Korrosionsermüdungsversagen von Rohren in Wasserrohrkesseln

Der Chemicals Industries Division von HSE sind drei relativ neue Ausfälle im Zusammenhang mit Wasserrohrkesseln bekannt. Jedes dieser Probleme scheint durch Korrosionsermüdung der äußeren Wasserwandrohre verursacht worden zu sein. Diese Warnung, die sich insbesondere an die chemische Industrie richtet, beschreibt die Vorfälle und beschreibt die Maßnahmen, die von den Verantwortlichen ergriffen werden sollten.

Hinweis: Korrosionsermüdung wird durch eine Kombination aus einem Korrosionsmechanismus und Ermüdung durch mechanische oder thermische Belastungen verursacht.

Alle drei Kessel waren gasbefeuert, hatten ein „D“-Rohrdesign (siehe nebenstehende Abbildung) und waren etwa 30 Jahre alt, mit einem Betriebsdruck von 80 barg. In dieser Zeit wurden sie sowohl im Dauer- als auch im Unterbrechungsbetrieb eingesetzt.

Zwei der drei Vorfälle führten zu einem „Fensterscheiben“-Versagen, bei dem ein Materialstück aus dem Kesselwandrohr herausgeschleudert wurde. Diese sind auf den Fotos unten dargestellt. Ein solcher Fehler kann ein sehr ernstes Verletzungsrisiko darstellen, entweder durch das Coupon selbst oder durch die daraus resultierende Freisetzung von Hochdruckdampf. Beim dritten Vorfall führte ein Längsriss im Rohr dazu, dass im Kessel Dampf freigesetzt wurde, dessen Energie ausreichte, um eine Zugangstür wegzusprengen.

In jedem Fall befanden sich die beschädigten Rohre an den äußersten Enden der Kessel, nahe dem Hauptgerüst. Zwei der Ausfälle traten in kaltgeformten Biegungen auf (eines an einer oberen Biegung und eines an einer unteren Biegung). Der dritte Fehler betraf einen geraden Rohrabschnitt.

Eine detaillierte Untersuchung mit Video-Endoskopen, Winkelsonden-UT und zerstörenden Tests ergab, dass Korrosionsermüdungsrisse (wenn auch in geringerem Ausmaß) bis zu etwa 12 Rohre von den Enden entfernt auftraten.

Unfalluntersuchungen deuten darauf hin, dass die stärker beanspruchten Teile von Rohren (z. B. Bögen oder andere Bereiche in der Nähe von Stützen oder Stützen) möglicherweise am anfälligsten sind. Auf die Endrohre der Kesselrahmen könnten zusätzliche thermische Belastungen ausgeübt werden.

Man geht davon aus, dass der Vorläufer des Korrosionsangriffs auf unzureichende wasserseitige Kontrollen bei Kesselausfällen und nicht auf eine schlechte Wasseraufbereitung während des Betriebs zurückzuführen ist (Referenz 1). Die Korrosion dringt in die natürlich entstehende Magnetitschicht ein und bildet Löcher. Die Defektmorphologie lässt vermuten, dass die Ermüdungsrissbildung von den Korrosionsgruben herrührt, die sich dann zu Rissen verbinden.

Die Untersuchungen ergaben, dass sich die Inspektionen überwiegend auf die Dampf- und Schlammtrommeln konzentrierten, obwohl jeder der Kessel eine umfangreiche Inspektionshistorie aufwies (die Häufigkeit betrug vier bzw. drei Jahre). An den Rohren selbst wurden nur sehr begrenzte Inspektionen durchgeführt, und diese konzentrierten sich hauptsächlich auf Wandverdünnungen, die durch Korrosion unter der Isolierung verursacht wurden. Obwohl in den Untersuchungsplänen auf eine gewisse Risserkennung verwiesen wurde, wurden Ermüdung oder Korrosionsermüdung in Bezug auf die Wasserwandrohre nicht berücksichtigt.

Es scheint auch wahrscheinlich, dass eine Reihe von Rohrausfällen in den Jahren vor diesen Vorfällen durch Korrosionsermüdung verursacht worden sein könnten, fälschlicherweise jedoch einem Ausfall aufgrund von Überhitzung zugeschrieben wurden.

Obwohl es zweifelhaft ist, dass der Zustand der Schachttürbefestigungen im Zusammenhang mit dem dritten Fehler zur Schwere dieses Vorfalls beigetragen hat, wurde erkannt, wie wichtig es ist, den Zustand und die Eignung für den Zweck dieser und anderer Befestigungen bei Ausfallinspektionen ordnungsgemäß festzustellen.

Zum Zeitpunkt des Verfassens dieses Artikels scheint es, dass die Videoskop-Inspektion des Rohrinneren und die Winkelsonden-UT-Inspektion von außen die einzig geeigneten Techniken sind. Derzeit wird geforscht, ob andere Techniken wie rotierende Wirbelstromverfahren (ähnlich IRIS) eingesetzt werden können.

Die HSE-Untersuchungen ergaben außerdem, dass diejenigen, die an der Durchführung technischer Überprüfungen und risikobasierter Integritätsbewertungen beteiligt waren, sowie die Inspektoren selbst zwar Erfahrung und Fachkenntnisse in konventionellen chemischen Prozessanlagen hatten, aber keine Spezialisten für Kessel oder befeuerte Heizgeräte waren.

Bezeichnenderweise wurde auch deutlich, dass Korrosionsermüdung und tatsächlich Fensterscheibenversagen bei Kesseln zwar nicht häufig vorkommen, im Stromerzeugungssektor jedoch erkannt wurden (Referenz 2).

Pflichtinhaber sollten Folgendes beachten:

BS 2486:1997 „Aufbereitung von Wasser für Dampfkessel und Warmwasserbereiter“ SaFed „Drucksysteme – Richtlinien zur Periodizität von Prüfungen“ American Petroleum Institute – API RP 573 „Inspektion von befeuerten Kesseln und Heizgeräten“

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