Voimalaitosten osat: pieni panostus tutkimukseen nyt voi tuottaa huomattavia säästöjä myöhemmin

Voimalaitosten tulistin- ja höyryputkistojen sekä muiden kriittisten komponenttien on oltava kestäviä ja toimittava moitteettomasti seuraavaan suunniteltuun huoltokatkokseen saakka. Jos tässä epäonnistutaan, se voi tulla kalliiksi. Voimalaitosten kriittisissä komponenteissa käytettävien materiaalien on kestettävä korkeita lämpötiloja ja äärimmäisiä olosuhteita. Komponenttien elinikä määräytyy pitkälti niiden materiaalien kestävyyden perusteella erilaisissa käyttöolosuhteissa.

Voimalaitoksissa käytetään usein ferriittis-perliittistä terästä, jonka mikrorakenteissa tapahtuu muutoksia korkeissa lämpötiloissa: perliitti liukenee, mikä johtaa karbidien muodostumiseen raerajoilla. Tämä heikentää materiaalin mekaanisia ominaisuuksia ja lyhentää komponenttien elinikää. Tiesitkö, että voimalaitoksen komponenttien elinikä voidaan määrittää näiden karbidimuodostelmien avulla?

Tutkijat ovat jo pitkään tiedostaneet karbidien muodostumisesta aiheutuvat ongelmat, mutta miten tietoa voidaan hyödyntää materiaalin eliniän ennustamisessa tai ongelman poistamisessa? VTT on kehittänyt laskennallisia malleja ja materiaalikirjastoja nimenomaan tähän tarkoitukseen. Niiden avulla voidaan ennustaa tarkasti materiaalien elinikä niiden käyttöolosuhteet ja vaatimukset huomioiden.

carbide formation

Perliitin liukenemisen aiheuttama karbidien muodostuminen raerajoilla näkyy teräksen mikrorakenteessa (vasemmanpuoleisessa kuvassa näkyvät tummat alueet).

Komponenttien elinikä voidaan määrittää tutkimalla karbidien muodostumista

VTT:n materiaalikirjastossa on tuhansia kuvia laboratorio-olosuhteissa altistettujen materiaalien mikrorakenteista, joiden mekaaniset ominaisuudet tunnetaan. Kentältä saadun materiaalinäytteen kuntoa voidaan arvioida vertaamalla sitä kirjastossa olevaan vastaavaan mikrorakenteeseen.

Karbidien muodostumista voidaan ennustaa matemaattisilla malleilla, joissa huomioidaan esiintymispaikka, materiaalin käyttöolosuhteet sekä materiaaliin kohdistuvan rasituksen määrä. Tietojen perusteella voidaan määrittää komponentin jäljellä oleva elinikä eli mitata, miten pitkään se kykenee vielä toimimaan vaatimusten mukaisesti. Tämä on erittäin tärkeä tieto voimalaitoksen keskeytymättömän ja turvallisen toiminnan kannalta – puhumattakaan siitä, miten suuri taloudellinen riski ei-toivottuihin toimintakatkoksiin liittyy.

Mallien avulla voidaan myös vähentää karbidien muodostumista

Laskelmien avulla voidaan myös vähentää karbidien muodostumista, sillä käyttöympäristön lämpötilaa ja painetta voidaan säätää niiden mukaisesti. Korkeista lämpötiloista aiheutuvia vaurioita voidaan vähentää myös materiaalivalinnoilla: 10Mo3-teräs voidaan esimerkiksi korvata 13CrMo44-teräksellä, joka sisältää vähän enemmän kromia. Molempien hinta on samaa luokkaa, mutta jälkimmäisellä on parempi korroosionkestävyys korkeissa lämpötiloissa.

Komponenttien elinikää ei tietenkään voi ennustaa pelkästään materiaalin mikrorakenteen perusteella. Esimerkiksi putkinäytteitä arvioitaessa on otettava huomioon muitakin tekijöitä. Putkissa kulkee usein kuumia nesteitä, joten tällaisten komponenttien käyttöiän arvioinnissa tulee huomioida myös vesikemia, materiaalin hapettuminen sekä korroosio.

Voimalaitokset ovat tärkeitä energian ja lämmön tuottajia, ja käyttökatkosten hinta nousee helposti satoihin tuhansiin tai jopa miljooniin euroihin. Tämän vuoksi suunnittelemattomat katkokset halutaan laitoksilla pitää minimissä ja kaikki tarpeelliset huolto- ja ylläpitotyöt (myös ennakoivat toimet) pyritään tekemään suunniteltuina aikoina. Pieni tutkimuspanos nyt voi tuottaa huomattavia säästöjä myöhemmin!

Lisätietoja: www.vttresearch.com/properscan

Timo J. Hakala VTT

Timo J. Hakala
tutkija

VTT ProperScan® -palvelutarjoama auttaa määrittämään tuotantolaitoksen tai sen yksittäisten komponenttien nykyisen tilan. Esimerkiksi korroosio tai kuluminen voivat äärimmäisissä olosuhteissa aiheuttaa häiriöitä, joita voi olla vaikea ennustaa. ProperScan® auttaa valitsemaan toimintaympäristön tuleviin muutoksiin sopivia toimintatapoja sekä ennakoimaan niihin liittyvien riskien valvontaa ja hallintaa. ProperScan®-palveluilla tuotantolaitos saa tietoja esimerkiksi tuotantolaitoksen eliniästä nykyisillä parametreilla sekä parhaasta ajankohdasta tehdä korjaustöitä.

ProperScan®-palvelut:

– pidentävät tuotantolaitoksen komponenttien käyttöikää

– tukevat tuotantolaitoksen häiriötöntä ja turvallista toimintaa

– pienentävät järjestelmään liittyviä taloudellisia riskejä

Leave a Reply