Zbytková životnost zařízení kotlů klasických elektráren

Předpokládá se, že proces hodnocení bude probíhat např. jedenkrát za půl roku OFFLINE u expertní organizace. Data změřená vybranými čidly, zapojenými do řídícího systému kotle budou transportována do informačního systému společnosti ČEZ a pro OFF-LINE hodnocení dávkově přenesena programovým systémem TechMon, vyvíjeným ve společnost I&D Enargo, na server expertní organizace. Výsledky hodnocení trendů a úrovně poškození materiálů a odhadu doby dožití tlakových částí kotle budou ze serveru expertní organizace přeneseny programovým systémem TechMon zpět do řídícího systému společnosti ČEZ. Optimalizace procesu hodnocení bude účinná, pokud :

• změřená data budou ošetřena, chybně změřená data včetně dat ležících mimo rozsah měření dané veličiny budou předem vypuštěna;
• proběhne vstupní automatická kontrola dodaných dat bez jejich vykreslování;
• vykreslení dodaných dat bude použito zpočátku k získání informací o skutečném provozu kotle a následně výjimečně, pokud vstupní kontrola posuzovatele bude mít nejistotu nebo informaci, že obdržená vstupní data nejsou validována;
• předvolená vstupní data budou založena do databáze systému DIALIFE-KE pro každý hodnocený kotel;
• předem budou vybrána zařízení kotle podléhající hodnocení;
• předem budou známa čidla využitelná pro hodnocení daného zařízení kotle;
• předem budou k hodnoceným částem kotle přiřazeny činné mechanizmy poškození;
• celý proces hodnocení proběhne v úplnosti postupně pro každé hodnocené zařízení kotle, přičemž budou od sebe odděleny jednotlivé etapy procesu hodnocení a to: vstupní kontrola změřených dat, výpočet aktuální tloušťky stěny, výpočet časového průběhu napětí a poměrných deformací, zatřídění napětí, poměrných deformací, tlaků a teplot, postupné použití algoritmů matematických popisů činných procesů poškozování materiálu včetně určení dílčích přírůstků poškození a aktuálních trendů poškozování materiálu, určení doby dožití posuzované části kotle, vyplnění formuláře a příprava jeho předání systémem TechMon do informačního systému elektrárenské společnosti.
• k vyhledávání neměřených vstupních dat a změřených dat budou v procesu hodnocení využívány identifikační čísla (ID) zařízení, čidel, materiálů, rozměrů, součinitelů apod.;
• umožnit změnu neměřených (volitelných) vstupních dat před spuštěním hodnocení;
• přísně dodržovat fyzikální podstatu procesu hodnocení.

POSTUP HODNOCENÍ
Postup posouzení [1], [2] musí být logicky uspořádán, musí být od sebe zřetelně odděleny jednotlivé etapy posouzení, neboť na každou z etap, např. výpočet napětí, může navazovat hodnocení poškození materiálu několika rozdílnými mechanizmy. Napětí však postačí vypočítat pouze jedenkrát. U každého zařízení se použije pouze jeden postup hodnocení téhož mechanizmu poškození materiálu, přestože posouzení na únavu může být vyhotoveno dle několika postupů, ale vždy je to hodnocení jednoho mechanizmu poškození. Hodnocení bude probíhat dle předvoleného pořadí pro bloky a zařízení kotle jednotlivých elektráren společnosti ČEZ. Pro každé zařízení proběhne úplné hodnocení najednou.

V případě, že pro dané zařízení nebude moci být hodnocení provedeno pro chybějící nebo neúplná či nekorektní data, objeví se na obrazovce příslušné sdělení a bude vypracováno pouze možné dílčí hodnocení. Výsledné hodnocení musí v písemné formě obsahovat sdělení, které části hodnocení a pro která zařízení nebyla vykonána a proč nebyla vykonána.

