Nutzen der betriebsbegleitenden Prüf- und Messverfahren für Kesselanlagen. Dipl.-Ing. Heinz D. Joas, TÜV - Süd Gruppe, Anlagentechnik

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1 Nutzen der betriebsbegleitenden Prüf- und Messverfahren für Kesselanlagen Dipl.-Ing. Heinz D. Joas, TÜV - Süd Gruppe, Anlagentechnik Kesselbetriebstechnik 2004, TÜV Akademie, München, 25./26. November Einleitung Bei der Umsetzung der Druckgeräterichtlinie stellen die Auslegung nach Regelwerk, die dokumentierte Qualität, die betrieblichen Einflußgrößen und die daraus abzuleitende Prüffrist die wesentlichen Elemente dar [1]. Sollten im tatsächlichen Betrieb einer Anlage gegenüber der Auslegung zusätzliche Belastungen wirksam sein, dann werden die aus der vorgesehenen Betriebsweise zu erwartenden Schädigungen beschleunigt (Bild 1). Die möglicherweise ursprünglich gemäß Druckbehälterverordnung maximal vorhandene Prüffrist würde aufgrund der Betriebssicherheitsverordnung verkürzt (Bild 2). Andererseits bieten betriebsbegleitende Messungen zur Erfassung des tatsächlichen Alterungszustandes einer Anlage auch die prinzipielle Möglichkeit verkürzte Prüffristen auf die gesetzlich zulässigen anzuheben - bzw. nach Abstimmung mit der Genehmigungsbehörde - auch darüber hinaus zu verlängern. Die beiden wesentlichen Aufgaben eines Kraftwerksbetreibers sind einmal nachzuweisen, daß die Vorsorge gegen Schäden bei der Errichtung und im Betrieb der Anlage nach dem Stand der Technik getroffen ist, zum anderen muss er dabei eine maximale Verfügbarkeit erzielen, damit die Anlage wirtschaftlich erfolgreich betrieben werden kann. Diese Aufgaben können am sinnvollsten mittels einer Gewährleistung der Bauteilintegrität bei Auslegung und Herstellung erfüllt werden, ergänzt durch geeignete redundante Maßnahmen während des Betriebes dieser Komponenten. Sowohl für die Absicherung der Qualität im Betrieb als auch für die Bestimmung der Ist-Qualität ist eine ausreichende Überwachung der Ursachen für betriebliche Schädigungsmechanismen (Bild 3) unumgänglich [2]. Bei entsprechender Verknüpfung von aktuellen Prüfergebnissen aus dem Betrieb mit theoretischen Bewertungsverfahren und praktischen Anlagenkenntnissen besteht die Möglichkeit, feste Überwachungsfristen verschiedener Anlageteile auszugleichen bzw. eine Verlängerung von Prüffristen zu erreichen. Welche Prüf- und Meßverfahren hierzu einen Beitrag leisten können, ist Gegenstand der folgenden Betrachtung. Dabei kann auf die in [3] getroffenen Aussagen verwiesen werden. 2. Ursachen für betriebliche Schädigungsmechanismen Sowohl der Werkstoff wie auch das Medium und die Belastungen beeinflussen die möglichen Schädigungsmechanismen von Bauteilen und Systemen (Bild 4). Als grundsätzlich mögliche Schädigungsmechanismen kommen Gewaltbruch, Verformung (Plastifizierung), Ermüdung, Kriechen oder Korrosion bzw. Kontamination hierzu in Frage.

