Alterungserscheinungen an Heizkesseln

Die gesamte Kraftwerksausrüstung hat eine begrenzte Lebensdauer, aber nicht alle Komponenten altern gleich schnell. Einige Geräte überdauern möglicherweise die Nutzungsdauer einer Anlage, während andere Maschinen im Laufe der Jahre möglicherweise mehr als einmal ausgetauscht werden. Ein Beispiel dafür sind Kesselkomponenten. Typischerweise verschlechtern sich Rohre, die höheren Temperaturen und extremer Belastung ausgesetzt sind, schneller. Wenn man die Mechanismen versteht und weiß, wo nach Frühwarnzeichen zu suchen ist, können Reparaturen durchgeführt werden, bevor es zu einem Ausfall kommt.

Bei guter Kontrolle der Wasserchemie halten Economizer in der Regel länger als Strahlungsüberhitzer (SH) oder Nacherhitzer (RH). Der Abbauprozess wird durch die Einwirkung von Temperaturen verursacht, die so hoch sind, dass die Konstruktionsmaterialien im Kriechbereich arbeiten, thermische Ermüdung ein wesentlicher Abbaumechanismus ist und natürlich mikrostrukturelle Veränderungen auftreten.

Für die Zwecke dieses Artikels werden keine Verschwendung oder Wandverdünnung berücksichtigt, d. h. Korrosion durch Brennstoffasche am Kamin, Flugasche- oder Rußbläsererosion sowie Wasser-/Dampfoxidation und -korrosion werden ignoriert. Durch Untersuchungen der Wanddicke lassen sich solche Probleme im Allgemeinen feststellen, und bei Bedarf können Rohre ausgetauscht werden.

Mit mikrostrukturellen Veränderungen geht eine Abnahme der Härte, Festigkeit und Duktilität einher. Zu diesen Veränderungen gehören die Sphäroidisierung von Karbiden in Chrom-Molybdän-Stählen (Cr-Mo), die Graphitisierung in ferritischen Kohlenstoff- (C) und C-Mo-Stählen sowie die Bildung und Sensibilisierung der Sigma-Phase in austenitischen Edelstählen.

Bei Hochtemperatur-SH- und -RH-Auslasssammlern interagieren Kriechen und thermische Ermüdung auf einzigartige Weise, oft als Kriechermüdung bezeichnet, an den Schweißnähten zwischen Stumpfrohr und Sammelrohr an den Enden der Sammelrohre. Bei Sammlern mit Dampftemperaturen unterhalb des Kriechbereichs kann es an diesen Stellen zu „einfacher“ thermischer Ermüdung kommen. Die unterschiedliche Ausdehnung zwischen dem heißeren Sammler und den kühleren Wasserwänden führt zu einer Durchbiegung der „Stummelrohre“ zwischen den Wasserwänden und dem Sammler. Die „Biegung“ oder Durchbiegung ist an den Enden des Kopfteils am größten, vorausgesetzt, dass die Ausdehnung symmetrisch um den Mittelpunkt der Länge erfolgt.

Die Form der Schädigung, Kriechermüdung oder thermische Ermüdung, hängt von der Temperatur des einzelnen Stichrohrs ab. Um die Ursache zu ermitteln, ist in der Regel eine Mikrostrukturanalyse der Risse erforderlich. Nicht alle Rohre arbeiten bei der durchschnittlichen Dampftemperatur im Sammelrohr. Für einzelne Rohre in einem Zwischenverteiler kann eine Dampftemperatur von 850 °F hoch genug sein, damit SA-213-T2-Stichrohre im Kriechbereich liegen, auch wenn bei 850 °F bei T2 normalerweise nicht damit gerechnet wird, dass sie bei den gesetzlich zulässigen Spannungsniveaus durch Kriechen versagen.

Schätzungen der Spannungen, die durch unterschiedliche Ausdehnung auf die Schweißnähte der Rohrstummel am oder in der Nähe des Sammlers ausgeübt werden, können anhand einer einfachen Balkentheorie berechnet werden. Gehen Sie davon aus, dass die Belastung eines flexiblen Rohrstutzens an einem Punkt an der Wasserwand-/Dachdurchdringung erfolgt, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Die Durchbiegung ist gegeben durch:

Dabei ist δ die durch die unterschiedliche Ausdehnung verursachte Durchbiegung (Zoll), l die Länge des Stichrohrs zwischen Sammelrohr und Wasserwand (Zoll), E der Elastizitätsmodul (ca. 22 x 106 psi bei 1.000 F) und I Das Trägheitsmoment (in4) und für Rohre und Rohre wird durch π / 64 x (Außendurchmesser4 – Innendurchmesser4) angegeben, und P ist die Last, die erforderlich ist, um die Durchbiegung zu bewirken (lb bei einfacher Biegung).

