Degradacja maszyn wydobywczych.doc

DEGRADACJA MASZYN WYDOBYWCZYCH – ZAGADNIANIA MATERIAŁOWE

1.      POJECIE DEGRADACJI – KONCEPCJA BADAŃ

Pojęcie „degradacja” pojawia się w literaturze naukowej w ostatnich kilkunastu latach często i w zróżnicowanych kontekstach. Bywa jeszcze niekiedy, że jest utożsamione z procesami starzenia materiałów w funkcji ich składu chemicznego, temperatury i czasu.  Niekiedy także zdarzenia o charakterze katastrof są określane tym mianem.

Punktem wyjścia do rozważań dotyczących materiałowych aspektów teorii degradacji jest definicja zaczerpnięta z pracy [1] w brzmieniu: „Degradacja jest procesem pogarszania się własności wytrzymałościowych i użytkowych elementów, węzłów, a tym samym całego obiektu”. Jest ona zatem próbą wyjaśnienia, jak powolne zmiany parametrów mierzalnych (fizycznych) mogą prowadzić do ciągłych (zużycie) lub skokowych (awaria) zmian jakościowych zachowaniu obiektów podlegających procesom degradacyjnym.  Jest budowana na podstawie informacji uzyskiwanych w trakcie eksploatacji maszyn, urządzeń technicznych i obiektów konstrukcyjnych (np. mosty, wiadukty). Jest wykorzystywana do kształtowania trwałości nowych  i modernizowanych maszyn poprzez modyfikacje założeń projektowych. Zakres problemów materiałowych w teorii degradacji wynika z zapisu trwałości obiektu.

(1)[1]

              Umieszczenie czynników kształtujących trwałość jako funkcji podcałkowych wskazuje, że powinny być one rozpatrywane sumarycznie i równocześnie. Ulokowanie na pierwszym miejscu w powyższej zależności „materiału” nie może być rozumiane jako sugestia o decydującym jego wpływie na przebieg procesów degradacyjnych. Jednak wstępem do rozważania przebiegu tych procesów powinno być określenie rodzaju materiału zastosowanego na konstrukcje. Oznacza to ustalenie czy mamy do czynienia np. ze stalą niestopową czy niskostopową, uspokojoną czy nieuspokojoną oraz określenie jej własności wytrzymałościowych i struktury. Są to dane wyjściowe do oceny stanu materiału i formułowania prognozy podatności do degradacji. Na początkową i mierzoną w określonym czasie zdolność do przenoszenia obciążeń oprócz rodzaju materiału wpływają także sposób jego wytwarzania i kształtowania konstrukcji oraz oddziaływanie środowiska, w którym ona pracuje. Obszary badań i nadzoru muszą także uwzględniać wyniki badań materiałowych, tak aby tworzyć spójną, maksymalnie skoncentrowaną całość, pozwalającą na jednoczesne monitorowanie i ocenę stanu maszyny.

W kontekście przedstawionych powyżej informacji należy przyjąć, że jednym z podstawowych zagadnień teorii degradacji są problemy oceny wpływu czasu na procesy zachodzące w tworzywie konstrukcyjnym w zmiennych warunkach eksploatacji. W przedstawionej pracy są one określone mianem „materiałowych aspektów teorii degradacji”. Oprócz oceny zamian stanu materiału w funkcji czasu obejmują także opis i wyjaśnienie zjawisk wynikających z zaakceptowanych przez naukę teorii.

              Na rys. 1 i rys. 2 przedstawiono koncepcję wielokryterialnego systemu rozwiązywania problemów materiałowych w teorii degradacji oraz zakres realizacji badań w stosunku do wybranych obiektów. Obie propozycje wynikają z analizy i rozbudowy struktury bazy technicznej i procedur empirycznej teorii degradacji przedstawionej w pracy [3]. Ich opracowanie było poprzedzone ustaleniem „słabych ogniw” konstrukcji będącej obiektem badań. W tym celu wykorzystano metodę ekspercką zwracając się do ekspertów o wysokim i średnim poziome wiedzy. Charakteryzowali się oni znaczną specjalistyczną wiedzą na temat hipotez bazujących na wynikach aktualnie prowadzonych badań.

