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

Continue reading

Power plant parts: small examinations now can lead to major savings later

Critical components in power plants, such as super heater pipes and main steam lines need to last and function flawlessly until the next scheduled shutdown. If not, the consequences can be costly. Due to high temperatures at power plants, materials used in critical components must endure extremely tough conditions. The lifetime of a component is determined in normal operation by its material microstructural and mechanical stability.

At high temperatures, changes occur in the microstructures of ferrite-pearlite steel, a material often used in power plants. High temperatures cause the dissolution of the pearlite, which leads to the formation of carbides at grain boundaries, weakening the material’s mechanical properties and shortening the lifespan of components. Did you know that these carbide formations can help determine the lifespan of power plant components?

Scientists have long been aware of the problems cause by carbide formation, but how can the life expectancy of a material be predicted, or the problem be avoided altogether? At VTT, we have developed computational models and material libraries for just this purpose. Using these, we can accurately predict the lifespan of materials in relation to their operating conditions and requirements.

carbide formation

Carbide formation at the grain boundaries can be seen in the microstructure of steel caused by the dissolution of pearlite (dark areas in the image on the left).

Carbide formation studies enable us to determine component life spans

Our material library has thousands of microstructure images of materials that have been exposed in laboratory conditions, and whose mechanical properties we know. Using these, we can evaluate the condition of any material sample taken from the field by comparing its microstructure with an equivalent in our library.

In this way, we can predict carbide formation by means of mathematical models, which take into account the starting point, operating conditions and level of stress to which the material is being exposed. This data enables us to define the remaining lifespan of a component, in other words, measure how much longer it will be able to fulfil its operational requirements. This is very important information when it comes to the uninterrupted and safe running of a power plant, not to mention the huge economic risk that comes with an unscheduled shut down.

Our models can also help reduce carbide formation

These same calculations can also be applied to reduce carbide formation, through operating temperature and pressure adjustments. The type of material selected can also cut down high-temperature damage, for example by replacing 10Mo3 steel with 13CrMo44, which has slightly more chromium. The latter is in the same price range but more resistant to corrosion at high-temperatures.

Of course, there are some cases when the lifespan of components can’t be forecast using only a material’s microstructure. For example, in the case of a sample taken from a pipe where other factors also need to be considered. Pipes often carry hot liquids, which means water chemistry, oxidation of the material and corrosion all need to be taken into account when examining a component’s lifespan.

Power plants generate energy and heat for society and downtime can easily cost hundreds of thousands, if not millions, of Euro. For this reason, operators want to keep unplanned shutdowns to a minimum and perform all necessary (including preventative) maintenance during so-called planned shutdowns. A small examination now can lead to major savings later!

Find out more at: www.vttresearch.com/properscan

Timo J. Hakala VTT

Timo J. Hakala
Research Scientist

Continue reading

VTT tarjoaa tutkimuspalveluita myös Kiinassa – miksi?

timo_j_hakala

Matkaan paljon Kiinassa ja tapaan siellä usein suomalaisten yrityksien edustajia. Näin VTT:läisenä toimintani Kiinassa herättää paljon kiinnostusta, ja usein minulta kysytään, mitä VTT tekee Kiinassa. Kysymykseen on selkeä vastaus: VTT on Kiinassa tarjoamassa tutkimuspalveluja. Teemme näin globaalisti, ja tavoitteenamme on lisätä kansainvälisten toimeksiantojen määrää. Niiden avulla pystymme kehittämään omaa osaamistamme, pysymään tutkimuksessa maailman huipulla ja rahoittamaan Suomessa sijaitsevan tutkimusinfran ylläpitoa ja kehittämistä sekä toimintaa, jolla lopulta mahdollistetaan meidän palvelut myös suomalaisille asiakkaille.

VTT on vuosien saatossa myös valmistellut ja johtanut yritysryhmähankkeita, joiden tarkoituksena on ollut luoda verkostoa kiinalaisten kanssa ja auttaa suomalaisia yrityksiä luomaan avauksia Kiinan markkinoille. Tällaisia hankkeita on ollut esimerkiksi materiaalitekniikkaan ja älykkäisiin ekokaupunkeihin liittyen. VTT pystyy esimerkiksi verifioimaan teknologioita ja niiden soveltuvuutta Kiinan markkinoille ja tuomaan pienemmille yrityksille uskottavuutta suurilla ja kilpailuilla markkinoilla. Tällaiset hankkeet kuitenkin vaativat rahoitusinstrumentin, josta VTT voi saada rahoitusta toiminnalleen. Esimerkkinä tällaisesta ovat Tekesin ja Kiinan tiede- ja teknologiaministeriön väliset rahoitukset, jotka on kuitenkin viime vuosina kohdistettu suoraan PK-yrityksille.

