Erschöpfungsbeurteilung dickwandiger Bauteile Status Quo und Optimierungspotential für einen flexiblen Kraftwerksbetrieb

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1 Erschöpfungsbeurteilung dickwandiger Bauteile Status Quo und Optimierungspotential für einen flexiblen Kraftwerksbetrieb Joël Wagner

2 Themen 1. Herausforderung der Zustandsüberwachung 2. Gegenüberstellung der Ermüdungsberechnung gemäß TRD 301/303/508 und DIN EN /4 3. Gegenüberstellung der dt Berechnung SR1 vs. COOP 4. Zusammenfassung Erschöpfungsbeurteilung dickwandiger Bauteile, TÜV NORD Kraftwerkssymposium

3 Herausforderung der Zustandsüberwachung 1. Flexibilisierung des Kraftwerksbetriebes geänderte, modifizierte Betriebsweisen zunehmende Lastwechselbeanspruchung 2. Neue gesetzliche Rahmenbedingungen BetrSichV, Druckgeräterichtlinie 3. Anpassung der Auslegungsregelwerke TRD DIN EN Welches sind die hochbeanspruchten Komponenten? Ist der sichere Betrieb der Anlage gewährleistet? Erschöpfungsbeurteilung dickwandiger Bauteile, TÜV NORD Kraftwerkssymposium

4 Ganzheitliche Bewertung des Komponentenzustandes gemäß VGB R 506 Auslegung Dokumentation Diagnostik online Diagnostik offline Definition des bestimmungsgemäßen Betriebes Berücksichtigung unvermeidbarer Zusatzbeanspruchungen Herstellungs- und Auslegungsdokumentation Dokumentation der Betriebsweise Wiederkehrende Prüfungen Instandsetzung Festigkeitskennwerte Nachweis des bestimmungsgemäßen Betriebes Kontinuierliche Berechnung des Lebensdauerverbrauches Erfassung von unplanmäßigen Zusatzbeanspruchungen Wiederkehrende Prüfungen What-If-Berechnungen Werkstoffprüfungen Moderne Berechnungsmethoden (z.b. CFD, FEM) Bewertung des Komponentenzustandes Erschöpfungsbeurteilung dickwandiger Bauteile, TÜV NORD Kraftwerkssymposium

5 Onlinesysteme zur Zustandsüberwachung SR1 Erschöpfungsberechnung dickwandiger Bauteile SR::SPM Rohrleitungsmonitoring zur Erschöpfungsberechnung und Überwachung des bestimmungsgemäßen Betriebes Erschöpfungsbeurteilung dickwandiger Bauteile, TÜV NORD Kraftwerkssymposium

6 Gegenüberstellung der Ermüdungsberechnung gemäß TRD 301/303/508 und DIN EN / Erschöpfungsbeurteilung dickwandiger Bauteile, TÜV NORD Kraftwerkssymposium

7 Gemeinsame Berechnungsstudie mit TÜV Rheinland Industrie Service GmbH Gegenüberstellung von TRD und DIN EN für folgende Bauteile: Geradrohr Rohrbogen Kugelformstück Sammler Abzweig Durchgeführt von: TÜV Rheinland Industrie Service GmbH Steag Energy Services GmbH Erschöpfungsbeurteilung dickwandiger Bauteile, TÜV NORD Kraftwerkssymposium

8 6 1 4, 7 m m d o s 8 8, 8 m m e r s = m m d i b 1 f 4 = 1 C k = 1 = 7 9 m m e r b 1 = d A i 2 d i b 1 = s A 2 e r b 1 Geometrie der Y-Kugel Y-Kugel X10CrMoVNb 91 Geometrie Bezeichnung DIN EN TRD 301 DIN EN Da = 614,7 mm dos m = 2,5 m = 2,891 s = 88,8 mm ers t = 1,5 t = 0,896 dai1 = 242 mm dib1 f4 = 1 Ck = 1 sa1 = 79 mm dai2 = dai1 sa2 = dai1 erb1 dib1 erb1 Material X10CrMoVNb9-1 (P91) metriedaten Bezeichnung Berechnungswerte ugel EN TRD 301,Anl.1 EN (2008) αm = 2,5 αsp = 2,891 αt = 1,5 αt= 0, Erschöpfungsbeurteilung dickwandiger Bauteile, TÜV NORD Kraftwerkssymposium

