Moderne Werkstoffauswahl für Kessel und Rohrleitung Herausforderung bei der Reparatur von Altmaterial Dr. Mirko Bader Agenda Einführung (Welche Themen treten in den Vordergrund?) Korrosion: - Hochtemperaturkorrosion (rauchgasseitig) - Hochtemperaturkorrosion (dampfseitig) Design Unterschiede für eine ZÜ-Endstufe Austausch einer ZÜ-Endstufe Thermo-mechanische Ermüdung Materialaustausch P91 versus P92 für BoP oder doch Nickelbasis? Zusammenfassung 2 3. EAS-Instandhaltungsworkshop - Dr. M. Bader 23.-27. November 2015 Einführung (Welche Themen treten in den Vordergrund?) Schäden durch Korrosion 1. Nasskorrosion (Stillstandkorrosion, normaler Betrieb und Sondermaßnahmen) 2. Hochtemperaturkorrosion im Dampferzeuger (Mitverbrennung, …) 3. Spannungsrisskorrosion 4. Dehnungsinduzierte Risskorrosion Schäden durch Anrissbildung von Innen 1. Thermisch induziert (Thermoshock) 2. Thermo-mechanisch-Ermüdung Materialwechsel bei einer Komponentenerneuerung prüfen 1. Verfügbarkeit 2. Bessere Kennwerte 3. Kostenreduzierung 3 3. EAS-Instandhaltungsworkshop - Dr. M. Bader 23.-27. November 2015 Hochtemperaturkorrosion Anwendungsfall im Kraftwerk Rauchgas VTT – Biomasse Kessel Rauchgasseitige Korrosion Dampf Dampfseitige Korrosion [M. Spiegel, 2012] 4 3. EAS-Instandhaltungsworkshop - Dr. M. Bader 23.-27. November 2015 Hochtemperaturkorrosion (Fokus rauchgasseitig) Einflussfaktoren auf die HT-Korrosion Schematische Darstellung der Erscheinungsformen von Hochtemperaturkorrosion 5 3. EAS-Instandhaltungsworkshop - Dr. M. Bader 23.-27. November 2015 [VDM Report 25; 1999] Chlor-induzierte Hochtemperaturkorrosion 6 3. EAS-Instandhaltungsworkshop - Dr. M. Bader 23.-27. November 2015 HT-Korrosion + Chlor (auch Chlor-induzierte aktive Korrosion) Einfluss von Legierungselementen: • Cr nur bedingt • Mo positiv • Mn positiv (Manganchloride sind thermisch sehr stabil ) • Al positiv [ Source : Zevenhoven & Kilpinen: Control of Pollutants in Flue Gases and Fuel Gases. Helsinki University of Technology, 17.6.2001, ENE-47.153] 7 3. EAS-Instandhaltungsworkshop - Dr. M. Bader 23.-27. November 2015 HT-Korrosion + Schwefel Zwei Punkte machen die Korrosion durch Schwefel so aggressiv: - Hohe Diffusionsgeschwindigkeiten des Schwefels, auch durch die gebildete Sulfidschicht (hohe Fehlstellendichte) - Bildung von niedrigschmelzenden Verbindungen oder sich die Sulfide schnell verflüchtigen Schmelzpunkte einiger Sulfide und Metall/Sulfid-Eutektika. Lediglich die kongruent schmelzenden Sulfide sind aufgeführt. Die anderen Sulfidarten wandeln im festen Zustand um. 8 3. EAS-Instandhaltungsworkshop - Dr. M. Bader 23.-27. November 2015 Hochtemperaturkorrosion Innere Oxidationsschicht = Topotaktische Schicht Äußere Oxidationsschicht = Epitaktische Schicht Betriebssituation Ausgangssituation Gemischt mit Verbrennungsresten Rauchgasseite Dampfseite Rauchgasseite Pfeile geben die Wachstumsrichtungen der inneren und äußeren Oxidationsschicht an 9 3. EAS-Instandhaltungsworkshop - Dr. M. Bader 23.-27. November 2015 Hochtemperaturkorrosion (Dampfseitig) [VGB, 2007] 10 3. EAS-Instandhaltungsworkshop - Dr. M. Bader 23.-27. November 2015 Hochtemperaturkorrosion (Dampfseitig) Die Ausdehungskoeffizienten differieren: Die Oxidschichten werden bei hohen Temperaturen gebildet. Bei zu großer Schichtdicke platzen diese dann lokal bei Abkühlung ab. [Knödler, Straub: Oxidation von Stählen bei 650°C; 2008] 11 3. EAS-Instandhaltungsworkshop - Dr. M. Bader 23.-27. November 2015 Hochtemperaturkorrosion Hochtemperaturkorrosion / Verzunderung: Stabilität und Homogenität der Oxidschutzschicht Fe3O4 Fe3O4 Fe3O4 Fe3O4 Cr2O3 (Fe,Cr)3O4 <17% Cr Nur Spinell-Oxid-Bildung Cr2O3 (Fe,Cr)3O4 17%-20% Cr Spinell – Oxide mit örtlicher Bildung von Cr2O3 (bevorzugt an den Korngrenzen) Cr2O3 (Fe,Cr)3O4 20%-22% Cr oder ASTM-Korngröße > 6 Spinell – Oxide mit stabiler Bildung von Cr2O3 durch erhöhte Diffusion über die Korngrenzen >22% Cr gleichmäßige Cr2O3-Schicht Erhöhung des Chromangebots an der Oberfläche durch erhöhte Diffusionsgeschwindigkeiten Mehr Korngrenzen durch Shotblasting (Kornfeinung) Nach [Husemann in Anlehnung an N. Otsuka, H. Fujikawa, Corrosion – Vol. 47. No. 4, NACE 1991] 12 3. EAS-Instandhaltungsworkshop - Dr. M. Bader 23.