Verlässliche Prognose

Condition Monitoring

Die Lebensdauer zentraler Kraftwerkskomponenten exakt zu ermitteln und vorzeitige Sanierungs- oder Austauschmaßnahmen zu vermeiden, ist ein wichtiger Schritt zum Erfolg.

02. September 2013
Qualitative Darstellung der Spannungen im Bereich des Risses.
Bild 1: Verlässliche Prognose (Qualitative Darstellung der Spannungen im Bereich des Risses.)

Durch eine flexiblere Fahrweise werden die Komponenten in vielen thermischen Großkraftwerken deutlich höher beansprucht. Zugleich steigt der Wettbewerbsdruck und Investitionen in neue Kraftwerke bleiben vielfach aus. Die Lebensdauer von Bauteilen in bestehenden Anlagen muss also weiter verlängert werden.

Will man Komponenten jedoch so lange wie möglich und so sicher wie nötig betreiben, müssen erfahrene Experten diese zuverlässig überwachen. TÜV Süd kombiniert modernste zerstörungsfreie Prüfverfahren mit Zustandsbewertungen und -prognosen. So ist es möglich, potenzielle Risiken frühzeitig zu identifizieren und Korrekturmaßnahmen einzuleiten. Wie das in der Praxis aussehen kann, zeigt ein Fallbeispiel aus dem Saarland. Die Steag Power Saar betreibt in Querschied das Steinkohlekraftwerk Weiher III. Im Rahmen einer Revision werden zentrale Kraftwerkskomponenten mit zerstörungsfreien Prüfverfahren (ZfP) untersucht. Dabei wurden in der Vergangenheit bereits einmal Ermüdungsrisse von sehr geringer Tiefe im Gehäuse der Umwälzpumpe gefunden. Diese ersten Schäden konnten damals durch einfaches Ausschleifen behoben werden.

Es gehört zu den Einsatzbedingungen einer solchen Umwälzpumpe, dass sie während des Betriebes starke Temperaturunterschiede aushalten muss. Je höher die Zahl der Lastwechsel im Kraftwerksbetrieb (zwischen Volllast und Teillast), desto höher auch die Zahl der Thermoschocks und Druckwechsel, denen die Umwälzpumpe ausgesetzt ist. Dabei wirkt eine enorme Zugspannung auf das Material des Gehäuses und führt mit der Zeit zur Ermüdung und Rissbildung.

Im Rahmen einer weiteren Revision zeigten sich daher 2011 erneut Risse an derselben Stelle des Gehäuses. Diesmal war das Schadensbild allerdings deutlich ausgeprägter: die Risse konnten über circa 50 Prozent des Umfanges mit einer maximalen Risstiefe von circa 15 Prozent der zeichnerischen Wanddicke nachgewiesen werden.

Kommt es durch die Beanspruchung zu betriebsbedingten Schäden wie hier, muss deren Ausprägung mittels zerstörungsfreien Prüfverfahren ermittelt und die weitere Entwicklung genau überwacht werden. Auf Basis der Ergebnisse kann dann exakt die Lebensdauer der Komponente prognostiziert werden. Das ist gerade bei zentralen Kraftwerkskomponenten von großer Bedeutung – um so mehr, wenn die Lieferzeit wie in diesem Fall zwei Jahre beträgt.

Für die Experten von TÜV Süd galt es daher, in der kurzen Phase des revisionsbedingten Stillstands alle notwendigen Fakten auszuwerten, um sichere Prognosen zu folgenden Punkten abzugeben: Ist ein plötzliches Versagen der Pumpe im laufenden Betrieb auszuschließen? Und ist ein sicherer Betrieb trotz Rissbildung für zwei weitere Jahre möglich?

Um zuverlässige Aussagen über die zu erwartende Lebensdauer der Anlagenkomponente zu treffen, wurde eine Fitness-for-Service-Bewertung (Level 3) entsprechend dem Regelwerk Fitness-for-Service API 579-1/ASME FFS-1 vorgenommen. So ist eine Prognose hinsichtlich des langfristigen Verhaltens von Komponenten unter Betriebsbelastung möglich. Vorzeitige Sanierungs- oder Austauschmaßnahmen können so vermieden und die Anlage mit maximaler Effizienz betrieben werden.

Um sicher zu belegen, dass die Komponente auch in den folgenden beiden Jahren risikofrei weiterbetrieben werden kann, muss exakt festgestellt werden, welchen Belastungen das Bauteil im laufenden Betrieb ausgesetzt ist. Dazu wird ein Belastungsprofil erstellt und aus den ermittelten Werten auf den weiteren Verlauf geschlossen. Auf Basis numerisch transienter Simulationsberechnungen wird so nachgewiesen, welche Spannungen in dem betroffenen Bauteil auftreten.

Im Falle der Umwälzpumpe aus Weiher III mussten die TÜV-Süd-Ingenieure wegen der häufigen Lastwechsel auch das Ermüdungsrisswachstum berücksichtigen. Es wurde daher genau ermittelt, welchem Druck und welchen Temperaturveränderungen die Komponente im laufenden Betrieb ausgesetzt ist. Das so erstellte Belastungsprofil zeigte häufige und rasche Temperaturschwankungen, von bis zu 100 °C. So ist das Material durch wiederholtes Ausdehnen und Zusammenziehen enormen Belastungen ausgesetzt.

Bevor TÜV Süd abschließend eine zuverlässige Aussage zum Weiterbetrieb der Komponente treffen konnte, waren hochkomplexe Berechnungen notwendig. Da die Analysen und Berechnungen eine systemrelevante Komponente betrafen, von der ein Gefahrenpotenzial ausging, wurden aus Sicherheitsgründen noch weitere Vergleichsberechnungen durchgeführt. Dabei wurde die konservative Methode der numerischen Bruchmechanik genutzt, um die Analyseergebnisse noch einmal zu bestätigen.

In Weiher III konnte mit beiden Verfahren nachgewiesen werden, dass die maximale Risstiefe zum Zeitpunkt der Revision deutlich unterhalb des kritischen Werts lag.

Erschienen in Ausgabe: 02/2013