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An ultrasonic non-destructive testing system for detection and quantification of early stage subsurface creep damage in the thermal power generation industry

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Ultraschalltechnologie für die Prüfung der Zuverlässigkeit kritischer Kraftwerkskomponenten

Kraftwerke enthalten Leitungen, die hohen Belastungen standhalten müssen und bei denen unerkannte Schäden zu gefährlichen Ausfällen und sogar Stromausfällen führen können. Die zerstörungsfreie Prüfung mit neuartiger Ultraschalltechnologie erlaubt dank einer EU-Förderung die frühzeitige und präzise Erkennung von Kriechschäden.

Industrielle Technologien
Energie

Mit fossilen Brennstoffen betriebene Kraftwerke produzieren unter sehr anspruchsvollen Betriebsbedingungen mit zahlreichen Druckkomponenten wie Kesselrohren, Sammlern und Dampfleitungen Strom. Sie arbeiten bei sehr hohen Temperaturen zwischen 540° C und 570° C und Spannungen, die zu Rissen an Schweißnähten und letztlich zu Rohrbrüchen führen können.

Die Bedeutung der Früherkennung

Das Kriechen des Bodens ist eine zeitabhängige, thermisch unterstützte Verformung eines unter Spannung stehenden Bauteils. „Man weiß inzwischen, dass Kriechschäden in einem relativ frühen Stadium der geplanten Lebensdauer des Bauteils auftreten können. In vielen Fällen treten Schweißrisse in der Mitte der Restlebensdauer auf“, sagt Dr. Marko Budimir, Projektkoordinator des EU-finanzierten Projekts CreepUT. Es ist belegbar, dass Kriechschäden nicht an der Oberfläche beginnen und sich von dort nach innen ausbreiten, sondern umgekehrt. Sie entwickeln sich in der Frühphase auch viel langsamer. Wenn die Schäden an der Oberfläche erkannt werden, sind die Schäden am Rohr bereits weit fortgeschritten. Bestehende zerstörungsfreie Prüfverfahren wie die Replikationsmetallographie können die Vorgänge unter der Oberfläche nicht ausreichend überwachen. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von CreepUT haben sich mit diesem drängenden Problem befasst und eine neuartige Ultraschalltechnologie entwickelt. Budimir erklärt: „Unser intelligentes Ultraschall-Scannersystem bietet eine ergänzende volumetrische Abdeckung und ermöglicht erstmals die frühzeitige Erkennung von Kriechschäden unter der Oberfläche. Mit diesem System können Kriechverformungen im Mikrometerbereich erfasst werden – die mit der heutigen Technologie nur sehr schwer zu erkennen sind – und es kann daher die Lebensdauer der Bauteile über die ursprünglichen Auslegungsgrenzen in Kraftwerken hinaus verlängern.“

Wie das System funktioniert

Das CreepUT-System wurde speziell für die Abtastung entscheidender Schweißnähte entwickelt, die für Kriechschäden anfällig sind. Es verfügt über einen ergonomischen mechanischen Manipulator, der den Ultraschallprüfkopf über Rohrprüfflächen tragen und präzise ausrichten kann. Der Prüfkopf, der aus einer Ultraschallsonde und einer Klemme besteht, ist um einen Ultraschallwandler herum aufgebaut, der Fehler erkennen kann, die größer als 0,2 mm sind. Die Wellenlänge des Ultraschallwandlers kann die Fähigkeit, einen Riss zu erkennen, erheblich beeinflussen. Die Diskontinuität muss größer als die Wellenlänge sein, um eine vernünftige Erkennungsqualität zu erreichen. Andernfalls wird die Schallwelle den Defekt umgehen. „Die meisten Ultraschallprüfungen werden bei Frequenzen zwischen 1 MHz und 15 MHz durchgeführt. Höhere Frequenzen ermöglichen die Erkennung kleinerer Fehler. Ab einem bestimmten Punkt neigt die Schallenergie jedoch zur Streuung und setzt sich im Material nicht weiter fort“, erläutert Budimir.

Herausforderung im Betrieb

Die Erprobung des neu geschaffenen CreepUT-Systems in Braunkohlekraftwerken wird eine Herausforderung darstellen. Die hohe Konzentration an kleinen Staubpartikeln, die bei der Kraftstoffverbrennung freigesetzt werden, kann zu Fehlern während des Scanvorgangs führen. Das System muss sorgfältig optimiert werden, um den anspruchsvollen Betriebsbedingungen in einem Kraftwerk standhalten zu können, zu denen Staubkonzentration, Feuchtigkeit und hohe Temperaturen zählen. Die Empfindlichkeit der Ultraschallsonde ist ebenfalls ein Schlüssel zum Erfolg des CreepUT-Systems. Die endgültige Oberflächenrauigkeit sollte bei etwa 1 μm liegen; darüber hinaus kann sie die Fähigkeit der Sonde, sehr kleine Defekte zu erkennen, stark einschränken. Da eine solche feine Rauigkeit teuer ist, ist das System so konzipiert, dass es an vier Punkten um das Rohr herum scannt und sich in Schritten von 90 Grad dreht. Die CreepUT-Technologie erhöht die Sicherheit und steigert durch eine Verringerung von Kraftwerksausfällen den jeweiligen Ertrag. Es sind zusätzliche Tests erforderlich, um die Vorteile dieses neuen Prüfverfahrens überzeugend demonstrieren zu können.

Schlüsselbegriffe

CreepUT, Kriechschäden, Kraftwerk, Ultraschalltechnik, zerstörungsfreie Prüfung, Untergrund, Schweißriss, Ultraschallprüfung, Ultraschallwandler

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