploatacije: Zavarivanje i zavarene konstrukcije, vol.42.No1, str.15-16, 1997.

[2] Parkins, R.N. – Zhous S.:Corrosion Science, vol. 39. No1, pp159-173, 1997.

[3] Sutcliffe, J.M. and co.: Corrosion-Nace, vol.28, No.8, august, 1972.

[4] EISIS Procedure for Determining the Fracture Behaviour of materials. ESIS P2-92, January 1992.