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RWE Generation SEITE 1
KORROSIONSVERHALTEN AUSTENITISCHER KONDENSATORROHRE simulierte Korrosionsversuche
21.10.2015
Werkstoffwoche 2015, Dresden, 14.-17.09.2015 Ralf Uerlings, RWE Generation SE, CoC Quality Assurance & Materials
RWE Generation SEITE 2
Korrosionsverhalten austenitischer Kondensatorrohre in Anlehnung an die VGB-Richtlinie 113 L
21.10.2015
Inhalt 1 Motivation 2 Austenitische Kondensatoren 3 VGB-R 113 L 4 Kühlwässer 5 Versuchsreihen 1- 3 6 Zusammenfassung der Ergebnisse 7 Fazit
RWE Generation SEITE 3
1 Motivation
• Austenitische Kondensatorrohre sind während Stillstandzeiten durch Einwirkung von Chloriden im Kühlwasser anfällig für Loch- und Spaltkorrosion
• Im Rahmen der Energiewende werden häufige Blockstillstände > 3 Tage erwartet
• In der VGB-Richtlinie 113 L „Rohre für Kondensatoren und andere Wärmetauscher“ werden Maßnahmen zur Stillstandkonservierung in kurze Stillstände (1 – 3 Tage) und lange Stillstände (> 3 Tage) unterschieden
21.10.2015
RWE Generation SEITE 4
1 Motivation
• Es liegen KEINE PRAKTISCHEN ERFAHRUNGEN über das Korrosionsverhalten ohne Einhaltung der VGB-R 113 L bei Stillständen vor
21.10.2015
⇒ Versuchsprogramm zur Bewertung austenitischer Kondensatorrohre in Zusammenarbeit mit dem IFK Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik der Universität Stuttgart
RWE Generation SEITE 5
2 Austenitische Kondensatoren Einsatz in Braunkohlekraftwerken
21.10.2015
Kraftwerk Anlage Leistung Maßnahme Jahr
Weisweiler Block M (MVA) 35 MW Neubau 1996
Niederaußem Block K 1000 MW Neubau 2001
Weisweiler Block G 600 MW Ertüchtigung* 2007
Niederaußem Block F 600 MW Ertüchtigung* 2008
Weisweiler Block H 600 MW Ertüchtigung* 2009
Niederaußem Block H 600 MW Ertüchtigung* 2009
Neurath Block D 600 MW Ertüchtigung* 2010
Neurath Doppelblock F/G
1.000 MW (jeweils)
Neubau 2011
* Ertüchtigung = Austauschen der Messingrohre gegen austenitische Rohre
RWE Generation SEITE 6
2 Austenitische Kondensatoren Beispiel: 1000 MW Anlage
21.10.2015
Anzahl der Rohre 45278
Rohrlänge 16.590 mm (einzelnes Rohr) 75 km Gesamtlänge in einem Kondensator
Rohrwanddicke 0,5 mm
Durchmesser 20 mm
Werkstoff X2CrNiMo17-13-2 (Werkstoff-Nr.: 1.4404)
Betriebstemperatur ca. 70°C
RWE Generation SEITE 7
2 Austenitische Kondensatoren Werkstoffauswahl
21.10.2015
• Preiswerter • Passivität gegenüber den üblichen Kühlwässern
⇒ geringeres Korrosionsrisiko • Geringere Rohrwanddicken • Höhere Strömungsgeschwindigkeiten • Günstigerer Wärmetransport erlaubt „kleinere“ Kondensatoren
Vorteile austenitischer Kondensatorrohre gegenüber Messing
• Empfindlichkeit gegenüber Chloriden Nachteil
RWE Generation SEITE 8
2 Austenitische Kondensatoren Funktion eines Kondensators
• Kondensator dient der Verflüssigung des Abdampfes aus der Turbine. Dies ermöglicht einen geschlossenen Kreislaufprozess.
