Modellbaserad mätning av ytbeläggning och väggtjocklek med induktiv provning

Transkript

1 Modellbaserad mätning av ytbeläggning och väggtjocklek med induktiv provning Mattias Broddegård Siemens Industrial Turbomachinery AB

2 Siemens Industrial Turbomachinery Oavbruten turbintillverkning sedan STAL, Stal-Laval, ASEA Stal, ABB Stal, Alstom Power Sweden, Siemens Industrial Turbomachinery Page 2 November 10 Mattias Broddegård

3 Ständig anpassning till ny efterfrågan Stopp för kanontillverkning» ångturbiner Stopp för jetmotorer» gasturbiner Stopp för fartygsångturbiner» kärnkraftturbiner Stopp för kärnkraft» nya gasturbinmodeller Nu: ångturbiner för solkraft Kärt barn har många namn: STAL, Stal-Laval, ASEA Stal, ABB Stal, Alstom Power Sweden, Siemens Industrial Turbomachinery Page 3 November 10 Mattias Broddegård

4 Solig framtid för ångturbiner Vi är världsledande på turbiner för solkraftverk, helt utan koldioxidutsläpp! Globalt ansvar för Siemens ångturbiner MW Modell SST-900 med/utan mellanöverhettning Modell SST-700 med/utan mellanöverhettning Page 4 November 10 Mattias Broddegård

5 Två exempel på solkraftanläggningar Andasol i Spanien (bilden). El till hushåll. Här sparar var och en av våra ångturbiner ton koldioxid per år jämfört med tidigare kraftkällor. Nevada Solar One i USA. Vår ångturbin SST-700 på 64 MW ger hushåll el helt utan koldioxidutsläpp Page 5 November 10 Mattias Broddegård

6 Sällsynt effektiva gasturbiner MW För att producera el/värme, eller som motor Gasturbin + ångturbin = Kombikraftverk. Mycket hög verkningsgrad, dvs miljövänligare. Absolut världsklass vad gäller miljövänlighet 4 huvudtyper tillverkas här: SGT-500, SGT-600, SGT-700, SGT-800 Page 6 November 10 Mattias Broddegård

7 Ett nyckelfärdigt kraftverk, tack! Exempel: Rya Kraftvärmeverk en nyckelfärdig gaskombianläggning för Göteborg Energi. Producerar en tredjedel av Göteborgs behov av el och fjärrvärme med extremt låga utsläpp. En leverantör för hela anläggningen! Gasturbin, panna, ångturbin, generator, kontrollsystem, miljösystem Mycket pålitlig drift, tack vare kompatibla komponenter och system Page 7 November 10 Mattias Broddegård

8 Avancerad OFP på Siemens Industrial Turbomachinery Avdelningen för materialteknik ansvarar för identifiering och införande av ny provningsteknik. Phased Array TOFD av elektronstrålesvetsar i turbinrotorer Akustisk Termografering Siemat FSECT Frequency Scanning Eddy Current Testing Page 8 November 10 Mattias Broddegård

9 Användning av ytbeläggningar på turbinkomponenter Turbinskovlar är utsatta för stora påfrestningar under drift i form av hög temperatur (>1000 ) och hög mekanisk belastning ( rpm). Verkningsgraden hos turbinen ökar med ökande temperatur. I moderna gasturbiner används turbinskovlar i form av precisionsgjutgods med invändiga kylkanaler vilket gör att tillverkningskostnaden blir hög. För att skydda materialet i turbinskoveln mot oxidation används ytbeläggningar innehållande bland annat aluminium. Under drift förbrukas aluminium genom att ett skyddande oxidskikt kontinuerligt bildas. Genom att mäta den återstående aluminiumhalten kan återstående livslängd hos ytbeläggningen fastställas. Om skoveln tas ur drift innan grundmaterialet börjar oxidera kan en ny ytbeläggning appliceras. Page 9 November 10 Mattias Broddegård

