Verbesserte Restlebensdauerbewertung durch Ermittlung der tatsächlichen Kriechstreubandlage von Kraftwerksbauteilen während des Betriebs

Projektbeschreibung

Kraftwerksbauteile aus hochwarmfesten Stählen unterliegen im Betrieb Kriechbeanspruchungen, die deren Lebensdauer begrenzen. Nach geltender Norm muss bei der Restlebensdauerbewertung konservativ das untere Streuband der Werkstoffeigenschaften zugrunde gelegt werden – obwohl ein überdurchschnittliches Material eine bis zu zehnfach längere Lebensdauer aufweisen kann als ein unterdurchschnittliches. Dies führt regelmäßig zum vorzeitigen Austausch noch betriebsfähiger Bauteile, mit erheblichen Kosten für Betreiber.

Der Marktbedarf liegt daher in Methoden, die die individuelle Werkstoffqualität eines bereits verbauten Bauteils bestimmen und so eine deutlich präzisere, bauteilspezifische Restlebensdauerbewertung ermöglichen.

Das IGF-Vorhaben 22615 N entwickelte, validierte und demonstrierte eine solche Methode für den 9 %-Chromstahl Grade 91, der in Kohle- und Gas-und-Dampf-Kombikraftwerken weit verbreitet ist. Aus betriebsbegleitenden Dehnungsmessungen an Kraftwerksbauteilen wurde durch Abgleich mit einer Finite-Elemente-Simulation und einem zweckgebunden weiterentwickelten Kriechverformungsmodell die chargenspezifische Streubandlage des verbauten Werkstoffs ermittelt. Diese Information erlaubt eine fundierte Restlebensdauerbewertung, die gegenüber der konservativen Normmethode Lebensdauergewinne von bis zu Faktor 2 erschließt.

Gesellschaftlich und industriell leistet das Projekt damit einen Beitrag zur sicheren Verlängerung der Betriebszeit bestehender Wärmekraftwerke, die im Rahmen der Energiewende als flexible Backup-Kapazität unverzichtbar bleiben.

Die Arbeitspakete des Fraunhofer IWM:

Datenbasis und Kriechmodellierung: Das IWM sammelte und analysierte umfangreiche Zeitstandversuchsdaten des Stahls Grade 91 aus 13 verschiedenen Chargen (darunter 67 Versuche mit Laufzeiten über 10.000 Stunden) und ermittelte versuchs- sowie chargenspezifische Streubandfaktoren. Auf dieser Grundlage wurde das „Logistic Creep Strain Prediction" (LCSP)-Modell von Holmström am IWM um einen Diffusionskriechterm sowie ein Streubandkonzept erweitert. Das resultierende Modell beschreibt so sowohl Versetzungs- als auch Diffusionskriechen mit einem einheitlichen Parametersatz – eine wesentliche Voraussetzung für die korrekte Bewertung von Bauteilen im betriebsrelevanten niedrigen Spannungsbereich (< 100 MPa). Die Implementierung des Modells als CREEP-User-Subroutine für das FE-Programm Abaqus ermöglichte die direkte Nutzung in Bauteilsimulationen.

Bauteildemonstration und Verfahrensanweisung: Das IWM demonstrierte die Methode an einem realen Zwischenüberhitzersammler (Grade 911) aus dem RWE-Kraftwerk Niederaußem mit ca. 142.000 Betriebsstunden. Es erstellte ein detailliertes FE-Modell, rechnete die vollständige Belastungshistorie nach und verglich die berechneten mit den gemessenen Kriechdehnungen – mit guter Übereinstimmung. Im Zuge dieser Arbeiten wurde auch das Zeitstandlebensdauermodell für Grade 911 neu angepasst, da das bestehende ECCC-Modell bei niedrigen Spannungen unrealistische Vorhersagen lieferte. Alle Verfahren wurden in einer praxisorientierten Verfahrensanweisung und Python-Skripten als Methodenträger dokumentiert.