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5.3 Ermittlung der Lebensdauer von Bauteilen
Alt ist es schon, unser Auto. Wird der Auspuff - das teure Teil - bald versagen, oder hält es noch bis zum nächsten „TÜV“? Der Zahnriemen und die Schläuche schauen alle noch wie neu aus. Warum also die teure, nach dem Wartungshandbuch fällige, Austauschaktion?
Oder die bei einer Reparatur ausgetauschten Baueile, die uns die Werkstatt vorlegt. Die sehen ja noch so unverbraucht aus. Waren sie wirklich am Ende? Wer hat sich nicht schon ähnliche Fragen gestellt? In allen diesen Fällen fehlt eine sichere Aussage zum Zustand der Bauteile bzw. der Restlebensdauer.
Bei einer Maschine werden solche Fragen nach einer Wiederverwendbarkeit umso dringender gestellt, deren Kosten um ein Vielfaches höher liegen als die eines Autos. Dazu einige Antworten, die zwar die Probleme bisher auch nicht lösten, jedoch Bemühungen und Ansätze für eine befriedigende Lösung aufzeigen.
Überholungs- und Reparaturkosten könnten nennenswert gesenkt werden, wenn es gelänge, vor Ort, möglichst im eingebauten Zustand, den Bauteilzustand ausreichend zuverlässig zu ermitteln. Eine so gewonnene, ausreichend sichere Aussage über die noch zu erwartende Lebensdauer wäre der Schlüssel. Es ließen sich so Überholintervalle optimieren, Ersatzteilkosten sparen, das Ersatzteillager verkleinern, Reparaturarbeiten eingrenzen und nicht zuletzt das Vertrauensverhältnis zwischen Hersteller bzw. Reparaturshop und Betreiber weiter verbessern. Grundsätzlich ist eine Voraussetzung für die erfolgreiche, d.h. praktisch einsetzbare Abschätzung der Restlebensdauer, dass die Schädigung ausreichend langsam bzw. kontrollierbar fortschreitet (Bild 5.3- 1). Ein Beispiel ist die Kriechporenbildung ( "Bild 3.3-13"). Das wird bei einer beschleunigten Schädigung, z.B. einem Risswachstum in einer Rotorscheibe ( "Bild 5.3-1"), besonders problematisch. Die Frage nach dem Heißteilzustand, insbesondere der Hochdruckturbinenschaufeln, steht wegen deren hoher Belastung und begrenzter Lebensdauer im Vordergrund. Zur Beurteilung des Zustands der Turbinenschaufeln sind, neben den maßlichen Veränderungen durch Verschleiß und Kriechverformung, folgende (potenzielle) Schädigungen relevant:
- Verformungen ( "Bild 3.3-8").
- Gefügeveränderungen.
- Kriechschädigungen ( "Bild 3.3-13").
- Oxidation und Heißgaskorrosion ( "Bild 3.3-9" und "Bild 3.3-10").
- Verstopfung der Kühlluftführung ( "Bild 3.3-10" und "Bild 3.3-12").
- Schädigung von Schutzschichten ( "Bild 3.2.3-1" und "Bild 3.2.3-7").
Heute gibt es zur Abschätzung der Restlebensdauer zwar eine Vielzahl neuer sowie entscheidend verbesserter konventioneller Verfahren im Labormaßstab. Dies reicht jedoch nicht für eine Anwendung unter den typischen Überholungsbedingungen einer Gasturbine vor Ort aus. Solche Verfahren sind:
- Thermografie, hat sich für Aussagen über Struktur und Haftung von Auflageschichten (z.B. Thermobarrieren/Wärmedämmschichten) bereits im Serieneinsatz bewährt.
- Räumliche Vermessung komplexer Geometrien mit einem Laser. Damit rückt die Möglichkeit näher, lebensdauerbestimmende Kriechverformungen an der Beschaufelung oder die Beeinträchtigungen der Schaufelkühlung (z.B. Zusetzen, innere Oxidation) festzustellen.
- Mikrofokusröntgen ist inzwischen ein Standardverfahren der Neuteil-Qualitätssicherung. Ihre Funktion könnte als ein Röntgen-Vergrößerungsglas beschrieben werden. Für die Anwendung vor Ort, um innere Risse in der Beschaufelung festzustellen, sind jedoch leicht transportable Geräte erforderlich, die eine sofortige Bildauswertung ermöglichen.
- Luftdurchsatzmessungen an Einzelschaufeln könnten ebenfalls wichtige Hinweise auf die Kühlstruktur und damit auf die thermische Schaufelbelastung geben. Eine verlässliche Anwendung vor Ort würde aber zumindest einige Entwicklungsarbeit erfordern.
- Besonders wichtig wären zuverlässige Verfahren, die eine Aussage über den Zustand von Schichten, insbesondere von Oxidationsschutzschichten und Wärmedämmschichten, erlauben. Inwieweit hier angepasste Wirbelstrom- und Ultraschallverfahren eine Chance bieten, wäre zu prüfen. Mit Sicherheit ist die Entwicklung der Prüftechnologien eine interdisziplinäre Aufgabe, in die der Hersteller, der Betreiber und fachkundige Institute einzubeziehen sind.