10 FSECT - Frequency Scanning Eddy Current Testing Modellbaserad teknik för mätning av egenskaper hos ytbeläggningar: tjocklek, elektrisk ledningsförmåga, permeabilitet. Den elektriska ledningsförmågan är kopplad till aluminiumhalten. Tekniken kan dessutom användas för väggtjockleksmätning. 1: Mätningar vid ett antal olika frekvenser = inträngningsdjup. 2: Anpassning av parametrar hos matematisk modell av provningsobjektet för att efterlikna mätresultaten. Kalibrering av systemet utförs på två referenskroppar med känd elektrisk ledningsförmåga. Inget behov av ytbelagda provbitar för kalibrering! Utvecklad av CESI Centro Elettrotecnico Sperimentale Italiano Page 10 November 10 Mattias Broddegård

11 FSECT utrustning Hårdvara Mjukvara Mätning Analys Page 11 November 10 Mattias Broddegård

12 Princip för normalisering av mätdata Mätdata utgörs av en parameter kallad Normaliserad impedans. Denna erhålls genom att först utföra mätningar med och utan lift-off på två kalibreringsblock med känd elektrisk ledningsförmåga R T Q Q T 2 Q Q 1 1 Page 12 November 10 Mattias Broddegård

13 Matematisk modell av provningsobjektet En modell bestående av 2-4 lager med olika elektrisk ledningsförmåga, tjocklek och magnetisk permeabilitet Exempel på modell med tre lager och ett motsvarande provningsobjekt Page 13 November 10 Mattias Broddegård

14 Mätningar på PtAl ytbeläggning på testbitar exponerade i ugn Resultat från mätning och analys av testbitar exponerade i ugn. 2 lager Oexponerad testbit. Ytbeläggningens elektriska ledningsförmåga är 0,980 MS/m vilket är större än grundmaterialets som är 0,746 MS/m. Ytbeläggningens tjocklek beräknas till 0,046 mm Exponerad testbit. Ytbeläggningens elektriska ledningsförmåga är här 0,648 MS/m vilket är lägre än grundmaterialets som är 0,701 MS/m. Ytbeläggningens tjocklek beräknas till 0,073 mm Page 14 November 10 Mattias Broddegård

15 Mätresultat från testbitar med PtAl ytbeläggning, exponerade i ugn under olika lång tid Mätningar vid 24 frekvenser från 600 khz till 8 MHz 1,0 Normalised Impedance (a.u.) 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0-0,2-0,4 Exposure time (hours): Testbit där ytbeläggningen slipats bort -0,6-0, ,0 1,00E+05 1,00E+06 Fre quency (Hz) 1,00E+07 Page 15 November 10 Mattias Broddegård

16 Mätning av PtAl ytbeläggning på turbinskovel som varit i drift På grund av den begränsade väggtjockleken hos turbinskoveln behövs ytterligare ett lager i den matematiska modellen Genom att utföra mätning på ett antal skovlar där Al-halten sedan uppmätts genom metallografisk undersökning har ett samband mellan elektrisk ledningsförmåga och Al-halt kunnat fastställas Detta kan i sin tur användas för att uppskatta återstående livslängd. Resultat från turbinskovel med drifttimmar. Page 16 November 10 Mattias Broddegård

17 Mätning av väggtjocklek hos turbinskovlar med keramisk ytbeläggning För att ytterligare kunna öka temperaturen kan en keramisk ytbeläggning appliceras ovanpå den oxidationsskyddande. Detta kallas TBC (Thermal Barrier Coating). Grundmaterial Bindskikt Toppskikt På grund av ett processfel hos en leverantör av skovelämnen befarades att ett antal skovlar med avvikande väggtjocklek hade levererats. Då en del av dessa skovlar redan var ytbelagda med TBC valdes att utföra väggtjockleksmätning med FSECT istället för ultraljud. Det keramiska toppskiktet leder till lift-off vid mätningen. Genom att utföra kalibreringen med åtminstone ett värde på lift-off överstigande toppskiktets tjocklek kan denna mätas samtidigt som skovelns väggtjocklek kontrolleras. Page 17 November 10 Mattias Broddegård