Etapy hodnocení
1) Výběr elektrárny (podle používané zkratky)
2) Výběr bloku (podle používané zkratky)
3) Příprava vstupních dat neměřených čidly
4) Příprava vstupních dat měřených čidly
5) Nastavení předvoleb postupu hodnocení s možností jeho změny při následném posouzení
6) Spuštění posouzení
    a) Modifikace užitých vlastností materiálu
    b) Aktuální tloušťky stěny a návaru
    c) Časový průběh napětí a poměrných deformací
    d) Zatřídění veličin
    e) Posouzení poškozování materiálu

1. únava:
   UAMF1xx – nízkocylová únava
          UAMF110, typu Manson-Coffina
          UAMF120, typu Langer
   UAMF2xx – vysokocyklová únava 
          UAMF210, typu Wöhlera, log σa = f (log Nf)
          UAMF220, typu Wöhlera, σa = f (log Nf)
          UAMF230, typu Wöhlera, log (σa-K) = f (log Nf)
          UAMF240, postup dle ČSN EN 1993-10, ČSN 27 7008
   UAMF300 – dvoufrekvenční zatěžování
   UAMF400 – předem určené dílčí kumulace poškození
   UAMF500 – kontaktní únava
2. creep:
   UAMC100 – dle ČSN EN 12954-4
   UAMC200 – metoda R5
   UAMC300 – dle výsledků nedestruktivních kontrol
3. únava a creep:
   UAMFC10 – nelineární součet poškození
4. vliv prostředí:
   (a) vliv prostředí na straně spalin
   UAME010 – oxidace ve spalinách
   UAME030 – eroze pevnými částicemi
   UAME060 – koroze popelem
   UAME090 – koroze během odstávky
   (b) vliv prostředí na parovodní straně
   UAME510 – oxidace ve vodním prostředí
   UAME520 – koroze, nestabilita oxidů (oxidativní rozpouštění)
   UAME541 – korozní praskání
   UAME542 – korozní únava
   UAME560 – mezikrystalová koroze/oxidace
   UAME570 – koroze okludovanaým roztokem
   UAME600 – UNIPEDE
   UAME700 – CHAP
5. eroze/abraze obecně:
   UAMA100 – proudem pevných částic
   UAMA200 – proudem vody
   UAMA300 – třením
6. koroze pod napětí (postup VaV):
   UAMS110 – korozní praskání perlitických ocelí
   UAMS120 – korozní praskání austenitických ocelí
   UAMS210 – korozní únava perlitických ocelí
   UAMS220 – korozní únava austenitických ocelí
7. vodíkové zkřehnutí:
   UAMH100 – postup VaV
8. prostá pevnost
   UAMP100 - dle ČSN EN 12954-4
9. celkové posouzení:
   Výpočet: (a) celková kumulace poškození
                   (b) trend celkového poškození
                   (c) doba dožití, zbytková životnost

7) Výstup hodnocení
   a) tabulka dožití zařízení
   b) tisk přehledu výsledků pro celý kotel
   c) podrobný tisk výsledků pro celý kotel
   d) splnění kritérií

Skupiny vstupních dat
Vstupní data pro hodnocení lze rozdělit do tří skupin:

1. Data pro řízení posouzení
   Data budou zadána či modifikována před posouzením na počítači.
2. Data neměřená (volitelná), která souvisí s danou posuzovanou konstrukcí
   Jedná se zejména o:
   a) rozměry a přídavky k tloušťce stěny
   b) napětí od zatížení mechanického původu kromě přetlaku a napětí od účinku připojených
   zařízení
   c) mechanické a fyzikální vlastnosti materiálu
   d) korekce ΔT, Δp, ΔQ přičtené pro dané zařízení k hodnotě změřené na zařízení proti
   proudu média
   e) data pro řízení zatřídění měřených a počítaných veličin (σ, εt, p T)
   f) součinitelé
   Data b) až f) mohou být stejná pro různá zařízení, proto se požadovaná skupina (kombinace) dat vyhledá pomocí ID čísla.
3. Data měřená za hodnocené období:
   Jedná se o dat měřená čidly, NDT metodami a destruktivními metodami. Každé čidlo má název a identifikační číslo ID. ID číslo slouží k vyhledání dat měřených tímto čidlem a k jeho přiřazení k danému zařízení. Čidla, např. termočlánky, nejsou umístěna na všech hodnocených zařízeních kotle. Proto se danému zařízení přiřadí vhodné, obvykle nejblíže umístěné čidlo na zařízení proti proudu média, a ke změřenému údaji čidlem se přičte korekce, např. ΔT, Δp, ΔQ a pod, ve shodě s termohydraulickým výpočtem prováděným v projekční či konstrukční kanceláři výrobce kotle. Stejná skupina čidel může být vyžadována pro různá zařízení, proto se požadovaná skupina (kombinace) čidel vyhledá pomocí ID čísla.
4. Údaj o poruchách, údržbě, opravách a výměně zařízení
   Diagnostický systém respektuje vliv oprav na vlastnosti materiálu a náhradu zařízení novým.

