Obsah

1. Centrum výzkumu a experimentálního vývoje spolehlivé energetikySetkání Technologické agentury ČR a Technologické platformy „Udržitelná energetika“Praha, TAČR, 8.10.2012Pavel Polach

2. Obsah • 1. Úvod • 2. Představení projektu • 3. Pracovní balíčky • 4. Závěr

3. Úvod - Anotace • Projekt si klade za cíl přispět ke zvýšení účinnosti, prodloužení životnosti, provozní spolehlivosti, bezpečnosti a efektivnosti energetických zařízení klasických i jaderných elektráren. Výzkum a vývoj nových technologií a materiálů bude mít za následek zvýšení konkurenceschopnosti výrobců a provozovatelů energetických zařízení. Projekt dále přispěje k výchově nové generace technické inteligence a rozvoji slábnoucího know-how v oblasti energetiky a energetického strojírenství.

4. Úvod • 8 členů konsorcia. • Řešitel: Výzkumný a zkušební ústav Plzeň, s.r.o. • Spoluřešitelé: ČEZ, a.s., • ŠKODA POWER s.r.o., • Západočeská univerzita v Plzni (FAV, Katedra mechaniky a NTC), • České vysoké učení v Praze (Kloknerův ústav), • MATERIÁLOVÝ A METALURGICKÝ VÝZKUM s.r.o., • TES s.r.o., • Energoservis, spol. s r.o.Chomutov. • Celkem 13 WP, z toho 12 odborných. • Pouze WP12 končí 2017, ostatní 2019.

5. Představení projektu • Jedním ze strategických pilířů Státní energetické koncepce České republiky je dlouhodobé zajištění bezpečných, spolehlivých a ekonomicky dostupných zdrojů elektrické energie. • ČR se též v současnosti profiluje jako dodavatel elektřiny pro region střední Evropy s cílem posílení pozice regionálního lídra v rámci celé EU. • Tato energetická koncepce vyžaduje urychlený rozvoj budování energetického strojírenství v ČR, které má u nás dlouholetou tradici. • Návrh nové energetické koncepce, která počítá s téměř 100% soběstačností ve výrobě elektrické energie spočívá jednak v prodloužení životnosti existujících klasických i jaderných bloků elektráren a dále ve výstavbě nových bloků s vysokou účinností, životností a spolehlivostí.

6. Představení projektu • Dle současných prognóz má též dojít do roku 2030 ke zvýšení podílu jaderné energie na celkové výrobě elektrické energie výstavbou nových jaderných bloků a dále k prodloužení životnosti stávajících jaderných bloků na 50 až 60 let. • Významná role a tradice energetiky a energetického strojírenství s vysokou úrovní znalostí má však v současné době zjevně klesající tendenci. • Postupné stárnutí stávající technické inteligence, jejíž průměrný věk se v současné době blíží hranici 50ti let, vyvolává nutnost její včasné a adekvátní náhrady. • Ukazuje se, že množství „odborných lidských kapacit“ je pro budoucnost limitujícím faktorem pro výstavbu velkých, zejména jaderných bloků z „domácích zdrojů“.

7. Představení projektu • Toto Centrum kompetence projekt si klade za cíl přispět ke zvýšení účinnosti, prodloužení životnosti, provozní spolehlivosti a efektivnosti energetických zařízení klasických i jaderných elektráren. • Výzkum a vývoj nových technologií a materiálů bude mít za následek zvýšení konkurenceschopnosti výrobců a provozovatelů energetických zařízení. • Projekt dále přispěje k výchově nové generace technické inteligence a rozvoji slábnoucího know-how v oblasti energetiky a energetického strojírenství.

8. Představení projektu • I když členové konsorcia spolu již spolupracují, tento projekt umožní vytvoření systému dlouhodobé spolupráce na vyšší úrovni než dosud. • Základní princip řešení projektu spočívá ve vytvoření týmu složeného ze špičkových odborníků nejdůležitějších pracovišť v oblasti energetiky, energetického strojírenství, vědy a výzkumu. • Dominantním představitelem v oblasti energetiky je v České republice skupina ČEZ, v oblasti energetického strojírenství je to ŠKODA POWER s.r.o., která je dominantním výrobcem a dodavatelem turbosoustrojí v ČR. • V oblasti vědy, výzkumu, technické inteligence a lidských zdrojů patří k nejvýznamnějším výzkumným ústavům Výzkumný a zkušební ústav Plzeň s.r.o. (dříve ŠKODA VÝZKUM s.r.o.) a v rámci vysokých škol Západočeské univerzity v Plzni a České vysoké učení technické v Praze.

