EP1181437B1

EP1181437B1 - Dampfturbinenbauteil sowie verfahren zur herstellung einer schutzbeschichtung auf dem bauteil

Info

Publication number: EP1181437B1
Application number: EP00931207A
Authority: EP
Inventors: Friedhelm Schmitz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1999-05-14
Filing date: 2000-05-12
Publication date: 2004-04-21
Anticipated expiration: 2020-05-12
Also published as: US6755613B1; DE50006157D1; CA2372880A1; JP4703857B2; EP1181437A1; CN1165668C; WO2000070190A1; CN1359446A; JP2002544396A; KR20020005035A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauteil (80), welches heissem Dampf aussetzbar ist, mit einem metallischen Grundkörper (81), an den eine Schutzschicht (82) zur Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit des Grundwerkstoffes durch Diffusion angebunden ist, welche Schutzschicht (82) Aluminium aufweist und eine Dicke (D) von unter 50 νm besitzt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer Schutzbeschichtung zur Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit eines Bauteils (80).

Description

Die Erfindung betrifft ein Dampfturbinenbauteil, insbesondere ein einem heißen Dampf aussetzbarem Dampfturbinenbauteil, mit einem metallischen Grundkörper der eine Schutzbeschichtung zur Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit des Grundwerkstoffes aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer Schutzbeschichtung zur Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit auf einem Dampfturbinenbauteil, welches heißem Dampf aussetzbar ist, mit einem metallischen Grundkörper, der einen Grundwerkstoff aufweist.

In verschiedenen technischen Gebieten, werden Dampfturbinenbauteile heißem Dampf, insbesondere Wasserdampf, ausgesetzt. Dies trifft beispielsweise für Dampfturbinenbauteile in Dampfanlagen, insbesondere in Dampfkraftwerken zu. Im Rahmen der Steigerung der Effizienz von Dampfkraftwerken wird unter anderem durch Anhebung der Dampfparameter (Druck und Temperatur) eine Erhöhung des Wirkungsgrades erreicht. Zukünftige Entwicklungen werden hierbei Drücke bis 300 bar und Temperaturen bis zu über 650°C aufweisen. Zur Realisierung solch erhöhter Dampfparameter sind geeignete Werkstoffe mit hoher Festigkeit im Zeitstandbereich bei erhöhten Temperaturen erforderlich.

Da austenitische Stähle aufgrund ungünstiger physikalischer Eigenschaften, wie hoher Wärmedehnungskoeffizient und niedriger Wärmeleitfähigkeit, hierbei an ihre Grenzen stoßen werden, werden derzeit verschiedene Varianten von zeitstandfesten, ferritisch-martensitischen Stählen mit Chromgehalten von 9 Gew.% bis 12 Gew.% entwickelt.

Aus der EP 0 379 699 A1 geht ein Verfahren zur Erhöhung des Korrosions- und Oxidationswiderstandes einer Schaufel einer thermischen Maschine, insbesondere eine Verdichterschaufel eines Axialkompressors, hervor. Das Grundmaterial der Verdichterschaufel besteht hierbei aus einem ferritisch-martensitischen Werkstoff. Auf das Grundmaterial wird eine feste haftende Oberflächenschutzschicht bestehend aus 6 bis 15 Gew.% Silizium, Rest Aluminium nach dem Hochgeschwindigkeitsverfahren mit einer Partikelgeschwindigkeit von mindestens 300 mls auf die Oberfläche des Grundmaterials aufgespritzt. Auf diese Metall-Schutzschicht wird nach einem herkömmlichen Lackspritzverfahren ein Kunststoff, beispielsweise Polytetrafluoräthylen, aufgetragen, welcher Kunststoff die Deckschicht (äußere Schicht) der Schaufel bildet. Mit dem Verfahren wird eine Schutzschicht auf einer Schaufel bereitgestellt, die einen erhöhten Korrosions- und Erosionswiderstand bei Anwesenheit von Wasserdampf und vergleichsweise mäßigen Temperaturen (450°C) aufweist, wie sie für Verdichterschaufeln relevant sind.