-27. November 2015 Hochtemperaturkorrosion (Dampfseitig) Ablagerung von Magnetitabplatzungen 13 3. EAS-Instandhaltungsworkshop - Dr. M. Bader 23.-27. November 2015 [VGB, Lüdenbach, 2011] Hochtemperaturkorrosion (Dampfseitig) Eines hochlegierten Stahls Eines niedriglegierten Stahls [Dong, Larsen, 2008] 14 3. EAS-Instandhaltungsworkshop - Dr. M. Bader 23.-27. November 2015 Design Unterschiede einer ZÜ-Endstufe Anfang der 1990-ziger Jahre: Temperaturzuschlag (35K) Strahlung 15 3. EAS-Instandhaltungsworkshop - Dr. M. Bader 23.-27. November 2015 Um 2005: Temperaturzuschlag (35K+10K) Strahlung + Schieflage Austausch einer ZÜ-Endstufe Bisher X20CrMoV12-1 Variante a) P91 Grundlage: gute Verfügbarkeit, begrenzte Restlaufzeit, Berücksichtigung der schlechteren Verzunderungswerte Variante b) VM12 Grundlage: Ähnliche Güte, nur ein Lieferant (V&M), 1:1 Austausch denkbar Variante c) 18%Cr-Güte (Austenit) z.B. Super304H, DMV304HCu, TP347HFG, teurer aber resistenter bei heißen Strähnen 16 3. EAS-Instandhaltungsworkshop - Dr. M. Bader 23.-27. November 2015 Austausch einer ZÜ-Endstufe Detailbetrachtung zum Austausch mit einem 9%-Chromstahl (P91) Eine rechnerische Betrachtung ist zu empfehlen, um die Lebensdauer gesichert mit der Restlaufzeit zu vergleichen 17 3. EAS-Instandhaltungsworkshop - Dr. M. Bader 23.-27. November 2015 Thermo-mechanische Ermüdung Kriechen dominiert (interkristallin) TMF ist eine Interaktion aus Kriechen und Ermüdung Weitere Einflüsse wie Korrosion und thermische Alterung sind zu berücksichtigen Der bekannte Status Kriechen + Ermüdung Der zusätzliche Mode 18 3. EAS-Instandhaltungsworkshop - Dr. M. Bader 23.-27. November 2015 [S. Holdsworth, „Creep-Fatigue Damage in Power Plants Steels“] Thermo-mechanische Ermüdung Neu errichtete Kraftwerke - Neumaterial Kein Kriechen, keine Alterung Von Beginn an zyklische Fahrweise - P92 P91 T23 / T24 Existierende Kraftwerke (20-40 Jahre alt) - Gealtertes Material Kriechschädigung in verschiedenen Stadien Verstärkte zyklische Fahrweise - P91 10CrMo9-10 (P22) 13CrMo4-5 (T12) Genutzt als Werkstoffe für BoP, Sammler und als Gussvariante als Ventil- und Turbinengehäuse 19 3. EAS-Instandhaltungsworkshop - Dr. M. Bader 23.-27. November 2015 Austenite für BoP (Beispiel) Anwendungsfälle vornehmlich in Anlagen der chemischen Industrie z.B. - 1.4910 X3CrNiMoBN17-13-3 Weltweite Lieferung - Thema: Grobkorn und Verunreinigungen Technische Fragestellung: Welche Korngröße ist zulässig? Keine Festlegung zur Korngröße aber: Kleines Korn technologisch für kleine Rohre leicht darstellbar, Bei dickwandigen Rohren problematisch! 20 3. EAS-Instandhaltungsworkshop - Dr. M. Bader 23.-27. November 2015 P91 versus P92 für BoP oder doch Nickelbasis? Vergleich der Zeitstandfestigkeit 21 3. EAS-Instandhaltungsworkshop - Dr. M. Bader 23.-27. November 2015 Wanddickenvergleich für einen Austrittssammler Berechnungsdruck: Berechnungstemperatur: 22 3. EAS-Instandhaltungsworkshop - Dr. M. Bader 23.-27. November 2015 215bar 562°C Austausch von ferritischen Bauteilen durch Nickelbasislegierungen? Höhere Wärmeausdehnung und geringere Wärmeleitung bei Verwendung von Nickelbasiswerkstoffen führen bei gleichen T-Gradienten und gleichen Wandstärken zu höheren Belastungen (Spannung). Der positive Effekt der Wanddickenreduzierung durch Einsatz von Nickelbasiswerkstoffen wird dadurch reduziert 23 3. EAS-Instandhaltungsworkshop - Dr. M. Bader 23.-27. November 2015 Zusammenfassung Schaden durch Korrosionsmechanismen haben zugenommen. Korrosion kann in vielen Fällen nur begrenzt durch ein Veränderung der Werkstoffwahl vermieden werden. Verwendung von Austeniten im ZÜ-Bereich an seenahen Standorten erfordert eine richtige Überwachung der Wasserchemie und Vermeidung falscher Handlingstechnologien Werkstoffwechsel an dickwandigen Bauteilen mit Auslegungstemperaturen >500°C mit dem Ziel der Wandstärkenreduzierung sind wirtschaftlich oft sinnvoll: Wechsel von 14MoV6-3, 10CrMo9-10 auf P91 oder P92 Der Wechsel auf Nickelbasisgüten führt zu einer weiteren Wanddickenreduzierung, birgt aber weitere verdeckte Kostenrisiken. Momentan eher weniger zu empfehlen. 24 3. EAS-Instandhaltungsworkshop - Dr. M. Bader 23.-27. November 2015
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