Dampfseitiges Oxidationsverhalten austenitischer Kesselrohre

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G. Lüdenbach et al. Dampfseitiges Oxidationsverhalten austenitischer Kesselrohre Nach 45.000 Betriebsstunden ereignete sich ein Rohrreißer in der martensitischen Berohrung, wohingegen die austenitischen Rohre im Austrittsbereich nur aufgeweitet wurden. Der Schaden konnte auf Verstopfungen im Bereich der Rohrbögen durch Magnetitpartikel zurückgeführt werden. Die Magnetitpartikel wurden intensiv untersucht und es wurde festgestellt, dass es sich hierbei um die dampfseitige (epitaktische) Teiloxidschicht der austenitischen Rohre handelt, bei denen diese Schicht gänzlich fehlte. Offensichtlich sind die Schichten während des Betriebes abgeplatzt und während der Revision mit Hilfe der durchgeführten Wasserdruckprüfung in den Eintrittsbereich (Sammler und Rohre) geschwemmt worden. Beim Wiederanfahren der Anlage war die Dampfströmung nicht in der Lage, die Partikel aus dem System auszutragen, so dass es insbesondere in den Rohrbögen vor dem senkrechten Teil der Heizfläche zu einer Ansammlung der Partikel und letztendlich zu den Verstopfungen kam. Ein weiterer vergleichbarer Schaden ereignete sich auch im Block 3 der Skærbækværket, ebenfalls im waggerechten Eintrittsbereich des Endüberhitzers. Hierbei handelte es sich auch um den austenitischen 18%igen Chromstahl TP347, der in dem überkritischen gasgefeuerten 400 MW Block (290 bar/580°C) zum Einsatz kam. 2.1.1 BoA I in Niederaußem Im Jahre 2003 kam es ca. vier Wochen nach der Inbetriebnahme des 1.000 MW-Blockes in Niederaußem zu einem ersten Rohrreißer im Endüberhitzer ÜH5 [10]. Der Schaden konnte auf eine thermische Überhitzung als Folge einer mangelnden Durchströmung des Rohres zurückgeführt werden. Die Ursache für die mangelnde Durchströmung war eine Verstopfung des Rohres durch Magnetitpartikel, die von der Rohrinnenoberfläche der austenitischen Heizflächenrohre abgeplatzt waren. In den Überhitzern ÜH2, ÜH4 und ÜH5 sowie in dem Zwischenüberhitzer ZÜ3 ist der austenitische Chrom-Nickel-Stahl 1.4910 (X3CrNiMoN1713) eingesetzt. Umfangreiche Untersuchungen mit Hilfe der Durchstrahlungsprüfung an Rohrbögen konnten weitere Verstopfungen durch Magnetitschichtpartikel festgestellt werden (Bild 7). Im Laufe der durchgeführten Schadensanalyse wurde festgestellt, dass auch in diesem Falle die durchgeführte Wasserdruckprüfung dazu geführt hat, dass sich große Mengen der Magnetitpartikel in den unteren Rohrbögen sammeln konnten. Dies erklärt jedoch nicht das plötzliche Auftreten derart großer Mengen an Magnetit. Unterschiedliche Ursachen hierfür wurden diskutiert, wie z.B. mechanisch induziertes Abplatzen durch Reinigung der Rohraußenoberfläche, die Wasserdruckprüfung selbst, schnelle Temperaturwechsel oder eine Aufkonzentration der Partikel vor der Umkehrung, wenn die Partikel nicht mit der Dampfströmung abtransportiert wurden. Gegen letzteres spricht jedoch die Tatsache, dass auch bei Altanlagen Magnetit abplatzt, die problemlos mit der Dampfströmung abtransportiert werden (sonst würden sie nicht die oben beschriebenen Probleme in den nachgeschalteten Systemen verursachen). 8
G. Lüdenbach et al. Dampfseitiges Oxidationsverhalten austenitischer Kesselrohre Bild 7: Ergebnis der Untersuchungen an ausgebauten Rohren aus dem Überhitzer 5 [10] Als Konsequenz aus diesen Schäden sind die Rohre in den betroffenen Überhitzern und Zwischenüberhitzern gegen einen Werkstoff (DMV310N) ausgetauscht worden, der aufgrund seines höheren Chromanteils (>22%) eine wesentlich bessere Oxidationsbeständigkeit aufweist und dadurch deutlich geringere Oxidschichtdicken bildet. Die Ergebnisse an Rohrabschnitten, die nach ca. 40.000 Bh ausgebaut wurden, weisen eine Gesamtschichtdicke in der Größenordnung von ca. 25µm auf, wobei noch kein Abplatzen der epitaktischen Teiloxidschicht beobachtet wurde. Mit zunehmender Gesamtschichtdicke sollte die Neigung zum Abplatzen der epitaktischen Teilschicht zunehmen, so dass die Gefahr eines kollektiven Aplatzens bei Vorliegen entsprechender Randbedingungen (Reinigungsmaßnahmen der Rohraußenoberfläche, Wasser- druckprüfung, schnelle Temperaturwechsel usw.) grundsätzlich gegeben ist. 2.1.2 Tusimice In 2010 traten ebenfalls vergleichbare Schäden in einem tschechischen Braunkohlekraftwerk mit einer Leistung von 200MW auf. In Bild 8 ist der hängende Endüberhitzer mit den in den unteren Rohrbögen gefundenen Magnetitschichten dargestellt. Die Untersuchung der Schichtpartikel im Rasterelektronenmikroskop ergab eine mittlere Schichtdicke von ca. 55µm mit einer relativ geringen Streuung. Dies zeigt, dass die Schichten alle relativ zeitgleich abgeplatzt sind. Es handelte sich ausschließlich um reine Magnetit(Fe3O4)-Schichten, d.h. um die dampfseitig gewachsenen epitaktischen Teilschichten der Überhitzerrohre. 9
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