9 Ergebnis der Erschöpfungsberechnung Zeitstanderschöpfung Unter Beibehaltung des Verschwächungsbeiwertes v a ergibt sich eine Übereinstimmung von TRD 508 mit DIN EN /4. Spannung [N/mm²] bei 285 bar TRD 508 DIN EN Ez [%] dt = 5K Spannung [N/mm²] bei 285 bar Ez [%] dt = 5K 83,986 12,59 83,986 12,59 Wechselerschöpfung Große Unterschiede zwischen den beiden Regelwerken. Ergebnisse TRD 508 DIN EN Anzahl Extremwerte Anzahl Lastwechsel Ew 0, % 0, % Ew *1000 LW 17,22 % 0,003 % Erschöpfungsbeurteilung dickwandiger Bauteile, TÜV NORD Kraftwerkssymposium

10 C; bar; kg/s Untersuchter An- und Abfahrvorgang An- und Abfahrvorgang :00 7:00 9:00 11:00 13:00 15:00 17:00 19:00 21:00 23:00 1:00 3:00 Zeit T HD C p HD bar m HD kg/s Erschöpfungsbeurteilung dickwandiger Bauteile, TÜV NORD Kraftwerkssymposium

11 SR1 Möglichkeiten zur dt Ermittlung dt T dt Mögliche Einbaupositionen von zwei Temperaturmessstellen T Zeit dt-berechnung mit einer Temperaturmessstelle T Temperaturdifferenz abhängig von Einbauposition und Kalibrierung der Messstellen Berechnung der Temperaturdifferenz erfolgt im SR1-dT-Modul Erschöpfungsbeurteilung dickwandiger Bauteile, TÜV NORD Kraftwerkssymposium

12 alfa_i W/m²K Polynome für den inneren Wärmeübergang zur Berechnung der Temperaturfelder alfa_i Kugelformstück Im SR1 gilt für das Kugel-Formstück di=437,1mm die Funktion 2. Ordnung alfa_i = 52+27,322*x-0,068817*x^2, die "obere Einhüllende" der alfa_i = f (Nu) Dampfmassenstrom kg/s al_ i (Nu) [W/m²K] Poly_al_ i [W/m²K] Erschöpfungsbeurteilung dickwandiger Bauteile, TÜV NORD Kraftwerkssymposium

13 dtw (K) Wandtemperaturdifferenzen dt Wandtemperaturdifferenzen Y-Kugelformstück 70 VGR: Vergleichsrechnung dtw_sr1 dtw_vgr Zeit (min) Erschöpfungsbeurteilung dickwandiger Bauteile, TÜV NORD Kraftwerkssymposium

14 Spannung (N/mm²) Bauteilspannungen Vergleich Gesamtspannungen Y-Kugel TRD-EN TRD: αm = 2,5 αt= 1,5 EN: αm = 2,891 αt= 0, Sig_ges_TRD Sig_ges_EN Zeit (min) Teilweise erhebliche Unterschiede der berechneten Gesamtspannung Erschöpfungsbeurteilung dickwandiger Bauteile, TÜV NORD Kraftwerkssymposium

15 zulässige Temperaturdifferenz dt=tm-ti [K] Zulässige Temperaturdifferenzen nach TRD und DIN EN 150 Y-Kugel, Annahme 2000 Kaltstarts 100 dt Abfahren DIN EN 50 dt Abfahren TRD 0-50 dt Anfahren TRD -100 dt Anfahren DIN EN Betriebsüberdruc k [bar] Erschöpfungsbeurteilung dickwandiger Bauteile, TÜV NORD Kraftwerkssymposium

16 Gegenüberstellung der dt Berechnung SR1 vs. COOP Erschöpfungsbeurteilung dickwandiger Bauteile, TÜV NORD Kraftwerkssymposium

17 Untersuchte Anfahrtransiente Die Mustertransiente wurde aus realen Transientenverläufen für die COOP CFD / FEM Rechnung abgeleitet. COOP-Strömungssimulation innerhalb des Kreuzventils Erschöpfungsbeurteilung dickwandiger Bauteile, TÜV NORD Kraftwerkssymposium

