Spannungsrisskorrosion an Manganaustenit Teil II, Induktorkappen aus den Kraftwerken Lauta und Plessa

Transkript

1 Spannungsrisskorrosion an Manganaustenit Teil II, Induktorkappen aus den Kraftwerken Lauta und Plessa Induktorkappe Lauta (Fortsetzung) Um bei Induktorkappen den Einfluss der Schrumpfungsart (doppelt oder einfach) zu ermitteln, wurde der Nutbereich, welcher bei der Farbeindringprüfung als rissbehaftet aufgefallen war (Bild 5 in Teil I), heraus geschnitten und gereinigt. Auf der Sitzfläche zeigen sich graue, aufgeraute Stellen, in denen sich Risse andeuten. Auch in der Nut ist ein Riss zu sehen (Bild 1). Bild 1: Bereich der rissbehafteten Nut; Sitzfläche teilweise aufgeraut, dort Risse (Aufnahme: TÜ-WTL) Der Nutbereich wurde angeschliffen. Risse laufen unter etwa 45 o von der Nutwand her ein. Dabei wird eine Tiefe von etwa 200 µm erreicht. Für die Härtemessung wurden drei Zonen (Z 1 Z 3) in der Breite von je 0,2 mm markiert (Bild 2). Bild 2: Schliffbild vom Grund der Nut: schräge, parallele Risse; Bereiche der Härtemessung markiert

2 Es ergaben sich folgende Härtewerte: Zone Z 1: 928 [kp/mm 2 ] Z 2: 800 Z 3: 580 Bei einer gegebenen Zugfestigkeit von 1040 MPa kann eine Härte von etwa 300 als normal erachtet werden; dieser Wert wurde auch in Zone Z 3 übertroffen. Bis zu einer Tiefe von 0,6 mm ist der Werkstoff beim Einbringen der Nut also deutlich verfestigt worden. Die Risse laufen transkristallin bis zur ersten Korngrenze ein und folgen dieser (Bild 3). Bild 3 (a und b): Nutgrund; Risse stoßen auf Korngrenze und folgen dieser Dieser Ablauf gilt nicht nur für den Nutgrund, sondern auch für die ebene Sitzfläche. Im Beispiel, das von Bild 4 gezeigt wird, wurde sofort eine Korngrenze erfasst, wodurch das betroffene Korn angehoben wurde. 2

3 Bild 4: Sitzfläche, Risse haben das Korn umfahren Die Nut wurde umschnitten und aufgebrochen. Es wurde ein Riss in der Tiefe von etwa 1 mm freigelegt. Weiterhin wurden feinere Risse aufgezogen (Bild 5). Bild 5: Nut aufgebrochen und Rissbereich markiert, Risstiefe etwa 1 mm, feinere Risse durch Pfeile markiert 3

4 Der freigelegte Riss wurde im REM betrachtet; der Kornverbund ist aufgelockert (Bild 6). Bild 6 (Vergrößerungsfolge): freiliegende Körner im Riss; in Bild c wurde die Probe nach rechts gekippt 4

5 Einen Blick auf die sonstige Nutwand gibt Bild 7 wieder. Feine Anrisse wurden aufgezogen. Bild 7: aufgezogene feinere Risse neben dem Hauptriss (Ausschnitt aus Bild 5) Induktorkappe Plessa Da das Gefüge des vorliegenden Werkstoffes sehr grobkörnig ausgebildet war, erwies sich eine Ultraschallprüfung als schwierig. Andererseits ertrugen die Kappen doch recht große Risse. Dies führte zu der Erkenntnis, dass schon eine rein visuelle Betrachtung zur Entdeckung ausreichend ist. Im Kraftwerk Plessa, einem weiteren Energieveteranen mit einer Gesamtleistung von 34 MW aus drei Turbinen, wurde man fündig. Bei dieser Kappe war die läuferseitige Sitzfläche gewinkelt ausgebildet. Im Querschnittsübergang hatte sich ein Riss ausgebildet, auf den im rechten Winkel ein Umfangsriss stieß (Bild 8 und Bild 9). Bild 8: Längsschnitt der Plessa-Kappe, Riss im Übergang zur läuferseitigen Sitzfläche (Skizze des Kunden) 5

6 Bild 9: Kappe Plessa; zwei Risse in der Kappe, die senkrecht aufeinander stoßen Entsprechend wurde die Probe in zwei Ebenen angeschliffen. Der umlaufende Riss war der tiefere der beiden Risse (35 mm), siehe (Bild 10. Bild 10: Probe in zwei Ebenen angeschliffen; Hauptriss mit Tiefe von 35 mm im Querschnittsübergang, Rissgabelung im oberen Bereich 6

7 Das Gefüge erscheint aufgelockert; teilweise sind Körner bei der Präparation heraus gefallen. Es lag also ein Hang zur Zerbröselung vor (Bild 11). Bild 11: Rissverlauf in geringer und großer Risstiefe (a bzw. b); dunkle Stellen dort, wo Körner heraus gefallen sind (Ausschnitt aus Bild 10, rechtes Teilbild) Diskussion Die Risse gehen von Gebieten an der Oberfläche aus, die aufgeraut erscheinen. Es sind sowohl die Fläche der Nut als auch die allgemeine Sitzfläche betroffen. Die Risse laufen über eine Strecke von maximal 200 µm transkristallin ein. Zur Oberfläche haben sie dabei einen Winkel von 45 o und sind parallel zueinander ausgerichtet. Trifft der jeweilige Riss auf eine Korngrenze, folgt er dieser. In der Tiefe findet sich also nur interkristallines Bruchgefüge. Da die Nut eine größere Kerbe darstellt, setzte sich ein dort gestarteter Riss schließlich durch, so im Fall der Kappe Lauta. Dagegen diente im Fall der Kappe Plessa zunächst ein Querschnittssprung in der Sitzfläche als Riss-Starter. Begünstigt durch die Umfangsspannung bildete sich senkrecht dazu ein weiterer Riss. Im Teil I dieser Arbeit wurde ausgeführt, dass der interkristalline Rissverlauf eine Spannungsrisskorrosion kennzeichnet und die erforderliche Feuchtigkeit vorzugsweise während Stillstandsphasen anliegt. Der transkristalline Rissanteil an der Kappe Lauta geht auf Reibkorrosion zurück. Läuferwelle und Kappe sind unterschiedlich steif. Die Sitzflächen unterliegen bei jeder Drehung unterschiedlichen Dehnungswegen und gleiten deshalb aufeinander ab. Vereinfacht kann man sich die Reibkorrosion als zyklisches Verschweißen und Trennen in Mikrobereichen vorstellen. 7