Rys. 1 Schemat wielokryteryjnego systemu rozwiązywania problemów materiałowych w teorii degradacji

Rys. 2. Wstępna koncepcja badań materiałowych konstrukcji stalowych w ramach teorii degradacji

Wyniki badań eksperckich weryfikowano w toku badań makroskopowych i badań nieniszczących wytypowanych węzłów konstrukcyjnych, z uwzględnieniem wyników obliczeń wytrzymałościowych. Działania takie znajdują uzasadnienie w konieczności ograniczenia zakresu prac badawczych do racjonalnych obszarów [4]. Efekty tych prac       (na przykładzie konstrukcji nadwozia koparki) przedstawiono na rys. 3.

Rys. 3. [3]. Schemat konstrukcji nadwozia koparki SchRs – 1200

a)        Silnie wytężone (obliczeniowo) fragmenty konstrukcji stalowej,

b)        Miejsca szczególnie niebezpieczne w konstrukcji stalowej – wykaz węzłów (oraz elementów 

  tych węzłów) poddanych szczególnym badaniom:

Numer 2 – węzeł pasma górnego wysięgnika koła czerpakowego od strony łożyska dużego,

Numer 4 – węzeł wysięgnika urabiającego – fragment pasa dolnego,

Numer 9 – połączenie cięgien górnych z cięgnami dolnymi,

Numer 10- - połączenie cięgien dolnych z wysięgnikiem przeciwwagi,

Numer 13 – węzeł centralny części środkowej nadwozia,

Numer 14 – pas dolny wysięgnika przeciwwagi w rejonie połączenia do platformy,

Numer 24 – węzeł posadowienia trawersy ramy trójkątnej,

Numer 25 – pas dolny kraty głównej po stronie łożyska dużego.

2.        PROCESY DEGRADACJI W UJĘCIU MATERIAŁOZNAWCZYM

              Opis i interpretacja procesów degradacyjnych w ujęciu materiałoznawczym okazał się być efektywnym w odniesieniu do oceny materiałów w zastosowaniach energetycznych      [np. 5]. Wyniki tych prac są z powodzeniem wykorzystywane w postaci procedur badawczych, metod regeneracyjnych czy atlasów degradacyjnych zmian mikrostruktury stali dla energetyki. Zdecydowanie mniej informacji literaturowych dotyczy materiałów konstrukcyjnych wykorzystywanych przez wiele lat w warunkach zmiennych obciążeń i korozji atmosferycznej. Są one też zazwyczaj ogólne, wyrywkowe a niekiedy sprzeczne.

              Tezą ogólną jest twierdzenie, że w toku eksploatacji materiał ulega subtelnym zmianom mikrostruktury, co z kolei pociąga za sobą zmianę własności wytrzymałościowych i plastycznych. Kierunek tych zmian jest określany jako zwiększenie prawdopodobieństwa zniszczenia [6]. W pracy [7] w stosunku do stali na konstrukcję mostu wykonanego w roku 1912 stwierdzono: „Długoletnia eksploatacja w zmiennych warunkach temperaturowych oraz drgania wywołane ruchem pociągów wywołały kruchość tego samego rzędu co starzenie w temperaturze 200°C”.

              Rezultatem badań wstępnych było przyjęcie założenia, że na procesy degradacyjne główny wpływ wywierają:

·         Zmiany mikrostruktury i własności materiału zachodzące w toku eksploatacji,

·         Zmiany makro i mikrostruktury wywołane korozją (ujęte w odrębnym rozdziale),

·         Obecność, powstawanie i rozwój pęknięć o charakterze makro i mikroskopowym.

