Wolfgang Spiegel, Thomas Herzog, Wolfgang Müller

Transkript

1 Wolfgang Spiegel, Thomas Herzog, Wolfgang Müller Möglichkeiten zur Korrosionsbewertung und Potentiale zur Korrosionsvermeidung bei hohen Dampfparametern Ergebnisse aus Beratungs- und Gutachtertätigkeit für Betreiber 1

2 Zum Thema Die nachfolgenden Ausführungen reflektieren einige Aspekte aus dem aktuellen Stand unseres Daseins gegen und mit Korrosion in MVA/KVA. Dies bedeutet: Die in den Anlagen 1-18 aufgezeigten Beispiele sind mehrheitlich aktuell und nicht immer zu Ende untersucht bzw. durchdacht. Das hier behandelte Thema (Dampfdruck >> 40 bar) ist ein Teil des Spektrums unserer Bemühungen. Es gibt vielfältige Überschneidungen zu anderen Themenbereichen der Korrosion in MVA/KVA. Die beiden nachfolgenden Seiten weisen auf das Netzwerk von Wechselwirkungen, Abhängigkeiten und Sichtweisen - und damit ganz allgemein auf die erhebliche Bedeutung - der Korrosion in MVA/KVA hin. 2

3 Korrosion: Phänomene, Bewertung, Vermeidung, >>40 bar Netzwerk Korrosion : Wechselwirkungen und Handlungsebenen aus Betreibersicht Material Feuerfest Legierung Applikation Prozess Feuerung Korrosion Lokal/Flächig Brennstoff Temperatur Schmelzen Wirtschaftlichkeit Vorausschauende Instandhaltung Risiko Nutzungsvorrat Standortvorteil Arbeitsplätze Öffentlichkeit Gewinn Akzeptanz 3

4 Netzwerk Korrosion : Wechselwirkungen und Handlungsebenen aus unserer Sicht Verstehen Vermeiden T (Material) / T (Rauchgas) Wärmeabbau Feuerfest Design Schäden Feuerung KORROSION Legierungen Betrieb materialseitig rauchgasseitig Systematisierung/Phänomene Material Beläge 4

5 Rückblick auf Tagungsbeitrag Solothurn 2003 (Aspekte Betrieb und rauchgasseitig ) Korrosionsminderung als Bestandteil einer optimierten Betriebsweise (ursachenbezogene Maßnahmen) Stichworte: Zustandsanalyse Korrosionstypen, -mechanismen (z.b. Salzschmelzen) Chemische Signaturen (drei Ebenen, siehe Anlage 2) Korrosionsmonitor (ASP-Diagramm und thermodynamische Einstufung) Brennstoff-Folgen-Bewertung Siehe Tagungsbeitrag in Solothurn auf der Jahrestagung 2003 des VBSA. Verfügbar unter 5

6 Rückblick auf Tagungsbeitrag Freiberg 2003 (Aspekte Systematisierung und Material ) Ansätze einer Systematik der Korrosionsphänomene (vgl. Anlage 3 und 4) Stichworte: Morphologische Beschreibung der Phänomene Schadensfördernde und schadensbedingende Ursachen Auslösende, aggressive Medien Wechselwirkung Flüssigkeit-Feststoff bzw. Gas-Feststoff Zuordnung der Phänomene zu Design und Betrieb des Kessels Siehe Tagungsbeitrag in Freiberg SIDAF Verfügbar unter 6

7 Viele Hunde sind des Hasen... Der Ort, die Ursache, und die Art der Phänomene der Korrosion ist/sind nicht nur - und oftmals nicht einmal besonders - abhängig von der Temperatur des Wärmetauschermediums. Die Beispiele in den Anlagen 5 bis 8 verweisen auf diesen Sachstand. Relevant sind u.a.: Lokale Baufehler bzw. -schwächen (z.b. Sifon-Effekte) Lokale Applikationsfehler (z.b. zu dicke Schichten beim Cladding) Generelle Mängel im Werkstoffdesign (z.b. zu hoher Wärmewiderstand) Generelle Schwächen im Kesseldesign (z.b. breitere Stege) Im Unterschied dazu besteht zwischen der Dynamik der Korrosion und der Temperatur des Wärmetauschermediums ein klarer Zusammenhang. Dies wirkt sich allerdings nicht überall derart prägend aus, dass mit steigender Druckstufe auch die Aufwendungen für Vermeidungsmaßnahmen der Korrosion steigen müssen. Eine der Schlussfolgerungen daraus ist, dass 100-bar-Kessel durchaus eine wirtschaftlich sinnvolle Alternative sein können (wenn die hier genannten Korrosionsbeschleuniger nicht zum Tragen kommen - und - wenn die Betriebsweise auf das Ziel der Korrosionsminderung optimiert wird). 7