Přehled vstupních dat
1) Data pro řízení posouzení
Data pro řízení posouzení budou vyžadována běžícím programem na obrazovce PC. Podrobný přehled zde není uveden. Patří k nim např. zadání hodnoceného období, jeho začátek a konec, ve tvaru rrrr_mm_dd_hh_min_sec.xxx
kde značí:

• rrrr – rok (4 číslice)
• mm – měsíc (2 číslice)
• dd – den (2 číslice)
• min – minuta (2 číslice)
• sec – sekunda (2 číslice)
• xxx – tisíciny sekundy (3 číslice)

Zadaný údaj si program pamatuje pro opakované spuštění. Před opakovaným spuštění je možné ho potvrdit nebo změnit.

2) Data neměřená (volitelná)

1. Tabulka ID čísel
   ID čísla slouží k přiřazení materiálu, skupiny (kombinace) dat pro zatřídění veličin, skupiny (kombinace) součinitelů k danému zařízení kotle, skupiny (kombinace) čidel k danému zařízení kotle. Zařízení daného kotle a bloku má také své ID číslo.
2. Tabulka značky materiálu, rozměrů a přídavků k tloušťce stěny
   Ke každému zařízení kotle je uvedena značka materiálu včetně jeho ID čísla, potřebné rozměry a přídavky k tloušťce stěny.
3. Tabulka vlastnosti materiálu
   Pro každý materiál jsou uvedeny potřebné mechanické a fyzikální vlastnosti materiálů použitých na výrobu kotlů, a to posuzovaných i doposud neposuzovaných zařízení kotle.
   Jsou uvedeny vlastnosti materiálů pro:
   N – normové vlastnosti
   0 – výchozí (nulový) stav
   1 – degradované (korigované) vlastnosti pro použití v běžícím hodnocení pro dané období
   2 – degradované (korigované) vlastnosti použité pro hodnocení v předchozím období.
   V běžícím hodnocení pro dané období se mají použít vlastnosti materiálu degradované (korigované). Provádí se korekce vůči výchozímu (nultému) stavu, nikoliv stavu použitém při předchozím hodnocení. Tím se zabrání případným chybám korekce pro zařízení různých kotlů a elektráren.
   Zařízení kotle mohu být sice vyrobena z materiálu téže značky, avšak rozdílných taveb anebo tepelných nebo termomechanických zpracování anebo procesu svařování. Potom se vlastnosti materiálu téže značky založí do různých tabulek dle potřeby a každé z tabulek se přiřadí příslušné ID číslo materiálu.
   Ke každé tabulce vlastností materiálu náleží ještě tabulka chemického složení materiálu dané tavby anebo daného tepelného nebo termomechanického zpracování anebo použitého procesem svařování. Související tabulky lze vyhledat pod shodným ID číslem. V průběhu posouzení, např. vlivu prostředí, může být totiž vyžadována znalost přítomné hmotnosti příslušného prvku v oceli.
   Moderní postupy hodnocení poškozování materiálu v provozních podmínkách mohou vyžadovat znalost nekonvenčních vlastností materiálu, např. křivka životnosti typu Manson-Coffin. Program musí při volbě nekonvenčního přístupu hodnocení upozornit pracovníka provádějícího hodnocení, zda jsou potřebné nekonvenční vlastnosti materiálu dostupné v plném požadovaném rozsahu. Pokud nejsou, musí mu doporučit použití konvenčního přístupu hodnocení.
   Nekonvenční vlastnosti materiálu mají své vlastní ID číslo, nezávislé na ID čísle konvenčních vlastností materiálu.Neměří se totiž běžně a umožní se jejich použití pro různé tavby. Předpokládá se však, že by měly být uvedeny hodnoty statisticky zpracované. Pokud se také konvenčních vlastnosti ocelí statisticky zpracovávají, potom se nemusí rozlišovat vlastnosti materiálu téže značky pro rozdílné tavby, tepelné či termomechanické zpracování a rozdílný postup svařování.
4. Korekce veličin měřených čidly
   Každé zařízení kotle není osazeno příslušným číslem. Proto se pro hodnocení příslušného zařízení použijí data změřená vhodným čidlem a změřená data se korigují přičtením hodnot ΔT (teplota), Δp (tlak), ΔQ (množství proudícího media). Hodnoty ΔT, Δp, ΔQ se určí termohydraulickým výpočtem a odsouhlasí konstruktérem anebo projektantem kotle. Hodnoty ΔT, Δp, ΔQ se pro dané zařízení vyhledají dle ID čísla zařízení. Korekce musí být ve stejných rozměrech jako měřené veličiny.
5. Data pro řízení zatřídění veličin
   Jedna skupina (kombinace) dat pro zatřídění může být použita k různým zařízením kotle. Skupina těchto dat má své ID číslo a pomocí něho se přiřadí k zařízení. Měřené veličiny se do tříd zařazují včetně korekcí ΔT, Δp, ΔQ. Vypočtená napětí σH a poměrné deformace εt se do tříd zařazují bez korekcí. Napětí σH jsou včetně vlivu součinitele koncentrace napětí αH.
6. Součinitelé
   Jedna skupina (kombinace) součinitelů může být použita k různým zařízením kotle.
   Skupina součinitelů má své ID číslo a pomocí něho se přiřadí k zařízení.

