THERRI

Bestimmung von Parametern zur Bewertung des thermischen Ermüdungsrisswachstums in Kraftwerken

Hintergrund / Ziele

Im Zuge der Energiewende und der damit verbundenen Veränderungen im Energiemarkt haben sich die technischen Lastanforderungen für fossil betriebene Kraftwerke grundlegend geändert. Moderne Kraftwerke müssen nun flexibel betrieben werden können, um die Restlast, d. h. die Last, die nicht durch erneuerbare Energien gedeckt werden kann, auszugleichen.

Durch die erhöhte und somit notwendige Anzahl von An- und Abfahrprozessen sowie den damit verbundenen Temperatur- und Innendruckschwankungen wird das technische Material höheren Belastungen ausgesetzt als je zuvor. Ermüdungsschäden, die aus der zunehmenden zyklischen Belastung resultieren, gewinnen für den Kraftwerksbetreiber daher enorm an Bedeutung, während die Auswirkungen von Kriechspannungen aufgrund der kürzeren Verweilzeiten bei hohen Betriebstemperaturen abnehmen.

Um maximale Sicherheit und einen reibungslosen Betrieb zu gewährleisten, sind zuverlässige Vorhersagen über Komponenten (z. B. Ausfallwahrscheinlichkeiten oder Materialzustand) ein wichtiger Schritt in Richtung moderner Kraftwerke. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf dickwandigen Kraftwerkskomponenten in den Speisewasser- und Hauptdampfsystemen, da sie besonders hohen Belastungen ausgesetzt sind.

Das THERRI-Projekt

Eine effektive Methode zur Bewertung hoher Ermüdungsbeanspruchungen in komponenten mit wechselnden Lasten ist die bruchmechanische Rissanalyse. Diese Vorgehensweise ermöglicht es, über die standardbasierte Ermüdungsanalyse hinauszugehen, zusätzliche Lebensdauerreserven zu identifizieren und somit die Nutzungsdauer zu verlängern, ohne die erforderlichen Sicherheitsfaktoren zu beeinträchtigen.

Im Rahmen des Projekts THERRI (Thermal Fatigue Crack Growth) wurde dieses Thema von der experimentellen Technologie und der Finite-Elemente-Modellierung bis hin zur Entwicklung eines neuen Normensatzes bearbeitet. Die bruchmechanischen Versuche am IEK-2 wurden sowohl in Luft als auch in einer wasserdampfhaltigen Atmosphäre (H₂O/Ar) im Temperaturbereich von 300 bis 600 °C durchgeführt, um den Einfluss der Umgebung auf das Risswachstumsverhalten der untersuchten Stähle zu untersuchen und somit den Transfer von Laborergebnissen auf praktische Anwendungen in Kraftwerken zu ermöglichen.

Ermüdungs- und Kriechrisse in Kraftwerksanwendungen

Ermüdungsrisse treten aufgrund häufiger Lastwechsel auf, während Kriechrisse bei konstant hohen Temperaturen auftreten.

Das bedeutet, dass bei niedrigen Temperaturen Ermüdungsrisse hauptsächlich durch wechselnde Lasten fortschreiten, während oberhalb von 500 bis 600 °C Kriechrisse an Bedeutung gewinnen.

Ein wichtiges Ziel des THERRI-Forschungsprojekts war es, die untere Temperaturgrenze des relevanten Einflusses von Kriechrissen zu bestimmen.

Ein weiteres Ziel des Forschungsprojekts war es, lastabhängige Prüfintervalle zu ermitteln, die auf den aktuellen oder geplanten Betrieb abgestimmt sind. Darüber hinaus wurde eine Bewertungsmethodik entwickelt, die im Gegensatz zur traditionellen Ermüdungsanalyse weitgehend kein Wissen über die bisherige Betriebsgeschichte erfordert. Dies eröffnet ein breites Spektrum internationaler Anwendungen, da Online-Monitoring-Systeme zur Erfassung des Lebensdauerverbrauchs in vielen thermischen Kraftwerken weltweit nur begrenzt eingesetzt werden.