18 Vorgehensweise COOP 1. CFD-Simulation zur Ermittlung des inneren Wärmeüberganges 2. dt Ermittlung für verschiedene Bauteilbereiche 3. Spannungs- und Erschöpfungsrechnung für Mustertransiente mit FEM SR1 1. Berechnung des inneren Wärmeüberganges auf Basis lastabhängiger, realitätsnaher Polynome 2. dt Ermittlung mittels instationärer, Temperaturfeldberechnung für verschiedene Bauteilbereiche 3. Spannungs- und Erschöpfungsrechnung für Mustertransiente gemäß TRD und DIN EN Erschöpfungsbeurteilung dickwandiger Bauteile, TÜV NORD Kraftwerkssymposium

19 Alpha_i [W/m²K] Vergleich der inneren Wärmeübergangspolynome Massenstrom [kg/s] Ventilsitz COOP-Polynom für SR1 Eintritt COOP-Polynom für SR1 Innenraum COOP-Polynom für SR1 Ventilsitz SR1-Polynom nach VDI Eintritt SR1-Polynom nach VDI Innenraum SR1-Polynom nach VDI Im Bereich des homogen durchströmten Eintrittes wird eine sehr gute Übereinstimmung erzielt. Für den Innenraum und den Ventilsitz ergeben sich Unterschiede Erschöpfungsbeurteilung dickwandiger Bauteile, TÜV NORD Kraftwerkssymposium

20 Alpha_i [W/m²K] Vergleich der zeit- und lastabhängigen Wärmeübergangsverhältnisse αi Ventilsitz COOP (CFD) αi Eintritt COOP (CFD) αi Ventilsitz SR1 (VDI) Zeit [min] αi Eintritt SR1 (VDI) αi Innenraum COOP (CFD) αi Innenraum SR1 (VDI) Erschöpfungsbeurteilung dickwandiger Bauteile, TÜV NORD Kraftwerkssymposium

21 dt [K] Vergleich der mit SR1 berechneten Temperaturdifferenzen dt Ventilsitz (αi aus COOP) dt Eintritt (αi aus COOP) dt Ventilsitz (αi aus SR1) dt Eintritt (αi aus SR1) dt Innenraum (αi aus COOP) dt Innenraum (αi aus SR1) Zeit [min] Erschöpfungsbeurteilung dickwandiger Bauteile, TÜV NORD Kraftwerkssymposium

22 Optimierungspotential für einen flexiblen Kraftwerksbetrieb 1. Kontinuierliche Berechnung ermüdungsrelevanter Bauteile mit Onlinesystemen Bewertung der tatsächlichen Betriebsweise Ermittlung der Erschöpfungsgrade nach Regelwerk 2. Bauteil-Ranking: Identifikation der rechnerisch hochbeanspruchten, begrenzenden Komponenten 2. Wärmeübergangskoeffizienten aus der CFD-Simulation können in Onlinesystem implementiert werden Realitätsnahe Berücksichtigung des inneren Wärmeübergangs für komplex durchströmte, begrenzende Bauteile 4. CFD, FSI und FEM als Erweiterung von Onlinesystemen zur Erschöpfungsbeurteilung ausgewählter Bauteile (COOP) Erschöpfungsbeurteilung dickwandiger Bauteile, TÜV NORD Kraftwerkssymposium

23 Optimierungspotential für einen flexiblen Kraftwerksbetrieb Vorteile der kontinuierlichen Überwachung: Dokumentation und Bewertung der Betriebsweise Kontinuierliche Berechnung der Bauteilerschöpfung Identifikation der rechnerisch hoch beanspruchten Bauteile Minimierung der benötigten Messhardware Reduzierung des rechnerischen Aufwandes Ziel: Ganzheitliche Zustandsbewertung aller ermüdungskritischen Bauteile Erschöpfungsbeurteilung dickwandiger Bauteile, TÜV NORD Kraftwerkssymposium

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25 Wie werden heute die HD-Leitungen und Kesselbauteile überwacht? Druckgeräterichtline / BetrSichV schreiben folgende Prüffristen vor: Äußere Prüfung jährlich Innere Prüfung alle 3 Jahre Festigkeitsprüfung (Druckprüfung) alle 9 Jahre Prüffristen sind vom Betreiber festzulegen und müssen von ZÜS geprüft werden. Die Prüffristverlängerung muss von der zuständigen Behörde genehmigt werden. Innere Prüfung geeignete bzw. gleichwertige Verfahren Inspektion visuell zerstörungsfrei Erschöpfungsbeurteilung dickwandiger Bauteile, TÜV NORD Kraftwerkssymposium