In dem Artikel "Werkstoffkonzept für hochbeanspruchte Dampfturbinen-Bauteile", von Christina Berger und Jürgen Ewald im Siemens Power Journal 4/94, S. 14-21, wurden die Werkstoffeigenschaften für geschmiedete sowie gegossene Chromstähle untersucht. Die Zeitstandfestigkeit von Chromstählen mit 2 bis 12 Gew.% Chrom sowie Zusätzen von Molybdän, Wolfram, Niob und Vanadium nimmt hierbei mit steigender Temperatur kontinuierlich ab. Für den Einsatz bei Temperaturen von über 550 bis 600°C sind geschmiedete Wellen angegeben mit einem Anteil von 10 bis 12 Gew.% Chrom, 1 % Molybdän, 0,5 bis 0,75 Gew.% Nickel, 0,2 bis 0,3 Gew.% Vanadium, 0,12 bis 0,23 Gew.% Kohlenstoff und optional 1 Gew.% Wolfram. Aus Chromstahl herstellte Gussteile finden Verwendung in Ventilen einer Dampfturbine, Außen- und Innengehäuse von Hochdruck-, Mitteldruck-, Niederdruck- und Sattdampfturbinen. Für Ventile und Gehäuse bei Temperaturen von 550 bis 600°C finden 10 bis 12 Gew.% Chrom enthaltende Stähle Anwendung, die daneben 0,12 bis 0,22 Gew.% Kohlenstoff, 0,65 bis 1 % Mangan, 1 bis 1,1 % Molybdän, 0,7 bis 0,85 % Nickel, 0,2 bis 0,3 Gew.% Vanadium oder auch 0,5 bis 1 Gew.% Wolfram enthalten können.

In dem Artikel "Steam Turbine Materials: High Temperature Forgings" von C. Berger et al, 5^th Int. Conf. Materials for Advanced Power Engineering, Liége, Belgium, Okt. 3-6, 1994, wird ein Überblick über die Entwicklung von zeitstandfesten 9 bis 12 Gew.% Chrom enthaltenen CrMoV-Stählen gegeben. Diese Stähle finden hierbei in Dampfkraftanlagen wie konventionellen Dampfkraftwerken und nuklearen Kraftwerken Anwendung. Aus solchen Chromstählen hergestellte Bauteile sind beispielsweise Turbinenwellen, Gehäuse, Bolzen, Turbinenschaufeln, Rohrleitungen, Turbinenradscheiben und Druckgefäße. Einen weiteren Überblick über die Entwicklung neuer Werkstoffe, insbesondere 9-12 Gew.% Chromstähle gibt der Artikel "Material development for high temperature-stressed components of turbomachines" von T.-U. Kern et al in Stainless Steel World, Oct. 1998, S. 19-27.

Weitere Anwendungsbeispiele von Chromstählen mit 9 Gew.% bis 13 Gew.% Chrom sind beispielsweise in der US-PS 3,767,390 angegeben. Der hierin verwendete martensitische Stahl findet Anwendung bei Dampfturbinenschaufeln und den die Gehäusehälften einer Dampfturbine zusammenhaltenden Bolzen.

In der EP 0 639 691 A1 ist eine Turbinenwelle für eine Dampfturbine angegeben, die 8 bis 13 Gew.% Chrom, 0,05 bis 0,3 Gew.% Kohlenstoff, kleiner 1 % Silizium, kleiner 1 % Mangan, kleiner 2 % Nickel, 0,1 bis 0,5 Gew.% Vanadium, 0,5 bis 5 Gew.% Wolfram, 0,025 bis 0,1 Gew.% Stickstoff bis 1,5 Gew.% Molybdän, sowie zwischen 0,03 bis 0,25 Gew.% Niob oder 0,03 bis 0,5 Gew.% Tantal oder kleiner 3 Gew.% Rhenium, kleiner 5 % Kobalt, kleiner 0,05 % Bor mit einer martensitischen Struktur aufweist.

Eine Erzielung eines Schutzes gegen einen korrosiven und erosiven Angriff bei einer Temperatur bis etwa 500°C für ein aus Chromstahl bestehendes Substrat, wobei auf dem Substrat eine Schutzschicht gebildet wird, welche Aluminium beinhaltet, ist in der WO 94/08071 beschrieben.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Dampfturbinenbauteil, welches heißem Dampf aussetzbar ist, mit einem metallischen Grundkörper anzugeben, welches eine gegenüber dem metallischen Grundkörper erhöhte Oxidationsbeständigkeit aufweist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Schutzbeschichtung zur Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit des Grundwerkstoffes auf einem Dampfturbinenbauteil anzugeben.

