Browsing by Author "Huang, Min"

Now showing 1 - 1 of 1

Open Access
Numerische und experimentelle Untersuchungen von Keramik-Metall-Compoundrohren für die Hochtemperaturanwendung in Kraftwerksrohrleitungen
(2015) Huang, Min; Maile, Karl (Prof. Dr.-Ing. habil.)
In modernen Kraftwerken ist die Steigerung des thermischen Wirkungsgrades ein wichtiges Ziel, das vor allem durch eine Erhöhung der Dampfparameter - Druck und Temperatur - erreicht werden kann. Druckgeräte, wie z.B. Rohrleitungen, die im Hochtemperaturbereich eingesetzt werden, unterliegen einer Kriechbeanspruchung und werden nach der Zeitstandfestigkeit ausgelegt. Aufgrund des signifikanten materialspezifischen Kriechphänomens ist die Erhöhung der Dampfparameter eingeschränkt. Höhere Prozesstemperaturen und -innendruck sind nur möglich, wenn es gelingt, neue Werkstoffe oder Werkstoffverbunde mit verbesserten Kriecheigenschaften zu entwickeln. Keramische Fasern sowie die mit keramischer Matrix gefertigten Verbundwerkstoffe weisen eine verbesserte Hochtemperaturfestigkeit auf, allerdings sind die Verformungseigenschaften im Vergleich mit warmfesten Stählen relativ ungünstig. Für technische Anwendungen im Hochtemperaturbereich wurde daher ein neuartiges Konzept für drucktragende Rohre, bestehend aus einem Werkstoffverbund aus einem innenliegenden Stahlrohr - Liner, und einer äußeren Ummantelung aus keramischem Faserverbundwerkstoff - Jacket, untersucht. Die Kombination beider Materialien in einer optimierten Hybridstruktur ermöglicht die teilweise oder sogar vollständige Verlagerung der Beanspruchung vom metallischen Liner auf das keramische Verbundwerkstoff-Jacket. Das damit verhinderte Kriechen des Liners ermöglicht entweder eine erhebliche Lebensdauerverlängerung dieser Rohrleitungen oder eine zusätzliche Temperatur- bzw. Druckerhöhung. Dieses innovative Materialkonzept kann nicht nur für neue Komponenten mit höheren Betriebsparametern, sondern auch bei bereits vorhandenen Rohrleitungen für die Verlängerung der Lebensdauer angewendet werden. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Machbarkeit der Metall-Keramik-Compoundrohren nachzuweisen, das Konzept weiter zu entwickeln und die Anwendbarkeit bei einer Rohrleitung im Kraftwerk zu prüfen. Basis der Konzeptentwicklung ist die numerische Simulation und deren experimentelle Verifikation durch Modellversuche mit Kleinproben. Die durchgeführten numerischen und experimentellen Untersuchungen an Laborprüfkörpern haben die Wirksamkeit des Konzeptes - nämlich die Unterdrückung der Kriechdehnung im metallischen Partner - nachgewiesen. Des Weiteren wurden geeignete Messmethoden entwickelt, die zu der Charakterisierung des Verformung- und Versagensverhaltens in dem multifunktionalen System beitragen. Die durchgeführten Simulationen der Rohrleitungen mit Berücksichtigung der realen Dimensionen, inklusive der geraden Rohrleitungen und 90°-Rohrbogen, haben ebenfalls die Unterdrückung des Zeitstandverhaltens im Stahlrohr durch die Aufbringung einer keramischen Ummantelung gezeigt. Ein Feldversuch an einer Kraftwerksrohrleitung wurde durchgeführt, um die technische Machbarkeit zu demonstrieren, gerade Rohre mit großen Abmessungen zu ummanteln. Aussagen über die Lebensdauerverlängerung können aus dem Feldversuch noch nicht gezogen werden.