18 Mätning av väggtjocklek hos turbinskovlar med keramisk ytbeläggning Grundmaterialet i skoveln är en s.k. enkristall, CMSX-4. Vid gjutningen sker stelningen så att kristallriktningen sammanfaller med skovelns längdaxel vilket ger mycket goda krypegenskaper. Detta innebär att ljudhastigheten varierar runt om Wave speed in CMSX-4 skoveln Longitudinal wave speed [m/s] Theoretical wave speed (isotropic) [m/s] Measured wave speed [m/s] Specimen 27-5 Measured wave speed [m/s] Specimen 24-4 Väggtjockleken mättes i 6 lägen Angle [ ] Page 18 November 10 Mattias Broddegård

19 Mätning av väggtjocklek hos turbinskovlar med keramisk ytbeläggning Även i detta fall användes en modell med tre lager. Toppskiktet, som motsvaras av lift-off, behöver inte tas med i modellen utan erhålls på köpet Väggtjocklek Lift-off = tjocklek hos toppskikt För att få mer vikt från inverkan av väggtjockleken användes 200 khz 6 MHz frekvens. Den elektriska ledningsförmågan för CMSX-4 uppmättes med FSECT till 0,74 MS/m vilket innebär att standard inträngningsdjup vid 200 khz frekvens blir 1,7 mm. Page 19 November 10 Mattias Broddegård

20 Mätning av väggtjocklek hos turbinskovlar med keramisk ytbeläggning Inverkan från väggtjocklek är påtaglig för frekvenser upp till 2 MHz 1,00 0,50 FSECT normalised impedance [a.u] 0,00-0,50-1,00-1, #34 A2H 1,39 mm #34 A5H 2,46 mm #34 A2N 1,25 mm #34 A5N 2,36 mm #79 A2H 2,10 mm #79 A5H 2,55 mm #79 A2N 2,08 mm #79 A5N 2,61 mm Frequency [Hz] Page 20 November 10 Mattias Broddegård

21 Mätning av väggtjocklek hos turbinskovlar med keramisk ytbeläggning Mätresultat från en sats med skovlar. God korrelation mellan väggtjockleken i de olika mätpunkterna. 3,00 2,50 Wall thickness [mm] 2,00 1,50 1,00 A1-H A2-H A5-H A1-N A2-N A5-N 0,50 0, Page 21 November 10 Mattias Broddegård

22 Förekomst av skovlar med avvikande ytbeläggning i samband med väggtjockleksmätning Vid utvärdering av en sats skovlar noterades att den elektriska ledningsförmågan i ytbeläggningen var lägre för vissa skovlar. 1,20 1,10 FSECT electrical conductivity [MS/m] 1,00 0,90 0,80 0,70 A1-H A2-H A5-H A1-N A2-N A5-N CMSX-4, A1-H CMSX-4, A2-H CMSX-4, A5-H CMSX-4, A1-N CMSX-4, A2-N CMSX-4, A5-N 0, Page 22 November 10 Mattias Broddegård

23 Upptäckt av skovlar med avvikande ytbeläggning i samband med väggtjockleksmätning Metallografisk undersökning av en skovel visade att ytbeläggningens kemiska sammansättning var felaktig. Detta berodde på ett processfel hos ytbeläggningsleverantören Tvärsnitt av skovel med normal elektrisk ledningsförmåga i bindskiktet Tvärsnitt av skovel med låg elektrisk ledningsförmåga i bindskiktet. Analys i med EDS i svepelektronmikroskop visade att kromhalten i ytbeläggningen var för låg Page 23 November 10 Mattias Broddegård