DE1573665B2

DE1573665B2 - Verfahren zur kontinuierlichen ermittlung und ueberwachung der lebensdauererschoepfung waerme- und spannungsbeanspruchter bauteile

Info

Publication number: DE1573665B2
Application number: DE19661573665
Authority: DE
Priority date: 1966-06-02
Filing date: 1966-06-02
Publication date: 1976-05-06
Also published as: CH461842A; DE1573665A1; BE699416A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Um das Auswechseln der im Betrieb befindlichen wärmebeanspruchten Bauteile zum geeigneten Zeitpunkt vornehmen zu können, ist es erforderlich, die Erschöpfung der Bauteile laufend zu überwachen.

Es ist zwar schon eine Überwachung der Lebensdauererschöpfung mit elektronischen Rechenanlagen vorgeschlagen worden. Bei diesem Verfahren wird der Erschöpfungszuwachs aus dem Verhältnis zweier Zeiten ermittelt, nämlich die wirkliche Belastungszeit bei einer bestimmten Betriebstemperatur, geteilt durch die kritische Belastungszeit, die bei der Betriebstemperatur und bei der im Betrieb auftretenden Werkstoffbeanspruchung aus dem für den Werkstoff bekannten Zeitstandfestigkeitsdiagramm entnommen wird. Der Erschöpfungsgrad folgt dann durch Summation der einzelnen Erschöpfungszuwachsraten. Bei der Ermittlung des Erschöpfungszuwachses ist jedoch eine Vereinfachung getroffen worden, die mit dem wirklichen Werkstoffverhalten nicht übereinstimmt. Während hier nämlich von einer als konstant angenommenen Erschöpfungsgeschwindigkeit ausgegangen wird, nimmt die Erschöpfungsgeschwindigkeit des Werkstoffes in Wirklichkeit bei konstanter Belastung mit fortlaufender Betriebszeit zu.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine kontinuierliche Ermittlung und Überwachung der Lebensdauererschöpfung wärmebeanspruchter Bautei-Ie ohne diese Ungenauigkeiten und Vereinfachungen und unter Berücksichtigung der Anteile aus elastischer und überelastischer Wechselbeanspruchung möglichst genau durchzuführen, um bei Überschreiten eines vorgegebenen Wertes der Erschöpfungsgeschwindigkeit eine Herabsetzung der Beanspruchung der Bauteile veranlassen zu können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs. Dabei ist es möglich und empfehlenswert, einen Prozeßrechner einzusetzen. Dieser bestimmt die Lebensdauererschöpfung der Bauteile durch die verschiedenen Belastungsarten und ermittelt mit den einzelnen Anteilen den resultierenden Erschöpfungsgrad. Bei Überschreitung einer vorgegebenen Erschöpfungsgeschwindigkeit sollen Signale an die Überwachungs- und Regeleinrichtungen gegeben werden.

Das Verfahren gemäß der Erfindung wird im folgenden näher beschrieben. Aus den an und im Bauteil durchgeführten Druck- und Temperaturmessungen, deren zeitliche Abstände im stationären Betrieb etwa 10 . Minuten und bei Erwärmungs- und Abkühlungsvorgängen sowie bei Belastungsänderungen etwa 2 Minuten betragen, werden die in den Bauteilen auftretenden Vergleichsspannungen mit den den Betriebsbedingungen entsprechenden Formeln bestimmt. Im allgemeinen wird statische, d. h. ruhende Beanspruchung vorliegen. Nur bei den instationären Betriebszuständen, wie Anfahren oder Abfahren oder sonstige Änderungen der Belastung der Anlage werden die Vergleichsspannungen die vorgegebene Beanspruchungsgrenze, nämlich etwa 65% der Warmstreckgrenze, für kürzere Zeit örtlich überschreiten, so daß dort zusätzlich elastische oder überelastische Wechselbeanspruchung auftritt.

