Dampfseitiges Oxidationsverhalten austenitischer Kesselrohre

G. Lüdenbach et al. Dampfseitiges Oxidationsverhalten austenitischer Kesselrohre
1 Einleitung
In Deutschland wurden bereits Ende der 1950er Jahre beheizte Kesselrohre aus austenitischen
Chrom-Nickel Stählen verwendet, insbesondere in Kraftwerken der chemischen Industrie. Hierbei
handelte es sich um Kraftwerke, die mit fossilen Brennstoffen befeuert wurden und deren Frisch-
dampfparameter 600°C und 300 bar betrugen [1-8]. In den Kraftwerken der Energiewirtschaft
etablierten sich im gleichen Zeitraum für die thermisch hoch beanspruchten Überhitzer und
Zwischenüberhitzer der warmfeste martensitische 12%-Chromstahl X20CrMoV12-1 sowie der
ferritisch-bainitische 2,5%-Chromstahl 10CrMo9-10. Da beide Systeme meist die gleiche
Dampftemperatur produzieren unterliegen auch die beiden Werkstoffe einer vergleichbaren
thermischen Belastung, so dass aufgrund des niedrigeren Chromgehaltes der 10CrMo9-10 nach
der gleichen Betriebszeit deutlich dickere Oxidschichten aufweist der X20. Das Abplatzen von
dampfseitig gewachsenen Oxidschichten wird viel häufiger bei Zwischenüberhitzerrohren aus dem
Werkstoff 10CrMo9-10 beobachtet. Dies hängt einerseits ab von den deutlichen dickeren
Oxidschichten aber auch von der Dimension der Rohre. Während Überhitzerrohre kleine
Durchmesser und große Wanddicken aufweisen, sind die Durchmesser der Zwischenüberhitzer-
rohre eher groß und die Wanddicken etwas geringer. Dies bedeutet, dass die Dehnung in der
Grenze zwischen Oxidschicht und Metall als Folge einer Biegebeanspruchung, wie sie z.B. durch
häufiges An- und Abfahren des Kessels hervorgerufen wird, in Zwischenüberhitzerrohren größer
ist. Grundsätzlich kommt es in Anlagen verstärkt zu Problemen durch Magnetitpartikel, die häufiger
an- und abgefahren werden bzw. häufigen Lastwechseln unterliegen. Die Oxidpartikel finden sich
z.B. in den Entwässerungsleitungen speziell in den Entwässerungsventilen aber auch in den
Turbinenventilen wieder und beeinträchtigen dort die Funktion der Ventile bzw. können zu
abrasivem Materialabtrag führen. Mit der Verwendung austenitischer Chrom-Nickel Stähle für
Überhitzer- und Zwischenüberhitzer der „neuen“ Kraftwerksgeneration ist das dampfseitige
Oxidationsverhalten bzw. Abplatzverhalten dieser Oxidschichten in den Fokus des Interesses
gerückt. Aufgrund des deutlich höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Austenite (18
x 10 -6 K -1 ) gegenüber dem der ferritisch-martensitischen Stähle (12 x 10 -6 K -1 ) entstehen in der
Grenzschicht zwischen Werkstoff und Oxidschicht bzw. innerhalb der Oxidschichten selbst
Scherspannungen, die zur Delamination bzw. zum Abplatzen der Oxidschicht bzw. Teilen der
Oxidschicht führen. Neben den bereits erwähnten Problemen, die in den nachgeschalteten
Systemen des Dampferzeugers auftreten, ist das Problem der Verstopfung von Kesselrohren
durch die abgeplatzten Magnetitschollen besonders hervorzuheben. Platzen erhebliche Mengen
der Oxidschicht relativ zeitgleich ab und können diese konstruktionsbedingt nicht mit der
Dampfströmung aus der Heizfläche abtransportiert werden, kann es zu zahlreichen Verstopfungen
und als Folge dessen zur thermischen Überbeanspruchung der Rohre und zu Rohrreißern
kommen.
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