DE19711107A1 - Verfahren zur Ermittlung von Werkstoffschädigungen an einem rotierenden thermisch und dynamisch beanspruchten Maschinenteil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Werk­ stoffschädigungen an einem rotierenden thermisch und dyna­ misch beanspruchten Maschinenteil, wie z. B. dem Läufer einer Dampfturbine, einer Gasturbine oder eines Verdichters.

Die Einsatzfähigkeit und der Lebensdauerverbrauch eines ro­ tierenden thermisch und dynamisch beanspruchten Maschinen­ teils, wie z. B. der Läufer einer Dampfturbine, wird durch kontinuierliche rechnerische Bestimmung des Lebensdauerver­ brauchs auf der Grundlage der vorhandenen bzw. zu ermitteln­ der Werkstoffkennwerte und der Betriebsparameter ermittelt (z. B. DE 15 73 665, 27 48 607, 33 14 181). Diese Verfahren sind jedoch mit großen Fehlern behaftet, da die Ausgangs­ werkstoffkennwerte nicht exakt bekannt sind sowie Änderungen während des Betriebes unterliegen.

Das Ergebnis der kontinuierlichen oder periodischen Schwin­ gungsüberwachung wird in die rechnerischen Verfahren einbezo­ gen (EP 0 585 623). Eine erkennbare Beeinflussung tritt je­ doch erst bei Schäden mit relativ großem Ausmaß, z. B. einem Makroriß, ein.

Zum Nachweis betriebsbedingter und/oder herstellungsbedingter Fehler sowie nach Ablauf der rechnerisch ermittelten Lebens­ dauer werden herkömmliche zerstörungsfreie Prüfverfahren an­ gewandt, wobei die Fehler bereits eine relativ große Ausdeh­ nung aufweisen müssen. Nach Ablauf des rechnerischen Lebensdauerendes kann der Läu­ fer der Dampfturbine aus verschiedenen Gründen mit einem zeitlich zunehmenden Schadensrisiko betrieben werden (VGB-Richtlinie "Prüfung betriebsbeanspruchter Läufer und Gehäuse von Dampf- und Gasturbinen", VGB-R512M, 1991).

Je nach Gefährdungsrisiko ist das Ende der rechnerischen Le­ bensdauer als Warnsignal für erhöhte Überwachungsmaßnahmen oder als Zeitpunkt für den Austausch des Läufers zu sehen. Ein Erkennen der Ermüdung des Werkstoffes des Läufers im Frühstadium vor Eintreten eines mit den vorgenannten Verfah­ ren erkennbaren Fehlers ist bisher nicht möglich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, bei dem für rotierende thermisch und dynamisch beanspruchte Maschinenteile eine Ermüdungserkennung des Werk­ stoffes im Frühstadium möglich wird. Vor allem soll nach Ab­ lauf der rechnerisch ermittelten Lebensdauer eine risikoarme Entscheidung für den Weiterbetrieb des Maschinenteils möglich sein.

Dies wird dadurch erreicht, daß erfindungsgemäß die hochbean­ spruchten, insbesondere durch Querschnittsänderungen und Schweißungen gekennzeichneten Bereiche des Maschinenteiles, wie z. B. die Radscheiben des Hochdruck- und/oder des Mittel­ druckeingangsteiles oder die Schweißnähte der Welle des Läu­ fers der Dampfturbine, ganz oder teilweise über deren Umfang präpariert, entlang der präparierten sowie aufgeteilten Be­ reiche eine zerstörungsfreie Prüfung durchgeführt, Meßwerte und/oder Meßbilder von Mikroporen erzeugt, Schädigungs­ merkmale und/oder -klassen bestimmt sowie maßgenau erfaßt, entsprechend der Schädigungsverteilung Schädigungsbereiche sowie Schädigungsmaximum und -minimum bestimmt werden und daraus der Schädigungsgrad dem Werkstoffes des Maschinentei­ les als topografisches Bild ermittelt wird.

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt:

Fig. 1 - die Radscheibe am Läufer des Hochdruck-Einganges der Dampfturbine (schematisch),

Fig. 2 - die Abwicklung der Folienabdrücke mit eingezeichne­ ten Schädigungsklassen.

Die Welle 1 des Läufers 2 weist die Radscheibe 3 mit Schaufel 4 im Hochdruck-Eingang der Dampfturbine auf. Die Dampfturbine nähert sich aufgrund der Einsatzweise dem Ende der rechne­ risch ermittelten Lebensdauer. Es soll eine Entscheidung ge­ troffen werden, ob und mit welchem Risiko die Dampfturbine i weiterbetrieben werden kann. Dazu wird der zugängliche Teil des Läufers 2 der Dampfturbine zugrunde gelegt, der den Be­ reich der höchsten Temperatur- und Spannungsbeanspruchung aufgrund von Rechen-, Meß- und Erfahrungswerten darstellt. Für den Läufer 2 stellt der Bereich 5 eine markante Stelle für die Querschnittsänderung zwischen Welle 1 und Radscheibe 3 des Hochdruck-Einganges der Dampfturbine dar. Der Bereich 5 wird durch Polieren der Oberfläche präpariert. Danach werden von diesem präparierten Bereich 5 Folienabdrücke 6; 7; 8; 9; 10; 11; 12; 13 des Werkstoffgefüges von der Radscheibe 3 und der Welle 1 genommen.

