DE19711107C2

DE19711107C2 - Verfahren zur Ermittlung von Werkstoffschädigungen an einem rotierenden thermisch und dynamisch hochbeanspruchten Maschinenteil

Info

Publication number: DE19711107C2
Application number: DE1997111107
Authority: DE
Inventors: Werner Koppe; Christian Kuehne; Rolf Pohl
Original assignee: Vattenfall Europe Generation AG and Co KG
Current assignee: Vattenfall Europe Generation AG and Co KG
Priority date: 1997-03-06
Filing date: 1997-03-06
Publication date: 2003-12-18
Anticipated expiration: 2017-03-07
Also published as: DE19711107A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Werkstoffschädigungen an einem rotierenden thermisch und dynamisch hochbeanspruchten Maschi nenteil, wie z. B. dem Läufer einer Dampfturbine, einer Gasturbine oder eines Verdichters.

Die Einsatzfähigkeit und der Lebensdauerverbrauch eines rotierenden ther misch und dynamisch beanspruchten Maschinenteils, wie z. B. der Läufer einer Dampfturbine, wird durch kontinuierliche rechnerische Bestimmung des Le bensdauerverbrauchs auf der Grundlage der vorhandenen bzw. zu ermittelnder Werkstoffkennwerte und der Betriebsparameter ermittelt (z. B. DE 15 73 665 A1, DE 27 48 607 C2, DE 33 14 181 A1). Diese Verfahren sind jedoch mit großen Fehlern behaf tet, da die Ausgangswerkstoffkennwerte nicht exakt bekannt sind sowie Ände rungen während des Betriebes unterliegen.

Das Ergebnis der kontinuierlichen oder periodischen Schwingungsüberwachung wird in die rechnerischen Verfahren einbezogen (EP 0 585 623 A2). Eine erkenn bare Beeinflussung tritt jedoch erst bei Schäden mit relativ großem Aus maß, z. B. einem Makroriss, ein.

Zum Nachweis betriebsbedingter und/oder herstellungsbedingter Fehler sowie nach Ablauf der rechnerisch ermittelten Lebensdauer werden herkömmliche zerstörungsfreie Prüfverfahren angewandt, wobei die Fehler bereits eine relativ große Ausdehnung aufweisen müssen.

Nach Ablauf des rechnerischen Lebensdauerendes kann der Läufer der Dampfturbine aus verschiedenen Gründen mit einem zeitlich zunehmenden Schadensrisiko betrieben werden (VGB-Richtlinie "Prüfung betriebsbean spruchter Läufer und Gehäuse von Dampf- und Gasturbinen", VGB-R512M, 1991).

Je nach Gefährdungsrisiko ist das Ende der rechnerischen Lebensdauer 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 hochbeanspruchte Maschi nenteile eine Ermüdungserkennung des Werkstoffes im Frühstadium möglich wird. Vor allem soll nach Ablauf der rechnerisch ermittelten Lebensdauer eine risikoarme Entscheidung für den Weiterbetrieb des Maschinenteils möglich sein.

Dies wird dadurch erreicht, dass an einem rotierenden thermisch und dyna misch hochbeanspruchten Maschinenteil, dessen zu prüfender Bereich insbe sondere durch Querschnittsänderungen oder Schweißungen gekennzeichnet ist, der zu prüfende Bereich ganz oder teilweise präpariert wird, entlang des präparierten Bereiches eine zerstörungsfreie Messwerte- und/oder Messbild aufnahme des Werkstoffgefüges vorgenommen wird, aus den Messwerten- und/oder Messbildern die jeweilige Mikroporendichte für die einzelnen Ab schnitte des zu prüfenden Bereiches als Maß für die Schädigung ermittelt wird und daraus die entsprechenden Schädigungsklassen und/oder Schädigungs merkmale bestimmt werden, die maßgenau auf den zu prüfenden Bereich über tragen werden, die Darstellung der Verteilung der Schädigungsklassen für die einzelnen Abschnitte des Bereiches ergibt ein topografisches Bild, aus dem der Schädigungsgrad des Werkstoffs, sowie das Schädigungsmaximum und das Schädigungsminimum bestimmt werden können.