9. Představení projektu • V rámci „Centra“ byl vytvořen tým odborníku složený ze zástupců ČEZ, a. s., ŠKODA POWER s.r.o., VZÚ, ZČU a ČVUT. • Tento tým byl dále doplněn o zástupce organizací, které dlouhodobě spolupracují se skupinou ČEZ v oblasti materiálových zkoušek, sběru dat, zpracování diagnostických informací či vývoji metodik pro predikci a optimalizaci životnosti technických zařízení (MATERIÁLOVÝ A METALURGICKÝ VÝZKUM s.r.o., TES s.r.o., Energoservis, spol. s r.o. Chomutov). • Členy konsorcia jsou organizace z různých regionů ČR, včetně regionu s vysokou mírou nezaměstnanosti (kraje Moravskoslezský, Ústecký a kraj Vysočina). • Požadovaný rozsah projektu Center kompetence bohužel nedovoloval zapojit další vědecké instituce, jako např. další technické univerzity a Akademii věd ČR.

10. Představení projektu • Předpokládá se, že společné řešení konkrétních problému povede k přímému propojení energetiky a energetického strojírenství s univerzitami a výzkumnými organizacemi. • Dojde tak k oživení zájmu o studium technických oborů zaměřených na problematiku energetiky a energetických zařízení. • To povede ke zvýšení počtu studentů a doktorandů (viz řešitelský tým), což je nezbytným předpokladem pro zabezpečení energetické soběstačnosti z domácích zdrojů, která je limitována počtem vhodných technických kapacit.

11. Představení projektu • Podpora výzkumu, vývoje a inovací zajištující konkurenceschopnost české energetiky a podpora školství, zajištující generační obměnu a zlepšení kvality technické inteligence v oblasti energetiky je součástí Státní energetické koncepce ČR, kterou stanovilo MPO ČR a je přímo čtvrtým bodem tzv. Strategické priority energetiky ČR Státní energetické koncepce ČR. • Úspěšné řešení „Centra“ podpoří i vyšší uplatnění zapojených výrobních společností na zahraničních trzích. • Další cíle projektu jsou dány tzv. pracovními balíčky, které jsou komentovány dále. • Udržitelnost projektu do budoucna je zřejmá ze Státní energetické koncepce ČR, z aktuální mezinárodní situace v energetice (plánované odstavování jaderných elektráren v Německu) a zkušenostmi a zaměřením členů konsorcia.

12. Centrum výzkumu a experimentálního vývoje spolehlivé energetiky • Preambule smlouvy: • Účastníci Projektu se zavazují spolupracovat za účelem trvalého zvyšování úrovně aplikovaného výzkumu a experimentálního vývoje v oblasti energetiky, na koordinovaném vytváření předpokladů pro transfer výsledků výzkumu do průmyslové praxe a na vytvoření podmínek pro rozvoj lidských zdrojů ve výzkumu a vývoji. • Hlavním cílem projektu „Centrum výzkumu a experimentálního vývoje spolehlivé energetiky“ je dlouhodobé zajištění bezpečných, spolehlivých a ekonomicky dostupných klasických tepelných i jaderných zdrojů elektrické energie, které spočívá v prodloužení životnosti stávajících i v budování nových turbogenerátorových bloků. • Výsledkem výzkumu a vývoje nových technologií a materiálů bude zvýšení konkurenceschopnosti výrobců a provozovatelů energetických zařízení.