3) Data měřená za hodnocené období
Pro posouzení poškozování materiálů zařízení kotle se použijí data uložená do databáze měřených dat na jednotlivých kotlích klasických elektráren společnosti ČEZ.
Jedná se o:

• Data měřená čidly zapojenými do řídícího systému kotle
  Do řídícího systému kotle jsou ukládána data měřená jak čidly určenými původně pouze pro řízení kotle, tak také doplňková čidla určená pouze pro diagnostiku. Jejich společný sběr a ukládání je organizačně i cenově výhodnější, než budování dvou systému sběru dat.
  Jedná se o:
  (1) kontinuální měření:
  - teploty média
  - tlaku média
  - množství proudícího média
  - hladiny média
  - teploty na povrchu stěny zařízení
  (2) periodická měření během dne:
  - vodivosti media
• Data měřená nedestruktivními metodami
  Nedestruktivními metodami jsou data měřena v předepsaných periodách, např. jedenkrát až dvakrát za rok. Změřená data mají být pomocí elektronických formulářů zakládána do databáze kotle a to včetně informací o defektech a trhlinách. Jedná se zejména o kontrolu:
  - vizuální
  - penetrační
  - magnetickou
  - ultrazvuk
  - tloušťky stěny a návaru
  - průměru potrubí
  - akustickou emisi
  - vířivými proudy
• Data měřená destruktivními metodami
  Destruktivními metodami budou měřeny mechanické vlastnosti materiálů na odebraných dílech zařízení z provozovaných, nebo odstavených a likvidovaných kotlu. Pod destruktivní metody je zde zařazen také odběr malých vzorků do hloubky max. 3 mm a průměru do 30 mm, který lze považovat za šetrný vzhledem k poškození stěny zařízení o tloušťce nad cca 30 mm. Změřená data by měla být pomocí elektronických formulářů zakládána do databáze kotle. Jedná se zejména o následující mechanické vlastnosti materiálů:
  - mez kluzu
  - pevnost v tahu
  - pevnost při tečení pro daný čas a teplotu
  - vrubovou houževnatost
  - lomovou houževnatost
  - kontrakci
  - tažnost
  - tvrdost
• Údaje o poruchách, údržbě, opravách a výměně zařízení
  Diagnostický systém respektuje vliv oprav na vlastnosti materiálu. Po náhradě zařízení novým je zachována úroveň poškození nahrazeného zařízení a je zahájeno hodnocení nového zařízení.

