Aktuell / 03.06.2015

Belastungsabhängige Inspektionsintervalle ermitteln

Die Anforderungen an fossile Kraftwerke haben sich grundlegend geändert. In modernen Anlagen liegt der Fokus auf einer flexiblen Fahrweise. Denn die Kraftwerke müssen bis auf Weiteres die Residuallast – also die Last, die nicht von erneuerbaren Energien bereitgestellt wird – zur Verfügung stellen. Doch das bedeutet auch, dass die Kraftwerke flexibel reagieren müssen. Allerdings belasten viele An- und Abfahrvorgänge aufgrund von Temperatur- und Innendruckschwankungen das Material. Um eine größtmögliche Sicherheit und einen reibungslosen Betrieb zu gewährleisten sind belastbare Vorhersagen zu Bauteilen ein wichtiger Schritt hin zu modernen Kraftwerken.

Im Fokus stehen vor allem dickwandige Kraftwerkskomponenten im Speisewasser- und Frischdampfsystem. Denn diese Bauteile sind besonders stark belastet und benötigen daher verlässliche Wartungsprognosen bei flexibler Fahrweise. Als Beispiele sind hier Kugelformstücke, Armaturen, Sammler und Pumpen zu nennen. Aber auch Anlagenkomponenten, die erst mit dem vermehrten Einsatz von erneuerbaren Energien an Bedeutung gewonnen haben, können von den Ergebnissen profitieren. Zu nennen sind hier vor allem diejenigen Komponenten, die einer vermehrten Wechselbelastung ausgesetzt sind. Das können zum Beispiel Wärmespeicher, Druckluftspeicher oder Power-to-Gas-Anlagen sein.

In den technischen Vorschriften für den Kraftwerksbetrieb ist die Bestimmung der Betriebszeit bis zum technischen Anriss geregelt. Als technischer Anriss gelten Risstiefen von 0,5 bis 1 Millimeter. Im Verbundprojekt THERRI Forschen Wissenschaftler daran, die Lebensdauerreserven von Kraftwerkskomponenten zu erfassen. Dazu möchten sie das Risswachstumsverhalten hypothetischer Anrisse nach dem rechnerischen Erreichen der Ermüdungslebensdauer beschreiben.

Ergebnisse vom Labor in die Praxis übertragen

Foto einer aufgeschnittenen Armatur im Rahmen des Forschungsvorhabens THERRI

Neben Simulationen haben die Wissenschaftler auch einen Prüfstand entwickelt und aufgebaut. An diesem untersuchen sie einerseits den bruchmechanischen Charakter des Stahls im Temperaturbereich von 300 bis 600 Grad Celsius und andererseits führen sie Versuche an bauteilähnlichen Proben vor.

Die Versuche finden in einer wasserdampfhaltigen Atmosphäre statt (AR-H2O), damit die Forscher Mediumeinflüsse auf das Risswachstumsverhalten der untersuchten Stähle überprüfen können und so die Laborergebnisse auf die praktische Anwendungen in Kraftwerken ermöglichen können. Dabei ist zu beachten, dass sich Ermüdungsrisse an ferritischen Stählen in wasserdampfhaltiger Atmosphäre grundsätzlich schneller ausbreiten, als unter Laborbedingungen. Kriechrisse hingegen wachsen langsamer. Der Grund: die sich bildende Oxidationsschicht an den Rissflächen verlangsamt den Prozess.

Im Kraftwerkseinsatz überlagern sich beide Arten von Rissen. Ermüdungsrisse entstehen aufgrund der häufigen Lastwechsel, Kriechrisse entstehen bei gleichbleibend hohen Temperaturen. Das bedeutet: Bei niedrigen Temperaturen breiten sich vor allem Ermüdungsrisse aufgrund von Wechselbelastungen aus, oberhalb von 500 bis 600 Grad Celsius nehmen die Kriechriss-Anteile an Bedeutung zu. Wo genau die untere Grenze des relevanten Einflusses von Kriechrissen liegt, ist eine Aufgabe des Forschungsvorhabens THERRI.

Realitätsnahe Inspektionsintervalle ermöglichen

Ziel des Forschungsvorhabens ist es, belastungsabhängige Inspektionsintervalle zu ermitteln – so wie es in anderen Industriebereichen wie der Automobilindustrie derzeit schon passiert. Dadurch können die Inspektionsintervalle realitätsnah auf den aktuellen beziehungsweise geplanten Betrieb zugeschnitten werden. Erste Erfahrungen zeigen bereits jetzt, dass Verkürzungen der Inspektionsintervalle unter drei Jahre häufig nicht erforderlich sind.

Ein weiteres Ziel besteht in der Entwicklung einer Bewertungsmethodik, die – im Gegensatz zur klassischen Ermüdungsanalyse – weitgehend ohne die Kenntnis der bisherigen Betriebshistorie auskommt. Damit ergeben sich auch international vielseitige Einsatzmöglichkeiten, da weltweit in vielen Wärmekraftwerken nur in geringem Umfang Online-Monitoring-Systeme zur Erfassung des Lebensdauerverbrauchs eingesetzt werden.