Erfindungsgemäß wird die auf ein Bauteil gerichtete Aufgabe dadurch gelöst, dass das Dampfturbinenbauteil mit einem metallischen Grundkörper aus einem Grundwerkstoff, an den eine Schutzschicht zur Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit des Grundwerkstoffes angebunden ist, welche Schutzschicht eine dem Grundkörper zugewandte, mit Aluminium angereicherte Zone in Form einer intermetallischen Verbindung zwischen Aluminium und dem Grundwerkstoff aufweist und die äußere Oberfläche bildet, die im Betrieb der Dampfturbine mit heißem Dampf beaufschlagt ist, wobei die Schutzschicht eine Dicke von unter 20 µm und der Anteil von Aluminium in der Schutzschicht über 50 Gew.% beträgt.

Die Erfindung geht hierbei von der Erkenntnis aus, dass bei hohen Einsatztemperaturen eines Grundwerkstoffes, beispielsweise in Dampfkraftwerken neben einer erhöhten Zeitstandfestigkeit auch eine erhöhte Anforderung an die Oxidationsbeständigkeit im Dampf erforderlich ist. Die Oxidation der Grundwerkstoffe nimmt hierbei mit steigender Temperatur zum Teil deutlich zu. Dieses Problem der Oxidation wird durch die Absenkung des Chromgehaltes in den zum Einsatz kommenden Stählen noch verschärft, da Chrom als Legierungselement einen positiven Einfluss auf die Zunderbeständigkeit besitzt. Mit einem geringeren Chromgehalt kann es somit zu einer Erhöhung der Zundergeschwindigkeit kommen. Beispielsweise kann es bei Dampferzeugerrohren durch dicke Oxidationsschichten auf der Dampfseite zu einer Verschlechterung des Wärmeübergangs vom metallischen Grundwerkstoff zum Dampf und damit zu einer Temperaturerhöhung der Rohrwand und zur Verminderung der Lebensdauer der Dampferzeugerrohre kommen. Bei Dampfturbinen könnte es beispielsweise zum Festzundern von Schraubenverbindungen und Ventilen sowie einer Zusatzbeanspruchung durch Zunderwachstum in Schaufelnuten oder durch Abplatzen von Zunder an Schaufelaustrittskanten zur Kerbspannungserhöhung kommen.

Aufgrund einer negativen Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften des Grundwerkstoffes scheidet die Möglichkeit die Zunderbeständigkeit durch Änderung der Legierungszusammensetzung des Grundwerkstoffes durch zunderverminderte Elemente wie Chrom, Aluminium und/oder Silizium in einer erhöhten Konzentration aus. Mit der Erfindung hingegen, welche eine dünne mit Aluminium angereicherte Zone des Grundwerkstoffes aufweist, wird bereits eine Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit des Grundwerkstoffes um bis zu über einer Größenordung erreicht. Weiterhin können hierdurch fertig bearbeitete Dampfturbinenbauteile problemlos geschützt werden, indem sie eine solche Oxidationsbeschichtung erhalten. Aufgrund der geringen Dicke der Schutzschicht findet auch keine negative Beeinflussung des Grundwerkstoffes in seinen mechanischen Eigenschaften statt. Die Schutzschicht ist hierbei zu einem großen Teil, ggf. vollständig durch die Diffusion von Aluminium in den Grundwerkstoff bzw. auch umgekehrt entstanden. Eine entsprechende Diffusion des Aluminiums in den Grundwerkstoff hinein und von Elementen des Grundwerkstoffes in eine Aluminiumschicht hinein, kann im Rahmen einer Wärmebehandlung unterhalb der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffes stattfinden, so dass keine neue Wärmebehandlung des Dampfturbinenbauteils erforderlich ist. Gegebenenfalls kann eine solche Diffusion auch beim Einsatz des Bauteils bei den dort herrschenden Temperaturen erfolgen. Infolge der metallischen Bindung zwischen dem Aluminium und den Legierungselementen des Grundwerkstoffes wird eine hohe Haftfestigkeit erzielt. Zudem weist die Schutzschicht eine hohe Härte auf, so dass ebenfalls eine hohe Abriebfestigkeit gegeben ist. Darüber hinaus kann eine besonders gleichmäßige Ausbildung der Schichtdicke der Schutzschicht auch an wenig zugänglichen Stellen durch einfache Aufbringungsverfahren erreicht werden.

Die Dicke der Schutzschicht liegt hierbei vorzugsweise unter 10 µm. Sie kann vorzugsweise zwischen 5 bis 10 µm betragen.

