DD259768A3 - Verfahren zur bestimmung der restlebensdauer eines hochtemperaturbeanspruchten bauteils - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ueberwachung eines hochtemperaturbeanspruchten Bauteils, insbesondere Kraftwerksbauteils, wobei in Abhaengigkeit vom theoretisch berechneten Erschoepfungsgrad des Bauteils, des zeitlichen Verlaufes und des momentanen Anstieges in einem Diagramm eine erste Werkstoffuntersuchung durchgefuehrt wird. Dabei soll zu einem aus einer erschoepfungsgradorientierten Betriebsueberwachung festgelegten Zeitpunkt eine Restlebensdauerbestimmung vorzunehmen und daraus qualitative Pruef-, Ueberwachungs- und Instandhaltungskriterien abzuleiten sein. Dies wird dadurch erreicht, dass zeitecht und/oder zeitgerafft Nullproben oder betriebsbeanspruchte Proben des Bauteils unter Registrierung und Akkumulierung des Erschoepfungsgradverbrauches mit dem vorher am Bauteil erfassten Belastungskollektiv bis zu einer fuer den Weiterbetrieb des Bauteils nicht mehr zulaessigen Werkstoffschaedigung beansprucht werden und die Werkstoffschaedigung durch eine den Werkstoffzustand beschreibende Menge von Kennwerten und Verlaeufen einerseits und einem aequivalenten Wert des maximal zulaessigen Erschoepfungsgrad (emax zul) andererseits als direktes Zeitmass fuer die noch zulaessige Betriebsdauer dargestellt wird. Figur

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Restlebensdauerbestimmung eines hochtemperaturbeanspruchten Bauteils, insbesondere eines Kraftwerksbauteils.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Hochtemperaturbeanspruchte Kraftwerksbauteile werden für eine theoretische Lebensdauer von 10⁵ bzw. 2 - 10⁵ Betriebsstunden ausgelegt, wobei konstante Temperatur und konstanter Druck angenommen werden. Während des Betriebes werden die Bauteile dann jedoch meist anders beansprucht, so daß sich sowohl höhere als auch niedrigere Betriebsdauerh, als theoretisch angenommen, ergeben. -

Sowohl zur Erreichung einer maximalen Betriebszeit als auch zur Gewährleistung der Betriebssicherheit müssen zur Kontrolle des tatsächlichen Bauteil- und Werkstoffzustandes gemäß den heute gültigen technischen Vorschriften und Regeln (TGL 190-110, Mitteilung 10, Mitteilung 22,TRD 508 usw.) in bekannten Zyklen Bauteil-und Werkstoffprüfungen vorgenommen werden, wobei keine zeit- und ortsabhängige Bauteilkonkretisierung vorgegeben ist. Die richtige Wahl der zu prüfenden Bauteile ist so nicht gesichert.

In den vergangenen Jahren wurden deshalb verschiedene Verfahren zur Beurteilung der Bauteilbelastung und Schädigungserwartung entwickelt.

Gründlage dieser Verfahren ist die Gewinnung eines lebensdauerverbrauchsrelevanten Kriteriums aus Betriebsdaten, zum Beispiel die mittlere statistische Betriebstemperatur und der Erschöpfungsgrad.

Je nach einsetzbarer Gerätetechnik können dazu elektronische Parameterklassifizierungsgeräte oder Prozeßrechner benutzt werden.

Im letzteren Fall können durch den Rechner sofort die Erschöpfuungsgrade der Bauteile berechnet und ausgegeben werden ~ sowie zusätzlich operative Überwachungsfunktionen zur Einhaltung einer lebensdauergerechten Fahrweise übernommen

werden. .

Nachteilig ist bei allen diesen Verfahren jedoch, daß der so berechnete Erschöpfungsgrad noch kein Maß für die tatsächliche Werkstoffschädigung ist und damit auch die tatsächliche Restlebensdauer mit der erforderlichen Genauigkeit nicht vorhersagbar. Notwendige Instandhaltungsmaßnahmen lassen sich zeitlich nicht genau fixieren und in die vorhandenen Stillstandspläne einordnen. Physikalische Ursache der Nichtübereinstimmung von theoretisch berechneter Erschöpfung und tatsächlicher Werkstoffschädigung sind u.a. Streuungen von Werkstoffkennwerten, unterschiedliche Werkstoffanfangszustände durch Herstellung und Montage und verschiedene Vereinfachungen in der Spannungs- und Erschöpfungsgradberechnung.