2 - 2 - Aktuelle Daten dienen sowohl zur Verifikation der Auslegungsspezifikationen als auch zur Bestimmung von - Werkstoffausnutzung - Erschöpfungsgrad - Wachstum von (minimal auffindbaren) Fehlern sowie - Sicherheitsabstand zum Versagen Zur Absicherung der Komponentenintegrität im Betrieb sind außerdem weitere redundante Maßnahmen notwendig, die hauptsächlich die Überwachung der Folgen von ggf. nicht ausreichend bei der Auslegung berücksichtigte Schädigungsmechanismen im nachfolgenden Betrieb betreffen. Die möglichen Folgen wie - flächiger Wandabtrag - Anrissbildung - Risswachstum usw. werden vorwiegend durch zerstörungsfreie Prüfungen überwacht. Der erforderliche Prüfumfang sowie die Prüfintervalle werden entscheidend von - dem Kenntnisstand über die betriebliche Schädigungsmechanismen sowie - der Bewertung der ermittelten Ursachen wie Erschöpfungsgrad, Risswachstum von (minimal auffindbaren) Fehlern usw. bestimmt. 3. Aufgaben der Betriebsüberwachung und der wiederkehrenden Prüfungen Dort, wo die Komponentenintegrität zu gewährleisten ist, kommt deshalb der Überwachung der Ursachen und Folgen der betrieblichen Schädigungsmechanismen entscheidende Bedeutung zu. Diese Überwachung wird oft unter den Begriffen - Betriebsüberwachung (on-line-überwachung der Ursachen und Folgen der betrieblichen Schädigungsmechanismen), - wiederkehrende Prüfungen (diskontinuierliche Überwachung der Folgen von betrieblichen Schädigungsmechanismen) behandelt. Zu den Randbedingungen, welche die Auswahl der erforderlichen Maßnahmen der Betriebsüberwachung und WKP maßgeblich beeinflussen, gehören allgemein - Kenntnisstand über die vorhandene Komponentenqualität sowohl nach der Auslegung und Herstellung als auch im Betrieb, - Kenntnisstand über mögliche bzw. auftretende betriebliche Schädigungsmechanismen.

3 - 3 - Im Betrieb von Kesselanlagen ergeben sich für die 3 Einflußgrößen Werkstoff, Medium und Belastungen eine Reihe von Ursachen für die Bauteilschädigung. Einige sind hier aufgezeigt: - Werkstoff Druck, Temperatur oder Lastwechsel können im tatsächlichen Betrieb größer sein als bei der Auslegung angenommen, ebenso können im Schweißnahtbereich größere Eigenspannungen vorhanden sein. - Medium Der Betriebszustand ist nicht in allen Anlagenbereichen bzw. Betriebszeiten gleichartig (An- und Abfahrvorgänge, ständig durchströmte Leitungen, gefüllte aber nicht durchströmte Leitungen etc.). Bei der Überwachung der Wasserchemie ist neben solchen Vorgängen auch zu beachten, daß die Wasserchemie von den Systemparametern Druck und Temperatur abhängig ist [4]. Bei nicht durchströmten Systemen sind Angaben über die örtliche Wasserchemie schwieriger. Für solche Systeme ist der negative Einfluß der Wasserchemie zu vermeiden, indem vorwiegend verfahrenstechnische Maßnahmen, wie gezielte Durchströmung und Reinigung (Spülung) sinnvoll angewendet werden. Weiterhin ist mit entsprechender Sorgfalt im Hinblick auf die Vermeidung eines möglichen Stoffeintrags von z.b. Schmier- und Reinigungsmittel (Laugen) vorzugehen. - Beanspruchung Bei der Beanspruchung sind ebenfalls verschiedene Ursachen zu unterscheiden, die einzeln oder in Überlagerungen auftreten können: - statische Belastungen - veränderliche mechanische Belastungen (Rohrleitungskräfte, -momente) - dynamische Belastungen (Ventilschließungen, Kondensationsschlag, Resonanzschwingungen), - thermisch induzierte Belastungen (Thermoschock, Wärmespannungen), - nicht spezifizierte Belastungen Schwachstellen-Analysen im Übergangsbereich von heiß nach kalt bzw. dickwandig zu dünnwandig sind erforderlich, um Zusatzbelastungen zu erfassen. Bei Rohrleitungssystemen ist die Kontrolle der freien Wärmedehnung eine der Aufgaben der Betriebsüberwachung. Hierin sind kontinuierliche bzw. diskontinuierliche Verschiebungsmessungen anwendbar. Es ist zu klären, ob Halterungen oder Hänger nicht gelegentlich blockiert sind und damit nichtspezifizierte Zusatzbelastungen verursachen. Die allgemeinen Aufgaben der Betriebsüberwachung und der wiederkehrenden Prüfungen sind damit (Bild 5) - die Überwachung der Ursachen für die betrieblichen Schädigungsmechanismen, um deren Auswirkung ggf. durch geeignete Maßnahmen zu minimieren, - die Überwachung der Folgen von ggf. nicht entdeckten betrieblichen Schädi-

