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

Riskienhallinta – mahdollisuus tuottavuuden parantamiseen?

Turvallisuus on yksi tärkeimmistä teollisuusyritysten menestyksen mittareista. Vaaroihin liittyviä riskejä voidaan analysoida ja hallita lukuisilla vakiintuneilla menetelmillä. Oletko tullut ajatelleeksi, että riskienhallintamenetelmistä voi olla hyötyä myös tuottavuuden parantamisessa?

Riskienhallinta

Hyvä, paha riski?

Riskiä on perinteisesti pidetty uhkana tai negatiivisena asiana, joka usein merkitsee arvokkaan asian menettämistä. Nykyään ymmärrämme jo paremmin, että riski voi olla myös positiivinen poikkeama asetettuihin tavoitteisiin. Toivottavasti seuraavat ajatukset avaavat hieman riskienhallinnan positiivista maisemaa.

Kerron lyhyesti, miten riskienhallinnalla voidaan tukea

  • käynnissä olevien laitosten tuottavuutta
  • investointien kohdistamista
  • yrityksen IoT-strategian onnistumista

Onko dataa riittävästi?

Teollisuudessa koneiden ja laitteiden hyvä käytettävyys on yleensä häiriöttömän ja turvallisen toiminnan takeena. Käyttäjän kannalta tämä näkyy jatkuvina tuotantovirtoina, alhaisina ylläpitokustannuksina, parempana työturvallisuutena, pienempinä ympäristöriskeinä sekä alhaisempana energiankulutuksena.

Tilastollisia luotettavuusanalyysejä käytetään yleisesti aloilla, joilla voidaan hyödyntää komponenttien vikaantumisiin liittyviä käyttöhistoriatietoja. Suorituskyky ja tuottavuus ovat kuitenkin erittäin tärkeitä myös yrityksille, joilla historiatietoa ei ole saatavilla. Valitettavasti, edelleen tänä päivänä, laitoksilla kerätyt tiedot eivät kattavasti tue päätöksentekoa valittaessa tuottavuuden parantamiseen tähtääviä kehitystoimenpiteitä.

Tällaisissa tapauksissa riskienhallinnan tarjoaa järjestelmällisiä lähestymistapoja ja työkaluja tuottavuutta vähentävien tekijöiden tunnistamiseksi ja analysoimiseksi. Tällöin erittäin tärkeä tietolähde on kokenut henkilöstö. Henkilöstön hiljainen tietämys on usein liian vähän käytetty resurssi tietojärjestelmiin kerätyn tiedon täydentämisessä ja sen laadun arvioimisessa.

Lukuisat esimerkit ovat osoittaneet, että tuotantolaitoksen järjestelmät hyvin tuntevat henkilöt pystyvät tekemään melko luotettavia asiantuntija-arvioita kokonaisuuden kehittämistarpeista. Tämä on tärkeä huomioida, kun tavoitteena on tunnistaa merkittävimmät tuottavuutta alentavat tekijät ja ehdottaa korjaavia toimenpiteitä näiden vaikutusten minimoimiseksi.

Toisin sanoen: jos käytettävissä oleviin tietojärjestelmiin kerätty data ei auta välttämään ei-toivottuja tuotantokatkoksia, luotettavan, pitkäaikaisen, data-aineisto keruuta ei tarvitse jäädä odottamaan. Sen sijaan voi hyödyntää riskienhallinnan lähestymistapaa ja menetelmiä tuottavuusloikan ottamisessa.

Tekeekö yritys oikeita investointeja?

Nykyisessä kansainvälisessä kilpailuympäristössä yritysten on investoitava tehokkuuteen ja tuottavuuteen tavoilla, jotka tukevat strategiaa monella tasolla (yritys-, liiketoiminta- ja operatiivinen taso). Sijoitusten pitää tuottaa entistä nopeammin, eikä kilpailluilla markkinoilla ole varaa virheisiin.

Riskienhallinta tarjoaa useita menetelmiä investointiportfolion hallintaan, joka on strategiaohjautuva prosessi.  Nämä menetelmät yhdistävät teknistä ja operatiivista tietoa strategisiin tavoitteisiin, jotta yritys voi tehdä laadukkaampia investointi- ja liiketoimintapäätöksiä. Näin voidaan tukea esimerkiksi vallitsevaan liiketoimintatilanteeseen parhaiten soveltuvien investointiprojektien valintaa.

Sen lisäksi, että yritys omaa kyvyn valita oikeat investointiprojektit, näiden projektien onnistuneella läpivienneillä ja aikataulun mukaisella käyttöönotolla on suuri merkitys tuottavuuteen.