Nach Abnahme der Folienabdrücke 6; 7; 8; 9; 10; 11; 12; 13 wird die jeweilige Porendichte ermittelt, daraus die Schädi­ gungsklassen bestimmt und maßgenau auf den Bereich 5 übertragen.

Durch diese maßgenaue Übertragung ist die Schädigungsvertei­ lung im Bereich 5 aufgrund der festgestellten Schädigungs­ klasse festzustellen.

Für Welle 1 und Radscheibe 3 ergibt sich nach Auswertung der Folienabdrücke folgendes:

Im Folienabdruck 9 sind die Schädigungsklassen 1; 2a; 2b und 3a bis 3b ermittelt worden.

Im Folienabdruck 10 sind die Schädigungsklassen 1; 2a und 2b ermittelt worden (Fig. 2).

Aus der Schädigungsklassenverteilung leiten sich geometrische Fig. 14; 15 für den Bereich 5 im Übergang Radscheibe 3 und Welle 1 ab, die sich wie folgt darstellen:

Aufgrund der Schädigungsklassenverteilung ergibt sich im Fo­ lienabdruck 9 die geometrische Fig. 14 mit den Schädigungs­ klassen 1 bis 3b beginnend im Übergang 16 zur Radscheibe 3 und im Folienabdruck 10 die geometrische Fig. 15 mit den Schädigungsklassen 1 bis 2b beginnend im Übergang 16 zur Wel­ le 5.

Aus den Fig. 14; 15 ist in Verbindung mit der Schädigungs­ klassenverteilung ein Schädigungsgrad des Werkstoffes für die Welle 1 und die Radscheibe 3 zu ermitteln, der keinen Weiter­ betrieb, sondern nur noch ein Wechsel des Läufers 2 zuläßt.

Durch die Erfindung ist es nun möglich, die Ausdehnung einer Schädigung lückenlos zu bestimmen und daraus auf das Risiko für einen Weiterbetrieb, für einen begrenzten Weiterbetriebs­ zeitraum oder einen Wechsel zu schließen.

Weiterhin ist in Auswertung der Ausdehnung in Verbindung mit der bisherigen Betriebsweise auf die Art der Schädigung, z. B. der Schädigungsmerkmale, zu schlußfolgern.

Außerdem ist es möglich, durch eine Null-Messung und weitere periodische Messungen Schlußfolgerungen für die Instandhal­ tung und die Betriebsweise zu treffen.

Durch die Erfindung werden folgende Vorteile erreicht:

• 1. Es werden Schädigungen nachgewiesen, die mit herkömmlichen zerstörungsfreien Prüfverfahren nicht erfaßbar sind.
• 2. Das Verfahren berücksichtigt die tatsächlichen örtlichen Beanspruchungen in Abhängigkeit vom realen Werkstoff zu­ stand.
• 3. Die Schädigung wird in einem so frühen Stadium erkannt, daß eine Werkstoffschädigung an den geprüften Stellen rechtzeitig erkannt wird und eine planmäßige Instandhal­ tung erfolgen kann.

Bezugszeichenliste

1

Welle

2

Läufer

3

Radscheibe

4

Schaufel

5

Bereich

6

Folienabdruck

7

Folienabdruck

8

Folienabdruck

9

Folienabdruck

10

Folienabdruck

11

Folienabdruck

12

Folienabdruck

13

Folienabdruck

14

geometrische Figur

15

geometrische Figur

16

Übergang

Claims (3)

1. Verfahren zur Ermittlung von Werkstoffschädigungen an ei­ nem rotierenden thermisch und dynamisch beanspruchten Maschi­ nenteil, wie z. B. dem Läufer einer Dampfturbine einer Gasturbine oder eines Verdichters, gekennzeichnet dadurch, daß die hochbeanspruchten, insbesondere durch Querschnittsän­ derungen und Schweißungen gekennzeichneten Bereiche des Ma­ schinenteiles, wie z. B. die Radscheiben des Hochdruck- und/ oder des Mitteldruckeingangsteiles oder die Schweißnähte der Welle des Läufers der Dampfturbine, ganz oder teilweise über deren Umfang präpariert, entlang der präparierten sowie auf­ geteilten Bereiche eine zerstörungsfreie Prüfung durchge­ führt, Meßwerte und/oder Meßbilder von Mikroporen erzeugt, Schädigungsmerkmale und/oder -klassen bestimmt sowie maßgenau erfaßt, entsprechend der Schädigungsverteilung Schädigungsbe­ reiche sowie Schädigungsmaximum und -minimum bestimmt werden und daraus der Schädigungsgrad des Werkstoffes des Maschinen­ teiles als topografisches Bild ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß als zerstörungsfreie Prüfverfahren ein Gefügeabdruckverfahren, ein Thermografieverfahren oder ein Ultraschallverfahren ange­ wendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß für die gekennzeichneten Bereiche des Maschinenteiles der tatsächliche Ausgangszustand des Werkstoffes über die Härte und über das Gefüge als topografisches Bild sowie durch ein zerstörungsfreies Prüfverfahren, wie Thermografieverfahren oder Ultraschall ermittelt wird