Die Schutzschicht weist vorzugsweise neben Aluminium auch Eisen und Chrom auf, diese können beispielsweise aus einem Grundwerkstoff in die Schutzschicht eindiffundiert sein oder mit einer aluminiumhaltigen Schicht auf den Grundwerkstoff aufgebracht worden sein. Weiterhin kann die Schutzschicht neben Aluminium auch Silizium, insbesondere bis zu 20 Gew.% aufweisen. Durch eine entsprechende Zumischung von Silizium können die Härte der Schutzschicht sowie andere mechanische Eigenschaften gezielt eingestellt werden.

Der Grundwerkstoff des Dampfturbinenbauteils ist vorzugsweise ein Chromstahl. Dieser kann zwischen 0,5 Gew.% bis 2,5 Gew.% Chrom sowie auch zwischen 8 Gew.% bis 12 Gew.% Chrom, insbesondere zwischen 9 Gew.% und etwa 10 Gew.% Chrom aufweisen. Neben Chrom kann ein solcher Chromstahl, Mangan zwischen 0,1 bis 1,0 vorzugsweise 0,45 Gew.%, aufweisen. Er kann ebenfalls Kohlenstoff zwischen 0,05 und 0,25 Gew.%, Silizium kleiner 0,6, vorzugsweise etwa 0,1 Gew.%; Molybdän zwischen 0,5 bis 2 Gew.%, vorzugsweise etwa 1 Gew.%; Nickel bis 1,5 Gew.%, vorzugsweise 0,74 Gew.%; Vanadium zwischen 0,1 und 0,5 Gew.%, vorzugsweise etwa 0,18 Gew.%; Wolfram zwischen 0,5 bis 2 Gew.%, vorzugsweise 0,8 Gew.%; Niob bis 0,5 Gew.%, vorzugsweise etwa 0,045 Gew.%; Stickstoff kleiner 0,1 Gew.%, vorzugsweise etwa 0,05 Gew.% sowie gegebenenfalls einen Zusatz von Bor kleiner 0,1 Gew.%, vorzugsweise etwa 0,05 Gew.% aufweisen.

Der Grundwerkstoff ist vorzugsweise martensitisch, ferritisch-martensitisch oder ferritisch.

Das die dünne Schutzschicht aufweisende Dampfturbinenbauteil ist vorzugsweise eine Komponente einer Dampfturbine oder eine Komponente eines Dampferzeugers, insbesondere ein Dampferzeugerrohr. Das Dampfturbinenbauteil kann ein Schmiedeteil oder ein Gussteil sein. Das Dampfturbinenbauteil kann hierbei eine Turbinenschaufel, ein Ventil, eine Turbinenwelle, eine Radscheibe einer Turbinenwelle, ein Verbindungselement wie eine Schraube, ein Bolzen, eine Mutter etc., eine Gehäusekomponente (Innengehäuse, Leitschaufelträger, Außengehäuse), eine Rohrleitung oder ähnliches sein.

Die auf ein Verfahren zur Herstellung einer Schutzbeschichtung zur Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit auf einem Bauteil, welches heißem Dampf aussetzbar ist, gerichtete Aufgabe wird dadurch gelöst, dass auf einen metallischen Grundkörper, der einen Grundwerkstoff aufweist, eine unter 20 µm dicke aluminiumhaltige Schicht aufgebracht wird und das Dampfturbinenbauteil auf einer Temperatur, die unterhalb der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffes liegt, gehalten wird, so dass eine Reaktion des Aluminiums mit dem Grundwerkstoff zur Ausbildung einer aluminiumenthaltenden Schutzschicht stattfindet, wobei in der Schutzschicht eine dem Grundkörper zugewandte, mit Aluminium angereicherte Form einer intermetallischen Verbindung zwischen Aluminium und dem Grundwerkstoff gebildet wird, wobei der Anteil von Aluminium in der Schutzschicht über 50 Gew.% beträgt.

Die aluminiumenthaltende Schicht wird hierbei vorzugsweise zur Durchführung der Diffusion auf einer Temperatur im Bereich der Schmelztemperatur von Aluminium, insbesondere zwischen 650°C und 720°C gehalten. Die Temperatur kann auch niedriger liegen. Es kann gegebenenfalls auch die Diffusion während des Einsatzes des Bauteils in einer Dampfanlage bei der dann dort herrschenden Einsatztemperatur erfolgen.

Das Bauteil wird der entsprechenden Temperatur zur Durchführung der Reaktion mindestens 5 Min., vorzugsweise über 15 Min., gegebenenfalls auch einige Stunden lang ausgesetzt.