13. Centrum výzkumu a experimentálního vývoje spolehlivé energetiky

14. Centrum výzkumu a experimentálního vývoje spolehlivé energetiky

15. WORKPACKAGES1. WP1 Řízení projektu (Centra) • Vedoucí konsorcia podílející se na pracovním balíčku: Výzkumný a zkušební ústav Plzeň s.r.o. • Členové konsorcia podílející se na pracovním balíčku: ŠKODA POWER s.r.o., ČEZ, a.s., České vysoké učení technické v Praze, Západočeská univerzita v Plzni, TES s.r.o., Energoservis, spol. s r.o. Chomutov, MATERIÁLOVÝ A METALURGICKÝ VÝZKUM s.r.o. • Zodpovědná osoba: Pavel Polach • Předseda: Václav Liška, místopředsedové: Jan Vimmr, Daneš Burket • Milníky letos: • 04/2012 WP1-M1 Zahajovací schůzka k řešení projektu, kde bude provedeno oficiální jmenování Řídicího výboru projektu. • 06/2012 WP1-M2 Pololetní zasedání Řídicího výboru. • 12/2012 WP1-M3 Plenární zasedání Řídicího výboru.

16. WORKPACKAGES2. WP2 Identifikace dynamických vlastností uložení rotorových soustav • Vedoucí konsorcia podílející se na pracovním balíčku: Výzkumný a zkušební ústav Plzeň s.r.o. • Členové konsorcia podílející se na pracovním balíčku: ŠKODA POWER s.r.o. • Zodpovědná osoba: Dr. Ing. Jan Hyrát • Z dlouhodobých zkušeností s provozem klasických tepelných a jaderných elektráren je zřejmé, že provozní spolehlivost a životnost turbosoustrojí je ovlivněna dynamickým chováním rotorových soustav. • Ve stádiu návrhu turbosoustrojí je pro posouzení jeho bezproblémového provozování nutná znalost dynamických vlastností rotorové soustavy, které lze v této fázi určit pouze výpočtem. • Vypovídací schopnost výpočtů je dána především přesností určení dynamických vlastností uložení rotorových soustav, tj. dynamických vlastností základů a radiálních kluzných ložisek.

17. WORKPACKAGES2. WP2 Identifikace dynamických vlastností uložení rotorových soustav • Na některých tuzemských i zahraničních elektrárnách existují (a přetrvávají) problémy související s nevhodným návrhem či neznalostí dynamických vlastností uložení rotorových soustav turbosoustrojí. • Výrobce parních turbín ŠKODA POWER s.r.o. připravuje novou unifikovanou řadu parních turbín. • Z těchto důvodů je zjevné, že je nezbytné inovovat stávající nevyhovující metodiku experimentální a výpočetní identifikace dynamických vlastností základů a radiálních kluzných ložisek parních turbín. • Nová metodika bude odpovídat současným možnostem měřicí techniky a současným možnostem softwarů pro tvorbu výpočetních modelů k určení dynamických vlastností rotorových soustav se zohledněním vlivu základu (vytvořených metodou konečných prvků; MKP). • Součástí metodiky bude seznam vhodných typů dynamických budičů (s rotující silou, s usměrněnou silou, pulzní atd.), specifikace počtu a umístění budičů, způsoby upevnění budičů k základové konstrukci (beton, ložiskový stojan atd.), lokalizace a počet bodů měření odezev, seznam vhodných typů snímačů vibrací, specifikace frekvenčního rozsahu měření atd.

18. WORKPACKAGES2. WP2 Identifikace dynamických vlastností uložení rotorových soustav • S ohledem na velikost základů a provozní otáčkové hladiny turbosoustrojí bude proveden konstrukční návrh a výroba příslušných typů dynamických budičů. • Skutečné vlastnosti vyrobených prototypů budičů budou laboratorně ověřeny. • Na základě výsledků těchto laboratorních zkoušek bude vyvinuta metodika zpracování a vyhodnocování signálů odezev (účelem je získání Fourierových obrazů dynamických tuhostí základů, jejichž formát bude kompatibilní se strukturou vstupních dat MKP modelů pro určení dynamických vlastností rotorových soustav zahrnujících vliv základu).

19. WORKPACKAGES2. WP2 Identifikace dynamických vlastností uložení rotorových soustav • Budou prověřeny možnosti dostupných softwarů pro výpočty statických a dynamických vlastností radiálních kluzných ložisek. • Paralelně bude ve ŠKODA POWER s.r.o. probíhat instalace zkušebního zařízení pro měření a experimentální identifikaci statických a dynamických vlastností radiálních kluzných ložisek parních turbín. • Po uvedení tohoto zařízení do provozu budou provedena měření na zvolených typech radiálních kluzných ložisek. • Na základě výsledků měření bude vypracována metodika experimentální identifikace statických a dynamických vlastností těchto ložisek. • Po verifikaci výpočtových modelů bude provedena optimalizace konstrukčního řešení radiálních kluzných ložisek. • Kritériem optimálnosti bude dosažení požadovaných dynamických vlastností rotorových soustav se zahrnutím vlivu základu. Výrobu prototypů těchto ložisek bude zajišťovat společnost GTW TECHNIK (jediný výrobce segmentových ložisek v České republice). • Dynamické vlastnosti konstrukčně optimalizovaných ložisek budou ověřeny na zkušebním zařízení.