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

Fig. 1 die Radscheibe am Läufer des Hochdruck-Einganges der Dampftur bine (schematisch)

Fig. 2 die Abwicklung der Folienabdrücke mit eingezeichneten Schädigungs klassen

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 rechnerisch ermittelten Lebensdauer. Es soll eine Entscheidung getroffen werden, ob und mit welchem Risiko die Dampfturbine weiterbetrieben werden kann.

Dazu wird der zugängliche Teil des Läufers 2 der Dampfturbine zugrunde ge legt, der den Bereich 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 Schädigungsklassen bestimmt und maßgenau auf den Bereich 5 übertragen.

Durch diese maßgenaue Übertragung ist die Schädigungsverteilung im Bereich 5 aufgrund der festgestellten Schädigungsklasse 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 er mittelt worden.
Im Folienabdruck 10 sind die Schädigungsklassen 1; 2a und 2b ermittelt wor den (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 Folienabdruck 9 die geometrische Fig. 14 mit den Schädigungsklassen 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 Welle 5.

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

Durch die Erfindung ist es nun möglich, die Ausdehnung einer Schädigung lü ckenlos zu bestimmen und daraus auf das Risiko für einen Weiterbetrieb, für einen begrenzten Weiterbetriebszeitraum 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 Instandhaltung und die Betriebsweise zu treffen.

Durch die Erfindung werden folgende Vorteile erreicht:

1. Es werden Schädigungen nachgewiesen, die mit herkömmlichen zerstö rungsfreien Prüfverfahren nicht erfassbar sind.
2. Das Verfahren berücksichtigt die tatsächlichen örtlichen Beanspruchungen in Abhängigkeit vom realen Werkstoffzustand.
3. Die Schädigung wird in einem so frühen Stadium erkannt, dass eine Werk stoffschädigung an den geprüften Stellen rechtzeitig erkannt wird und eine planmäßige Instandhaltung erfolgen kann.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

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

1. Verfahren zur Ermittlung von Werkstoffschädigungen an einem rotierenden thermisch und dynamisch hochbeanspruchten Maschinenteil, dessen zu prüfen der Bereich (5) insbesondere durch Querschnittsänderungen und Schweißun gen gekennzeichnet ist, mit folgenden Verfahrensschritten:

- der zu prüfende Bereich (5) wird ganz oder teilweise präpariert, entlang des präparierten Bereiches (5) wird eine zerstörungsfreie Mess werte- und/oder Messbildaufnahme des Werkstoffgefüges vorgenommen,
- aus den Messwerten- und/oder Messbildern wird die jeweilige Mikroporen dichte für die einzelnen Abschnitte des zu prüfenden Bereiches (5) als Maß für die Schädigung ermittelt und daraus werden die entsprechenden Schädi gungsklassen und/oder Schädigungsmerkmale bestimmt, die maßgenau auf den zu prüfenden Bereich (5) übertragen werden,
- die Darstellung der Verteilung der Schädigungsklassen für die einzelnen Abschnitte des Bereiches (5) ergibt ein topografisches Bild, aus dem der Schädigungsgrad des Werkstoffs, sowie das Schädigungsmaximum und das Schädigungsminimum bestimmt werden können.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die zerstörungs freie Messwert- und/oder Messbildaufnahme durch ein Gefügeabdruckverfah ren, ein Thermografieverfahren oder ein Ultraschallverfahren erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass bei der Messwert- und/oder Messbildaufnahme durch ein Gefügeabdruckverfahren der zu prüfende Bereich (5) durch Polieren der Oberfläche präpariert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das hochbean spruchte Maschinenteil der Läufer einer Dampfturbine, einer Gasturbine oder eines Verdichters ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die zu prüfenden Bereiche (5) des jeweiligen Maschinenteils die Radscheibe des Hochdruck- und/oder Mitteldruckeingangsteiles oder die Schweißnähte der Welle des Läu fers einer Dampfturbine sind.

6. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die zu prüfende Bereiche (5) einer Null-Messung unterzogen werden.