THERRI - Thermisches Ermüdungsrisswachstum

Ermittlung von Kennwerten zur Bewertung thermischen Ermüdungsrisswachstums in Kraftwerken

Hintergrund / Zielsetzung

Im Zuge der Energiewende und der damit verbundenen Änderungen im Energiemarkt, haben sich heutzutage die technischen Lastanforderungen an fossile Kraftwerke grundlegend geändert. Moderne Kraftwerke müssen nun in der Lage sein, flexibel betrieben zu werden, um die Residuallast, d.h. die Last, die nicht von erneuerbaren Energien bereitgestellt werden kann, zu kompensieren.

Aufgrund der nun gestiegenen und somit erforderlichen Vielzahl von An- und Abfahrvorgänge und der damit einhergehenden Temperatur- und Innendruckschwankungen wird das technische Material stärker belastet als je zuvor. Die Ermüdungsschädigung infolge der zunehmenden Wechselbeanspruchung gewinnt somit enorm an Bedeutung für den Kraftwerksbetreiber, wohingegen der Einfluss der Zeitstandbeanspruchung, aufgrund der kürzeren Verweilzeiten bei hohen Betriebstemperaturen geringer wird.

Um eine größtmögliche Sicherheit und einen reibungslosen Betrieb zu gewährleisten sind belastbare Vorhersagen zu Bauteilen (zum Beispiel Ausfallwahrscheinlichkeiten oder Materialstatus) ein wichtiger Schritt hin zu modernen Kraftwerken. Dabei stehen insbesondere dickwandige Kraftwerkskomponenten im Speisewasser- und Frischdampfsystem im Fokus, da Sie besonders stark belastet werden.

Das Projekt THERRI

Eine effektive Möglichkeit zur Bewertung hoher Erschöpfungsgrade von lastwechselbeanspruchten Komponenten ist mit der bruchmechanischen Risswachstumsanalyse gegeben. Hierdurch können über die regelwerksbasierte Ermüdungsanalyse hinausgehend, zusätzliche Lebensdauerreserven des Bauteils und somit Betriebsdauerverlängerungen erschlossen werden, ohne dabei die erforderlichen Sicherheiten zu reduzieren.

Im Projekt THERRI (THermisches ERmüdungsRIsswachstum) wurde dieses Themenfeld von der Versuchstechnik über finite Elemente Modellierung bis hin zur Erarbeitung eines neuen Regelwerks bearbeitet. Die bruchmechanischen Versuche am IEK-2 fanden sowohl an Luft wie auch in wasserdampfhaltiger Atmosphäre (H2O/Ar) im Temperaturbereich von 300 bis 600 °C statt, um den Umgebungseinfluss auf das Risswachstumsverhalten der untersuchten Stähle überprüfen zu können und so die Übertragung der Laborergebnisse auf die praktische Anwendung in Kraftwerken zu ermöglichen.

Ermüdungs- und Kriechrisse im Kraftwerkseinsatz

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 °C nehmen die Kriechriss-Anteile an Bedeutung zu.

Ein wichtiges Ziel des Forschungsvorhabens THERRI war es, die Ermittlung der unteren Temperaturgrenze des relevanten Einflusses von Kriechrissen.

Ein weiteres Ziel des Forschungsvorhabens war es belastungsabhängige, auf den aktuellen oder geplanten Betrieb zugeschnittene Inspektionsintervalle, zu ermitteln. Zudem wurde eine Bewertungsmethodik entwickelt, die im Gegensatz zur klassischen Ermüdungsanalyse weitgehend ohne die Kenntnis der bisherigen Betriebshistorie auskommt. Daraus ergeben sich nun international vielseitige Einsatzmöglichkeiten, da weltweit in vielen Wärmekraftwerken nur in geringem Umfang Online-Monitoring-Systeme zur Erfassung des Lebensdauerverbrauchs eingesetzt werden.