Takie określenie obszarów tematyki badawczej wyłania na wstępie poważne problemy. Pierwszy z nich to pytanie o punkt odniesienia do określenia zmian mikrostruktury i własności w toku eksploatacji badanych materiałów. Inaczej mówiąc jaką miały mikrostrukturę i własności stare stale, które poddano badaniom (rys.2). Część z nich (obiekty 4÷8) wykonano bowiem ze stali charakteryzujących się dużym rozrzutem składów chemicznych, struktur i własności - wynikającym z ówczesnych metod wytwarzania. Przyjęto rozwiązanie stanu normalizowanego jako poziomu odniesienia wykorzystywanego do oceny stanu zdegradowania. Znajduje to swoje uzasadnienie ze względu na stosowanie wyżarzania normalizującego jako zabiegu regenerującego materiał [8] oraz stosowanie takiego rozwiązania w innych pracach badawczych [np. 7]. Wyżarzanie normalizujące powoduje zbliżenie mikrostruktury materiału do mikrostruktury równowagowej. W mniejszym stopniu niż np. wyżarzanie zupełne wywołuje ujednorodnienie składu chemicznego i mikrostruktury.  Z drugiej jednak strony sprzyja rozdrobnieniu ziarna. To ma z kolei wpływ na podwyższenie granicy plastyczności i wytrzymałości, utrudniając ocenę rzeczywistych zmian wytrzymałości materiałów w toku eksploatacji.,

              Drugim problemem jest nazewnictwo używane w stosunku do badanych materiałów. Nie można bowiem uznać na podstawie analizy składu chemicznego i wyników badań wytrzymałościowych, że mamy do czynienia z materiałami ujmowanymi przez współczesne normy. Przykładowo stal „węglista” używana do budowy konstrukcji mostu wiszącego na rzece Delaware w Filadelfii w roku 1926, spełnia wymagania składu chemicznego i własności wytrzymałościowych dla stali gatunku St3S [9]. Ponieważ stosowanie starych oznaczeń byłoby mało czytelne zdecydowano się na podawanie wyników analiz chemicznych materiałów wraz z informacją i oznaczeniem współczesnych gatunków stali o maksymalnie zbliżonym składzie chemicznym i właściwościach.

              Trzecim problemem jest zagadnienie braku dostatecznej ilości materiału w celu zrealizowania w sposób powtarzalny całego programy badań. W przypadku dużych kształtowników, z których wykonano konstrukcje brzmi to paradoksalnie. Jednak wytypowane węzły były wykonywane z różnych gatunków materiałów. Do badań należy używać stali o szczególnej podatności do procesów degradacyjnych. Dotyczy to np. stali nieuspokojonych i niskowęglowych. Drugim utrudnieniem była potrzeba wykonywania próbek z materiału w obszarach szczególnie wytężonych.  Uprzednio wskazano (rys. 3), że nie chodzi tylko o elementy szczególnie wytężone obliczeniowo, ale także o obszary osłabione przez otwory na śruby i nity czy obszary połączeń spawanych. W przypadkach materiałów pochodzących z rurociągów i kolektorów turbinowych wymiary uzyskiwanych do badań blach uniemożliwiały wykonanie próbek udarnościowych. Badania tylko w pojedynczych przypadkach mogły być realizowanie na obiektach wycofanych z eksploatacji  a pobranie materiału badawczego nie mogło powodować ich eksploatacji czy też doraźnych remontów.

              Wymienione problemy (poza czynnikami ekonomicznymi i wydłużeniem czasu badań) powodowały, że niemożliwa była realizacja całego programu badawczego w stosunku do każdego obiektu wyszczególnionego na rys. 2. Uzasadnia to potrzebę realizacji badań w ramach „strategii laboratorium” (rys. 1). Wyłoniła się także potrzeba opracowania dostosowanej do potrzeb eksploatatorów wersji  koncepcji oceny stopnia degradacji materiałów.

