TEKSTI: SATU TUURNA, SANNI YLI-OLLI, TEKNOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS VTT OY
P
rosessilaitteissa ja komponen-teissa voi esiintyä odottamatto-mia vaurioita, jotka vaadittavi-en korjaustöidvaadittavi-en, mahdollisvaadittavi-en komponenttien uusimisen ja tuotannonmenetysten vuoksi voivat johtaa suunnittelemattomien kustannusten mer-kittävään nousuun. Joissakin tapauksissa vaurion syy on itsestään selvä ja asianmu-kaisiin ennaltaehkäiseviin toimenpiteisiin voidaan ryhtyä heti, mutta monissa tapauk-sissa vaurio- ja/tai juurisyyanalyysi on teh-tävä, jotta ymmärretään odottamattomaan vaurioon johtaneet syyt ja toistuminen voi-daan estää. Erityisesti laitteissa, jotka vau-rioituessaan aiheuttavat suuret henkilö- tai taloudelliset vahingot, on syytä kiinnittää erityistä huomiota ennakoivaan toimintaan.Tätä varten kehitetään jatkuvasti tarkem-pia menetelmiä ja malleja komponenttien jäljellä olevan eliniän määrittämiseen. VTT tekee materiaalien ja komponenttien vauri-oanalyyseja sekä jäljellä olevan eliniän mää-rityksiä, jotka perustuvat mm. materiaali- ja käyttöympäristötietoihin, metallografiseen tutkimukseen sekä erilaisiin mekaanisiin testausmenetelmiin. Monipuolinen tutki-muslaitekanta ja asiantunteva metallurgian laboratorio mahdollistavat erityyppisten ongelmatilanteiden ratkaisun ja tutkimuk-sen laajalle teollisuuskentälle kylmistä kuu-miin käyttöolosuhteisiin.
Yleisimmin vaurio- ja juurisyyanalyysit tarkoittavat vaurioituneen rakenteen ana-lysointia ja vauriomekanismin selvitystä.
Niitä käytetään selvitettäessä, miksi rakenne vaurioitui, onko korjaaminen mahdollis-ta ja miten se optimoidusti tehdään. Jos tapahtunut vaurio voidaan korjata, arvi-oidaan mikä on korjatun rakenteen kes-toikä tai suositeltava huolto/tarkastusväli.
Vaurioanalyysia voidaan käyttää laitteiden elinikäarvioiden pohjana, jolloin tuotanto-varmuus paranee oikea-aikaisen
kompo-nenttivaihdon ansiosta. Vauriomekanismin määritys perustuu tutkimuksissa (esim.
silmämääräinen tarkastus, murtopinnan ja metallografisten poikkileikkausnäyttei-den mikroskopia) todettaviin mekanismille ominaisiin piirteisiin sekä taustatietoihin, joiden perusteella tavallisesti suurin osa vauriomekanismeista voidaan sulkea pois.
Vauriomekanismeja on rajallinen määrä ja kullakin mekanismilla on sille ominaiset piirteensä, jotka koskevat mm. syntymi-seen vaikuttavia tekijöitä kuten materiaa-liominaisuuksia, kuormituksia, kemiallista ympäristöä, lämpötilaa ja syntymisen aika-riippuvuutta. Vaurio voi syntyä myös usean samanaikaisen tai peräkkäisen mekanismin aiheuttamana. Vauriomekanismin selvittyä voidaan keskittyä kyseisen mekanismin kannalta merkityksellisiin seikkoihin, esi-merkiksi materiaaliominaisuuksiin,
kom-ponenttiin kohdistuneisiin kuormituksiin ja muihin ympäristöolosuhteisiin.
Elinikäarviot tarkastelevat prosessin tai sen kriittisten osien teknistä elinikää.
Perinteisissä elinikätarkasteluissa lähtö-tiedot ja elinikämalli tuottavat ennusteen ottamatta huomioon vauriomekamismien ja ennusteiden todennäköisyyksiä. Tällai-sen tarkastelun etuina ovat kohtuullinen yksinkertaisuus ja sovellettavuus melko pieneen määrään lähtötietoja. Todennä-köisyyspohjaisilla tarkasteluilla saavutetaan luotettavampi arvio eliniästä, kun käytettä-vissä on suurehko määrä lähtötietoa. Toden-näköisyyspohjaista elinikäarviota voidaan käyttää myös riskiperustaisen tarkastuksen tai ylipäätään tarkastus- ja huoltotoimen-piteiden tukena.
