Badania opisane w czasopiśmie „Materials” skupiają się na analizie właściwości mechanicznych złącza spawanego. Zdaniem prof. Hutsaylyuka, po długotrwałej eksploatacji złącza te przestają być niezawodne i bezpieczne. Sprzęt w elektrowniach cieplnych, w warunkach wysokich temperatur i naprężeń, musi mieć jak najdłuższą żywotność, dlatego ważne jest badanie stanu strukturalnego i mechanicznego jego komponentów. Szczególnym wyzwaniem w energetyce cieplnej są wczesne uszkodzenia spawanych połączeń, ponieważ materiał spoiny jest bardziej podatny na degradację niż materiał rodzimy.

Jak wyjaśnia dr hab. inż. Volodymyr Hutsaylyuk, cytowany na stronie WAT, obecnie w Polsce funkcjonuje około 55 cieplnych elektrowni zawodowych, które wytwarzają prawie 90 proc. energii elektrycznej naszego kraju. W sąsiedniej Ukrainie jest to niemal 30 proc. W Europie rozwój tego typu elektrowni rozpoczął się w latach pięćdziesiątych ubiegłego wieku i trwał przez następne 40 lat. W konsekwencji ich średni wiek w Polsce wynosi około 47 lat, co oznacza, że podstawowe urządzenia używane do wytwarzania energii elektrycznej praktycznie wyczerpały swój zasób. Z uwagi na to, że przewidywany okres ich eksploatacji wynosił pierwotnie od 25 do 30 lat, konieczne jest teraz przeprowadzenie analizy stanu zużycia i degradacji materiałów, z których wykonane są elementy robocze elektrowni cieplnych.

Spoiny są szczególnie narażone na degradację, ponieważ są strukturalnie bardziej złożone niż otaczający je metal. Główne czynniki degradacji stali żaroodpornych w elektrowniach cieplnych to wysoka temperatura i naprężenia, które dodatkowo potęgowane są przez obecność wodoru. W długotrwałej eksploatacji stali żaroodpornych tworzą się węgliki, które z kolei wpływają na zdolność stali do absorpcji wodoru, co może prowadzić do kruchości materiału.

Wizualizacja dyfuzji wodoru w strukturze stali pozwala zaobserwować zwiększone wydzielanie wodoru wokół wtrąceń niemetalicznych. To z kolei sprzyja rozwarstwieniu na skutek zmniejszenia siły oddziaływania międzycząsteczkowego i wiązań chemicznych, zarówno wtrąceń niemetalicznych, jak i węglików, co prowadzi do wzrostu liczby wewnętrznych defektów w strukturze stali.

Zespół naukowców ocenił doświadczalne degradację spoiny wykonanej ze stali żaroodpornej eksploatowanej w głównych rurociągach parowych elektrowni cieplnych. Próbki poddano wcześniej procesowi uwodornienia elektrolitycznego, czyli dodano do cząsteczek atomy wodoru. Uwodornienie umożliwia modyfikację właściwości chemicznych związków organicznych i prowadzi do powstawania nowych produktów o różnych zastosowaniach. W instalacjach przemysłowych uwodornienie obniża wytrzymałość metali i ich odporność na uszkodzenia mechaniczne, co prowadzi do szybszego pojawiania się pęknięć zmęczeniowych podczas cyklicznych obciążeń. Kontrola tego procesu jest niezwykle istotna, aby zapobiec niepożądanym efektom i zachowaniu zdolności użytkowych konstrukcji przez cały czas eksploatacji.

Więcej na ten temat – tutaj. 

"Podejmując badania, mieliśmy na uwadze wyzwania stojące przed elektrociepłownictwem w Polsce i Ukrainie. Jednak kompleksowa ocena stanu eksploatacyjnego złączy spawanych, przewidywanie ich degradacji oraz podejmowanie odpowiednich działań naprawczych mają zastosowanie w wielu innych sektorach przemysłu. Ich znaczenie dla zapewnienia bezpieczeństwa i niezawodności konstrukcji jest niezwykle istotne i ma wpływ na szeroki zakres dziedzin gospodarki. Badania mogą być również ważne w kontekście rozwoju ekologicznego transportu i czystej energii opartej na wodorze, który może być przechowywany i przenoszony zarówno w gazowej, jak i ciekłej” – podsumował prof. Hutsaylyuk.

Prof. Hutsaylyuk pracuje w Instytucie Robotów i Konstrukcji Maszyn na Wydziale Inżynierii Mechanicznej WAT. Badania prowadził we współpracy z naukowcami z Fizyczno-Mechanicznego Instytutu NAS Ukrainy, Narodowej Akademii Nauk Ukrainy, Tarnopolskiego Narodowego Uniwersytetu Technicznego oraz Politechniki Lwowskiej w Ukrainie.

Nauka w Polsce

kol/ agt/