Nykyisin investoidaan usein monimutkaiseen teknologiaan ja kokonaisuuden toimittaminen vaatii laajoja arvoverkostoja, joissa on useita toisiinsa sidoksissa olevia organisaatioita. Tällaisten monen osapuolen hankkeiden hallinnointi on vaativaa, joten näiden hankkeiden toteutus antaa useita mahdollisuuksia astua harhapolulle.

Riskienhallinta tarjoaa useita hyödyllisiä työkaluja myös vaativien investointihankkeiden toteutukseen. On osoitettu, että riskienhallinta tarjoaa formaaleja keinoja lisätä esim. tiedon jakamista eri toimijoiden välillä arvoverkostossa. Sitä voidaan käyttää tehokkaaseen ja ymmärrettävään viestintään investointihankkeiden yleisten tavoitteiden ja vaatimusten suhteen. Nämä ovat konkreettisia keinoja saavuttaa tai jopa ylittää investoinnille asetetut tavoitteet.

IoT on jo täällä, mutta mitä sillä pitäisi tehdä?

Digitalisaatio ja esineiden ja asioiden internet (IoT) tarjoavat suuren liiketoimintapotentiaalin, mutta miten realisoida näiden uusien teknologioiden hyödyt? Jos yrityksellä on valtava määrä laitteita ja komponentteja, pitääkö niistä joka ikiseen asentaa sensoreita?

IoT (Industrial Internet, Industry 4.0) nähdään erinomaiseksi mahdollisuudeksi parantaa tuottavuutta. Toteutuksen suunnitteluvaiheessa voidaan hyödyntää riskienhallinnan top-down lähestymistapaa. Riskienhallintatyökaluilla voidaan tehokkaasti päätellä tuotantojärjestelmän kriittisimmät toiminnot, tunnistaa toimintojen kriittisimmät komponentit ja määrittää niiden vikamuodot. Nämä tiedot ovat hyvä perusta, kun suunnitellaan esimerkiksi online-kunnonvalvontajärjestelmiä. Sensoreita ei kuitenkaan kannata asentaa suoraan kriittisiin laitteisiin.

Riskienhallinnassa käytetään myös monia kustannus-hyötyanalyysejä, joilla voidaan tarkastella eri toteutusvaihtoehtojen kannattavuutta. Yrityksen IoT-teknologiastrategia saadaan oikeille raiteille yhdistämällä nämä tekno-ekonomiset tarkastelut kriittisyystietoihin.

Lisätietoja: www.vttresearch.com/properscan

Pasi Valkokari VTT

Pasi Valkokari
erikoistutkija
Twitter: @PValkokari

Continue reading

Are you using risk management to improve your productivity?

Safety is one of the most critical indicators we have for measuring success in industrial firms. And when it comes to hazards we have a lot of established ways to analyse and manage risk. But have you ever thought of risk management methodology as a way to improve your productivity?

Riskienhallinta

Let me tell you how risk management can boost:

  • Productivity in existing plants
  • Performance of your investments
  • Success in your IoT strategy

Is your data sufficient?

High reliability in plant machinery and equipment is often considered synonymous with safe and smooth-running operations. For the user, high reliability means uninterrupted production flows, minimal maintenance costs, lower personal and environmental risks, and energy saving.

Reliability analyses are widely used in areas where statistical component data can be employed. However, when reliability data is not available, performance and productivity data are also very important. Unfortunately, even this is not always enough to support decision-making when remedial productivity improvement measures are being handled in existing production systems.

It’s in cases like these that risk management offers systematic tools for identifying and analysing the causes of decreased productivity. And the major data source in this instance is your organisation’s experienced personnel. The tacit knowledge, or even gut feeling, of experienced people is often an underused resource when it comes to the supplementation and evaluation of collected data.

There are plenty of case studies demonstrating that the people who know a plant’s production system well are qualified to make rather reliable engineering judgements. This is very important when it comes to identifying the most significant factors affecting decreased productivity as well as for considering the right remedial actions.

In other words, if you cannot trust your existing data, when you’re working to avoid undesired production breaks, you needn’t wait for the completion of an extensive next round of data collection. You can always use a risk management approach to gaining a leap in productivity.

Are you making the right investments?

In today’s competitive global conditions, companies need to make efficiency and profitability investments that support strategic decision-making on different levels (corporate, business, and functional). Return-on-investment requirements are getting shorter and fierce competition leaves little margin for error.

In risk management, there are several useful methods for investment portfolio management, which are managerial and strategy intensive. These methods integrate technical and operational information as well as strategic targets designed to improve the quality of investment and business decisions. These methods therefore aim to select the right set of investment projects for execution, in order, for example, to ensure enhanced productivity. Furthermore, the ability to make the right investments to fit prevailing business conditions and achieve planned ramp-up time can significantly affect productivity.

