A 302

Ermittlung der Restlebensdauer für kritische Komponenten von Bestandskraftwerken bei flexibler Fahrweise

Ermittlung der Restlebensdauer für kritische Komponenten von Bestandskraftwerken bei flexibler Fahrweise

(A 302/  S 24/10234/16)

 

Laufzeit der Forschungsarbeiten:     1. Juli 2016 – 30. Juni 2018

  

In diesem Forschungsvorhaben wurde der Einfluss aus der flexiblen Betriebsweise von Kraftwerksanlagen auf die Ermüdungserschöpfung ihrer Komponenten unter der Berücksichtigung verschiedener Regelwerke und Standards für zwei Hochdruckkomponenten aus verschiedenartig betriebenen Kraftwerken untersucht. Gegenstand der Untersuchung waren dabei ein relativ dünnwandiger Rohrbogen des Grosskraftwerks Mannheim aus X20CrMoV12-1 und ein Eingangs‑Sammler aus X10CrMoVNb9-1 der Ratcliffe‑on‑Soar Power Station von Uniper. Ziele waren eine bessere Einbeziehung der realen werkstofftechnischen Erschöpfungen und die Ermittlung möglicher Restlebensdauern unter Annahme unterschiedlicher Betriebsszenarien. Diese wurden durch metallografische Charakterisierung und Analysen des Verhaltens von vorbeanspruchten Werkstoffen bei Kriechermüdungsbeanspruchung gestützt. Um genauere Analysen zu ermöglichen, wurde die reale werkstofftechnische Schädigung einbezogen und auf neue, über die Regelwerksberechnungen hinausgehende,  Werkzeuge zur rechnerischen Bestimmung von Restlebensdauern zurückgegriffen. 

Die wirkenden Spannungen aus den vorliegenden Betriebsdaten sowie die gegebenen Randbedingungen (Werkstoffkennwerte, Komponentengeometrie) sind jedoch nicht ausreichend hoch, um eine Überlagerung von Kriech- und Ermüdungserschöpfungen zu betrachten. Allerdings konnten die unterschiedlichen Herangehensweisen, welche in den Regelwerken zur Berücksichtigung der Ermüdungserschöpfungen genutzt werden, herausgestellt und eine Screening-Methodik zur Ermittlung von relevanten Komponenten erarbeitet werden. Durch die breite Unterstützung der Industriepartner konnten aus dem Betrieb entstehende Einflussfaktoren erkannt und deren Auswirkungen auf die Ermüdungserschöpfung ermittelt werden. Ohne breite Werkstoffdaten und –kenntnisse sowie eine gute Betriebsdatenaufzeichnung, erhält man stark differierende Berechnungsergebnisse, deren Konservativität aktuell nicht erfasst werden kann. FE‑Simulationen führten jedoch zu stark verminderten Spannungen, da Temperaturverläufe in den Komponenten und ihre zeitliche Änderung besser in den Berechnungen berücksichtigt werden. Die in diesem Vorhaben untersuchten Komponenten niedriger Ermüdungserschöpfung geben aus den Berechnungen zwar Hinweise auf die relevanten und weniger relevanten Einflussfaktoren; die Frage, ob diese ebenfalls bei Komponenten mit starker Ermüdungsbeanspruchung auftreten, bleibt aber offen. Dies liegt vor allem daran, dass die auftretenden Spannungen des Rohrbogens in den FE‑Berechnungen ausschließlich im elastischen Bereich liegen und es selbst bei Anwendung von abgeminderten Werkstoffkennwerten zu keiner relevanten Ermüdungserschöpfung kommt.