Die Lebensdauererschöpfung bei statischer Beanspruchung ergibt sich nun als Verhältnis der insgesamt aufgetretenen plastischen .Dehnung zur zulässigen plastischen Dehnung des Werkstoffes. Als zulässige plastische Dehnung wird, abhängig vom verwendeten Werkstoff, ein Wert von 2 bis 4% angenommen. Die insgesamt erlittene plastische Dehnung wird aus den Temperaturmeßwerten und den ermittelten Spannungswerten unter Berücksichtigung des Dehnungs-Zeitverhaltens des Werkstoffes bestimmt. Aus werkstofftechnisehen Untersuchungen ergibt sich, daß die meisten in Frage kommenden Werkstoffe die in der Figur der Zeichnung dargestellte schematische Abhängigkeit der bezogenen plastischen Dehngeschwindigkeit von der bis dahin aufgetretenen plastischen Dehnung zeigen. Als Bezugsgröße dient dabei eine mittlere plastische Dehngeschwindigkeit ερη, die sich als Mittelwert der Dehngeschwindigkeit zwischen 0 und 1% plastischer Dehnung ergibt und die als Werkstoffkennwert vorliegt.

Bis zu einem Wert von ε«« 0,25% verläuft die bezogene plastische Dehngeschwindigkeit konstant, zwischen 0,25 und 1,0% steigt sie nahezu linear und darüber bis zur Bruchdehnung progressiv an. Diese Abhängigkeit, wie auch die Abhängigkeit der mittleren plastischen Dehngeschwindigkeit von der Vergleichsspannung und der Temperatur, lassen sich als Gleichungen für die verwendeten Werkstoffe darstellen und zusammen mit den Berechnungsformeln für die Vergleichsspannung dem Rechner eingegeben.

Mit der für das Bauteil berechneten Vergleichsspannung und dem Temperaturmeßwert wird die mittlere plastische Dehngeschwindigkeit sm und über die bezogene plastische Dehngeschwindigkeit ερι/ερι , die für die bis zu diesem Zeitpunkt eingetretene plastische Dehnung ερι bestimmt wird, der Momentanwert der plastischen Dehngeschwindigkeit

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20 Liegt örtlich überelastische Wechselbeanspruchung vor, d.h., das Vergleichsspannungsmaximum liegt oberhalb der Warmstreckgrenze, so wird die Anzahl der Spiele bis zum Anriß den bekannten Diagramm bzw. den entsprechenden Gleichungen entnommen, in denen der bezogene plastische Dehnungsausschlag über der Zahl der Dehnungswechsel bis zum Anriß mit der Temperatur als Parameter für den benutzten Werkstoff dargestellt ist. Der bezogene plastische Dehnungsausschlag ist dabei als das Verhältnis des über die Streckgrenzendehnung 8s hinausgehenden plastischen Dehnungsausschlags eapi zur Streckgrenzendehnung as gewählt. Dazu wird die Vergleichsdehnung

ermittelt. Mit der entsprechenden Belastungszeit, d. h. der Betriebszeit zwischen zwei durchgeführten Messungen, ergibt sich dann die Zuwachsrate an plastischer Dehnung, die zu der bisher aufgetretenen plastischen Dehnung addiert wird. Das Ergebnis dieser Summation ist die insgesamt aufgetretene plastische Dehnung, die, durch die zulässige plastische Dehnung dividiert, den Erschöpfungsgrad des Bauteils infolge statischer Beanspruchung ergibt.

Bei elastischer oder überelastischer Wechselbeanspruchung wird die zusätzliche Lebensdauerabnahme als Kennwert der Anzahl η der Lastspiele bis zum Anriß definiert. In einem solchen Fall der Wechselbeanspruchung ist einer statischen Belastung örtlich eine dynamische Belastung überlagert.

Im Fall elastischer Wechselbeanspruchung, d. h., wenn die Vergleichsspannungsspitzenwerte unterhalb der Warmstreckgrenze liegen, wird die Zahl η der Spiele bis zum Anriß aus dem bekannten Dauerfestigkeitsschaubild für den Werkstoff bei der entsprechenden Betriebstemperatur bzw. aus den diesem Schaubild entsprechenden Gleichungen für den elastischen Spannungsausschlag entnommen.

für den auftretenden Maximalwert der Vergleichsspannung σ i/ermittelt, woraus sich dann angenähert

ei gibt (E= Elastizitätsmodul).