3.       DEGRADACYJNE ZMIANY MIKROSTRUKTURY I WYBRANYCH WŁASNOŚCI

              Wyniki badań nad procesami degradacyjnymi przedstawiono obszerniej w pracach [10, 11]. W ostatnim czasie rozbudowano je o badania stali z elementów elektrowni. Rozszerzyło to możliwości interpretacji ich rezultatów oraz uzupełniło swoistą „bazę danych” materiałów konstrukcyjnych po wieloletniej eksploatacji.

              W publikacjach [5, 12-15] zawarto „kierunkowe” dla badań własnych informacje dotyczące zmian mikrostruktur i własności materiałów podlegających wieloletniej eksploatacji. Ujmując je w syntetycznym skrócie można je przedstawić następująco:

              Szczególnie procesom tym podlegają stale zawierające poniżej 0,1% węgla. Chłodzenie stali w warunkach technicznych powoduje przesycenie ferrytu węglem oraz azotem (intensywniej sprzyja on procesom starzeniowym niż węgiel) Atomy węgla już w temperaturze otoczenia wykazują pewną ruchliwość wędrując do określonych obszarów sieci. W efekcie po schłodzeniu jednorodny ferryt ulega odmieszaniu, bez tworzenia identyfikowanych mikroskopowo wydzieleni (odmieszanie jednofazowe). Już to skutkuje mierzalnymi zmianami jego własności. Ruch atomów węgla intensyfikuje się w wyniku wzrost temperatury. Począwszy od 50 °C można obserwować odmieszanie dwufazowe, skutkiem czego w ferrycie stwierdza się obecność pierwszych wydzieleni węglika żelaza Ɛ. Uważa się, że w temperaturach niższych niż 200 °C następuje wydzielanie węglika Ɛ zarówno w osnowie jak i na dyslokacjach. W wyższych temperaturach tworzy się stabilny węglik Fe3C wewnątrz ziaren ferrytu. Węglik ten występuje w postaci iglastych wydzieleni nieregularnie rozmieszczonych w osnowie. Jeżeli w mikrostrukturze stali pojawi się perlit, to Fe3CIII zazwyczaj dokrystalizowuje do płytek cementytu w perlicie. Efekty wydzieleniowe związane z przesyceniem ferrytu azotem ujawniają się już w temperaturach otoczenia w stalach odkształconych plastycznie na zimno. W temperaturach nie przekraczających 250 °C w przesyconym ferrycie powstaje metastabilna faza α” (Fe16N2), tworząc wewnątrz ziaren płytkowe lub iglaste wydzielenia. W zakresie temperatur 200 ÷ 250 °C z ferrytu powinien wydzielać się azotek ﻻ’’ (Fe4N) w postaci płytkowej. W pracy [12] zawarto następujące stwierdzenie: „Spowodowane azotem starzenie prowadzi do znacznego wzrostu kruchości stali i zmniejszenia udarności. W bogatej w azot stali thomasowskiej wykazano, że może ona być tak krucha, że grubościenne profile hutnicze po upadku na kamienną podłogę mogą się rozsypać.”

              Procesy wydzielania z ferrytu węgla i azotu (często traktowane łącznie) nie są jeszcze dogłębnie poznane, choć nie budzi wątpliwości, że wpływają na zmianę własności stali. Powodują one wzrost twardości i wytrzymałości na rozciąganie oraz obniżenie udarności i własności plastycznych. Wskazuje się także, że szczególną skłonność do starzenia wykazują stale nieuspokojone. Charakteryzują się one oprócz niskiej zawartości krzemu (do 0,07% Si) także dużą segregacją składu chemicznego. W stalach nieuspokojonych rejestrowano wyraźnie spadki wytrzymałości na rozciąganie w temperaturach starzenia                       50÷100 °C [7] – rys. 4. Ta grupa stali (szczególnie w stanie surowym) wykazuje dodatnie temperatury przejścia plastyczno – kruchego.

Rys. 4 Wpływ temperatur starzenia na wytrzymałość na rozciąganie stali.