Die Biegespannung an der Oberfläche ergibt sich zu:

Dabei ist S die maximale Spannung in der Außenfaser (psi), M das Biegemoment (in-lb) und gleich P xl (Last x Länge), c der Abstand von der neutralen Achse zur Oberfläche (in). ), und I ist das Trägheitsmoment (in4).

Zu berechnen ist die Spannung S aus der Durchbiegung an den gerissenen Rohren nahe den Enden des Sammlers. Die beiden Gleichungen können für P wie folgt gelöst werden:

Wenn man die beiden Gleichungen einander gleichsetzt und dann nach S auflöst, erhält man:

Die Durchsicht der Lösung für S deutet darauf hin, dass die Spannung aus der unterschiedlichen Ausdehnung, die Kriechermüdung oder thermische Ermüdungsschäden verursacht, abnimmt, wenn das Stichrohr länger wird (flexibler, weniger steif), und zunimmt, wenn die Durchbiegung zunimmt (längeres Sammelrohr, größerer Temperaturunterschied zwischen Wasserwand und Sammler) und Stichrohre werden im Durchmesser größer.

Die Durchbiegung wird aus den Unterschieden in der Wärmeausdehnung zwischen dem Auslasssammler bei 1.000 °F und dem Wasserwanddach bei 650 °F geschätzt, daher:

Dabei ist ∝ der Ausdehnungskoeffizient (in./in./F), L die Länge vom Sammelrohrmittelpunkt bis zu den Endrohren (in.), ∝ für T22 von 70F bis 1.000F beträgt 7,97 x 10–6 Zoll/in ./F, ∝ für 210 A1 von 70F bis 650F beträgt 7,35 x 10–6 Zoll/Zoll/F.

Dieser einfache Ansatz gibt an, wo die erste gründliche Inspektion durchgeführt werden sollte – Rohre an den Enden mit der kürzesten Länge.

Das folgende Beispiel aus den Akten von David N. French Metallurgists (DNFM) aus einem 33 Jahre alten Kessel veranschaulicht einige dieser Konzepte. Als Bonus wird eine echte Rarität veranschaulicht: eine Schweißung aus einem unähnlichen Metall (DMW), die mit einer Schweißlegierung auf Nickelbasis hergestellt wurde und auf der Edelstahlseite versagte.

Bei der Inspektion des Hochtemperatur-SH-Auslasssammlers des Kessels wurden deutliche Risse an den Innenrohren einer Achtrohranordnung festgestellt (Abbildung 2). Eine Nahaufnahme des beschädigten Bereichs ist in Abbildung 3 dargestellt. Beachten Sie, dass sich die Rissentfernungsbereiche im Rohr mit kleinerem Durchmesser und auf der Hälfte zum Ende des Sammelrohrs befinden.

Die Ablenkung des Rohrs aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnung würde dazu führen, dass der Spannungsabschnitt des Rohrs dem Sammelrohrende zugewandt ist. Die beiden Rohre in diesem Beispiel wurden mit 2,25 Zoll angegeben. Außendurchmesser (AD) x 0,460 Zoll. Mindestwandstärke (MWT) SA-213 T22 niedriglegierter Stahl und 1,75 Zoll. Außendurchmesser x 0,260 Zoll. MWT SA-213 TP321H Edelstahl.

Wo in der Praxis ein Schaden auftritt – SA-213 T22 am Sammelrohr, T22 Wärmeeinflusszone (HAZ) des DMW oder die 321 HAZ des DMW –, hängt von mehreren Faktoren ab, darunter Rohrdurchmesser, Länge zum Dach (Biegung). Moment), Form der DMW- und T22-Rohr-Kopf-Schweißnaht (Stresserhöhung aufgrund schlechter Schweißnahtgeometrie) und die im DMW verwendete Schweißlegierung. In den meisten Fällen entsteht der Schaden beim DMW.

Ein DMW ist eine Verbindung zwischen zwei verschiedenen Legierungssystemen, typischerweise zwischen ferritisch und austenitisch oder martensitisch und austenitisch. Historisch gesehen wurden DMWs aus Edelstahl-Schweißlegierungen hergestellt, häufig E-309. In der HAZ auf der T22-Seite würde ein Ausfall auftreten.

Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Edelstahl ist etwa 30 % größer als der von ferritischen Stählen ähnlich T22. Dieser Unterschied führte zu einer großen thermischen Belastung des T22 am Rand der Fusionszone. Die moderne Praxis besteht darin, eine Legierung auf Nickelbasis zu verwenden. Jetzt sind die Wärmeausdehnung des Schweißguts und des T22 nahezu gleich und die thermische Spannung wird auf die HAZ aus rostfreiem Stahl übertragen. Bei normalem Betrieb ist der Edelstahl stark genug, um einem Ausfall standzuhalten.

