Ermüdung von 12% Cr Dampfturbinenstahl aufgrund von Lochkorrosion

Abstract

Bei vielen katastrophalen Schäden von Dampfturbinen wurde als Ursache Ermüdungsrisseinleitung an Korrosionslöchern festgestellt. Der Lochfraß tritt dabei bevorzugt an den Schaufeln im Niederdruckbereich der Turbine auf, wo der Phasenübergang von gasförmig zu flüssig erstmals auftritt. Seit mehr als drei Jahrzehnten werden intensive Forschungen mit dem Ziel betrieben, Vorhersagen über den zu erwartenden Schadensverlauf zu erhalten und ein Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen zu erlangen. Nach wie vor besteht jedoch der Bedarf nach einer zuverlässigen Lebensdauervorhersage. In der vorliegenden Arbeit werden die Ergebnisse umfangreicher Ermüdungsuntersuchungen an 12% Cr-Stahl vorgestellt. Dieses Material wurde lange Zeit für die Herstellung von Turbinenschaufeln im Niederdruckbereich verwendet, von denen viele seit nunmehr vier Jahrzehnten im Einsatz sind. Gemessen wurden die Ermüdungsrissausbreitung im Schwellwertbereich sowie die Dauerfestigkeit bei sehr hohen Lastwechselzahlen mittels Ultraschall-Ermüdungsverfahren. Die Umgebungs-einflüsse wurden durch Versuche in unterschiedlich korrosiven Medien untersucht. Wässrige Lösungen dienten sowohl zur Simulierung von Standardbetriebsbedingungen, als auch von kritischen Zuständen, in denen Lochfraß auftreten kann. Fraktographische Untersuchungen mittels Feldemissions-Elektronenmikroskop wurden zur Analyse der Versagensmechanismen durchgeführt. Aufgrund unterschiedlicher lokaler Spannungsverhältnisse während des Betriebs von Turbinenschaufeln wurde der Einfluss von Mittelspannung und Spannungsamplitude auf das Ermüdungsverhalten untersucht. Die Abschätzung der kritischen zyklischen Beanspruchung korrosionslochbehafteter Bauteile erfolgte mithilfe der linear-elastischen Bruchmechanik. Es wurde bestätigt, dass sich Korrosionslöcher wie zweidimensionale kurze Risse verhalten, was eine semi-empirische Bestimmung des zyklischen Spannungsintensitätsfaktors ermöglicht. Unter Verwendung des formellen Ansatzes von El Haddad et al. zur Korrelation von kurzen und langen Rissen, kann eine Festigkeitsabschätzung in Abhängigkeit von der Korrosionslochbreite, des Umgebungsmediums und des Spannungsverhältnis mit ausreichender Genauigkeit erzielt werden. Zusätzlich wurde die Rissinitiierung an Korrosionslöchern und das anschließende Risswachstum detailliert untersucht. Ein zweistufiges Modell wurde mit dem Ziel entwickelt, das Kurzrisswachstum ausgehend von Korrosionslöchern bruchmechanisch zu beschreiben.

Fatigue crack initiation at corrosion pits frequently cause damage in steam turbines with catastrophic failure. This is located preferentially at the blades in the low pressure part of the turbine where first condensate occurs. Since more than three decades, intensive research on this topic was conducted with the aim to understand the basic phenomena and to predict the evolution of damage. Nevertheless, a reliable predictive methodology is still necessary. In the present work, results of extensive fatigue measurements on 12% Cr steel are reported. It is a standard material for turbine blades in the low pressure part of engines which are in use since more than forty years. Measurements of fatigue crack growth in the near threshold regime and fatigue life tests at very high number of load cycles were performed using ultrasonic-fatigue technique. Environmental influences were investigated by testing in vacuum, air and aqueous solution of different corrosiveness. Experiments in liquids were conducted to simulate standard operating conditions and critical environments in which pitting corrosion occurs. The fracture surfaces were investigated using field-emission scanning electron microscopy in order to analyse failure mechanism. The results were qualitatively and quantitatively evaluated to ensure reliability of the determined threshold stress intensity factor ranges and fatigue limits at a number of 109 load cycles. Due to different local stress ratios during fatigue loading of a turbine blade, the influence of mean stress and stress range on the fatigue behaviour was investigated. Critical stresses for structures showing pitting corrosion were estimated using linear-elastic fracture mechanics. It was confirmed that corrosion pits can be treated as two-dimensional small crack which allows a semi-empirical determination of cyclic stress intensity factors. Small and long cracks were correlated with the approach of El Haddad et al. allowing an estimation of the endurable cyclic stresses in relation to pit width, environment and stress ratio with sufficient accuracy. Additionally, initiation and propagation of cracks emanating from pits were observed in detail. A two-step model was established with the aim to describe small crack growth emanating from corrosion pits in terms of fracture mechanics.