Laadukkaan vaurio- ja elinikäanalyysin pohjana on VTT:llä laaja osaaminen ma-Jännityskorroosiota duplex teräksessä
KUVA JOHANNA LUKIN
>
30 MATERIA 1/2019
teriaalitekniikasta, materiaalien käyttäyty-misestä eri olosuhteissa ja uuden sukupol-ven materiaaleista sekä uusien testaus- ja mallinnusmenetelmien kehittämisestä ja hyödyntämisestä.
Vaurio- ja elinikätutkimuksen kannalta on tärkeää tietää, miten materiaalit käyttäy-tyvät ja vaurioituvat oltuaan altistettuina kymmeniä vuosia esimerkiksi korkeisiin lämpötiloihin ja paineisiin. Tätä varten on VTT jo viime vuosisadan puolella kehittä-nyt mikrorakennekirjastoja käytössä vanhe-nevista materiaaleista. Kirjastoa on vuosien varrella täydennetty uusilla materiaaleilla.
Ikääntyneiden materiaalien mikroraken-nemuutosten perusteella pystytään arvioi-maan tehollista lämpötilaa, jonka materiaali on nähnyt, ja tätä voidaan edelleen hyödyn-tää tarkan eliniän määritykseen sekä vau-riotapauksissa olosuhteiden määritykseen, jos ne syystä tai toisesta eivät ole tiedossa.
Yksi lähiaikojen merkittävimpiä saavu-tuksia, joka osittain pohjautui myös mate-riaalien vanhentamiseen, on Ilmavoimien VTT:llä teettämä tutkimus, jossa selvitet-tiin Hornetin moottoreiden turbiinisiipien elinikää. Tutkimuksen ansiosta moottorin valmistaja pidensi korkeapaineturbiinin siipien elinikärajaa kymmenellä prosentilla.
Tämä toi laivueelle 2,7 miljoonan euron säästöt turbiinien käyttöiän aikana. VTT tutki ilmavoimien käytössä olevan hävit-täjälentokone F/A-18 Hornetin korkea-paineturbiinin siipien vaurioita ja niiden vauriomekanismeja. Korkeapaineturbiinin siipi on turbiinimoottorissa kuumimmassa paikassa heti polttokammion jälkeen, jolloin nämä 40 millimetriset lavat kuumenevat noin 900 C-asteen lämpötilaan.
VTT on mukana myös uusien materiaa-lien tutkimuksessa, jotta pystymme ennalta
ehkäisemään niiden käyttöönotossa mah-dollisia vaurioita ja ennustamaan niiden tulevan eliniän mahdollisimman tarkasti.
Viime vuosien mielenkiintoisia tutkimus-projekteja ovat olleet esim. AUSPLUS [2]
ja MACPLUS [3], joissa kehitettiin uusia teräksiä ja refraktorimateriaaleja ylikriitti-siin voimalaitokylikriitti-siin [mm. 4,5], sekä GRA-MAT [6], jonka tavoitteena oli valmistaa valutekniikalla gradienttiputkimateriaali, jossa ulkopinta muodostuu austeniittisesta ruostumattomasta teräksestä ja sisäpinta niukkaseosteisesta teräksestä [7]. Tule-vaisuudessa energiatuotantojärjestelmien muodostuessa erilaisista hybridi- ja uusiu-tuvan energian vaihtoehdoista käyttöolo-suhteet laitoksissa ja prosesseissa muuttuvat selvästi, ja tutkimus on suuntautunut mm.
kuorman vaihtelun vaikutuksiin laitosten rakennemateriaaleissa ja muuntuvissa vau-riomekanismeissa [8,9].
Perinteisten testausmenetelmien rin-nalle kehitetään uusia menetelmiä mm.
materiaalitehokkuuden parantamiseksi.
Teollisuudessa törmätään toistuvasti on-gelmaan, jossa jonkin komponentin elinikää pitäisi pidentää tai eheys varmistaa, mutta tämän takia komponentista pitäisi ottaa näytteitä, jolloin varjeltava komponentti pitää siis pilkkoa. Tällöin avuksi voidaan ottaa miniatyyritestausmenetelmät, jotka vaativat niin pienen näytteen, että näyt-teen irrotus voidaan tehdä käytännössä lähes ainetta rikkomattomasti. Testauk-sen ja analysoinnin lisäksi nykypäivänä on pystyttävä mallintamaan lähes mitä vaan.