Im hier vorgestellten Beispiel lag der Fehler beim TP321H. Da die Zugspannungen additiv sind, addiert sich die Spannung aus der Biegung des Stutzenrohrs aufgrund von Ausdehnungsunterschieden zwischen Dach und Sammelrohr zu der Spannung in der WEZ, die durch Ausdehnungsunterschiede zwischen TP321H und dem Schweißgut entsteht. Das Ergebnis war ein Ausfall des TP321H-Rohrs mit kleinerem Durchmesser, wie in Abbildung 3 dargestellt.

Es wurden keine maßlichen Messungen der Sammelrohrlänge oder der Stutzenrohrlänge bereitgestellt, daher konnten keine Schätzungen des tatsächlichen Spannungsniveaus berechnet werden. Der Punkt mag jedoch strittig sein, da es wahrscheinlich zu einer Spannungsentspannung gekommen wäre, wenn die Rohre bei einer ausreichend hohen Temperatur und über einen ausreichend langen Zeitraum betrieben wurden, um die Spannungen während des Betriebs effektiv zu „entlasten“, was wahrscheinlich der Grund für den Schaden ist so lange zu entwickeln.

Ein Stichrohr der zweiten Reihe wurde zur metallurgischen Analyse an DNFM geschickt und ist in Abbildung 4 dargestellt. Eine Nahaufnahme ist in Abbildung 5 dargestellt. Das DMW ist gut verarbeitet und weist einen glatten Übergang zwischen den Rohren mit unterschiedlichen Durchmessern auf. Die metallografische Analyse des DMW in einer Ebene, in der etwaige Schäden zu erwarten waren, ergab vier interessante mikrostrukturelle Details. Sie waren:

■ Die Mikrostruktur des TP321H bestand aus gleichachsigem Austenit, wobei die Korngrenzen sowohl mit Karbiden als auch mit der Sigma-Phase verziert waren (Abbildung 6). Das Auftreten einer Sigma-Phase deutet darauf hin, dass dieses Pendant oder mehrere Endpendel während eines beträchtlichen Teils der 33-jährigen Betriebszeit oberhalb der Auslegungstemperatur betrieben wurden. Es kann auch eine U-Form der Temperaturverteilung innerhalb des Überhitzers bedeuten (um dies zu bestätigen, müssten andere Pendants untersucht werden).

■ Am Außendurchmesser neben der HAZ des Schweißguts wurden die erwarteten interkristallinen Kriech- oder Zeitstand-Ermüdungsrisse gefunden (Abbildung 7). Dies war das Ergebnis der kombinierten Zugspannungen aus Biegung und DMW.

■ In der Nähe der Risse waren außerdem Zwillingsgrenzen zu erkennen – die geraden schwarzen Linien über einigen Austenitkörnern – ein Hinweis auf plastische Spannung aufgrund der Zugspannungen.

■ Eine kleine Stufe oder Änderung im Durchmesser, eine Spannungserhöhung oder „Kerbe“ am Rand des Schweißguts. Das TP321H oxidiert schneller als das Nickel-Schweißgut (ähnliche Zusammensetzung wie Inconel 625). Über die Lebensdauer erhöht der Spannungserhöher die wirksame Zugspannung weiter.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Schaden an Schweißnähten zwischen Rohrstummel und Sammelrohr infolge der unterschiedlichen Ausdehnung zwischen Sammelrohr und Dach durch Spannungen erklärt werden kann, die anhand der einfachen Balkentheorie geschätzt werden, durch erwartete Betriebsspannungen an Schweißlegierungen und durch die bei der Herstellung verwendeten Bedingungen. Wichtiger ist jedoch die Hilfe, die dabei hilft, genau zu wissen, wo nach den ersten Anzeichen von Schäden – den Vorboten eines Ausfalls – gesucht werden muss, wenn Dampferzeuger die 25-Jahres-Marke überschreiten. Die sorgfältige Inspektion, die zum Auffinden dieser Risse erforderlich ist, erfordert eine gründliche Reinigung, die zeitaufwändig ist. Empfohlen werden Inspektionstechniken wie Flüssigkeitseindringmittel, Magnetpartikel und Nachbildungen. ■

–Rama S. Koripelli, PhD, PE ([email protected]) ist der technische Direktor von David N. French Metallurgists, und David N. French, ScD ([email protected]) ist der Gründer von David N. French Metallurgists.

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