Mitä sitten on VTT:n toiminta Kiinassa? Meillä ei ole siellä omaa toimistoa eikä tutkimuslaboratoriota. Kiina-toimintomme ovat projektipohjaisia, ja työt tehdään käytännössä Suomessa tai mahdollisesti kiinalaisen partnerin avustuksella Kiinassa. Ilman näkyvää Kiina-toimintaa meidän on kuitenkin mahdotonta päästä kontakteihin kiinalaisten kanssa, houkutella delegaatioita Suomeen jne. Näin syntyvät lopulta ne kontaktit, jotka johtavat toimeksiantoprojekteihin sekä luovat mahdollisuuksia suomalaisille yrityksille.

Miltä Kiinan markkinat näyttävät? Sanoisin, että ne ovat tällä hetkellä vielä erittäin haasteelliset, sillä yrityksien oma T&K on tarkoin varjeltu salaisuus. Mahdotonta markkinoille pääsy ei kuitenkaan ole, ja meillä on ollut muutamia merkittäviä toimeksiantoja suoraan Kiinasta. Yhdessä asiassa Kiina ei poikkea esimerkiksi Suomesta millään tavalla: Kiinaankaan on aivan turha tarjota perustutkimusta tai tekemistä, joka siellä pystytään tekemään itse. Eli pärjätäksemme Kiinassakin meidän täytyy olla parhaita siinä, mitä teemme.

Odotan mielenkiinnolla sitä hetkeä, kun kiinalainen innovaatiokulttuuri kehittyy ja markkinat todella aukeavat T&K-palveluille. Silloin meillä on käsissämme maailman suurimmat T&K-markkinat. Sitä odottaessa pitää olla näkyvästi esillä Kiinassa ja lisätä siellä VTT:n tunnettuutta luotettavana ja osaavana tutkimuspartnerina.

Timo J. Hakala, TkT
Country Manager, China

VTT also provides research services in China – why?

timo_j_hakala

I travel a lot in China, where I often meet representatives of Finnish companies. As a VTT employee, my work in China raises a great deal of interest and I am often asked what VTT does in China. The answer to this question is clear: VTT provides research services in China. We do this globally, with the aim of increasing our number of international commercial projects. They enable us to develop our own expertise, remain a world leader in research and fund the maintenance and development of the research infrastructure and activities in Finland. These ultimately form the basis of our services for Finnish customers.

Over the years, VTT has also prepared and led multi-company projects, with the purpose of creating a network with the Chinese and helping Finnish companies to enter the Chinese markets. These projects have been related to areas such as materials technology and smart eco-cities. For example, VTT can verify technologies and their suitability for the Chinese markets, while providing smaller companies with credibility in large and competitive sectors. However, such projects need a funding instrument, from which VTT can source funds for its activities. An example of this lies in the joint funding by Tekes – the Finnish Funding Agency for Innovation and the Chinese Ministry of Science and Technology; this funding has been directly allocated to SMEs in recent years.

So what, then, does VTT do in China? We do not have our own offices or research laboratories there. Our activities in China are project-based, with the practical work being done in Finland or, possibly, in China with the help of a Chinese partner. Without a visible Chinese operation, we cannot make contact with Chinese players, attract delegations to Finland and so on. These actions ultimately generate the contacts that lead to commercial projects and create opportunities for Finnish companies.

How do the Chinese markets look? I would say that they are still very challenging, since companies’ own R&D is a carefully guarded secret. However, market entry is not impossible and some major commercial projects have been ordered directly from China. However, China is no different to countries like Finland in one regard: It is pointless to offer the Chinese basic research or work which they can do themselves. In other words, to do well in China we need to be the best at what we do.

I look forward to the day when the Chinese innovation culture matures and the markets truly open up to R&D services. We will then have access to the world’s largest R&D markets. Until then, we need to be highly visible in China, enhancing recognition of VTT as a reliable and expert research partner.

Timo J. Hakala, D.Sc.
Country Manager, China