4 gungsmechanismen (betriebsbedingte Fehler), um diese rechtzeitig zu erkennen und signifikante Auswirkungen zu vermeiden, - Verfolgung des Kenntnisstandes, um die jeweiligen Anforderungen an die Bauteilqualität zu erkennen und damit rechtzeitig die vorhandene Bauteilqualität nachzuweisen sowie die Maßnahmen der Überwachung (Art und Zeitpunkt, d.h. Prüffrist) optimieren zu können. 4. Ergänzung der Betriebsüberwachung mittels erprobter Methoden zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit von technischen Anlagen in der Kesseltechnik In der petrochemischen Industrie wird im API 579 das Fitness-For-Service - Verfahren beschrieben, welches es ermöglicht, Druckbehälter oder Rohrleitungendie entsprechend dem ASME-Code gefertigt wurden unter Berücksichtigung ihres momentanen Fehler- und Belastungszustandes - in Bezug auf ihre strukturelle Integrität, ihre Lebensdauer bzw. ihres nächsten Prüfintervalls - zu bewerten. Insbesondere kommen hierbei zeitlich veränderliche Größen in Betracht, die für einen sicheren Betrieb entweder während eines Stillstandes oder sogar während des Betriebes einer Anlage bzw. eines Bauteils bestimmt werden müssen. Diese zum sog. Werkstoffdreieck zusammengefassten lebensdauerbestimmenden Größen Werkstoffeigenschaft, Fehlergröße und Beanspruchung und den sich aufgrund des Betriebes zeitlich verändernden absoluten Kennwerte sind beispielhaft in Bild 6 dargestellt. Mit der Kenntnis dieser aktuellen Bauteilkenngrößen kann beurteilt werden, ob sofort bzw. wann ein Stillstand erforderlich ist, um ergänzende Prüfungen bzw. Instandhaltungsmaßnahmen durchzuführen. Eine Bauteilbegutachtung kann auch notwendig werden, falls eine Anlage fehler- oder nutzungsbedingt außerhalb der vorgesehenen Auslegungsparameter betrieben wurde. Dies führt zu einer weiteren Beurteilungsmethode nach API 581, die sog. risikoorientierte Inspektion (ROI), mit deren Hilfe die Notwendigkeit eines sofortigen bzw. späteren shut-downs ermittelt werden kann. Die neuen technischen Regelwerke ermöglichen es, einer benannten Stelle (ZÜS) ein neues, vernetztes Dienstleistungsangebot mit folgenden Zielsetzungen anzubieten (immer in Abstimmung mit der Genehmigungsbehörde): - Wegfall fester Prüffristen, an denen eine gesamte Anlage abgeschaltet werden muß, - Begleitung der Anlage während des Betriebes mit Durchführung von Messungen und Prüfungen, die mindestens denselben Erkenntnisstand ergeben, wie eine wiederkehrende Prüfung, - Festlegung eines Anlagenstillstandes zusammen mit dem Kunden in Abhängigkeit des Zustandes der Anlage bzw. seiner Komponenten. Damit soll es dem Kunden ermöglicht werden, von festen Stillstandszeiten wegzukommen und durch eine Verlängerung der Laufzeiten bis zum Stillstand erhebliche finanzielle Vorteile bei ausreichender Sicherheit zu erlangen. Daneben soll geprüft werden, inwieweit eine Kombination von Prüferfordernissen sowie Wartungs- und Instandhaltungsaufgaben realisiert werden können.