Czas starzenia kilka godzin [7]

Wyliczone na podstawie danych eksploatacyjnych czasy pracy badanych materiałów mieszczę się w przedziałach 65000÷250000 godzin koparek węgla brunatnego. Czas eksploatacji w warunkach obciążeń dynamicznych musi także wywierać wpływ na przebieg procesów wydzieleniowych. Zagadnienie to jest ujmowane w literaturze tylko śladowo [np.7].

3.1.  STRUKTURY STALI PO WIELOLETNIEJ EKSPLOATACJI I 

       NORMALIZOWANIU

              W badanych stalach zawartości węgla mieściły się w przedziałach od 0,05% do  0,22%. Jego zawartość w głównej mierze kształtowała mikrostruktury obserwowanych próbek. Składały się one z nieregularnych ziaren ferrytu i w zależności od zawartości węgla cementytu na granicach ziaren lub obszarów perlitu. Obserwowano także zbliźniakowanie roztworu stałego. W większości próbek perlit miał budowę drobnopłytkową. W stalach niskostopowych wyprodukowanych na przełomie XIX i XX wieku obserwowano dużą ilość wtrąceń niemetalicznych. Były to głównie siarczki i tlenki. Siarczki często tworzyły skupiska, były „pokruszone” i „posegmentowane” a wokół nich tworzyły się mikroszczeliny, z których część rozprzestrzeniała się w materiale w postaci mikropęknięć (rys. 5 i rys. 6).

21

Rys. 5

Mikrostruktura stali, z której wykonano konstrukcję maszyny wyciągowej kopalni. Muzeum górnictwa we Freibergu – wiek materiału ok. 120 lat.

Spasmowana struktura ferrytyczno-perlityczna z licznymi wtrąceniami niemetalicznymi. W warstwie powierzchniowej widoczny rozległy wżer korozyjny.

Pow. 200x

Traw. 3% HNO3

Rys. 6

Mikrostruktura stali z której wykonano kolektor turbinowy w elektrowni „Leśna” z roku 1905. Ziarna ferrytu z wydzieleniami cementytu na granicach. W centrum widoczne zgrupowanie pasmowe wydzieleń niemetalicznych (siarczki żelaza i siarczki manganu). Stal zlewna o składzie chemicznym zbliżonym do współczesnej stali nieuspokojonej gatunku 10X.

Pow. 3000x – mikroskopia skaningowa.

Traw. 3% HNO3

Struktury materiałów rurociągów i kolektora (obiekty 5 i 6) wykazywały w warstwach powierzchniowych odwęglenie i zróżnicowanie wielkości ziaren na przekroju blachy. W warstwach powierzchniowych wielkość ziaren było większa a w niektórych z nich obserwowano granice bliźniacze (rys. 7).

Rys7.                                           Mikrostruktura stali z której wykonano rurociąg turbinowy elektrowni „Plichowice” z roku 1912. Zróżnicowana co do wielkości ziaren struktura ferrytyczna z niewielką ilością cementytu na granicach ziaren. Cementyt ten nie tworzy otoczek na granicach. W roztworze stałym widoczne granice bliźniacze. Na powierzchni zaznaczają się zmiany korozyjne. Niewielka ilość wtrąceń niemetalicznych. Stal o składzie chemicznym zbliżonym do stali ST1X.

Pow. 250x

Traw. 3% HNO3

W stalach pochodzących z elementów konstrukcji nadwozi węgla brunatnego stwierdzono występowanie struktury ferrytu  z cementytem lub ferrytu z koloniami perlitu. Charakterystyczne cechy tych mikrostruktur pokazano na rys. 8÷12. W obszarze ziaren ferrytu metodami mikroskopii elektronowej stwierdzono występowanie wydzieleni cementytu (Fe3C) oraz azotków żelaza (Fn16N). wydzielenia te mają postać drobnych igieł, trójkątów ostrokątnych a także czworokątów. Niekiedy obserwowano także wydzielenia cementytu na granicach ziaren ferrytu o kształcie „pierzastym” zbliżonym do bainitu. Obserwowano także obecność obszarów perlitu, który uległ rozpadowi na ferryt z drobnymi węglikami Fe3C.