• Hauptaufgaben sind die Kondensierung, Entgasung und Sammlung des abströmenden Dampfes
• Der Gesamtwirkungsgrad eines Kraftwerks wird im Wesentlichen von der Leistung des Kondensators beeinflusst ⇒ Rentabilität
• Schäden am Kondensator können den gesamten Wasser-Dampf-Kreislauf durch Korrosionseffekte beschädigen
21.10.2015
RWE Generation SEITE 9
2 Austenitische Kondensatoren Aufbau eines Kondensators
21.10.2015
Teilbündel-Oberflächenkondensator, Fa. BBC
Anordnung der Rohre
RWE Generation SEITE 10
3 VGB Richtlinie 113 L Forderungen bei Stillstandzeiten > 3 Tage
21.10.2015
Mit Erfüllung folgender Anlagenkonfiguration: • Existenz von Absperrarmaturen • Füllstands- und Entlüftungspumpen • Spül- und Auffülleinrichtungen für salzarmes Wasser (Deionat)
⇒ Kondensator kühlwasserseitig entleeren, Absperrorgane schließen
⇒ Auffüllen der Kondensatorwasserräume mit salzarmem Wasser (Deionat)
⇒ Füllstands- und Entlüftungspumpen in Betrieb halten
RWE Generation SEITE 11
3 VGB Richtlinie 113 L Forderungen bei Stillstandzeiten > 3 Tage
21.10.2015
Ohne Erfüllung vorbeschriebener Anlagenkonfigurationen:
⇒ Kondensator kühlwasserseitig entleeren
⇒ Eventuell vorhandene Fremdkörper entfernen
⇒ Kondensatorrohre sofort mit salzarmem Wasser (Deionat) spülen
⇒ Eventuell vorhandene Beläge entfernen
⇒ Kondensatorrohre sofort trocknen und trocken halten
RWE Generation SEITE 12
3 VGB Richtlinie 113 L Konsequenzen
21.10.2015
• Führende Lieferanten bestehen auf die Einhaltung der Richtlinie zum Erhalt der Gewährleistung
• Folgen: Kostenexplosion Wirtschaftlichkeit ist gefährdet
RWE Generation SEITE 13
4 Kühlwässer
21.10.2015
• Kühlwasserqualitäten sind abhängig vom Kraftwerksstandort und den verwendeten Wässern (Flusswasser, Meerwasser, Brackwasser, etc.)
⇒ Stark variierende Korrosionsgefährdungen der Kondensatorrohre
• Die Bewertung erfolgt nach dem Ryzner- Index Durch den Ryzner – Index wird die Kesselsteinbildung bestimmt
• Die Kesselsteinbildung ist abhängig von: - Temperatur - pH-Wert - Leitfähigkeit - Kalziumhärte - Säurekapazität
Ryzner Index Bewertung
> 7 Korrosion
6-7 leichte Kesselsteinbildung bis leichte Korrosion
5-6 leichte Kesselsteinbildung, keine Korrosion
4-5 intensive Kesselsteinbildung, keine Korrosion
RWE Generation SEITE 14
5 Versuchsreihe 1 Kühlwässer
21.10.2015
Versuchsreihe Kraftwerk Chloridgehalt Ryznar–Index
1 Niederaußem 375 mg/l 5,7 leichte Kesselsteinbildung
1 Weisweiler 112 mg/l 6,1 leichte Kesselsteinbildung bis leichte Korrosion
1 Ibbenbüren 484 mg/l 6,6 leichte Kesselsteinbildung bis leichte Korrosion
RWE Generation SEITE 15
5 Versuchsreihe 1 Versuchsdurchführung
21.10.2015
Temperaturen 30°C und 50°C
Versuchsdauer 4 Tage und 20 Tage
Rohrwerkstoff X2CrNiMo17-13-2, 1.4404
Probenmaterial 66 Rohre Ø 20 mm, t= 0,5 mm, l = 200 mm
Ryznar–Index max. 6,6 (Ibbenbüren), leichte Korrosion
Komplett gefülltes Rohr
Halb gefülltes Rohr (Dreiphasengrenze) Wassersack
RWE Generation SEITE 16 21.10.2015
5 Versuchsreihe 1 Versuchsdurchführung
Zusätzlich durchgeführte Strömungssimulationen:
• Permanent durchströmtes Rohr
• Komplett mit Wasser gefülltes Rohr nach drei Tagen entleert und wieder verschlossen
• Wasseraustausch alle 2- 3 Tage
• Nullproben (ohne Füllung)
RWE Generation SEITE 17 21.10.2015
5 Versuchsreihe 1 Ergebnisse
⇒ Keine erkennbaren Veränderungen der Innenoberflächen durch Beläge bzw. Korrosion
Ibbenbürener Kühlwasser 50°C, 20 Tage
RWE Generation SEITE 18
5 Versuchsreihe 2 Kühlwässer
21.10.2015
Versuchsreihe Kraftwerk Bemerkung Chloridgehalt Ryznar–Index
1 Niederaußem 375 mg/l 5,7 leichte Kesselsteinbildung
1 Weisweiler 112 mg/l 6,1 leichte Kesselsteinbildung bis leichte Korrosion
1 Ibbenbüren 484 mg/l 6,6 leichte Kesselsteinbildung bis leichte Korrosion
2 Niederaußem 280 mg/l 7,7 korrosiv
2 Niederaußem 1. Eindickung 550 mg/l 6,6 leichte Kesselsteinbildung bis leichte Korrosion
2 Niederaußem 2. Eindickung 940 mg/l 6,2 leichte Kesselsteinbildung bis leichte Korrosion