Vaurio- ja elinikätutkimuksen kannalta on tärkeää pystyä mallintamaan materiaalin käyttäytymistä vaativissa olosuhteissa, ku-ten esimerkiksi hapettavissa olosuhteissa, korkeissa lämpötiloissa ja/tai vaihtelevassa
kuormassa [10-12].
Materiaalien käyttäytymisen tuntemuk-sella ja jatkuvalla tutkimuksen kehityk-sellä on suuri merkitys olemassa olevien laitteiden ja komponenttien luotettavalle toiminnalle sekä uusien käyttöönotolle. ▲ Lähteet
[1] S. Yli-Olli, J. Rantala, J. Salonen, P. Auerkari, S. Holmström, Degradation assessment of single-crystal gas turbine blades, Materials for Advanced Power Engineering 2014 p.
717-726
[2] RFSR-CT-2010-00019, AUSPLUS: Austenitic steels for complex and variable stress, tem-perature, pressure and environmental con-ditions of next generation ultra supercritical power plants, 2010-2014
[3] FP7-ENERGY- 249809, MACPLUS: Com-ponent Performance-Driven Solutions for Long-Term Efficiency Increase in Ultra Supercritical Power Plants, 2011-2015 [4] A. Bellucci, S. Bellini, R. Pileggi, D. Stocchi,
S. Tuurna. Effect of Al Enrichment by Pack Cementation of FeCr Coatings Deposited by HVOF. Journal of Thermal Spray Te-chnology 2014
[5] S. Tuurna, P. Pohjanne, S. Yli-Olli, E. Coda Zabetta, K. Vänskä, Fireside corrosion and carburization of superheater materials in simulated oxyfuel combustion conditions.
7th International Conference on Advances in Materials Technology for Fossil Power Plants EPRI USA (2014), 881 - 891 [6] RFSR-CT-2013-00005, GRAMAT: Research
on innovative corrosion resistant gradient tubes for biomass power generation instal-lations, 2013-2017
[7] S. Yli-Olli, E. Isotahdon, S. Tuurna, P. Brziak, J. Mahanen. High temperature corrosion of gradient tubes for high temperature applica-tion. 20th International Corrosion Congress
& Process Safety Congress 2017, Eurocorr 2017 Prague, Czech Republic
[8] RFCS-TGC3-754032(2017), FLEX FLORES:
FLEXible operation of FB plants co-Firing low rank coal with renewable fuels com-Toimitustilaisen ja ikääntyneen niukkaseosteisen teräksen mikrorakenne
KUVAT JOHANNA LUKIN
Esimerkki turbiinisiiven ikääntymisestä ja sen aiheuttamasta mikrorakenteen hajaantumisesta, jota voidaan hyödyntää materiaalin kokeman käyttölämpötilan arvioinnissa. Vasemmalla uusi rakenne, oikealla lämpötilan vaikutuksesta hajaantunut rakenne [1].
KUVAT SANNI YLI-OLLI
Miniatyyrinäyte korvaamaan perinteistä mekaanisen testauksen vetosauvaa
KUVA JUHANI RANTALA
pensating vRES, 2017-2020
[9] H2020-815147(2019), BELENUS: Lowering Costs by Improving Efficiencies in Biomass Fueled Boilers: New Materials and Coatings to Reduce Corrosion; 2019-2023 [10] S. Yli-Olli, P. Auerkari, S. Tuurna, R. Pohja,
S. Holmström, Lifetime assessment: mo-delling of steamside oxidation, Baltica X International Conference on Life Manage-ment and Maintenance for Power Plants, P.
Auerkari (ed.), VTT Technology; vol. 261, Espoo, (2016), 8 p
[11] S. Holmström, R. Pohja, W. Payten, Creep-fa-tigue interaction models for grade 91 steel.
Materials Performance and Characterizati-on. ASTM. Vol. 3 (2014), No. 2, pp. 156-181 [12] S. Holmström, F. De Haan, U. Föhrer, R.
Pohja, J. Janousek, Engineering models for softening and relaxation of Gr. 91 steel in creep-fatigue conditions. International Journal of Structural Integrity. Emerald Publishing Limited. Vol. 8 (2017) No. 6, pp. 670-682