8 Wenn schon - dann aber auch... Mit der Vorgabe höherer Dampfparameter werden eine Reihe von Verhaltens- bzw. Vorgehensweisen besonders wichtig. Hierzu gehören u.a.: Beachten und Dokumentieren von optischen Frühwarn-Indikatoren im Kessel. Entwicklung machbarer (Verfügbarkeit, Kosten) Applikations-Konzepte der Schutzmaßnahmen (z.b. für Auftragsschweißen, Thermische Spritzschichten). Einsatz von erprobter und transparenter Applikations-Technik bei Schutzmaßnahmen (z.b. für Auftragsschweißen, Thermische Spritzschichten). Qualitativ hochwertige (durchdachte, transparente, reproduzierbare, Parameter-kontrollierte) Applikations-Tests von Schutzmaßnahmen (z.b. für Thermische Spritzschichten). Dokumentation des Verbrauchs an Nutzungsvorrat (Vor-Ort-Kontrollen bei Revisionen). Innovationsbereitschaft (z.b. Mit-Entwickeln von Werkstoffen und Applikationen für Thermische Spritzschichten). Abwehr von Salzschmelzen (Betriebsweise, Feuerung, Belag etc.; ein weites Feld ). Hier können auch Additive (aktive und passive) eine Rolle spielen. Unterstützung beim Prüfen von aktuellen Arbeitshypothesen (z.b.: Mindert Porosität die Ausbildung von Muldenkorrosion? Wirkt metall. Aluminium als lokale Energiequelle im Belag?). 8

9 Zukunftsmusik: Wenn man mit erhöhten Dampfparametern wirtschaftliche Vorteile korrelieren kann, dann ist neben den Aussagen auf den beiden vorhergehenden Seiten - aus unserer Erfahrung bzw. Beobachtung heraus - auch folgendes bedenkenswert: Bei Neuanlagen sollte eine Zeit des Kennenlernens beim Korrosionsverhalten der Werkstoffe zwischen den Vertragspartnern vereinbart sein (d.h. von unten vorsichtig an die Zielvorgaben der Mediumstemperaturen heranfahren). Moderne Kesselwerkstoffe aus dem Bereich der Funktionsschichten (Nickelbasiswerkstoffe mittels Auftragsschweißen, thermisches Spritzen, galvanisches Beschichten, chemisches Beschichten, feuerfeste keramische Werkstoffe) sind nicht nur als Versagensantwort auf das Verhalten der normalen Kesselwerkstoffe zu sehen, sondern sind durchaus ein wichtiges Instrument moderner Anlagengestaltung. Der Brennstoff ist unvorhersehbar und schuldhaft. Dieses alte (und irgendwie auch wahre) Argument sollte nicht länger als Bollwerk gegen elastische und leistungsstarke Kesselkonstruktionen (hier in Bezug auf Korrosion gemeint) dienen, die sich der Vorzüge der modernen Kesselwerkstoffe bei der Konstruktion, Applikation und auch bei den Betriebsparametern bedienen. Die Bemühungen auf anderen Feldern (z.b. Gestaltung Feuerung) stärken diese Potentiale zusätzlich. 9

10 Anlage 1: Beispiele aus dem Schadensarchiv (Gruselkabinett: Korrosion = Schaden) 15Mo3, 40 bar/250 C VD, h Alloy 625, 80 bar/295 C VD, h 13 CrMo 4-4, 430 C ÜH, 9 Monate Alloy 625, 410 C ÜH, h 10

11 Anlage 2: Erläuterungen zu den drei Ebenen der chemischen Signaturen Ebene 1 Ebene 2 Ebene 3 Korrosionsursache, Korrosionsmechanismus Material- und Zustandscharakterisierung (meist zerstörende Prüfung) Korrosionspotential (ortsaufgelöst) Einfluss des Wärmeabbaus auf die Korrosion Belagsentnahme bei Stillständen Korrosionspotential (zeitaufgelöst) Einfluss der Wechselwirkung aus Brennstoff und Feuerung auf die Korrosion Staubentnahme am Kesselende 11

12 Anlage 3: Systematisierung von Korrosionsphänomenen bzw. Korrosionstypen (Cladding) 12

13 Anlage 4: Systematisierung von Korrosionsphänomenen bzw. Korr.-Typen (Schwarzes Rohr) 13

14 Anlage 5: Dampf-T-unabhängige Dynamisierung der Korrosion: durch Baufehler (am Beispiel von: VD 40 bar/250 C + X C) h: Alloy 625 (2-3 mm) auf 15Mo3 (5,2 mm) Werksfertigung Selektive Korrosion Belagsbildung nach 1 a Betrieb: Alloy 625 (2-3 mm) auf 15Mo3 (5,2 mm) Reduzierter Naturumlauf durch Sifon Muldenkorrosion 14

15 Anlage 6: Dampf-T-unabhängige Dynamisierung der Korrosion: durch Applikation (am Beispiel von: VD 40 bar/250 C + X C) Flächige Abzehrung Muldenkorrosion Muldenkorrosion Flächige Abzehrung h: Materialüberhöhung Alloy 625, vor Ort geschweißt 15

16 Anlage 7: Dampf-T-unabhängige Dynamisierung der Korrosion: durch Werkstoffdesign (am Beispiel von: VD 40 bar/250 C + X C) Flächige Abzehrung Selektive Korrosion Muldenkorrosion 5 Jahre Betrieb: Alloy 625 (2-3 mm) auf 15Mo3 (5,2 mm) Werksfertigung 6 Monate Betrieb: Alloy 625 (3-5 mm) auf 15Mo3 (7,2 mm) Werksfertigung 16