Firms investing in complex technology and delivering on those investments, quite often require rather large value networks, involving several intertwined organisations. Managing them is demanding, and there are frequent pitfalls to avoid along the way.

Having said that, risk management offers a lot of useful tools for these kinds of demanding investment projects. It’s been proven that risk management is actually quite an adequate means of increasing e.g. knowledge sharing among different actors in a value network. So why not use it for the effective communication of the overall objectives and requirements of a certain investment project, as a means to reaching or even exceeding your investment targets?

IoT, great, but what do you do with it?

Digitalisation and Internet-of-things (IoT) are coming, bringing great business potential, but how can your business capitalize on the opportunities these new technologies offer? If your equipment and component fleet is huge, should you put sensors on every one of them?

To enhance productivity, one great option when making an IoT, Industrial Internet, and Industry 4.0 implementation plan is to take into account the top-down approaches that risk management serve. With risk management tools it’s quite effective to reason the most critical functions of a production system, find the most critical components in these functions and, for instance, define the failure modes of these critical components. This kind of information is constitutive for example in designing online conditions monitoring systems. But don’t install sensors only for information on equipment criticality.

Risk management also offers many cost-benefit analysis tools for calculating the profitability of different options. In combination with criticality information, this techno-economic analysis can offer you the right pathway to the successful implementation of your IoT technology strategy.

Risk, bad or good?

Traditionally we have understood risk as the threat of something negative or bad happening, or of losing something valuable. Nowadays, luckily, we can think about risk more as a two-sided coin. The positive side of looking at risk being that you can find value in it as well as discover new opportunities.

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

Pasi Valkokari VTT

Pasi Valkokari
Senior Scientist
Twitter: @PValkokari

Continue reading

Corrosion in biomass power plants – prevent it or deal with it!

As the world moves towards low-carbon fuel solutions, the number of power plant boilers combusting biomass or recycled fuel steadily grows, with more than one thousand biomass boilers in Europe alone. Biomass boilers use various fuels, such as forest residue, wood and recycled wood, as well as agricultural crops like straw and other waste to energy materials.

One of the most serious problems biomass plants face is severe corrosion. In biomass boilers, corrosion comes from burnt fuels containing alkali metals, chlorine and other corrosive elements, and causes material wastage, tube failures, tube leakages, and a shorter boiler tubing lifetime. Worst-case scenario, corrosion leads to the emergency shutdown of your boiler, bringing huge economic and safety repercussions.

Putket

How can corrosion best be tackled?

Corrosion can be slowed or even prevented in power plant boilers. One way is to limit maximum temperatures and steam pressure. However, bringing down your plant’s heat and electricity production capacity will, by definition, lower its overall efficiency and profitability.

Chemical additives, like sulphur compounds, or tube material selection are other possible ways to slow or even prevent corrosion. However to my mind the most cost effective and reliable way to tackle corrosion is through nickel- and iron-based HVOF protective coatings. These high-alloyed materials can be applied typically as weld overlays or thermal spray coatings to increase the corrosion resistance of the lower cost load carrying base tube.

Pinnoite

Coatings to prevent corrosion

Backed by our long experience in thermal spray coatings, we’ve helped clients to select the most suitable commercially available materials or produce experimental powders to suit specific plant conditions. We can also optimize the coating parameters, especially for high velocity thermal sprays, and test them in harsh high-temperature corrosion conditions – both in laboratory simulations or in actual power plant conditions.

Coatings can be evaluated to perform on a scale from sufficient to excellent in conditions simulating biomass and recycled fuel combustion and in actual furnace conditions, as long as they are dense, well adhered to the substrate and their composition is accurately selected for the prevailing conditions.

As a case in point, thermally sprayed coatings in the EU project, NextGenPower, were evaluated both in molten salt tests in a laboratory and by corrosion and material assessment probes in one of the world’s largest biomass co-fired fluidized bed boilers in Pietarsaari, Finland. Optimization of the coating structure and fabrication of high-quality coatings was a key part of securing the high corrosion-resistant coatings that were developed as a result of this successful experiment.

I personally performed a public defence of this research in my dissertation. The coating experience and know-how that came from the NextGenPower case has been brought into the VTT ProperScan® service for your benefit, to help you avoid production losses, minimize risk, and increase the lifetime of your plant components, even in extreme temperature conditions.

Read more about VTT ProperScan® or my dissertation.

Maria Oksa VTT

Maria Oksa
Senior Scientist, Project manager

Continue reading