20. WORKPACKAGES2. WP2 Identifikace dynamických vlastností uložení rotorových soustav • Milníky letos: • 12/2012 WP2-M1 Studium a rešerše provedených experimentů, jejichž cílem bude experimentální identifikace dynamických vlastností základů rotorových soustav parních turbín. Výběr vhodných variant dalšího postupu. • 12/2012 WP2-M2 Studium a rešerše provedených experimentů a výpočtů, jejichž cílem bude analýza statických a dynamických vlastností radiálních kluzných ložisek parních turbín. Výběr alternativ dalšího postupu.

21. WORKPACKAGES3. WP3 Kmitání rotorů a olopatkovaných disků s nelineárními vnitřními vazbami • Vedoucí konsorcia podílející se na pracovním balíčku: Západočeská univerzita v Plzni • Členové konsorcia podílející se na pracovním balíčku: Výzkumný a zkušební ústav Plzeň s.r.o. • Zodpovědná osoba: Prof. Dr. Ing. Jan Dupal • WP je zaměřen na vývoj metodiky modelování systémů generátorových a turbínových rotorů včetně olopatkovaných disků s využitím MKP. • Pro modelování lopatek bude vyvinut speciální konečný prvek respektující rozkrucování lopatek v poli odstředivých sil a gyroskopické účinky. • Dále budou výpočtové modely zahrnovat vliv ucpávek, kluzných ložisek, turbínového základu a kontaktních tuhostí mezi jednotlivými konstrukčními částmi. • Zvláštní pozornost bude věnována řešení disipace energie vibrací oběžných lopatek pomocí vložených nelineárních třecích členů.

22. WORKPACKAGES3. WP3 Kmitání rotorů a olopatkovaných disků s nelineárními vnitřními vazbami • Pro vytvoření komplexního modelu celého systému bude použita metoda modální syntézy, která využívá modálních a spektrálních vlastností jednotlivých izolovaných lineárních subsystémů, zatímco vazby mezi těmito subsystémy mohou být nelineární. • Výhody této metody se projeví zejména při optimálním navrhování parametrů nelineárních třecích vazeb. • Další výhodou metody modální syntézy je možnost využití jak vlastního, tak komerčního programového vybavení na bázi MKP. Modální a spektrální matice izolovaných subsystémů, které jsou výstupy z těchto softwarů, budou zpracovávány vlastním softwarem vytvořeným v prostředí MATLAB. • Kromě metody modální syntézy se pro výpočty kmitání lopatkových disků bude paralelně vyvíjet metoda využívající cyklickou symetrii.

23. WORKPACKAGES3. WP3 Kmitání rotorů a olopatkovaných disků s nelineárními vnitřními vazbami • Vytvořené matematické modely budou verifikovány na základě výsledků experimentálních měření a parametrické identifikace systému. • Cílem optimalizace bude výsledný návrh parametrů celého systému rotoru s olopatkovanými disky, jehož dynamické namáhání bude minimalizováno, čímž se zvýší životnost i spolehlivost celého systému. • Stochastický charakter chování zmíněných systémů může být způsoben nepřesnostmi výroby jednotlivých komponent nebo stochastickou složkou buzení, kterou představují např. turbulence proudícího média, seizmické otřesy apod. Tyto systémy budou zkoumány pomocí pravděpodobnostních metod, jejichž cílem bude určit maximální a minimální hodnoty vybraných veličin (kritické otáčky, amplitudy výchylek, rychlosti, napětí atd.) v pravděpodobnostním smyslu.

