Atomerőművi anyagvizsgálatok (Erőművi berendezések élettartam számításának alapjai)

Átírás

1 Anyagvizsgáló és Állapotellenőrző Laboratórium Atomerőművi anyagvizsgálatok (Erőművi berendezések élettartam számításának alapjai) Bevezetés. Az erőművek feladata a mindenkori fogyasztói igényeknek megfelelő villamos és hőenergia kielégítése. Az erőművek azonban összetett rendszerek, melyek főberendezésekre bonthatók úgy mint: a tüzelőanyagban kötött energia hőenergiává történő átalakítása (reaktor, kazánok), a hőenergia mechanikai energiává történő átalakítása (gőzturbina), a mechanikai energia villamos energiává történő átalakítása (generátor).

2 Bevezetés. A főberendezések további funkcionális egységekre bonthatók: pl. kazán esetén kazándob forrcső rendszer kamrák ejtőcső rendszer pl. turbina esetén álló lapátozat járó lapátozat turbinaház csapágyak Bevezetés. A berendezés élettartama: Az az időtartam, ameddig a berendezés működőképes. Az élettartamot főként műszaki megoldásuk, minőségük, használati módjuk, karbantartásuk és felújításuk határozza meg. [Műszaki Lexikon] A berendezés elhasználódása: A berendezés használhatóságának az idő előrehaladásával bekövetkező csökkenése. Két fő részből, a műszaki elhasználódásból és az erkölcsi avulásból tevődnek össze. [Műszaki Lexikon]

3 Alapfogalmak szerkezeti anyag és felépítése: az anyag természete, különbséget téve a vegyi összetétel, a kötési mód és a mikroszerkezet tekintetében igénybevétel: befolyásoló tényezők, amelyek a szerkezeti anyagokra, azok felhasználása során hatnak tulajdonságok: olyan jellemzők, amelyek a szerkezeti anyagok viselkedését különböző igénybevételek mellett leírják Igénybevételek fajtái. mechanikai kémiai termikus biológiai sugárzásból származóak

4 Igénybevételek fajtái. A felsorolt igénybevételek az anyag károsodását idézhetik elő, melyek a következők lehetnek: törés korrózió szövetszerkezeti elváltozás biológiai anyagkárosodás öregedés BME NTI Szilárdságtani alapok. (Mechanikai igénybevétel) T x xy xz yx y yz zx zy z ahol T : feszültségtenzor : normál feszültség : csúsztatófeszültség 4

5 5 Szilárdságtani alapok. (Mechanikai igénybevétel) Főfeszültségek számítása háromtengelyű feszültségi állapot esetén: megoldásai egyenlet 0 I I I a jelentik s értékét, ahol I, I, I a feszültségtenzor skalár invariánsai. z y x I x zx xz z z yz zy y y xy yx x I z yz xz zy y xy zx yx x I Szilárdságtani alapok 4. (Mechanikai igénybevétel) Általános Hooke törvény: ) ( ν ν ν E ) ( ν ν ν E ) ( ν ν ν E

6 Szilárdságtani alapok 5. (Mechanikai igénybevétel) E E E ahol n: Poisson tényező ν ( ν ( ν ( E: rugalmassági modulus [MPa] ) ) ) Griffith eredményei alapján a szerkezeteken bekövetkező törések vonatkozásában az alábbi megállapításokat tehetjük: Sorrend: Törésmechanikai alapok.. repedés keletkezése. repedés terjedése. törés bekövetkezése 6

7 Törésmechanikai alapok. A repedés terjedésének kritériuma A repedés terjedésének leírásához az energiaváltozásokat kell vizsgálni. Ha a lemez csak rugalmas alakváltozást szenved, akkor minden egységnyi térfogatában E rugalmas energia van felhalmozva. A teljes ép lemezben tárolt energia: W WBL E Törésmechanikai alapok. Vizsgáljuk meg azt az esetet, amikor a lemezben a húzásra merőlegesen egy c hosszúságú repedés van. V (c Így a lemezben tárolt energia: W (WBL V) E A repedés következtében felszabadult energia: ΔWr W W V E s π) B Wr c B E 7

8 Törésmechanikai alapok 4. A repedés növekedése során felszabaduló energia: d ΔWr c πbdc E A repedés felületi energiája: ΔW γ cb γ A repedés felületi energiájának változása a repedés növekedése során: d ΔW γ 4 γbdc ahol g: fajlagos felületi energia [J/m ] Törésmechanikai alapok 5. A repedésterjedés feltétele: d ΔW d Határesetben: kritikus r ΔW γ γ E c π c π kritikus K IC ahol K: feszültségintenzitási tényező [MPa m / ] 8

9 Elemi törési módok: Törésmechanikai alapok 6. Gyors törés: Törésmechanikai alapok 7. 9

10 Rideg törés: Törésmechanikai alapok 8. Szívós törés: Törésmechanikai alapok 9. 0

11 Kisciklusú fáradás. ismétlődő (ciklikus) igénybevétel 0 4 -nél kevesebb igénybevétel hatására eltörik a feszültség a folyáshatár közelében, esetleg felette van makroszkópikus alakváltozással kell számolni Kisciklusú fáradás. A repedésterjedés sebességét befolyásoló tényezők: a repedés közeli feszültségmező a repedés csúcsa előtt elhelyezkedő anyag viselkedése szerkezet geometriája repedés alakja, mérete terhelő erők nagysága és iránya anyagtulajdonságok a terhelés frekvenciája