26 Online Überwachung: Verfahren gemäß VGB R Vermessung alle Kräfte und Wege (hoher Messaufwand) 2. Vergleich der Istwerte mit den Sollwerten der Auslegung 3. bei Abweichung: Instandsetzung oder modifizierte Betriebsweise 1. Vermessung ausgewählter Wege (und Kräfte) 2. Erneute, kontinuierliche Rohrsystemberechnung auf Basis der Istwerte 3. Vergleich der Istwerte mit den Sollwerten 4. Kontinuierliche Erfassung der rechnerischen Erschöpfung 5. Erkennung der hochbelasteten Teile für Prüfungen Erschöpfungsbeurteilung dickwandiger Bauteile, TÜV NORD Kraftwerkssymposium

27 SR::SPM Anwendung im KW Neurath Revision (Austausch) der FD Leitung, seit Oktober 2007 in Betrieb ROHR2 Modell mit knapp 1000 Knoten (Bögen, gerade Rohre, Stützen, T- Stücke, Reduzierungen, usw.) Überwachung von 44 Rohrbögen der HD-Leitung (Betrieb 530 C, 163 bar) Messtechnik Druck- und Temperaturmessungen 5 Wegmesspunkte an Konstanthängern 5 Doppelkraftmessungen Erschöpfungsbeurteilung dickwandiger Bauteile, TÜV NORD Kraftwerkssymposium

28 Displacement in z-direction [mm] SR::SPM Überprüfung der berechneten Auslenkung Displacement warm (measured manually) Displacement warm (calculated by SR::SPM) Displacement warm (measured continuously) Sehr gute Übereinstimmung der berechneten mit den manuell gemessenen Werten Erschöpfungsbeurteilung dickwandiger Bauteile, TÜV NORD Kraftwerkssymposium

29 Erkennen unplanmäßiger Zustände (1/2) Prozessbilder Statusübersicht Soll-Ist-Vergleich der Kräfte und Wege Erschöpfungsbeurteilung dickwandiger Bauteile, TÜV NORD Kraftwerkssymposium

30 Erkennen unplanmäßiger Zustände (2/2) Diagramm einer Doppelkraftmessung Einseitiger Abriss des Festpunktes Istwert der Krafmessung Sollwert der Kraftmessung Frischdampftemperatur Erschöpfungsbeurteilung dickwandiger Bauteile, TÜV NORD Kraftwerkssymposium

31 SR::SPM Hängerauslenkung unplanmäßig Erschöpfungsbeurteilung dickwandiger Bauteile, TÜV NORD Kraftwerkssymposium

32 SR::SPM Hängerauslenkung planmäßig Erschöpfungsbeurteilung dickwandiger Bauteile, TÜV NORD Kraftwerkssymposium

33 SR::SPM Weiterentwicklungen Online Bauteilberechnung auf Basis von Schalenmodellen Erschöpfungsbeurteilung dickwandiger Bauteile, TÜV NORD Kraftwerkssymposium

34 Unterschiedliche Betriebsweisen planmäßig unplanmäßig Erschöpfungsbeurteilung dickwandiger Bauteile, TÜV NORD Kraftwerkssymposium

35 SR1 Modul Kriechdehnung Aufgabenstellung Überwachung des (sekundären) Kriechverhaltens hoch beanspruchter Kesselbauteile (z.b. Sammler) Umfangsmessungen in kurzen Zeitabständen nur mit aufwändigen Messverfahren möglich Vorgehensweise in SR1 Berechnung des Kriechverhaltens auf Basis des Graham-Walles-Ansatzes unter Berücksichtigung von Druck und Temperatur Vergleich mit Auslegungskurve (konstante Beanspruchung) Vergleich mit in größeren Zeitabständen durchgeführten Umfangsdehnmessungen Erschöpfungsbeurteilung dickwandiger Bauteile, TÜV NORD Kraftwerkssymposium

36 SR1 Modul Kriechdehnung Erschöpfungsbeurteilung dickwandiger Bauteile, TÜV NORD Kraftwerkssymposium