Rys.8                                              Mikrostruktura stali, z której wykonano konstrukcję wysięgnika koła czerpakowego koparki w roku 1943. Struktura ziaren ferrytu z niekiedy ciągłą otoczką cementytu na granicach ziaren (1). Pojedyncze kolonie perlitu o budowie płytkowej (2). Duże, pojedyncze wydzielenie siarczku (3). We wnętrzu ziaren ferrytu liczne, drobne wydzielenia cementytu i azotków (4). Skład chemiczny stali odpowiadający stali nieuspokojonej gatunku St3SX.

Pow. 800x – immersja.

Traw. 3% HNO3

Rys. 9

Powiększenie mikrostruktury stali pokazanej na rys. 8. Ziarna ferrytu z obszarami perlitu o budowie płytkowej i nieregularnej. We wnętrzu ziaren ferrytu wydzielenia azotków i cementytu o budowie igiełkowej i trójkątnej.

Pow. 2000x – immersja.

Traw. 3% HNO3

Rys. 10

Mikrostruktura próbki pokazanej na rys. 8. Cementyt na granicach ziaren w postaci ciągłej otoczki. W środkowej części pierzasta postać Fe3C. U zbiegu granic ziaren perlit o budowie płytkowej. Zróżnicowana ilość wydzieleń cementytu i azotków we wnętrzu ziaren ferrytu.

Pow. 4000x – mikroskopia skaningowa.

Traw. 3% HNO3

Rys. 11

Mikrostruktura próbki pokazanej na rys. 8. kolonia perlitu o budowie noszącej cechy rozpadu.

Pow. 8000x – mikroskopia skaningowa.

Traw. 3% HNO3

Rys. 12

Mikrostruktura próbki, z której wykonano konstrukcję maszyny wyciągowej kopalni. Wiek materiału ok. 120 lat (patrz rys. 5). Ziarna ferrytu z wydzieleniami cementytu na granicach ziaren w postaci ciągłej otoczki lub siatki wydzieleń. We wnętrzu ziaren pojedyncze wydzielenie węglików i azotków. W centrum obszar perlitu, który uległ rozpadowi.

Pow. 8000x – mikroskopia skaningowa.

Traw. 3% HNO3

Jak już wspomniano problemem w ocenie zmian mikrostruktury materiałów w toku eksploatacji jest nieznajomość ich budowy w stanie wyjściowym. Dlatego też przyjęto za punkt odniesienia stan mikrostruktury tych stali po wyżarzaniu normalizującym. Charakterystyczne zmiany mikrostruktury po tym zabiegu obróbki cieplnej zilustrowano na rys. 13.

Rys. 13

Mikrostruktura stali, z której wykonano konstrukcję wysięgnika koła czerpakowego koparki w 1943 roku – po wyżarzaniu normalizującym. Ziarna ferrytu z otoczka cementytu na granicach ziaren. We wnętrzu ziaren nieliczne, drobne wydzielenia cementytu i azotków.

Pow. 2000x – immersja.

Traw. 3% HNO3

Mikrostruktury badanych stali po normalizowaniu składały się z ziaren ferrytu i z cementytu na granicach ziaren w postaci ciągłej otoczki lub łańcuszkowo rozłożonych wydzieleń. Drugim typem mikrostruktury były ziarna ferrytu z obszarami perlitu o budowie płytkowej. Badania cienkich folii metodami mikroskopii elektronowej oraz analizy dyfraktogramów elektronowych [16, 17] wykazały w preparatach normalizowanych mniejszą gęstość dyslokacji w porównaniu ze stanem poeksploatacyjnym. Także po normalizowaniu we wnętrzu ziaren ferrytu stwierdzono obecność nierozpuszczonych, bardzo drobnych wydzieleń azotków i cementytu.

...