Analog können jedoch auch allein aus Werkstoffuntersuchungen keine sicheren Aussagen zur noch verbleibenden Betriebszeit eines Bauteils für vorliegende oder zu ändernde Betriebsbedingungen abgeleitet werden.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, notwendige Prüf-, Überwachungs-und Instandhaltungszeitpunkte und einzuleitende Maßnahmen so zu bestimmen, daß sie rechtzeitig in die Stillstände der Anlage einordenbar sind, die zu überwachenden Umfange durch zeitliche und örtliche Staffelung beherrschbar und ein vorausschauender Wechsel nach Befund bei Einhaltung der Betriebssicherheit gewährleistet werden kann. .

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die tatsächliche Restlebensdauer eines Bauteils auf der Grundlage einer theoretischen Erschöpfungsgradverfolgung mit hoher Genauigkeit zu bestimmen.

Dies wird dadurch erreicht, daß abhängig vom theoretisch berechneten Erschöpfungsgrad eines Bauteils, seines zeitlichen

Verlaufes und des momentanen Anstieges eine erste Werkstoffuntersuchung durchgeführt wird und erfindungsgemäß zeitecht und/oder zeitgerafft Nullproben oder betriebsbeanspruchte Proben des Bauteils unter Registrierung und Akkumulierung des Erschöpfungsgradverbrauches mit dem vorher am Bauteil erfaßten Belastungskollektiv bis zu einer für den Weiterbetrieb des Bauteils nicht mehr zulässigen Werkstoffschädigung beansprucht werden und die Werkstoffschädigung durch eine den Werkstoffzustand beschreibende Menge von Kennwerten und Verläufen einerseits und einem äquivalenten Wert des maximal zulässigen Erschöpfungsgrades (Smaxzui) andererseits als direktes Zeitmaß für die noch zulässige Betriebsdauer dargestellt wird. Der max. zul. Erschöpfungsgrad s_maxzU| ist damit ein neuartiger, dimensionsloser bauteil- und beanspruchungsbezogener Werkstoff ken nwert.

Ausführungsbeispiel

An einem Ausführungsbeispiel wird das Verfahren näher erläutert. Die Zeichnung zeigt die Erschöpfungsgradverläufe von überwachten Bauteilen eines Dampfkessels.

Die zu überwachenden Bauteile eines Dampfkessels sind folgende:

Zwischenüberhitzer ZU Il Mischrohr-Austrittssammler MR HI-AS Hochdruck-Austrrttssammler HD IV-AS Hochdruck-Austrittssammler HD H-AS

Es ist festgelegt, die erste Bauteilprüfung bei Erreichen der rechnerischen Erschöpfung ε_ρΓοί1 = 0,5-0,6 durchzuführen. (Die rechnerische Erschöpfung ergibt sich aus dem angewendeten Verfahren zur Betriebs- und Lebensdauerüberwachung.) Das erste und zunächst einzigste zu prüfende Bauteil ist die Heizfläche des Zwischenüberhitzers ZU II. Die Prüfung muß zwischen 62000 und 72000h erfolgen.

Entsprechend den zur Verfügung stehenden Stillständen in diesem Zeitraum kann die Prüfung in den Zeitraum der Kurzinstandsetzung Kl oder der mittelfristigen Instandsetzung Ml vor der Generalinstandsetzung Gl 2 eingeordnet werden. Die bis dahin absolvierte Betriebszeit entspricht etwa V3 der theoretischen Lebensdauer. Da es sich um eine Heizfläche handelt, werden folgende Kontrollen durchgeführt:

— Oberflächensichtprüfungen

— Halterungsprüfungen

— Aufweitung

— eventuell Härte und Metallografie vor Ort.