Die Anteile der Lebensdauererschöpfung aus statischer Beanspruchung einerseits und aus zusätzlicher elastischer oder überelastischer Wechselbeanspruchung andererseits ergeben in erster Näherung durch Addition den Gesamterschöpfungsgrad des Bauteils. Wenn die Erschöpfungsgeschwindigkeit eine vorgegebene Grenze überschreitet, die im allgemeinen einer plastischen Dehnung von 1% während einer Betriebszeit von 100 000 Stunden entspricht, so wird die Beanspruchung der Bauteile durch Änderung der Drücke, Temperaturen oder Temperaturgradienten herabgesetzt. Erreicht die Lebensdauererschöpfung den Wert 1, so muß das Teil ausgewechselt werden.

Die Vorteile des Verfahrens bestehen darin, daß eine genaue, das Werkstoffverhalten berücksichtigende Ermittlung und Überwachung der Lebensdauererschöpfung wärmebeanspruchter Bauteile möglich wird und mit Hilfe eines Rechners kontinuierlich durchgeführt werden kann. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß auch die Anteile der Lebensdauererschöpfung aus der Wechselbeanspruchung des Werkstoffs bei instatiqnärem Betrieb berücksichtigt werden. .

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur kontinuierlichen Ermittlung und Überwachung der Lebensdauererschöpfung wärme- und spannungsbeanspruchter Bauteile, insbesondere in Wärmekraftwerken, bei dem aus in vorgegebenen Zeitabständen durchgeführten Druck- und Temperaturmessungen mit Hilfe von den Betriebsbedingungen der Bauteile entsprechenden Formeln an den Bauteilen auftretende Vergleichsspannungen und daraus der Erschöpfungsgrad der Bauteile für statische Beanspruchung bestimmt werden, d a durch gekennzeichnet ,daß aus den Werten der Vergleichsspannungen ermittelt wird, ob bei örtlicher Überschreitung einer vorgegebenen Beanspruchungsgrenze der Bauteil zusätzlich zur statischen Beanspruchung einer elastischen oder überelastischen Wechselbeanspruchung ausgesetzt ist, daß zur Ermittlung des Erschöpfungsgrades des Bauteils bei statischer Beanspruchung aus den Werten für die Temperatur und die im Bauteil auftretende Vergleichsspannung die mittlere plastische Dehngeschwindigkeit und anschließend über die »bezogene plastische Dehngeschwindigkeit die Momentanwerte der plastischen Dehngeschwindigkeit in Abhängigkeit von der bis dahin aufgetretenen plastischen Dehnung ermittelt werden, mit dem entsprechenden Belastungszeiten die Zuwachsraten an plastischer Dehnung bestimmt und aufsummiert werden und der Quotient aus der insgesamt aufgetretenen plastischen Dehnung und der zulässigen plastischen Dehnung gebildet wird, daß bei Vorliegen elastischer Wechselbeanspruchung für die Vergleichsspannungsausschläge die Anzahl der bei dieser Beanspruchungsart möglichen Lastspiele bis zum Anriß auf an sich bekannte Weise bestimmt wird und der Kehrwert der Anzahl der Spiele als Erschöpfungszuwachs durch elastische Wechselbeanspruchung dargestellt wird und daß bei Vorliegen überelastischer Wechselbeanspruchung mit den auftretenden Maximalwerten der Vergleichsspannung und den Temperaturmeßwerten die plastischen Dehnungsausschläge ermittelt werden, für diese Dehnungsausschläge die Anzahl der möglichen Lastspiele bis zum Anriß auf an sich bekannte Weise bestimmt wird und der Kehrwert der Anzahl der Spiele als Erschöpfungszuwachs durch überelastische Wechselbeanspruchung dargestellt wird.