2 Eemshaven Nordseewasser 15.200 mg/l 9,6 stark korrosiv
RWE Generation SEITE 19
5 Versuchsreihe 2 Versuchsdurchführung
21.10.2015
Temperaturen 30°C, 50°C und 80°C
Versuchsdauer 4 Tage und 21 Tage
Rohrwerkstoff X2CrNiMo17-13-2, 1.4404
Probenmaterial 54 Rohre Ø 20 mm, t= 0,5 mm, l = 200 mm
Ryznar–Index max. 9,6 (Eemshaven), starke Korrosion
Simulierte Spaltbildung (Spaltkorrosion)
Simulierte Spaltkorrosion Rohr mit Fremdkörper (Stein)
Spalt
Taprogge- kugel
Stein Stein
RWE Generation SEITE 20 21.10.2015
5 Versuchsreihe 2 Ergebnisse
⇒ Keine Anzeichen einer Korrosion
⇒ Keine Anzeichen einer Korrosion
Rohr mit fixierter Taproggekugel Eemshavener Kühlwasser 21 Tage, 50°C
Rohr mit simulierter Spaltbildung Eemshavener Kühlwasser 21 Tage, 50°C
RWE Generation SEITE 21 21.10.2015
5 Versuchsreihe 2 Ergebnisse
⇒ Krustiger weißer, salzartiger Belag und rostbraune Flecken
⇒ Anzeichen einer beginnenden Lochkorrosion
Simulierter Wassersack Eemshavener Kühlwasser 21 Tage, 50°C
RWE Generation SEITE 22
5 Versuchsreihe 3 Kühlwässer
21.10.2015
Versuchsreihe Kraftwerk Chloridgehalt Ryznar–Index
1 Niederaußem 375 mg/l 5,7 leichte Kesselsteinbildung
1 Weisweiler 112 mg/l 6,1 leichte Kesselsteinbildung bis leichte Korrosion
1 Ibbenbüren 484 mg/l 6,6 leichte Kesselsteinbildung bis leichte Korrosion
2 Niederaußem 280 mg/l 7,7 korrosiv
2 Niederaußem 1. Eindickung 550 mg/l 6,6 leichte Kesselsteinbildung bis leichte Korrosion
2 Niederaußem 2. Eindickung 940 mg/l 6,2 leichte Kesselsteinbildung bis leichte Korrosion
2+3 Eemshaven Nordseewasser 15.200 mg/l 9,6 stark korrosiv
RWE Generation SEITE 23 21.10.2015
5 Versuchsreihe 3 Versuchsdurchführung Temperaturen 25°C
Versuchsdauer 40 Tage
Rohrwerkstoff X2CrNiMo17-13-2, 1.4404
Probenmaterial 24 Rohre Ø 20 mm, t = 0,5 mm, l = 200 mm
Ryznar–Index 9,6 (Eemshaven), stark korrosiv
Einsatz defekter Rohre, aussortiert nach negativem Dichtigkeitstest, genaue Fehler sind unbekannt, visuell keine Anzeichen einer Schädigung erkennbar
Schraube
Kontaktkorrosion (Spaltkorrosion)
beschädigte Oberfläche
Stahlwolle Furchen
Furchen „unedler“ verschweißt
Lokalelement
RWE Generation SEITE 24
5 Versuchsreihe 3 Ergebnisse
21.10.2015
Simulierte Kontaktkorrosion mit Schraube
⇒ Teilweise rostbraune Beläge auf der Innenoberfläche
⇒ Keine Anzeichen einer Korrosionsschädigung
RWE Generation SEITE 25 21.10.2015
5 Versuchsreihe 3 Ergebnisse
Simulierte Kontaktkorrosion mit Stahlwolle
⇒ Teilweise rostbraune Beläge auf der Innenoberfläche
⇒ Keine Anzeichen einer Korrosionsschädigung
RWE Generation SEITE 26
5 Versuchsreihe 3 Ergebnisse
21.10.2015
Beschädigung der Innenoberfläche und anschließenden verschweißen
⇒ Anlauffarben
⇒ Keine Anzeichen einer Korrosionsschädigung
RWE Generation SEITE 27
6 Zusammenfassung der Ergebnisse
• Trotz der teilweise für den Kondensatorbetrieb unrealistischen Versuchsbedingungen liegen keine signifikanten Korrosions-schäden vor (Ausnahme: eventuell 5 µm beginnende Loch-korrosion nach 21 Tagen, 50°C im simulierten Wassersack)
• Das Korrosionsverhalten des austenitischen Werkstoffs 1.4404 ist für den Kondensatorbetrieb als sehr gut einzustufen
• Im Normalbetrieb ist auch nach Stillständen > 30 Tage ohne Einhaltung der VGB – Richtlinie 113 L mit keinen Korrosions-schäden zu rechnen
21.10.2015
RWE Generation SEITE 28
7 Fazit
• Die VGB-Richtlinie 113 L ist zu allgemein und nicht praxisgerecht ausgelegt.
• Die Einhaltung der 113 L zur Erhaltung der Gewährleistung ist nach den vorliegenden Erkenntnissen nicht gerechtfertigt.
• Eine Überarbeitung der Richtlinie mit dem Ziel einer flexibleren Auslegung ist zu empfehlen, z.B. − Einleitung der Maßnahmen erst bei Stillständen > 21 Tage − die Maßnahmen von der Korrosivität des Kühlwassers
abhängig machen und zu klassifizieren, z.B.: A (keine Korrosivität), B (geringe Korrosivität), C (hohe Korrosivität)
21.10.2015
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