Da keine Fehler festgestellt werden, wird aufgrund des bisher stetigen Kurvenverlaufes festgelegt, den Zwischenüberhitzer ZU Il bei s_prüf2 = 0,9-1,0 einer Wiederholungsprüfung einschließlich komplexer Werkstoffuntersuchung zu unterziehen. Die Extrapolation der ZU Il-Erschöpfungsgradkurve (gestrichelt) auf e_prof 2 = 0,9-1,0 ergibt als Prüfzeitraum 93000 bis 101 000 Betriebsstunden. Prüfung und komplexe Werkstoffuntersuchung sind langfristig in die mittelfristige Instandsetzung Ml und/oder Kurzinstandsetzung Kl bei 94000h bzw. 100000h einzuordnen. In dem selben Zeitraum ist auch die Erstprüfung des Mischrohr-Austrittssammlers MR MI-AS durchzuführen

Sie ist ebenfalls einzuordnen und vorzubereiten.

Ist der Kessel in den betreffenden Stillstand abgefahren, werden gemäß den Festlegungen aus der Erstprüfung beim Zwischenüberhitzer ZU Il aus den Kontrollabschnitten der Heizflächenrohre Proben gefertigt und mit dem bisher registrierten Belastungskollektiv, das bei den Heizflächenrohren ausschließlich Zeitstandbeanspruchung ausweist, zeitgerafft weiterbelastet.

Das Belastungskollektiv wird dabei z.B. wieder aus den automatisch aufgezeichneten Klassifizierungsmatrizen der Temperatur-Zeit-Klassenhäufigkeit zusammengestellt und solange anteilig oder vollständig auf die Proben aufgebracht, bis in den Proben eine für den Weiterbetrieb des Zwischenüberhitzer ZU Il (Werkstoff z. B. 13 CrMo 4.4) unzulässige Werkstoffschädigung eintritt. Diese ist durch die Menge von Eigenschaften und Kennwerten

1. Gefügezustand (Härte, Klasse)

2. Karbidmenge, Karbidgröße, Karbidverteilung an Korngrenzen und im Korn

3. Porendichte, Porengröße und Porenverteilung

4. Zeitabhängiges Porenwachstum über die Wanddicke

5. Dehnung, eindeutig gekennzeichnet.

Der Erschöpfungsgradzuwachs wird an den zeitgerafft weiterbeanspruchten Proben während der Versuchsführung (wie im Bauteil auch) laufend registriert und man erhält so eine den o. g. komplexen Werkstoffschädigungszustand äquivalent ausdrückende Werkstoff- und Beanspruchungskennzahl, die maximal zulässige Grenzerschöpfung s_maxzU| Sie ergibt sich beispielsweise für den Hochdruck-Austrittssammler HD H-AS zu s_maxzui = 1-3.

Die nunmehr vorzunehmende Extrapolation in derZwischenüberhitzer-ZU-ll-Erschöpfungsgradkurve (Strich-Punkt-Linie) auf diesen Grenzerschöpfungszustand ergibt als Grenzlebensdauer uad Wechseltermin 127000 Betriebsstunden. Gemäß Stillstandsplan ist der Wechsel der Heizfläche zur Generalinstandsetzung Gl 3 vorausschauend einzuplanen. Die Prüfung des Mischrohr-Austrittssammlers MR IiI-AS als zeitstand- und wechselbeanspruchtes Bauteil beschränkt sich in der Erstprüfung (Ml-oder Kl-Stillstand bei 100000h) auf zerstörungsfreie Anrißuntersuchung an Außen-und Innenflächen, Schweißnähte und Halterungen. Die Prüfung hat keinen Befund ergeben, aber aufgrund des steiler werdenden Anstieges des Erschöpfungsgradverlaufes des Mischrohr-Austrittssammlers MR IM-AS (die Betriebsanalyse und die Erschöpfungsgradübersicht zeigen einen zunehmenden Anteil an Wechselermüdung infolge instationärer Betriebweise) wird als nächstes Prüfkriterium Sprüf 2 = 0,8-0,85 festgelegt.

Die Kurvenextrapolation ergibt als Durchführungstermin ca. 123000 Betriebsstunden. Die Untersuchung muß in den Zeitraum der Generalinstandsetzung Gl 3 (ca. '115000-12000Oh] eingeordnet werden. Zur Bestimmung der Grenzerschöpfung E_maxzU| für den Hochdruck-Austrittssammler-HD-lll-AS können jedoch aus dem Sammler keine Proben entnommen werden. Das Verhalten des Werkstoffes muß mittels forciertem Zeitstand- und/oder Wechselversuch aus Nullproben eingeschätzt werden. Die Laborversuche müssen je nach möglicher Zeitraffung rechtzeitig begonnen werden, da das bisher abgelaufene Belastungskollektiv des Bauteils in der Probe nachgefahren werden muß. Zur zweiten Prüfung bei &_prüt2 = 0,8—0,85 soll die Probe mindestens ebenfalls ε = 0,8-0,85 absolviert haben. Im Ergebnis der Bauteilprüfung und der Weiterbelastung der Proben entsprechend dem aufgezeichneten Belastungskollektiv ergibt sich der zum Grenzschädigungszustand zugehörige Grenzerschöpfungsgrad für den Hochdruck-Austrittssammler HD IH-AS zu t_maxzu, = 1,1..