MATICE ŽIVOTNOSTI
V rámci řešeného projektu byly pro ověření rozvíjených metodik hodnocení úrovně a trendů poškozování materiálů zařízení kotlů klasických elektráren a pro predikci doby jejich dožití vybrány dva referenční kotle: ECH K2 - kotel K2 na elektrárně Chvaletice, ELE FK4- fluidní kotel FK4 na elektrárně Ledvice. Pro oba kotle K2 CH a FK4 ELE byla v průběhu roku 2006 vytvořena Matice životnosti obsahující základní údaje nutné pro hodnocení. Na obr. 1 až 3 jsou vytisknuty obrazovky vybraných částí Matice životnosti ECH K2.

Obr. 1. Rozpad kotle K2 ECH na zařízeni v informačním systému ČEZ

Obr. 2. Přiřazení čidel k jednotlivým zařízením kotle K2 ECH

Obr. 3. Mechanizmy poškození, činné u jednotlivých zařízení, materiál, rozměry

ZÁVĚR
Z dosavadního průběhu řešení projektu lze učinit následující závěry:

1. Řešená problematika vyžadovala zapojení odborníků z oblastí mechaniky těles, materiálového inženýrství, chemického inženýrství, projekce a konstrukce kotlů, nedestruktivních kontrol, řízení údržby a oprav, informačních technologií, právních předpisů, provozu a znalostí trendů záměrů společnosti ČEZ, a.s. Proto do řešení projektu byly zapojeny následující organizace: ÚAM Brno, ČEZ, VŠCHT Praha, UJP Praha, IVITAS, VÍTKOVICE – Výzkum a vývoj, bylo využito služeb společností I&C Energo, pobočka Brno a TEDIKO
2. Průběžné výsledky řešení projektu již byly uplatněny v projektech kotlů C a D pro Elektrárnu Tušimice II zpracovaných společností VÍTKOVICE – Heavy Machinery. Byla pro ně vytvořena Matice životnosti, vytvořeny elektronické formuláře pro sběr výchozích dat (nulového stavu) rozměrů, vlastností materiálů a informací ze které tavby je zařízení kotle vyrobeno. Tyto informace jsou vyžadovány také od subdodavatelů. Vytvoří se tak dobrá základna pro využití vlastností diagnostického systému DIALIFE-KE pro odhad doby dožití jednotlivých zařízení kotlů již od jejich uvedení do provozu.
3. U nových kotlů je třeba čidla použitá pro řízení kotle účelně doplnit čidly pro sběr dat, potřebných pro diagnostický systém.

Literatura
[1] Vejvoda, S.- Bystrianský, J.- Čmakal, J.- Kuboň, Z.: Zpráva o řešení projektu v programu TANDEM v roce 2006, ev. č. projektu: FT-TA2/028. Metodika stanovení zbytkové životnosti  tlakových zařízení pracujících na klasických elektrárnách v podcreepové oblasti.
[2] Vejvoda, S.: Life Aging Management System, In Proceedings of the Seventh International Colloquium on Asset Management of Aged Plant and Materials: Assessment Methods, Cape Town/South Africa 7-11 April, 2003, Edited by R. K. Penny, pp 69-88. Poznámka: Tento příspěvek vznikl v souvislosti s projektem FT-TA2/028 realizovaným za finanční podpory z prostředků státního rozpočtu prostřednictvím Ministerstva průmyslu a obchodu. 

Autor

• Prof. Ing. Vejvoda Stanislav CSc.