5 - 5 - Zusammen mit modernen betriebsbegleitenden Prüf- und Beurteilungsverfahren (wie sie in der Kerntechnik, bei Raffinerien, in der Off-shore-Technik und bei Chemieanlagen bereits üblich sind) und in Verbindung mit seinen spezifischen, langjährigen Anlagewissen bietet sich damit für den TÜV eine Möglichkeit, seine Kunden in Zukunft sowohl in den Fragen der Sicherheit wie auch des wirtschaftlichen Betriebes technischer Anlagen zu beraten. Diese beinhaltet [6]: a) klassische Restlebensdaueranalyse: Werkstoffe, Beanspruchungen, Zustandsund Schädigungsanalyse (Ermüdung, Kriechen, Kriechermüdung, Korrosion usw.), b) zustandorientierte Betriebsführung und Instandhaltung, c) Risikoabschätzung und -management ( Risk-based Maintenance, Risk-aware Operation sowie Risk-based Inspection RBI). 5. Schwerpunkte für die Prüftechnik in der Kesseltechnik zur Realisierung der Prüffristenverlängerung Einige wesentliche zur Beschreibung der Schädigungsmechanismen (vgl. Werkstoffdreieck) aussagefähigen Prüfmethoden sind für die 3 signifikanten Faktoren Werkstoff (und Medium), Fehlergröße und Belastungen im folgenden zusammengestellt und werden unter Berücksichtigung von [3] und [7] - wo bereits alle Prüfverfahren beschrieben wurden - nur aufgelistet. Generell handelt es sich dabei um Prüfmethoden, die - von einigen Ausnahmen wie Kriechen abgesehen - meist bereits auch im Basissicherheitskonzept der Kerntechnik (in der betrieblichen Überwachung [8]) entweder bei der kontinuierlichen Betriebsüberwachung bzw. bei wiederkehrenden Prüfungen eingesetzt werden oder nach Bedarf zur Lösung spezieller Fragen zum Einsatz kommen. Zunächst jedoch noch einige Bemerkungen zur Anwendung von Prüfverfahren, die nur von außen prüfen (non-intrusive inspections methods). Die wirtschaftlichen Vorteile dieser Prüfungen von außen haben allgemein ihre Ursache darin, das Bauteil nicht abzuisolieren, nicht zu öffnen oder für das Befahren vorbereiten zu müssen sowie die Zeit für die Produktionsunterbrechung zu minimieren. Die Kosten für diese Prüfverfahren von außen sind in der Regel teuerer als die innere (visuelle) Prüfung, da sie meist komplexe Prüfmethoden darstellen. Daher bringen sie wenig Vorteile, wenn der Behälter aus Gründen der Instandhaltung ohnehin geöffnet werden muss, weil bestimmte Bereiche nur von innen überprüft werden können. Damit verkürzt sich die Stillstandszeit, da Vorbereitungen zur Reparatur früher eingeleitet werden können.

6 - 6 - Die Zielrichtung kann sein, zukünftig nur Prüfverfahren von außen anzuwenden oder die Zeitabstände zwischen inneren Prüfungen zu verlängern, indem man gelegentlich zwischenzeitliche Prüfverfahren von außen anwendet. Ist während eines shutdown eine innere Besichtigung geplant, so kann voreilend doch eine Prüfung von außen angewendet werden, um evtl. erforderliche Reparaturen vorzeitig zu erkennen. Obwohl der wesentliche Vorteil der Prüfungen von außen darin besteht, die Produktion nicht unterbrechen zu müssen, haben Prüfungen von außen bei abgefahrener Anlage noch immer ihre Vorteile, wenn nicht geöffnet bzw. nicht abisoliert werden muß, und außerdem werden andere Fehler (Montage) möglicherweise reduziert. Alle Informationen der Prüfverfahren von außen liefern mehr quantitative Prüfergebnisse als visuelle Inspektionen und sind auch nutzbar, um z. B. die Raten der Wanddickenschwächung zu bestimmen. Bei neu entwickelten Prüfverfahren ist vor ihrer Anwendung ggf. zu beachten, dass sie einer Evaluierung zu unterziehen sind. 5. Auflistung betriebsbegleitender Prüf- und Meßverfahren Prüfverfahren zur Feststellung von Werkstoffveränderungen - Gefügeuntersuchung mittels metallographischer Replica Technik - Wasseruntersuchung - Bestimmung von Korrosionsraten Prüfverfahren zur Feststellung der Fehlergrößen - Wanddickenmessung - Wirbelstromprüfung - Ultraschallprüfung mit Heißprüfköpfen - Erkennen und Lokalisieren von Dampf- und Wasserleckagen - Infrarot-Thermographiesystem Prüfverfahren zur Bestimmung der Beanspruchung - Messung von mechanischen Größen (z.b. Dehnung, Kraft) - Messung der Kriechdehnung - Schwingungsdiagnose - Körperschallüberwachungssystem (KÜS) - Ermüdungsüberwachung durch Temperaturwechsel - Fernüberwachung z. B. von Armaturen mit elektrischem Stellantrieb - Potentialsonden-Messtechnik Die aufgelisteten Verfahren sind in [3] und [7] näher beschrieben.

