Entstehung und Vermeidung von Rissen in Membranrohrwänden von Abhitzekesseln

Abstract

An den Kesselunterteilen der Abhitzekessel, die um 20° bis 30° gegenüber der Vertikalen geneigt sind, treten dabei unterschiedliche Schadensbilder und Schadenshäufigkeiten auf. Während im vorderen und hinteren Bereich der Abhitzekessel der erosive Verschleiß auf Grund der im Rauchgas mitgeführten Staubpartikel groß ist, treten ausschließlich im hinteren Bereich auch querorientierte Risse auf. Zum Aufbau eines deterministischen Lebensdauerbewertungsmodells für diese Bereiche, unter Berücksichtigung des hohen Verschleißes und der Querrissbildungen, wurden in zwei deutschen Stahlwerken zahlreiche Temperaturmessungen mit Thermoelementen und einer Infrarotkamera durchgeführt. Die Messungen wurden im Stahlwerk A sowohl an glatten als auch an innenberippten Rohren mit rauchgasseitiger Beschichtung, auf der rauchgaszugewandten und der rauchgasabgewandten Seite durchgeführt. Dabei wurden Temperaturen auf dem rauchgaszugewandten Rohrscheitel von maximal 450°C und auf dem rauchgasabgewandten Rohrscheitel von bis zu 190°C gemessen. Die Analyse der Messergebnisse mittels Finit-Elemente Analysen ergab, dass sich die gemessenen Temperaturen nur bei Vorliegen einer Schichtenströmung innerhalb der Kühlrohre einstellen können. Die Temperaturmessungen im Stahlwerk B erfolgten auf der rauchgasabgewandten Seite ausschließlich an glatten Rohren ohne Beschichtung. Hierbei wurden maximale Rohrscheiteltemperaturen von 245°C gemessen. Auf Basis der Messergebnisse wurden Parameterstudien mittels Finiter Elemente (FE) Analysen durchgeführt. Mit den Ergebnissen aus den Parameterstudien ist es möglich, von den auf der rauchgasabgewandten Seite gemessenen Temperaturen auf die rauchgasseitigen Temperaturen zu schließen. Somit ist die Ermittlung der behinderten Wärmedehnung im Rohrquerschnitt und die Berechnung der Lebensdauer der Rohre möglich. Die Anwendung des abgeleiteten deterministischen Lebensdauerbewertungsmodells auf die zwei unterschiedlichen Kesselunterteilausführungen ergibt, - dass die Lebensdauer beschichteter Rohre durch ein Versagen auf Grund von Querrissen begrenzt wird. - dass die festgestellten Risse und Risslängen der beschichteten Rohre mit theoretisch abgeleiteten Anrisslastwechselzahlen zur Bildung erster Anrisse nicht korreliert werden können. Nur unter der Annahme, dass Anrisse in der Beschichtung schon vor der ersten Inbetriebnahme vorliegen, können die metallographisch festgestellten Risstiefen mit dem Lebensdauermodell theoretisch ermittelt werden. - dass die Lebensdauer unbeschichteter Rohre durch den Verschleiß begrenzt wird. Zur Bestimmung der verfahrenstechnischen Einflussgrößen, die auf eine mögliche Dampfbildung und somit auf die Schichtenströmung innerhalb der Kühlrohre besonders großen Einfluss haben, wurden mit Hilfe eines thermodynamischen Berechnungsverfahrens, der sogenannten Prozessdatenvalidierung, zwei Parameterstudien durchgeführt. Für die Stahlwerke A Heißwasserteile konnte dabei der Kühlwassermassenstrom identifiziert werden. Hier sollte bei der Auslegung von Heißwasserteilen darauf geachtet werden, dass zur individuellen Einstellung des Kühlwassermassenstroms für das vordere und das hintere Kesselunterteil getrennte Speisewassereintrittssammler vorgesehen werden. Für die Stahlwerke B Kesselunterteile, die zur Dampferzeugung verwendet werden, konnten als verfahrenstechnisch wichtigste Einflussgrößen die Speisewassereintrittstemperatur und der Speisewasserdruck identifiziert werden. Die Speisewassertemperatur und der Speisewasserdruck ist so festzulegen, dass der Sättigungszustand, abhängig von der jeweils herrschenden Wärmestromdichte, unter keinen Umständen erreicht wird. Weitere, experimentell noch zu untersuchende konstruktive Lösungsansätze zur Vermeidung oder Verringerung der auftretenden Schäden sind: - Anbringen der Stege nicht wie bisher in der neutralen Phase, sondern anschweißen der Stege an die rauchgasabgewandten Rohrscheitel. Damit erhöht sich zum einen die Wärmeübertragungsfläche und zum anderen dürften die Temperaturdifferenzen zwischen rauchgaszugewandtem und rauchgasabgewandten Rohrscheitel geringer werden. - Anbringung einer Isolierung auf der rauchgasabgewandten Seite. Damit besteht ebenfalls die Möglichkeit, die Temperaturdifferenzen zwischen rauchgaszugewandtem und rauchgasabgewandten Rohrscheitel zu verringern. - Entwicklung einer Beschichtung, die den herrschenden Bedingungen standhält.