24. WORKPACKAGES4. WP4 Pevnost lopatek parních turbín • Vedoucí konsorcia podílející se na pracovním balíčku: Výzkumný a zkušební ústav Plzeň s.r.o. • Členové konsorcia podílející se na pracovním balíčku: ŠKODA POWER s.r.o. • Zodpovědná osoba: Ing. Marek Hejman, Ph.D. • Pevnost a životnost oběžných lopatek má přímý vliv na bezpečnost a spolehlivost provozu parních turbín. V rámci WP bude prováděna analýza a optimalizace stromečkových závěsů a monitorována zbytková životnost lopatek. • Při návrhu nového tvaru stromečkového závěsu bude nutné vzájemně provázat výsledky MKP výpočtů, hodnocení únavové pevnosti a životnosti a zkušenosti se stávajícími tvary stromečkových závěsů. Cílem je vyvinout závěs, který bude vykazovat větší pevnost a menší technologickou náročnost výroby. Úpravou tvaru bude možné dosáhnout příznivějšího rozložení namáhání v závěsu lopatky.

25. WORKPACKAGES4. WP4 Pevnost lopatek parních turbín • Pro monitorování zbytkové životnosti lopatek bude k dispozici diagnostické zařízení využívající tzv. Blade Tip Timing s výstupem měřených signálů do počítače. • Předběžnou analýzou se stanoví, zda dojde ve sledovaném časovém intervalu ke zvýšení únavového poškození. Z kumulace poškození je možné vypočítat zbytkovou životnost. • Pro tyto účely je zapotřebí stanovit vlastní frekvence, vlastní tvary kmitů, kritická místa a frekvenční přenosy z výchylek špiček lopatek do kritických míst v jistém intervalu otáček. • Systém bude archivovat mimořádné provozní stavy s velkým únavovým poškozením. • Z dostupných dat bude možné pro monitorovanou dobu provozu stanovit spotřebovanou dobu života lopatek nebo jejich zbytkovou životnost. • Bude vyvinuta metodika hodnocení únavové pevnosti a životnosti lopatek.

26. WORKPACKAGES4. WP4 Pevnost lopatek parních turbín • Milníky letos: • 06/2012 WP4-M1 Část "Analýza a optimalizace stromečkových závěsů". Odladění metodiky výpočtů daného typu nelineární kontaktní úlohy v prostředí ANSYS, odladění vzorového příkladu. • 06/2012 WP4-M2 Část "Analýza a optimalizace stromečkových závěsů". Stanovení kritérií pro cílový návrh tvaru stromečkového závěsu. • 12/2012 WP4-M3 Část "Analýza a optimalizace stromečkových závěsů". Provedení analýz MKP navržených variant. • 12/2012 WP4-M4 Část "Analýza a optimalizace stromečkových závěsů". Předběžné řešení optimalizovaného stromečkového závěsu. • 12/2012 WP4-M5 Část "Monitorování zbytkové životnosti lopatek". Identifikace formátu výstupních dat z diagnostického systému (DS).

27. WORKPACKAGES5. WP5 Proudění a přenos tepla ve vybraných částech parní turbíny • Vedoucí konsorcia podílející se na pracovním balíčku: Výzkumný a zkušební ústav Plzeň s.r.o. • Členové konsorcia podílející se na pracovním balíčku: ŠKODA POWER s.r.o., Západočeská univerzita v Plzni, TES s.r.o. • Zodpovědná osoba: Dr. Ing. Milan Schuster • Cílem WP je stanovení optimálního tvaru lopatek přetlakových stupňů s vyšší účinností, zvýšení provozní spolehlivosti oběžných lopatek a odstranění problémů způsobených teplotními deformacemi vnitřních a vnějších těles turbín. • Bude řešena problematika turbínového stupně, aeroelasticity turbínových lopatek a přenosu tepla.

28. WORKPACKAGES5. WP5 Proudění a přenos tepla ve vybraných částech parní turbíny • Bude vypracována metodika automatizované optimalizace turbínových stupňů na základě numerických výpočtů proudění (CFD), která bude mít uplatnění při vývoji přetlakových stupňů parních turbín. • Je třeba stanovit vhodný způsob parametrizace geometrie stupňů (reprezentace lopatek a ohraničujících ploch pomocí křivek určených omezeným počtem volitelných parametrů). • Parametrizace musí být dostatečně obecná, aby umožnila přesnou reprezentaci různých tvarů, ale zároveň musí obsahovat co nejmenší počet volitelných parametrů. • Na zvolenou parametrizaci naváže vývoj obecné metodiky optimalizace přetlakových stupňů, podle níž bude možné stanovit optimální geometrii stupně při zachování zadaných omezujících faktorů. • Vyvinutá metodika bude aplikována a ověřena na vybraných stupních parních turbín.

