Bruch der Gewindebolzen einer Wasserturbine infolge Ermüdung und interkristalliner Versprödung

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Heinz Egger
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Bruch der Gewindebolzen einer Wasserturbine infolge Ermüdung und interkristalliner Versprödung Die Speicherung von elektrischem Strom erfolgt im Wesentlichen mittels Wasserkraftwerken, die wechselnd

1 Bruch der Gewindebolzen einer Wasserturbine infolge Ermüdung und interkristalliner Versprödung Die Speicherung von elektrischem Strom erfolgt im Wesentlichen mittels Wasserkraftwerken, die wechselnd im Pump-und Turbinenbetrieb arbeiten. Ein solches Pumpspeicherkraftwerk (PSW) besteht aus einem Ober- und einem Unterbecken. Hat man Strom übrig, so meist in der Nacht, pumpt man das Wasser bergauf. Bei Bedarf lässt man das Wasser wieder herunter fließen, wobei es eine Turbine treibt. Man turbiniert, wie es in der Schweiz heißt. Pumpe und Turbine bilden ein Gerät (Pumpturbine). Im Jahre 1970 begann man bei Markersbach im Erzgebirge ein PSW zu errichten. Im Jahre 1979 wurde die erste Turbine mit einer Leistung von 175 Megawatt in Betrieb genommen. Zwei Jahre später waren alle Turbinen am Netz (insgesamt sechs). Die Gesamtleistung beträgt 1050 Megawatt und liegt damit an zweiter Stelle in Deutschland. Das PSW Goldisthal im Thüringer Wald liegt mit 1060 Megawatt nur knapp darüber. Das Oberbecken des PSW Markersbach befindet sich auf der Bergkuppe des Hundsmarter auf 848,4 m ü. NN. Das Unterbecken liegt mit seiner Dammkrone bei 563 m ü. NN. Die Fallhöhe betrug somit knapp 300 m bei einer Entfernung der beiden Becken von etwa 1 km. Um einen genügend steilen Fallwinkel zur erreichen, wurde eine Kaverne in den Fels gesprengt, welche das Kraftwerk aufnahm. Ein entsprechendes Beispiel ist in Bild 1 gegeben. Bild 1: Prinzip eines Kavernenkraftwerkes, dargestellt am Beispiel der Anlage am Raccoon Mountain (aus Wikipedia: Pumpspeicherkraftwerke ) Die Turbinen der Markersbacher Anlage sind vom Typ Francis in der Sonderform einer Pumpturbine und wurden in der Tschechoslowakei hergestellt. 1

Im Februar 1988 unterzog man den Bausatz 1 einer Revision. Dabei stellte man fest, dass am oberen Turbinendeckel-Traversenring vier Schraubenbolzen von insgesamt 78 gebrochen waren.

2 Im Februar 1988 unterzog man den Bausatz 1 einer Revision. Dabei stellte man fest, dass am oberen Turbinendeckel-Traversenring vier Schraubenbolzen von insgesamt 78 gebrochen waren. Weiterhin waren die Bolzen stark korrodiert worden. Die Turbine war bis dahin im Dauerbetrieb gewesen. Technische Daten: Abmessung des Schraubenbolzen: M80 x 4 mm Chemische Analyse: (i.w.) 0,27% C sowie 2,5% Cr und 0,1% V, entspricht dem Stahl nach CSSR-Norm Ergebnisse des Zugversuchs: Zugfestigkeit um 1150 MPa, Steckgrenze um 1060 MP Kerbschlagzähigkeit (TGL-ROW; Probenform KCU 3, Längslage): Werte um 25 Joule bei Sprödbruch. Makroskopische Betrachtung Der Bolzen zeigt keinerlei Verformung. Der Riss ist vom Grund des Gewindes ausgegangen (Bild 2). Bild 2: Übersicht des angelieferten Bruchstückes; Riss-Start im Gewindegrund (rechts) 2

3 Die Bruchfläche erscheint strähnig. Der Risseinlauf ist etwa 10 mm breit (Bild 3). Bild 3: Ansicht der Bruchfläche; strähniger Verlauf ohne Unterbrechungen, an der rechten Kante ist der Gewindegang weitgehend abgezehrt worden. Die Schnittlinien für die Entnahme von Proben für Gefügebeurteilung und REM-Untersuchung wurden markiert. Unterhalb des Gewindegrundes deutet sich eine Vertiefung an (Bild 4). Bild 4: unmittelbarer Rissstartbereich Bild 3, unten) 3

Bild 5: Rückseite des Bolzens mit starken Abzehrungen; Schnittlinie G2 markiert Schnitte durch

4 Während das Gebiet des Risseinlaufes von Korrosion nur mäßig betroffen war, ist die Rückseite umso stärker befallen (Bild 5). Bild 5: Rückseite des Bolzens mit starken Abzehrungen; Schnittlinie G2 markiert Schnitte durch die Probe Linie G1: Der Bereich des tragenden Gewindezahns wurde abgezehrt (Bild 6). Bild 6: grubenartiger Masseverlust an der Flanke des tragenden Gewindezahns 4

Direkt unter der Bruchfläche wird ein Sprödriss sichtbar, bei dem es sich um einen Ausläufer des Hauptrisses handelt (Bild 7, vergleiche Bild 3).