Die das Aluminium enthaltende Schicht wird vorzugsweise mit einer Dicke, insbesondere mittleren Dicke, zwischen 5 µm und 30 µm, insbesondere zwischen 10 µm und 20 µm aufgebracht. Das Aufbringen der dünnen aluminiumpigmenthaltigen oder aluminiumhaltigen Schicht erfolgt beispielsweise durch einen anorganischen Hochtemperaturlack. Die Schicht kann mittels Aufsprühen aufgebracht werden, wodurch auch an wenig zugänglichen Stellen eine entsprechende Schutzbeschichtung des Bauteils erreichbar ist. Eine Wärmebehandlung des Bauteils zur Durchführung der Reaktion zwischen Grundwerkstoff und Beschichtung kann beispielsweise im Ofen oder auch durch andere geeignete Wärmequellen erfolgen. Nach Durchführung der Wärmebehandlung der aufgebrachten aluminiumpigmenthaltigen Schicht kann eine im wesentlichen geschlossene, ca. 5 bis 10 µm dicke Fe-Al-Cr-haltigen Schutzschicht entstehen, also in Form einer intermetallischen Verbindung zwischen Aluminium und dem Grundwerkstoff. Durch Aufbringen der Schicht auf einen Chromstahl wird eine wesentliche Verbesserung des Zunderverhaltens des Grundwerkstoffes erreicht. Aufgrund eines hohen Aluminiumgehaltes, insbesondere von über 50 Gew.%, in der durch Reaktion der Aluminiumpigmente mit dem Grundwerkstoff entstandenen Schutzschicht, insbesondere eine Diffusionsschicht, ist die Oxidationsbeständigkeit des Bauteils deutlich erhöht. Die so entstandene Schutzschicht weist eine hohe Härte (Vickers-Härte HV) von beispielsweise etwa 1200 auf.

Das Aufbringen einer solchen dünnen aluminiumhaltigen Schicht kann alternativ auch durch einen angepassten Tauchaluminierungsprozess erfolgen. Die Änderung des Tauchaluminierungsprozesses wird so durchgeführt, dass entgegen der üblichen aluminiumhaltigen Schichtdicken von zwischen 20 und 400 µm, eine entsprechende Verringerung der Schichtdicke erzielt wird. Durch das Schmelztauchverfahren hergestellte Aluminium-Schmelztauchschichten bilden mit Eisen mehrere Phasen (Eta-Phase/Fe₂Al₅; Zeta-Phase/FeAl₂, Teta-Phase/FeAl₃). Bei dem herkömmlichen Schmelztauchen (Feueraluminieren) für einfache Stahlteile werden, entsprechend vorbehandelte, zu beschichtende Bauteile in schmelzflüssigen Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Bädern bei Temperaturen vom 650°C bis 800°C getaucht und nach einer Verweilzeit von 5 bis 60 Sek. wieder herausgezogen. Es bildet sich hierbei eine intermetallische Schutzschicht und eine darauf befindliche Aluminium-Deckschicht. Diese mit herkömmlichem Feueraluminieren hergestellten Beschichtungen weisen allerdings die Gefahr auf, dass durch die aufliegende Aluminiumdeckschicht Aluminium durch Dampfbeaufschlagung in den Wasserdampfkreislauf eingetragen wird, was unerwünschte Begleiterscheinungen wie schwer lösliche Aluminiumsilikat-Ablagerungen hervorrufen könnte.

Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele werden das Verfahren sowie das die Schutzschicht aufweisende Bauteil näher erläutert. Es zeigen teilweise schematisch und nicht maßstäblich:

FIG 1: eine schematische Darstellung einer Dampfkraftanlage,
FIG 2: einen schematischen Schnitt durch eine Dampfturbinenanordnung, und
FIG 3: ein Schliffbild durch eine aluminiumhaltige Schutzschicht.

FIG 1 zeigt eine Dampfkraftanlage 1 mit einer Dampfturbinenanlage 1b. Die Dampfturbinenanlage 1b umfasst eine Dampfturbine 20 mit angekoppeltem Generator 22 und in einem der Dampfturbine 20 zugeordneten Wasser-Dampf-Kreislauf 24 einen der Dampfturbine 20 nachgeschalteten Kondensator 26 sowie einen Dampferzeuger 30. Der Dampferzeuger 30 ist als Abhitze-Durchlaufdampferzeuger ausgeführt und wird mit heißem Abgas einer Gasturbine 1a beaufschlagt. Der Dampferzeuger 30 kann alternativ auch als Kohle, Öl, Holz etc. befeuerter Dampferzeuger ausgeführt sein. Der Dampferzeuger 30 weist eine Vielzahl von Rohren 27 auf in denen der Dampf für die Dampfturbine 20 erzeugt wird und die eine Schutzschicht 82 (siehe FIG. 3) zum Oxidationsschutz aufweisen können. Die Dampfturbine 20 besteht aus einer Hochdruckteil-Turbine 20a, einer Mitteldruckteil-Turbine 20b sowie einer Niederdruckteil-Turbine 20c, die über eine gemeinsame Welle 32 den Generator 22 antreiben.