Different types and intensities of damage are encountered on the bottom sections of the heat recovery boilers, which are inclined at an angle of 20° to 30° from the vertical. Whereas in both the front and back areas of the boilers there is considerable erosive wear on account of the dust particles which are entrained in the flue gas, transverse cracks occur in the back part only. Numerous temperature measurements with thermocouples and an infrared camera were carried out in two German steelworks, with a view to designing a deterministic life expectancy model for these areas that takes account of the severe wear and the transverse cracking. The measurements in steelworks A were performed on both smooth and internally ribbed tubes with a coating on the flue gas side, on the side facing the flue gas and on the side facing away from it. Temperatures of up to 450°C on the tube crown facing the flue gas and 190°C on the tube crown facing away from it were measured. Finite element analyses of the results revealed that the measured temperatures can only occur if a laminar flow is present inside the cooling tubes. The temperature measurements in steelworks B were only performed on smooth tubes without coating, on the side facing away from the flue gas. In this case, the maximum temperature measured at the tube crown was 245°C. Parameter studies were carried out on the basis of the measurement results with the help of finite element (FE) analyses. The results of these studies enable the temperatures on the flue gas side to be inferred from the temperatures which were measured on the side facing away from the flue gas. It is hence possible to calculate both the hindered thermal expansion in the tube cross-section and the life expectancy of the tubes. When applied to the two different boiler bottom section designs, the deterministic life expectancy model derived from these results allows us to draw the following conclusions: - The life expectancy of coated tubes is limited by failures attributable to transverse cracks. - The cracks and crack lengths which were established in the coated tubes cannot be correlated with theoretically derived stress cycle numbers relating to incipient fatigue cracking. The metallographically measured crack depths can only be determined theoretically with the life expectancy model if it is assumed that incipient cracks already existed in the coating prior to commissioning. - The life expectancy of uncoated tubes is limited by wear. Two parameter studies were carried out using a thermodynamic calculation method known as process data validation, in order to determine those process variables with the greatest influence on the possible formation of steam and hence on the laminar flow inside the cooling tubes. The cooling water mass flow was identified for the hot water parts in steelworks A. It is important to ensure that separate feed water inlet headers are provided when hot water parts are designed, to permit the cooling water mass flow to be adjusted individually for the front and back bottom sections of the boiler. The feed water inlet temperature and the feed water pressure were identified as the most important influencing process variables in the bottom boiler sections of steelworks B, which are used to generate steam. Depending on the prevailing heat flow density, the feed water temperature and the feed water pressure must be designed such that a state of saturation is not reached under any circumstances. The following alternative design strategies for avoiding or containing the damage which occurs have yet to be investigated with the aid of experiments: - Welding the ribs onto the tube crowns facing away from the flue gas side, rather than incorporating them in the neutral phase as is the case at present. This would firstly increase the size of the heat transfer surface and secondly, in all probability, cause the temperature differences between the side of the tube crown facing towards the flue gas and the side facing away from it to be reduced. - Fitting an insulation layer onto the side facing away from the flue gas. This would likewise allow the temperature differences between the side of the tube crown facing the flue gas and the side facing away from it to be reduced. - Developing a coating which is capable of withstanding the prevailing conditions.