Turbinenversalzungen und Maßnahmen bei deren Eintritt. Technische Dienste des VGB Power Tech e.v.

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1 Ursachen und Auswirkungen von Turbinenversalzungen und Maßnahmen bei deren Eintritt Gereon Lüdenbach und Andreas Heß Ge eo üde bac u d d eas eß Technische Dienste des VGB Power Tech e.v.

2 Gliederung Ablagerungen auf dampfberührten Oberflächen von Dampfturbinen Mögliche Auswirkungen auf die Bauteile (Schadensbeispiele) Untersuchungen zur Ermittlung des Verschmutzungszustandes Empfohlenes Vorgehen bei der Beseitigung der Beläge Ursachen der Belagsbildung (Beispiele) Zusammenfassung VGB PowerTech e.v. Turbinenversalzung 15./16. Mai Hamburg FOLIE 2

3 Einleitung / Turbinenbeläge In Abhängigkeit der Dampfqualität kann es zu mehr oder weniger ausgeprägten Ablagerungen auf den dampfberührten Bauteiloberflächen kommen Detektierte Elemente: Hauptbestandteile: Silizium und Sauerstoff Nebenbestandteile: Eisen, Kupfer, Natrium, Aluminium Detektierte Verbindungen: Hauptbestandteile: amorphes Silikat und Quarz (Siliziumoxid) Nebenbestandteile: Hämatit (Fe 2 O 3 ) und Magnetit (Fe 3 O 4 ) VGB PowerTech e.v. Turbinenversalzung 15./16. Mai Hamburg FOLIE 3

4 Einleitung / Turbinenversalzung Detektierte Elemente: Hauptbestandteile: Silizium, Natrium, Kalium, und Sauerstoff Nebenbestandteile: Chlor, Detektierte Verbindungen: Hauptbestandteile: amorphes Silikat, Natriumkarbonat und silikat (Na 2 CO 3 ; Na 2 SiO 3 ) Nebenbestandteile: Hämatit (Fe 2 O 3 ) und Magnetit (Fe 3 O 4 ) VGB PowerTech e.v. Turbinenversalzung 15./16. Mai Hamburg FOLIE 4

5 Einleitung / Belagsbildung Quelle der Beläge Boiler carry over Normale Flüchtigkeit Schlechte Phasen-Trennung Hideout an Oberflächen Dampfaustritt Dampfeintritt Trockene Oberflächen abnehmende Löslichkeit in überhitztem Dampf führt zur Ausscheidung von Salzen Oxid-Partikel werden in den Salzen eingebunden O. Jonas and L. Machemer: Steam turbine corrosion and deposits problems and solutions 2008 Proc. of the thirty seventh Turbomachaniry symposium Phasenübergang und Nassdampfgebiet Feuchtigkeits-Keimbildung - Kondensation Verflüchtigung Flüssigkeitsfilmbildung g Aufkonzentration durch Verdampfung VGB PowerTech e.v. Turbinenversalzung 15./16. Mai Hamburg FOLIE 5

6 Beispiel verschmutzter Läufer einer Entnahme Kondensationsturbine HD Teil Betriebszeit: seit 1993 / Bh Verschmutzungsgrad Zustand wurde im Rahmen einer Reparatur (Abriss mehrerer A Rad Schaufeln) befundet Erhebliche Belagsbildung gund Korrosionsangriff aller Dampf berührten Teile des HD Bereichs Zunahme des Belags vom Eintritt zum Austritt Neben dem meist hellgrauen Belag auch erhebliche Mengen an rotbraunem Korrosionsprodukt Nach dem Glasperlenstrahlen zeigte sich erheblicher Korrosionsangriff der Bauteile VGB PowerTech e.v. Turbinenversalzung 15./16. Mai Hamburg FOLIE 6

7 Beispiel Ablagerungen führen zur Beeinträchtigung der Aerodynamik => Wirkungsgradverlust Die Ablagerungen bestehen im Wesentlichen aus Silikaten und Oid Oxiden Häufig sind die Ablagerungen hygroskopisch es kommt zur Aufkonzentration von Chlor Unter den Ablagerungen finden häufig Korrosionsprozesse statt VGB PowerTech e.v. Turbinenversalzung 15./16. Mai Hamburg FOLIE 7

8 Auswirkungen Mechanische Beanspruchung Korrosive Beanspruchung Werkstoff Eigenschaften Sh Schwingungsrisskorrosion i i (SwRK) Spannungsrisskorrosion (SpRK) Bruchfläche im Schaufelfuß Spannung Krit. Medium Beispiel: starke Lochkorrosion im Ausgangspunkt eines Schwingbruchs Sensibler Werkstoff VGB PowerTech e.v. Turbinenversalzung 15./16. Mai Hamburg FOLIE 8