Anhand alternativer Methoden zur Bestimmung der abgeminderten Materialkennwerte durch die Betriebsbeanspruchung, wie etwa gestufte Kriechversuche und den Small‑Punch‑Test (SPT), konnte innerhalb der Projektzeit für beide Werkstoffe eine Absenkung der Zeitstandfestigkeiten von etwa 24 % ermittelt werden. Diese Abminderung ändert sich im Verlauf hin zu längeren Betriebszeiten und gleicht sich im niedrigeren Spannungsbereich wieder an. Die gestuften Kriechversuche liefern verlässliche Daten aus relativ geringer Probenentnahme und Materialvorbereitung. Der SPT zeigt ähnliche Abminderungen der Zeitstandfestigkeiten, konnte aber aufgrund der geringen Versuchsbreite nicht über einen weiten Spannungsbereich bestätigt werden. Die weitaus geringere Probenentnahme im Vergleich zu konventionellen Zugversuchen ist jedoch beim SPT ein klarer Vorteil. Die Einflüsse aus den kurzen Versuchslaufzeiten, durch verschiedene Mechanismen der Kriecherschöpfung, bleibt jedoch unklar und noch zu untersuchen. Beide Methoden zeigen jedoch gutes Potential zur schnellen Ermittlung und müssen nun breiter Anwendung finden, um eine qualitative Beurteilung zu ermöglichen. Die durchgeführten Isostress‑Versuche gliedern sich in den Nutzen aus den alternativen Methoden ein, bieten jedoch eine nicht so große Einsparung in der Materialentnahme und Probenfertigung im Vergleich zu den SPT oder gestuften Zeitstandversuchen.

Die Ergebnisse aus den metallografischen Untersuchungen bieten eine Möglichkeit, die Ergebnisse aus der Erschöpfungsberechnung zu bestätigen. Sollte eine erhöhte Erschöpfung ermittelt werden, ist dies noch kein Indiz einer möglichen Schädigung der Komponente. Aufgrund der Unsicherheiten in der Berechnung, wie auch Unsicherheiten der Eingangsdaten und der Randbedingungen, kann bei den Berechnungsergebnissen von keinen Schädigungen die Rede sein. Die starken Konservativitäten in den Regelwerksberechnungen lassen aus der Praxis gesehen keine Schädigungen der Bauteile ohne Empfehlung zur detaillierten Untersuchung zu. Schadensfälle entstehen meist aus nicht betrachteten Randbedingungen wie etwa erhöhten Zusatzkräften oder weiteren nicht betrachteten oder unbekannten Faktoren. Eine detaillierte Analyse muss dadurch an jeder Komponente individuell durchgeführt werden und kann nicht auf einzelne ausschlaggebende Faktoren heruntergebrochen bzw. reduziert werden. Das Zusammenspiel der wirkenden Einflüsse bestimmt hierbei den Einfluss auf die Ermüdungserschöpfung und damit einhergehend auf die Restlebensdauern. So ergeben sich bei jeder Komponente, abhängig von der Wanddicke und der Betriebsweise bzw. den Betriebsbedingungen unterschiedliche Restlebensdauern. Grundsätzlich sind jedoch dickwandige Komponenten eher von Ermüdungserschöpfungen betroffen als dünnwandige.

Der problematischste Faktor ist die geringe vorliegende Datenbasis sowie spärliche Geometrievermessungen und Betrachtungen der wirkenden Zusatzkräfte / Faktoren, die zu Unterschieden zwischen der Erschöpfungsberechnung und vorliegender metallografischer Erschöpfung führen. Neuere Kraftwerksanlagen bieten zwar eine genauere Erfassung dieser Daten, sind aber aufgrund ihrer niedrigen Beanspruchung für eine Betrachtung noch nicht von Relevanz.

  

Forschungsstellen:

Materialprüfungsanstalt Universität Stuttgart (MPA)

Technische Universität Darmstadt, Fachgebiet und Institut für Werkstoffkunde (IfW)

 

Forschungsleiter:                        

Prof. Dr.-Ing. Stefan Weihe (MPA)

 

vorgelegt vom: Wirtschaftsverband Stahlbau und Energietechnik e.V. (SET) 

Das Forschungsvorhaben wurde gefördert von der Stiftung Stahlanwendungsforschung im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft e.V.

 

Bezugsquelle Schlussbericht:
bitte wenden Sie sich an die AVIF

07.09.2020