Numerische und experimentelle Untersuchungen von Keramik-Metall-Compoundrohren für die Hochtemperaturanwendung in Kraftwerksrohrleitungen

Abstract

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.

In modern power plants the increase of the thermal efficiency is the ultimate goal that can be achieved mainly by increasing the steam parameters pressure and temperature. Pressure equipment such as pressurized pipes which are used for the high temperature applications are subject to creep loading and are designed in accordance with the creep strength. Due to the significant material-specific creep phenomena at high temperature, the increase of steam parameters for the use of steel for pressurized pipes is limited. Higher operating temperature and internal pressure are only possible once new advanced materials or composite materials with improved creep resistance can be developed. Ceramic fibres as well as ceramic matrix composite materials exhibit noticeably better resistance against creep even at higher temperature and show also high temperature strength, notwithstanding that the deformation characteristics are compared with the heat-resistant steels relatively unfavourable. Thus, a novel concept for pressurized pipe has been proposed for technical applications in high temperature regime, which consists of an inner metallic pipe - liner and an outer casing of ceramic fibre composites - Jacket. The combination of both material classes in an optimized hybrid structure allows for the partial or even complete shift of the load stress on metallic liner to the ceramic jacket. The in this way inhibited creep behaviour of steel liner allows either a remarkable lifetime extension of these pipes or an additional increase of temperature or pressure. This innovative material concept can be applied not only for new components with higher operating parameters but also in existing pipework for the life extension. The aim of this work is verification of the feasibility of such metal-ceramic hybrid pipes, development of this concept and consideration of the applicability in real pipes in power plants. The numerical simulation demonstrating the local stress and strain situation and the experimental verification with laboratory tests form the theoretical basis for the architecture of such hybrid structure. The performed numerical and experimental studies have demonstrated the efficiency of the concept - namely the suppression of creep deformation in the metallic partner. In addition suitable measurement methods have been developed in the laboratory tests that contribute to the characterization of the deformation and failure behaviour in the multi-functional system. The performed simulations of pipes with consideration of the real dimensions, including a straight pipe and a 90°-elbow, have also shown the suppression of creep behaviour in the steel pipe by applying appropriate ceramic composite jackets. In a field test with a power plant piping the technical feasibility to wrap straight pipes with large dimensions has been demonstrated. Conclusions about the life extension can not be obtained from the field test.