7 Zusammenfassung Zum Integritätsnachweis von Bauteilen besteht bei Raumtemperatur eine Reihe von Prüfverfahren. In Zukunft müssen verstärkt Informationen (Prozeßdaten, Belastungsdaten etc.) aus dem Betrieb technischer Anlagen mittels on-stream - Methoden erhalten werden, um weniger Stillstände für innere Prüfungen bzw. aufgrund unerwarteter betriebsbedingter Vorgänge zu haben [9]. Man erhält damit zugleich Prozessdaten und Messwerte, welche die Anlagenfahrweise beschreiben, um damit Vergleiche mit den Auslegungsdaten bzw. dem Schädigungsmechanismus des Werkstoffes zu ermöglichen. Es besteht damit - im positiven Fall - die Möglichkeit experimentell zu bestätigen, daß eine Verlängerung der Prüffrist begründet ist. Außerdem ergeben sich Hinweise für eine schonendere Fahrweise. Damit wird durch erhöhte Verfügbarkeit zur Produktion für den Betreiber letztlich eine Kostenersparnis bewirkt (Bild 7). Eine Reihe der heute für Kesselanlagen zur Verfügung stehenden betriebsbegleitenden Prüf- und Meßverfahren wurde aufgelistet, ihr möglicher Nutzen für Sicherheit und Wirtschaftlichkeit (ggf. in Verbindung mit modernen risiko- oder zustandorientierten Bewertungsverfahren) aufgezeigt und Beispiele aus 30 Jahren betriebsbegleitender Meßtechnik des TÜV in München gezeigt.

8 Literatur [1] Schuler, G.: Umsetzung der Druckgeräterichtlinie aus der Sicht des Betreibers, 32. SLV-Sondertagung Schweißen im Anlagen- und Behälterbau, München, 10 bis 13. Februar 2004 [2] Bartonicek; J., Alt, M., Manke, A.: Beispiele für die Betriebsüberwachung bei GKN, 24. MPA-Seminar, Stuttgart 8./9. Oktober 1998 [3] Joas, H.D.: Betriebsbegleitende Prüf- und Meßverfahren an Kesselanlagen, Kesselbetriebstechnik 2002, TÜV Akademie, München, 7./8 Nov [4] König, G., Wachter, O., Blind, D., Ervé, M.: Betriebsbedingte Schädigungsmechanismen in wichtigen Rohrleitungen von LWR-Anlagen 24. MPA-Seminar, Stuttgart, 8./9. Oktober 1999 [5] Richtlinie des Forschungskuratoriums Maschinenbau e.v. (FKM): Bruchmechanischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile, Entwurf, Juni 2000 [6] Roos, E., Javanovic, A.S., Maile, K.: Risk-Based Management der Restlebensdauer von Kraftwerksbauteilen. 24. MPA-Seminar Stuttgart, 8./9. Okt [7] Joas, H.D., Beukelmann, D., Waas, A., Schröder, H.C.: Erhöhung der Verfügbarkeit durch Prüfmethoden an Kesselanlagen, Kesselbetriebstechnik 2000, TÜV Akademie, München, 16./17. Nov [8] Bartonicek, J.: Betriebsbegleitende Überwachung als Grundlage der Betriebsfestigkeit, GKN [9] Shepard, B.W.O., Gast, M.H. Bouma, T., Development of a recommended Practice for non-invasive inspections. EPERC, TTF3+5 meeting, Amsterdam,

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