8 Reibkorrosion findet dann statt, wenn die Relativbewegungen kleiner sind als 0,2 mm. Sie stellt das Problem jeder Welle-Naben-Passung dar. Üblicherweise werden dadurch Ermüdungsbrüche begünstigt [1], [2]. Reibkorrosion stellt andere Kerbformen in den Schatten, beispielsweise eine grobe Bearbeitung und wahrscheinlich auch die hier nachgewiesene Verfestigung beim Einbringen der Nut. Ein analoger Fall findet sich in der Literatur unter [3]. Man kann entweder die Reibkorrosion unterbinden oder die Spannungsrisskorrosion bzw. beides. Der Übergang auf fliegende Kappen zielt auf die Reibkorrosion. Um die Spannungsrisskorrosion zu verhindern, sind die Kappen während des Stillstandes trocken zu halten. Weiterhin wurden Richtlinien hinsichtlich der spanabhebenden Bearbeitung erlassen, dass also genügend scharfe Werkzeuge benutzt werden, um Verfestigungen zu vermeiden. Man hatte Kappen unter freiem Himmel gelagert und musste feststellen, dass einige dabei schon rissig geworden waren. Entsprechend wurde angeordnet, die Kappen in Hallen zu verbringen. Diese Maßnahmen erwiesen sich als erfolgreich; ein neuer Kappenbruch wurde nicht mehr gemeldet. Eine dritte Abwehrmöglichkeit ergibt sich daraus, den Stahl so zu legieren, dass er unempfindlich gegenüber Spannungsrisskorrosion wird. Für Sensibilisierung ist der Kohlenstoff verantwortlich. Er trägt andererseits zur Festigkeit bei und stabilisiert den Austenit. In den Jahren um 1975 gelang es der Firma Krupp, den Kohlenstoff weitgehend durch Stickstoff zu ersetzen. Man kann ihn allerdings nur durch die Anwendung einer Druckatmosphäre in ausreichendem Maße in die Schmelze einbringen (Druckaufstickung). Das Ergebnis ist durch den Stahl X10CrMnN18-18 gegeben. Der Gehalt an Stickstoff beträgt 1% [4], [5] und [6]. Auf internationaler Ebene wurde, soweit bekannt, von einem Kappenbruch infolge Spannungsrisskorrosion letztmalig im Jahre 2001 berichtet [7]. 8

9 Literatur [1] Bartel, A. A.: Reibkorrosion. VDI-Berichte 243: Methodik der Schadensuntersuchung. Düsseldorf: VDI-Verlag 1975, S [2] Kreitner, L.; Müller, H. W.: Die Auswirkung der Reibdauerbeanspruchung auf die Dauerhaltbarkeit von Maschinenteilen. Konstruktion 28 (1976) S [3] Parker, I. G.; Wigmore, G.: Stress corrosion cracking in an 8% manganese austenitic steel. In: Bruchuntersuchungen und Schadenklärung Probleme bei Eisenwerkstoffen. Allianz-Versicherungs AG München und Berlin 1976, S [4] Speidel, M. O.: Stress corrosion cracking in Fe-Mn-Cr-Alloys. Corrosion (Houston) 32 (1976) 5, S [5] Speidel, M. O.: Nichtmagnetisierbare Stähle für Generatorkappenringe, ihr Widerstand gegen Spannungsrisskorrosion und Wasserstoffversprödung. VGB Kraftwerkstechnik 61 (1981) 5, S [6] Heinrich, E.; Kröncke, G.; Tacke, G.: Stähle für Kappenringe. Stahl und Eisen 102 (1982) H. 23, S [7] NN. Spannungsrisskorrosion führt zu Großschaden an einem Turbogenerator. Schadenspiegel 44 (2001) H. 2. S. 2 Martin Möser, 17. März 2011 Über den Lauta-Kappenbruch wurde schon einmal kurz berichtet unter: Möser, M.; Schmidt, V.: Fraktographische Analyse von Schäden. Proc. 7th Congr. Materials Testing, Budapest 1978, Vol. I, p (in dieser Homepage) Wenn auch kein Bruch mehr auftrat, Risse wurden weiterhin gefunden, und zwar mit transkristallinem Verlauf bei 210-MW-Generatoren, siehe Teil III dieser Ausarbeitung. Links: Reichsakten zur Gründung des Lauta-Werkes: Produktion im Aluminiumwerk: Geschichte des Kraftwerkes Lauta: Geschichte des Kraftwerkes Plessa: Wigmore, G; Miles L.: Kugelstrahlen zur Verhinderung von SpRK in austenitischem 8Mn8NiCr Generatorendringstahl (engl.) : Aufbau eines Läuferballens: client-ff&rlz=1b3gggl_dede374de375&ie=utf-8, dort Bild 2.2 9