9 Auswirkungen / Lochkorrosion SwRK Riss Rissaus breitung Rissbildung ausgehend von Korrosionsmulden => Schwingungsrisskorrosion Sh i i Rissausbreitung VGB PowerTech e.v. Turbinenversalzung 15./16. Mai Hamburg FOLIE 9

10 Auswirkungen / Lochkorrosion SwRK Auf der Oberfläche der Saugseite sind zahlreiche Korrosionsmulden vorhanden Sauerstoff Eisen Chrom Chlor Korrosionsprodukt zeigt charakteristische Merkmale einer wässrigen Korrosion nachfolgende thermische Beanspruchung hat zu dem Rissnetzwerk geführt Chloranreicherung im Muldengrund hält die Lochkorrosion weiter aufrecht VGB PowerTech e.v. Turbinenversalzung 15./16. Mai Hamburg FOLIE 10

11 Auswirkungen / NaOH ind. SpRK Die zuerst farblosen Beläge werden unter Atmosphäre nach wenigen Tagen weiß!!! NaOH + CO 2 => NaHCO 3 Dampfturbine / Müllheizkraftwerk Abriss von zahlreichen ferritischen Teilfugenschrauben Schadensmechanismus: Natronlauge induzierte Spannungsrisskorrosion VGB PowerTech e.v. Turbinenversalzung 15./16. Mai Hamburg FOLIE 11

12 Belagsanalysen 6 Probenahme e vor Ort: - Entnahmeposition dokumentieren -Nur Ablagerungen,- g keine Oxidschicht - ausreichende Menge - Luftdicht verpacken Analyse der Probenahme im Labor: Mikrobereichsanalyse / EDS => chem. Zusammensetzung Natrium Kalium Silizium Chlor Schwefel Homogenitätsabgleich durch mehrere Mörsern Kurzzeitmessungen Röntgenbeugungsanalyse / XRD => Kristallstruktur / Verbindung Na 2 CO 3 Na 2 SiO 3 VGB PowerTech e.v. Turbinenversalzung 15./16. Mai Hamburg FOLIE 12

13 Wischproben Laufschaufelreihe MD-Läufer 3 Mitte 6 Unten ph 6 Laufschaufelreihe ph 8 VGB PowerTech e.v. Turbinenversalzung 15./16. Mai Hamburg FOLIE 13

14 Belagsanalysen 3 NaOH + CO 2 + H 2 O Na 2 CO 3 xh 2 O +3h/125 C Na 2 CO 3 Schaufelreihe 11 bis 21 Na + Cl NaCl Schaufelreihe 15 bis 21 6 VGB PowerTech e.v. Turbinenversalzung 15./16. Mai Hamburg FOLIE 14

15 Maßnahmen Salzhaltige Ablagerungen sind oft hygroskopisch!!! Beim Aufdecken der Maschine nehmen sie Feuchtigkeit aus der Luft auf und verflüssigen sich Dieso entstehende Salzlake Salzlake (wässriges Elektrolyt) dringt in die Spalten zwischen Nut und Schaufel 6 -Position 6 -Position VGB PowerTech e.v. Turbinenversalzung 15./16. Mai Hamburg FOLIE 15

16 Maßnahmen Wenn Maschine noch nicht aufgedeckt ist 1. Maschine trocken halten 2. Spülen der kalten Maschine mit Sattdampf - Maschine mit Rührwerk drehen - Leitfähigkeit im Kondensat messen Sattdampf Leitfähigkeit Natrium Wenn Maschine bereits aufgedeckt ist 1. Läufer und Gehäuse in Zelt einhausen und trocken halten Gehäusehälften mit Öffnung nach unten lagern 2. Bauteile im trockenen Zustand mittels Glasperlenstrahlen reinigen VGB PowerTech e.v. Turbinenversalzung 15./16. Mai Hamburg FOLIE 16

17 Maßnahmen Der in den Spalt eingedrungene Elektrolyt verursacht mediumabhängig.. 1. Lochkorrosion (Chlor) 2. Spannungsrisskorrosion (Kali oder Natronlauge) VGB PowerTech e.v. Turbinenversalzung 15./16. Mai Hamburg FOLIE 17

18 Kühlwassereinbruch / Zwangdurchlaufkessel Fallbeispiele i l aus der Praxis Lösen abgelagerter Elektrolyte l t 5 1. Speisewasserpumpe 2. Speisewasservorwärmer (ECO) 3. Verdampfer 4. Überhitzer 5. Turbine 6. Flasche 7. Kondensatreinigung 8. Speisewasserbehälter Phase 1: Kühlwasserleckage im Kondensator und Ablagerung der Elektrolyte im Verdampferbereich bei Volllast VGB PowerTech e.v. Turbinenversalzung 15./16. Mai Hamburg FOLIE 18