Als langfristig einzuplanender Wechseltermin ergibt sich aus der Extrapolation der Hochdruck-Austrittssammler HD M-AS-Erschöpfungsgradkurveauf s_max2U| = 1,1 die Generalinstandsetzung Gl 4 (ca. 150000h) als erforderlicher Wechseltermin. Zwischen 126000 und 136000h erreicht der Hochdruck-Austrittssammler HD IV-AS den Erstprüfungszustand e_prüf ι = 0,5-0,6. Die für den dickwandigen Sammler durchzuführende zerstörungsfreie Prüfung (analog Mischrohr-Austrittssammler MR HI-AS bei ca. 100000h) ist in die vor der Generalinstandsetzung Gl 4 liegende Kurz- oder mittelfristige Instandsetzung Kl; Ml bei 126000h oder 132000h einzuordnen. Im Ergebnis d^:eser Prüfung wird als Wiederholungsprüfungszustand s_prüf2 = 0,8-0,9 festgelegt. Die Kurvenextrapolation zur Durchführung dieser Prüfungen einschließlich Werkstoffuntersuchung führt in den Generalinstandsetzung-GM-Stillstand bei ca. 150000h. Da die Bestimmung des Grenzzustandes wieder an Nullproben durchzuführen ist, ist wie beim Mischrohr-Austrittssammler MR III-AS rechtzeitig zu beginnen.

Der Erschöpfungsgradanstieg des Hochdruck-Austrittssammlers HD H-AS ist so gering, daß die Erstprüfung theoretisch erst bei 200000 h erfolgen müßte. Stichprobenuntersuchungen zu vorherigen Zeitpunkten, z.B. der mittelfristigen Instandsetzung Ml bei 170000h, sind zweckmäßig.

Dsr Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß sich durch die Synchronisierung von theoretischer Erschöpfung s_th als dimensionslose Beanspruchungskennzahl und tatsächlicher Erschöpfung e_tat als dimensionslose Werkstoffschädigungskennzahl für η-Bauteile einer Anlage eine zeitlich und örtlich differenzierte, schadenserwartungsabhängige, weitestgehend rechnerisch kontrollierbare Werkstoff- und Lebensdauerüberwachung einführen läßt, wodurch der Prüfaufwand erheblich gesenkt werden kann und ein erforderlich werdender Bauteilwechsel mit hoher Wahrscheinlichkeit terminisiert und vorausschauend eingeordnet werden kann.

Claims (1)

1. Verfahren zur Bestimmung der Restlebensdauer eines hochtemperaturbeanspruchten Bauteils, insbesondere eines Kraftwerksbauteiles, gekennzeichnet dadurch, daß in Abhängigkeit von einem theoretisch berechneten Erschöpfungsgrad des Bauteils, seines zeitlichen Verlaufes und des momentanen Anstieges eine Werkstoffuntersuchung durchgeführt wird, wobei zeitecht und/oder zeitgerafft Nullproben oder betriebsbeanspruchte Proben des Bauteils unter Registrierung und Akkumulierung des Erschöpfungsgrades mit dem vorher am Bauteil erfaßten Belastungskollektiv bis zu einer für den Weiterbetrieb des Bauteils nicht mehr zulässigen Werkstoffschädigung weiter beansprucht werden und die Werkstoffschädigung durch eine den Werkstoffzustand beschreibende Menge von bekannten Kennwerten einerseits und einem dimensionslosen äquivalenten Wert des maximal zulässigen Erschöpfungsgrades (s_maxzui) als direktes Zeitmaß und einzigen Kontrollwert andererseits für die noch zulässige Betriebsdauer ermittelt wird.

   Hierzu 1 Seite Zeichnung