Die Gasturbine 1a umfasst eine Turbine 2 mit angekoppeltem Luftverdichter 4 und eine der Turbine 2 vorgeschalteten Brennkammer 6, die an eine Frischluftleitung 8 des Luftverdichters 4 angeschlossen ist. In die Brennkammer 6 der Turbine 2 mündet eine Brennstoffleitung 10. Die Turbine 2 und der Luftverdichter 4 sowie ein Generator 12 sitzen auf einer gemeinsamen Welle 14. Zum Zuführen von in der Gasturbine 2 entspanntem Arbeitsmittel AM oder Rauchgas ist eine Abgasleitung 34 an einen Eingang 30a des Durchlaufdampferzeugers 30 angeschlossen. Das entspannte Arbeitsmittel AM (Heißgas) der Gasturbine 2 verlässt den Durchlaufdampferzeuger 30 über dessen Ausgang 30b in Richtung auf einen nicht näher dargestellten Kamin.

Der der Dampfturbine 20 nachgeschaltete Kondensator 26 ist über eine Kondensatleitung 35, in die eine Kondensatpumpe 36 geschaltet ist, mit einem Speisewasserbehälter 38 verbunden. Der Speisewasserbehälter 38 ist ausgangsseitig über eine Hauptspeisewasserleitung 40, in die eine Speisewasserpumpe 42 geschaltet ist, mit einem im Durchlaufdampferzeuger 30 angeordneten Economizer oder Hochdruckvorwärmer 44 verbunden. Der Hochdruckvorwärmer 44 ist ausgangsseitig an einen für einen Durchlaufbetrieb ausgelegten Verdampfer 46 angeschlossen. Der Verdampfer 46 ist seinerseits ausgangsseitig über eine Dampfleitung 48, in die ein Wasserabscheider 50 geschaltet ist, an einen Überhitzer 52 angeschlossen. Mit anderen Worten: Der Wasserabscheider 50 ist zwischen den Verdampfer 46 und den Überhitzer 52 geschaltet.

Der Überhitzer 52 ist ausgangsseitig über eine Dampfleitung 53 mit dem Dampfeinlass 54 des Hochdruckteils 20a der Dampfturbine 20 verbunden. Der Dampfauslass 56 des Hochdruckteils 20a der Dampfturbine 20 ist über einen Zwischenüberhitzer 58 an den Dampfeinlass 60 des Mitteldruckteils 20b der Dampfturbine 20 angeschlossen. Dessen Dampfauslass 62 ist über eine Überströmleitung 64 mit dem Dampfeinlass 66 des Niederdruckteils 20c der Dampfturbine 20 verbunden. Der Dampfauslass 68 des Niederdruckteils 20c der Dampfturbine 20 ist über eine Dampfleitung 70 an den Kondensator 26 angeschlossen, so dass ein geschlossener Wasser-Dampf-Kreislauf 24 entsteht.

An den zwischen den Verdampfer 46 und den überhitzer 52 geschalteten Wasserabscheider 50 ist eine Absaugleitung 72 für abgeschiedenes Wasser W angeschlossen. Zusätzlich ist an den Wasserabscheider 50 eine mit einem Ventil 73 absperrbare Ablassleitung 74 angeschlossen. Die Absaugleitung 72 ist ausgangsseitig mit einer Strahlpumpe 75 verbunden, die primärseitig mit aus dem Wasser-Dampf-Kreislauf 24 der Dampfturbine 20 entnommenem Medium beaufschlagbar ist. Die Strahlpumpe 75 ist dabei primärseitig ausgangsseitig ebenfalls an den Wasser-Dampf-Kreislauf 24 angeschlossen. Die Strahlpumpe 75 ist in eine eingangsseitig mit der Dampfleitung 53 und somit mit dem Austritt des Überhitzers 52 verbundene, über ein Ventil 76 absperrbare Dampfleitung 78 geschaltet. Die Dampfleitung 78 mündet ausgangsseitig in eine den Dampfauslass 56 des Hochdruckteils 20a der Dampfturbine 20 mit dem Zwischenüberhitzer 58 verbindende Dampfleitung 90. Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 ist die Strahlpumpe 75 somit mit aus dem Wasser-Dampf-Kreislauf 24 entnommenem Dampf D als Treibmittel betreibbar. Je nach Anforderung können Komponenten der Dampfkraftanlage 1b mit einer aluminiumhaltigen Schutzschicht mit einer Dicke kleiner 50 µm versehen sein (s. FIG 3).