19 Kühlwassereinbruch / Zwangdurchlaufkessel Fallbeispiele aus der Praxis Lösen abgelagerter 5 Elektrolyte 1. Speisewasserpumpe 2. Speisewasservorwärmer (ECO) 3. Verdampfer 4. Überhitzer 5. Turbine 6. Flasche 7. Kondensatreinigung 8. Speisewasserbehälter Phase 2: Volllastbetrieb mit Deponiebildung in der Restverdampfungszone (Einbruch gestoppt) VGB PowerTech e.v. Turbinenversalzung 15./16. Mai Hamburg FOLIE 19

20 Kühlwassereinbruch / Zwangdurchlaufkessel Fallbeispiele i l aus der Praxis Lösen abgelagerter Elektrolyte l t Einspritzregelkühlung!!! 5 1. Speisewasserpumpe 2. Speisewasservorwärmer (ECO) 3. Verdampfer 4. Überhitzer 5. Turbine 6. Flasche 7. Kondensatreinigung 8. Speisewasserbehälter Phase 3: Schwachlastbetrieb mit Umwälzung des Flaschenablaufs 1 8 VGB PowerTech e.v. Turbinenversalzung 15./16. Mai Hamburg FOLIE 20

21 Durchschlag / SiO 2 in VEA Randbedingung: Verbundregeneration von stark und schwachbasischem Anionenaustauscher Hoher Kieselsäuregehalt im Rohwasser ( 10 mg/l) Regeneration mit NaOH- Konzentration >2% vorwiegende Entfernung von SiO 2, und HCO - 3 Düsenböden vorwiegende Entfernung von Cl -, SO 2-4, NO 3- etc. Filter in Betrieb: aufbereitetes Wasser Inertharz stark basicher Austauscher Inertharz schwach basischer Austauscher Wasser vom Kationenaustauscher VGB PowerTech e.v. Turbinenversalzung 15./16. Mai Hamburg FOLIE 21

22 Durchschlag / SiO 2 in VEA Auswirkung: Filter in Regeneration: Lauge- Eintritt Bei der Regeneration fällt die Kieselsäure im Harzbett des schwach basischen Anionenaustauschers aus Wird diese Ausfällung nicht mit einem unverhältnismäßig hohem Laugenüberschuß aufgelöst, steigt die Kieselsäurekonzentration im Filtrat t und letztlich tli im Deionat an stark basischer Austauscher Wasserglas schwach basischer Austauscher Lauge- Austritt VGB PowerTech e.v. Turbinenversalzung 15./16. Mai Hamburg FOLIE 22

23 Chloridkontamination durch HCl-Gas Verlauf der (Säure ) Leitfähigkeit von Speisewasser und Frischdampf [µs/cm] [µs/cm] 8,0 1,60 0,40 6,0 1,20 0,30 4,0 0,80 0,20 2,0 0,40 0,10 7:00 6:00 5:00 4:00 3:00 2:00 1:00 0:00 23:00 24:00 LF Speisewasser LF hka Speisewasser LF hka Frischdampf VGB PowerTech e.v. Turbinenversalzung 15./16. Mai Hamburg FOLIE 23

24 Chloridkontamination durch HCl-Gas NaOH 50% HCl 37% MB AA2 AA1 Rieseler KA2 KA1 NH 4 OH Deionatspeicher Na 3 PO 4 Untersuchung des Inhalts Ammoniakdosierbehälter: Verdünnungsstufe Einheit Verdünnung 1:25 Chlorid [mg/l] 337,5 VGB PowerTech e.v. Turbinenversalzung 15./16. Mai Hamburg FOLIE 24

25 Chloridkontamination durch HCl-Gas Säuredampfschloss VGB PowerTech e.v. Turbinenversalzung 15./16. Mai Hamburg FOLIE 25

26 Zusammenfassung Unterschied zwischen Ablagerung und Versalzung Neben dem Leistungsverlust der Turbine entsteht Korrosionsangriff Chloride erzeugen Lochkorrosion (Schwingungsrisskorrosion) Natronlauge erzeugt Spannungsrisskorrosion Bei Versalzung sind zielgerichtete Untersuchungen durchzuführen - Belagsanalysen - Diagnoseuntersuchungen im Wasser-/Dampfkreislauf Maschine unter allen Umständen trocken halten Bauteiloberfläche reinigen (Sattdampfspülen / Glasperlen) VGB PowerTech e.v. Turbinenversalzung 15./16. Mai Hamburg FOLIE 26