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März 2012
Matthias Lyschik
Schädigungsbeschreibung an massiven heißgängigen Kraftwerkskomponenten bei Anfahrvorgängen am Beispiel des Werkstoffes 23CrMoNiWV8-8
Bei Spitzenlastkraftwerken wie GuD-Kombikraftwerken sind schnellere Anfahrvorgänge von zunehmendem Interesse, um die benötigte Leistung möglichst schnell zur Verfügung stellen zu können. Dies beeinflusst das Schädigungsverhalten aufgrund thermomechanischer Belastung der massiven Kraftwerkskomponenten während der sich wiederholenden Anfahrvorgänge. Das Ziel dieser Arbeit war es daher, den Lebensdauerverbrauch am Beispiel des Turbinenwerkstoffs 23CrMoNiWV8-8 bei diesen Vorgängen zu untersuchen und damit Potential für kürzere Anfahrdauern zu ergründen. Im Mittelpunkt standen dabei die Hoch- und Mitteldruckrotoren von Dampfturbinen, welche die für die Anfahrzeit begrenzenden Komponenten darstellen.
Hauptaugenmerk der Untersuchung lag auf dem Einfluss der Temperatur auf die Schädigung in der relativ kurzen Phase der plastischen Verformung beim Anfahren. Weiter wurde der Einfluss der Mehrachsigkeit, wie er an der Rotoroberfläche vorliegt, untersucht. Für alle Anfahrvarianten ergab sich, je höher die Temperatur im Variationsbereich des Anfahrens, desto geringer der Betrag der Spannung und somit die akkumulierte Kriechschädigung in dieser Zyklusphase. Daraus resultierte eine um 20% höhere Anrisswechselzahl bei höheren Anfahrtemperaturen. Die eingesetzte Bewertung der Versuchergebnisse mithilfe der Formänderungsarbeit spiegelte die Versuchsergebnisse wider, ohne dass ein Zugriff auf zusätzliche Versuchsdaten notwendig war.
Mit einem phänomenologischen Ansatz ließen sich die Versuchsergebnisse mit hinreichender Genauigkeit abbilden, wie die Gegenüberstellung von experimentell ermittelter und berechneter Anrisswechselzahl zeigte. Die komplexen betriebsnahen Versuche bildeten außerdem das Verformungs- und Schädigungsverhalten nach und dienten als Referenz für die anschließende Simulation des Materialverhaltens unter Verwendung der FEM auf Basis eines konstitutiven Werkstoffmodells. Die Erweiterung des konstitutiven Materialmodells auf den untersuchten 2%Cr-Stahl konnte erfolgreich durchgeführt werden. Die Identifizierung der Materialparameter erfolgte mit der Methode der neuronalen Netze. Zur Berechnung der Anrisswechselzahl wurde eine temperaturabhängige Schädigungsbeschreibung eingeführt.
Insgesamt wurde in dieser Arbeit eine Lebensdauerberechnung mit unterschiedlichen praxisrelevanten Methoden erfolgreich entwickelt. Die durchgeführten Versuche und Lebensdauerbewertungen haben gezeigt, dass die mit der zunehmenden Flexibilisierung moderner Maschinen und Anlagen einhergehenden Anfahrvorgänge nicht langsamer durchgeführten werden müssen als bisher angenommen und sind daher auch von großer wirtschaftlicher Bedeutung.
Hauptaugenmerk der Untersuchung lag auf dem Einfluss der Temperatur auf die Schädigung in der relativ kurzen Phase der plastischen Verformung beim Anfahren. Weiter wurde der Einfluss der Mehrachsigkeit, wie er an der Rotoroberfläche vorliegt, untersucht. Für alle Anfahrvarianten ergab sich, je höher die Temperatur im Variationsbereich des Anfahrens, desto geringer der Betrag der Spannung und somit die akkumulierte Kriechschädigung in dieser Zyklusphase. Daraus resultierte eine um 20% höhere Anrisswechselzahl bei höheren Anfahrtemperaturen. Die eingesetzte Bewertung der Versuchergebnisse mithilfe der Formänderungsarbeit spiegelte die Versuchsergebnisse wider, ohne dass ein Zugriff auf zusätzliche Versuchsdaten notwendig war.
Mit einem phänomenologischen Ansatz ließen sich die Versuchsergebnisse mit hinreichender Genauigkeit abbilden, wie die Gegenüberstellung von experimentell ermittelter und berechneter Anrisswechselzahl zeigte. Die komplexen betriebsnahen Versuche bildeten außerdem das Verformungs- und Schädigungsverhalten nach und dienten als Referenz für die anschließende Simulation des Materialverhaltens unter Verwendung der FEM auf Basis eines konstitutiven Werkstoffmodells. Die Erweiterung des konstitutiven Materialmodells auf den untersuchten 2%Cr-Stahl konnte erfolgreich durchgeführt werden. Die Identifizierung der Materialparameter erfolgte mit der Methode der neuronalen Netze. Zur Berechnung der Anrisswechselzahl wurde eine temperaturabhängige Schädigungsbeschreibung eingeführt.
Insgesamt wurde in dieser Arbeit eine Lebensdauerberechnung mit unterschiedlichen praxisrelevanten Methoden erfolgreich entwickelt. Die durchgeführten Versuche und Lebensdauerbewertungen haben gezeigt, dass die mit der zunehmenden Flexibilisierung moderner Maschinen und Anlagen einhergehenden Anfahrvorgänge nicht langsamer durchgeführten werden müssen als bisher angenommen und sind daher auch von großer wirtschaftlicher Bedeutung.
Schlagwörter: Hochtemperatur; Schädigung; Lebensdauer; Kriechermüdung; Thermomechanisch
Berichte aus der Werkstofftechnik, hrsg. von Prof. Dr.-Ing. Christina Berger
Herausgegeben von Frau Prof. Dr.-Ing. Christina Berger, Darmstadt
Band 2012,1
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