In FIG 2 ist in einem schematischen Längsschnitt ein Ausschnitt durch eine Dampfturbinenanlage mit einer sich entlang einer Rotationsachse 102 erstreckenden Turbinenwelle 101 dargestellt. Die Turbinenwelle 101 ist aus zwei Teilturbinenwellen 101a und 101b zusammengesetzt, die im Bereich des Lagers 129b fest miteinander verbunden sind. Die Dampfturbinenanlage weist eine Hochdruck-Teilturbine 123 und eine Mitteldruck-Teilturbine 125 mit jeweils einem Innengehäuse 121 und einem dieses umschließendes Außengehäuse 122 auf. Die Hochdruck-Teilturbine 123 ist in Topfbauart ausgeführt. Die Mitteldruck-Teilturbine 125 ist zweiflutig ausgeführt. Es ist ebenfalls möglich, dass die Mitteldruck-Teilturbine 125 einflutig ausgeführt ist. Entlang der Rotationsachse 102 ist zwischen der Hochdruck-Teilturbine 123 und der Mitteldruck-Teilturbine 125 ein Lager 129b angeordnet, wobei die Turbinenwelle 101 in dem Lager 129b einen Lagerbereich 132 aufweist. Die Turbinenwelle 101 ist auf einem weiteren Lager 129a neben der Hochdruck-Teilturbine 123 aufgelagert. Im Bereich dieses Lagers 129a weist die Hochdruck-Teilturbine 123 eine Wellendichtung 124 auf. Die Turbinenwelle 101 ist gegenüber dem Außengehäuse 122 der Mitteldruck-Teilturbine 125 durch zwei weitere Wellendichtungen 124 abgedichtet. Zwischen einem Hochdruck-Dampfeinströmbereich 127 und einem Dampfaustrittsbereich 116 weist die Turbinenwelle 101 in der Hochdruck-Teilturbine 123 Laufschaufeln 113 auf. Axial in Strömungsrichtung des Dampfes ist jeder Reihe aus Laufschaufeln 113 eine Reihe aus Leitschaufeln 130 vorgeschaltet. Die Mitteldruck-Teilturbine 125 weist einen zentralen Dampfeinströmbereich 115 auf. Dem Dampfeinströmbereich 115 zugeordnet weist die Turbinenwelle 101 eine radialsymmetrische Wellenabschirmung 109, eine Abdeckplatte auf, welche einerseits zur Teilung des Dampfstromes in die beiden Fluten der Mitteldruck-Teilturbine 125 sowie andererseits zur Verhinderung eines direkten Kontaktes des heißen Dampfes mit der Turbinenwelle 101 dient. Die Turbinenwelle 101 weist in der Mitteldruck-Teilturbine 125 Mitteldruck-Leitschaufeln 131 und Mitteldruck-Laufschaufeln 114 auf. Der aus der Mitteldruck-Teilturbine 125 aus einem Abströmstutzen 126 ausströmende Dampf gelangt zu einer dieser strömungstechnisch nachgeschalteten, nicht dargestellten Niederdruck-Teilturbine.

FIG 3 zeigt einen Ausschnitt eines Längsschnitts durch einen oberflächennahen Bereich eines Dampfturbinenbauteils 80, einer Komponente einer Dampfturbinenanlage, wie beispielsweise einem Dampferzeugerrohr 27, einer Turbinenwelle 101, einem Turbinenaußengehäuse 122, einem Innengehäuse 121 (Leitschaufelträger), einer Wellenabschirmung 109, einem Ventil oder ähnlichem. Das Dampfturbinenbauteil 80 weist einen Grundwerkstoff 81, beispielsweise einen Chromstahl mit 9 bis 12 Gew.% Chrom sowie ggf. weiteren Legierungselementen wie Molybdän, Vanadium, Kohlenstoff, Silizium, Wolfram, Mangan, Niob und einem Rest aus Eisen auf. Der Grundwerkstoff 81 geht in eine Schutzschicht 82 über, die Aluminium bis zu über 50 Gew.% aufweist. Die mittlere Dicke D der Schutzschicht 82 beträgt etwa 10 µm. Der gezeigte Ausschnitt ist eine tausendfache mikroskopische Vergrößerung. Der Grundwerkstoff 81 weist hierbei eine Vickers-Härte von etwa 300 und die Schutzschicht eine Vickers-Härte von etwa 1200 auf. Durch die Schutzschicht 82 wird die Oxidationsbeständigkeit und somit die Zunderfestigkeit des Dampfturbinenbauteils 80, auch bei hohen Dampf temperaturen von bis zu über 650°C, deutlich erhöht, was die Lebensdauer des Dampfturbinenbauteils 80 beim Einsatz in einer Dampfturbinenanlage bzw. dem Einsatz bei Dampfbeaufschlagung mit über 600° C deutlich erhöht. Die metallische Schutzschicht 82 bildet dabei zugleich die äußere Oberfläche (Deckschicht) des die Schutzschicht 82 aufweisenden Dampfturbinenbauteils 80. Die äußere Oberfläche der Schutzschicht 82 ist im Betrieb der Dampfturbinenanlage mit heißem Dampf beaufschlagt.