17 Anlage 8: Dampf-T-unabhängige Dynamisierung der Korrosion: durch Kesseldesign (am Beispiel von: VD bar/ C + X C) 1 Jahr: Alloy 625, VD-Schott im 2. Zug, Werksfertigung Teilung 130 mm 45 mm Muldenkorrosion Muldenkorrosion Flächige Abzehrung 17

18 Anlage 9: Bei erhöhten Dampf-T besonders wichtig: optische Frühwarn-Indikatoren (am Beispiel von: VD 80 bar/295 C) Belagsbildung in 1 Betriebsjahr: Alloy 625 auf 15Mo3 Vor Ort Schweißung 18

19 Anlage 10: Bei erhöhten Dampf-T besonders wichtig: Applikations-Konzepte (am Beispiel von: VD 80 bar/295 C) 1993, h 625 auf 15Mo auf 625 Nickel Chrom auf 15Mo3 Niob Molybdän Vor Ort Schweißung Eisen ( Dendriten ) Eisen (Interdendrit.) 19

20 Anlage 11: Bei erhöhten Dampf-T besonders wichtig: Applikations-Technik (am Beispiel von: VD 80 bar/295 C) Vor Ort Schweißung, bis h (März 2001) 0 h, Rückstellmuster Alloy 625 Pore 15Mo3 Aufmischung h (März 2001) 20

21 Anlage 12: Bei erhöhten Dampf-T besonders wichtig: Applikations-Tests (am Beispiel von: VD 80 bar/295 C) Unterschiedliche Hersteller(A und B), jeweils Werksfertigung Unterschiedliche Schweißtechnik (Geräte u. Schweißfolge, höhere Streckenenergie) A h Betrieb, LSW und RSW, gleiche Höhe B 21

22 Anlage 13: Bei erhöhten Dampf-T besonders wichtig: Vor-Ort-Kontrolle und Begleitung (am Beispiel von: VD 100 bar/310 C) Recladding Muldenkorrosion h 22

23 Anlage 14: Bei erhöhten Dampf-T besonders wichtig: Innovationsbereitschaft (am Beispiel von: VD 40 bar/250 C) 15Mo3 1 Betriebsjahr: Alloy 625 Plasmaspritzschicht Vor Ort ausgeführt Plasma Testfeld Unterkorrosion Delamination Muldenkorrosion Keine Muldenkorrosion 23

24 Anlage 15a: Stichwort Innovation : Für und Wider von Spritzschichten (am Beispiel von: VD 40 bar/250 C) BSE-Bild, Bildbreite ca. 0,6 mm Plasma Mo3 Unterkorrosion Delamination Plasma 625 Strahlreinigung 15Mo3 Schliff geätzt 24

25 Anlage 15b: Stichwort Innovation : Für und Wider von Spritzschichten (am Beispiel von: VD 40 bar/250 C) Plasma 625 BSE-Bild 15Mo3 Element Maps, Breite ca. 0,25 mm Plasma Mo3 Ni Fe Zn Cl 25

26 Anlage 15c: Stichwort Innovation : Für und Wider von Spritzschichten (am Beispiel von: VD 80 bar/320 C) h: Ni-Basis HVOF-Spritzschicht besonders dicht werksseitig ausgeführt Muldenkorrosion 26

27 Anlage 16a: Bei erhöhten Dampf-T besonders wichtig: Abwehr von Salzschmelzen (am Beispiel von: Rauchgastemp. ca. 650 C/ÜH 40 bar) Metallisches Aluminium als lokale Energiequelle Bildung mobiler Zinkphasen 50 µm 27

28 Anlage16b: Bei erhöhten Dampf-T besonders wichtig: Abwehr von Salzschmelzen (am Beispiel von: ÜH 40 bar/650 C) O Al 50 µm S Cl Zn 28

29 Anlage17: Bei erhöhten Dampf-T besonders wichtig: Abwehr von Salzschmelzen Hier: Dicke Eisen(II)chlorid-Schichten (am Beispiel von: ÜH 40 bar/410 C) 15Mo3 50 µm Fe Cl 29

30 Anlage 18a: Bei erhöhten Dampf-T besonders wichtig: Abwehr von Salzschmelzen Hier: Eisen-Kaliumchlorid-Schmelzenbildung, rohrnah, (am Beispiel von: 80 bar/430 C) 9 Monate: 13 CrMo 4-4, End-ÜH Anströmseite Abströmseite 30

31 Anlage 18b: Bei erhöhten Dampf-T besonders wichtig: Abwehr von Salzschmelzen Hier: Na-K-Chlorid-Calciumsulfat-Eutektikum, rohrfern, versinternd (am Beispiel von: 80 bar/430 C) Lokaler Nachweis des Phasengemenges eines Eutektikums von Natrium- und Kaliumchlorid mit Calciumsulfat NaCl KCl CaSO 4 Grafische Darstellung des Erstarrungspunktes des Eutektikums bei ca. 605 C 31