12 Kisciklusú fáradás. A fáradásos repedésterjedést az alábbi módon írhatjuk le: da dn da dn da dn c c c (a) n (a) f(k) n ahol a: repedés hossza N: ciklusszám s: terhelő feszültség K: repedés csúcsa előtti anyagrészre jellemző feszültségintenzitási tényező c, c, c, n: állandók Hőfáradás

13 Definíció: A folyáshatárnál kisebb terhelés mellett magas hőmérsékleten, hosszú idő alatt bekövetkező alakváltozás. Kúszás. T Kúszás. d dt K e Q Qá RT R T Ce t Q ln t ln C R T T (C+ln t) =állandó Larson Miller összefüggés: T C ln t T C ln t

14 lg Rm Kúszás. felsõ áttételes emelõ kemence felsõ feszítõorsó 0 próbatest fûzérben hõmérséklet szabályozó alsó feszítõorsó terhelõ súly kiegyenlítõ súly olajfék Kúszás 4. 5HMF 5HMF TU lg t 4

15 Méretezés történhet: Kúszás 5. (Mechanikai igénybevétel) a. tartamszilárdságra: az a feszültség, amit az anyag törés nélkül megadott ideig biztonságosan elvisel, b. kúszási határra: az az időtartam, amit az anyag törés nélkül elvisel adott feszültség mellett. Kémiai igénybevétel Erőművi főberendezések esetén a kémiai igénybevétel leggyakoribb formája a korrózió. Definíció: Fémfelület korróziója: a szerkezeti anyagnak a környezet hatására végbement és a felületről kiinduló bárminemű elváltozása, amely kémiai, fizikai-kémiai folyamatok eredménye [Műszaki Lexikon] 5

16 Korrózió (Kémiai igénybevétel) Kémiai korrózió: közvetlen kémiai kölcsönhatás eredménye, a fémion és az elektron kilépés térbelileg nem elválasztva, hanem molekuláris határon belül, elektromos áram keletkezése nélkül megy végbe. Elektrokémiai korrózió: a fémion és az elektron kilépés térbelileg elválasztva elektromos áram keletkezése mellett megy végbe. Egyenletes korrózió: az érintett felületen egyenletesen megy végbe. következménye: falvastagság csökkenés Helyi korrózió: Korrózió fajtái (Kémiai igénybevétel) a fémfelület meghatározott helyére terjed ki. következmény: lyukadás 6

17 Befolyásoló tényezők: T, ph, k, v Korróziósebesség. (Kémiai igénybevétel) Korróziót előidéző gázok (O, CO ), kloridok. ahol T: hőmérséklet [K] ph: kémhatás [-] k: fajlagos vezető képesség [S/cm] v: a közeg áramlási sebessége [m/s] W k 6,5 k c Korróziósebesség. (Kémiai igénybevétel) A korrózió sebességét leíró képlet a KWU néven ismert összefüggés: Nν 0,80 B e 0,75 ph7,0,8e f ahol w k : korrózió sebesség [g/m h] k c : geometriai tényező [-] B, N: a szerkezeti anyag króm molibdén tartalmát és a munkaközeg hőmérsékletét figyelembe vevő tényező. f(t): a szerkezeti anyag üzemidejét figyelembe vevő tényező. 7

18 Kémiai igénybevétel Termikus igénybevétel. Növelt hőmérsékletnek kitett anyagokban szerkezeti változások mennek végbe, melyek az alkalmazás szempontjából meghatározó tulajdonságokat hátrányosan befolyásolják. 8

19 Termikus igénybevétel. A termikus igénybevétel következményei: mechanikai tulajdonságok romlása szövetszerkezet átalakulása újrakristályosodás diffúziós folyamatok felgyorsulása (pld. kúszás) feszültségmező megváltozása belső járulékos feszültségek kialakulása PÉLDÁK 9

20 A repedés keletkezési folyamata A Kimutatható károsodás D A repedés megjelenés G Átszakadás A replikavizsgálat értékelése Replika vizsgálat az adott helyen A replika vizsgálat eredményének értékelése (0-5). Az üregek sűrűségének meghatározása Tovább üzemelés. A falvastagság megmérése. Folyamatos köszörülés a negatív tűréshatárig. Ismételt előkészítés és replika vizsgálat. A replika vizsgálat értékelése. Az üregsűrűség meghatározása. Ismételt előkészítés és replika vizsgálat. Javítás, csere. 0

21 A replikavizsgálat értékelése 0 osztály: Nincs termikus okra visszavezethető szövetszerkezet változás osztály: Időtartam károsodás mikropórus láncok formájában 5 osztály: Szövetszerkezeti sérülések makrorepedések formájában

22 Főgőzvezeték ívek A főgőzvezeték ívek élettartamát befolyásoló tényezők: anyagminőség geometria R/D hőmérséklet nyomás (feszültség) gyártási eredetű hibák (ovalitás, eltérő falvastagságok)

23 Üzemi hőmérséklet T 545 C Betriebstemperature T 548 C 9097 h 54 C h Ovalitás U 4 % Unrundheit U 5 % h % h Falvastagság s z 0 mm Wanddicke s z 9,5 mm 5644 h 0,5 mm 87 h élettartam rövidülés Lebensdauerverkürzung h élettartam hosszabodás Lebensdauerverlängerung VÉGE