Claims

Dampfturbinenbauteil (80) mit einem metallischen Grundkörper (81) aus einem Grundwerkstoff, an den eine Schutzschicht (82) zur Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit des Grundwerkstoffs angebunden ist, welche Schutzschicht (82) eine dem Grundkörper (81) zugewandte mit Aluminium angereicherte Zone in Form einer intermetallischen Verbindung zwischen Aluminium und dem Grundwerkstoff aufweist und die äußere Oberfläche bildet, die im Betrieb der Dampfturbine mit heißem Dampf beaufschlagt ist, wobei die Schutzschicht (82) eine Dicke (D) von unter 20 µm besitzt und der Anteil von Aluminium in der Schutzschicht (82) über 50 Gew.% beträgt.
Dampfturbinenbauteil (80) nach Anspruch 1, bei dem die Dicke (D) der Schutzschicht (82) unter 10 µm beträgt.
Dampfturbinenbauteil (80) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Dicke (D) der Schutzschicht (82) zwischen 5 µm bis 10 µm beträgt.
Dampfturbinenbauteil (80) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Schutzschicht (82) neben dem Aluminium auch Eisen und Chrom aufweist.
Dampfturbinenbauteil (80) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Schutzschicht (82) neben Aluminium auch Silizium, insbesondere bis 20 Gew.%, aufweist.
Dampfturbinenbauteil (80) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Grundwerkstoff ein Chromstahl ist.
Dampfturbinenbauteil (80) nach Anspruch 6, bei dem der Chromstahl zwischen 0,5 Gew.% bis 2,5 Gew.% Chrom oder zwischen 8 Gew.% bis 12 Gew.% Chrom, insbesondere zwischen 9 Gew.%, aufweist.
Dampfturbinenbauteil (80) nach Anspruch 6 oder 7, bei dem der Grundwerkstoff (81) martensitisch, ferritisch-martensitisch oder ferritisch ist.
Dampfturbinenbauteil (80) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches ein Schmiedeteil oder ein Gussteil ist.
Dampfturbinenbauteil (10) nach Anspruch 9, welches eine Turbinenschaufel (113, 114), ein Ventil (76), eine Turbinenwelle (101, 32), eine Radscheibe einer Turbinenwelle, ein Verbindungselement wie Schraube, eine Gehäusekomponente, eine Rohrleitung (70, 64) oder ähnliches ist.
Dampfturbinenbauteil (80) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches eine Komponente eines Dampferzeugers (30), insbesondere ein Dampferzeugerrohr (27), ist.
Verfahren zur Herstellung einer Schutzbeschichtung zur Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit auf einem Dampfturbinenbauteil (80), welches heißem Dampf aussetzbar ist, mit einem metallischen Grundkörper (81), der einen Grundwerkstoff aufweist, wobei

a) eine unter 20 µm dicke aluminiumhaltige Schicht (82) aufgebracht, und

b) das Dampfturbinenbauteil (80) auf einer vorgegebenen Temperatur, die unterhalb der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffes liegt, zur Reaktion der Aluminium enthaltenden Schutzschicht (82) mit dem Grundwerkstoff (81) gehalten wird, so dass in der Schutzschicht (82) eine dem Grundkörper (81) zugewandte mit Aluminium angereicherte Zone in Form einer intermetallischen Verbindung zwischen Aluminium und dem Grundwerkstoff gebildet wird, wobei der Anteil von Aluminium in der Schutzschicht (82) über 50 Gew.% beträgt.