5 Linie G2: Hier wurden mehrere Zähne abgedünnt. Im zweiten Gewindegrund findet sich ein kurzer Riss mit der Tiefe von 1 mm, der durch Korrosion verbreitert wurde. Direkt unter der Bruchfläche wird ein Sprödriss sichtbar, bei dem es sich um einen Ausläufer des Hauptrisses handelt (Bild 7, vergleiche Bild 3). Bild 7: auskorrodierter Riss mit der Tiefe von 1 mm unterhalb der Bruchfläche, desweiteren ein Ausläufer des Hauptrisses Der kurze Riss ist erkennbar mit Korrosionsprodukten gefüllt (Bild 8). Bild 8: Ausschnitt vom Bereich des kurzen Risses; Füllung mit Korrosionsprodukten 5

Bild 9: Riss-Start unterhalb des Gewindegrundes Bild 8) Bei höherer Vergrößerung wird sichtbar, dass es sich bei der genannten Vertiefung um einen ebenen

6 REM-Untersuchung Die Übersichtsaufnahme lässt wiederum erkennen, dass der Bruch von einer Vertiefung aus gegangen ist. Die Gewindeflanke wurde lochartig angegriffen (Bild 9). Bild 9: Riss-Start unterhalb des Gewindegrundes Bild 8) Bei höherer Vergrößerung wird sichtbar, dass es sich bei der genannten Vertiefung um einen ebenen Bereich (E) mit der Breite von 0,8 mm handelt, der sich zwischen Gewindeflanke (G) und Restbruch (R) befindet. In der Mitte des ebenen Bereiches ist eine Art Rastlinie zu erkennen (Bild 10). Bild 10: ebener Bereich mit Rastlinie G = Gewindeflanke E = Vertiefung (0,8 mm) R = Restbruch Bild 9) 6

Im Restbruchbereich war das Gefüge körnig

7 Im Restbruchbereich war das Gefüge körnig ausgebildet (Bild 11). Bild 11: körnige Bruchstruktur Bild 10) Mit zunehmender Vergrößerung werden einzelne Körner sichtbar (Bild 12). Bild 12: Korngrenzen Bild 11) Die Korngröße beträgt um 40 µm (Bild 13). Bild 13: deutliches Kornfeld Bild 12) 7

angegriffen Bild 14 Zum Zwecke des Vergleiches wurden auch die Zugproben untersucht. Es fand sich ebenfalls interkristalliner Sprödbruch.

8 Eine weitere Zone, in welcher sich der interkristalline Sprödbruch deutlich zeigt, wird in Bild 14 dargestellt. Bild 14: eine weitere Bruchinsel mit ausgeprägten Kornstrukturen Bei höherer Vergrößerung lässt sich eine leichte Verätzung erkennen (Bild 15) Bild 15: Korngrenzflächen leicht angegriffen Bild 14 Zum Zwecke des Vergleiches wurden auch die Zugproben untersucht. Es fand sich ebenfalls interkristalliner Sprödbruch. Diskussion Festzustellen ist: Das Gewinde wurde im tragenden Bereich angefressen. Es haben sich beidseitig kurze Risse (etwa 1 mm) ausgebildet, welche auskorrodiert wurden. Der endgültige Bruch ist von einem solchen Kurzriss ausgegangen. Der Bruch erfolgte spröd (interkristallin) und war noch frisch. 8

9 Daraus kann Folgendes abgeleitet werden: In der Startphase bzw. Testphase der Turbine kam es kurzzeitig zu einer starken Schwingungsbelastung (beim Durchlaufen der kritische Drehzahl). Die kurzen Risse, welche sich dabei bildeten, blieben in der Folgezeit stabil. Als die Turbine wieder abgefahren wurde, erfolgte ein starker Schlag, der den endgültigen Bruch auslöste. Dabei dienten die Altrisse als Startkerben. Der Werkstoff hat sich spröd verhalten. Die Ursache dafür ergab sich aus einer Schwächung der Primärkorngrenzen. Die mitgelaufene Korrosion war ohne Einfluss. Es wurden Versuche durchgeführt, den Stahl erneut anzulassen (Temperatur erhöht), um die Versprödung zu beseitigen. Diesen Bemühungen war Erfolg beschieden. Man behandelt auf diese Weise nicht nur die Bolzen der Schadturbine sondern mit der Zeit auch die aller anderen Turbinen. Zusammenfassung Der Bruch ergab sich aus der Überlagerung einer unterkritischen Rissbildung beim Anfahren/Probelauf, einer interkristallinen Versprödung und einer Schlagbelastung beim Abfahren. Durch ein erneutes Anlassen gelang es, die Versprödung zu beseitigen. Die Bilder 2-8 entstammen einem Bericht des Staatlichen Amtes für Technische Überwachung der DDR, dem auch die Angaben über die Analyse und die mechanischen Eigenschaften entnommen wurden. Martin Möser, 09. Januar

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