29. WORKPACKAGES5. WP5 Proudění a přenos tepla ve vybraných částech parní turbíny • Dlouhé lopatky koncových stupňů nízkotlakého dílu parních turbín jsou za provozu vystaveny takovým podmínkám proudění, které mohou vést v důsledku samobuzeného kmitání k jejich poškození. • Problém se týká volných lopatek i lopatek ve svazku. • Pro studii problematiky aeroelasticity budou využívány CFD výpočty vzájemného působení lopatkové mříže a proudícího média. Za předpokladu malých výchylek lopatek bude zkoumán vliv vlastních tvarů kmitů lopatkové mříže na přenos energie mezi proudícím médiem a lopatkovou mříží, rozhodující o stabilitě kmitající soustavy. • Referenčními výpočetními modely budou modely oběžných kol s lopatkami „Modulu 7“ s průběžnou vazbou (z produkce ŠKODA POWER s.r.o.) v různých provozních stavech. • Na základě zkušeností s uplatnitelností těchto výpočtů bude metoda případně aplikována i na další nízkotlaké stupně. Výstupem by měla být metodika výpočtu stability oběžných lopatkových mříží při samobuzeném kmitání.

30. WORKPACKAGES5. WP5 Proudění a přenos tepla ve vybraných částech parní turbíny • Znalost proudového pole v prostoru mezi vnitřním a vnějším tělesem turbíny a ve vnějších ucpávkách a znalost podmínek přestupu tepla mezi parou a vnitřním povrchem vnějšího tělesa jsou nezbytné pro stanovení tepelného stavu vnějšího tělesa. Pro jejich určení budou použity CFD simulace s modely mezitělesových prostorů a ucpávek vybraných typů parních turbín. • Při výpočtech budou zohledněny okrajové podmínky na výstupu z vnitřní ucpávky, na vstupu do vnějších rotorových ucpávek a na výstupu z turbíny, resp. na vstupu do odběrových potrubí. • Po výpočtech proudového pole bude vypracována studie přestupu tepla na rozhraní mezi proudící parou a vnějším tělesem v mezitělesovém prostoru a v ucpávkách. • Bude počítáno pole hustoty tepelného toku a součinitele přestupu tepla na vnitřním povrchu vnějšího tělesa při různých provozních stavech (nominální výkon, provoz na sníženém výkonu, prohřev a najíždění).

31. WORKPACKAGES5. WP5 Proudění a přenos tepla ve vybraných částech parní turbíny • Vypočítané tepelné toky budou vstupními daty do MKP modelu vnějšího tělesa, se kterým budou provedeny výpočty teplotního pole a deformace v důsledku jeho nerovnoměrnosti. • Protože deformace vnějšího tělesa mohou vést ke změně radiálních vůlí mezi statickými a rotujícími částmi turbíny, jejich znalost pro různé konfigurace stroje a různé provozní stavy přispěje ke zvýšení provozní spolehlivosti. • Milníky letos: • 12/2012 WP5-M1 Vytvoření výpočtového modelu proudění v prostoru mezi vnitřním a vnějším tělesem VT dílu turbíny Amager 80 MW.

32. WORKPACKAGES6. WP6 Vývoj HP/HVOF žárově stříkaných povlaků, vhodných pro aplikace na součásti pracující v prostředí horké páry • Vedoucí konsorcia podílející se na pracovním balíčku: Výzkumný a zkušební ústav Plzeň s.r.o. • Členové konsorcia podílející se na pracovním balíčku: ŠKODA POWER s.r.o. • Zodpovědná osoba: Ing. Michaela Kašparová • Bude navržena povrchová ochrana vytvořená pomocí technologie žárového nástřiku, která povede ke zvýšení spolehlivosti a životnosti komponent energetických zařízení pracujících v prostředí proudící páry (tj. především v parních turbínách). • Cílem výzkumu a aplikace optimalizovaného nástřiku nového materiálu je zamezení poškození součástí, a tím pro provozovatele snížení nákladů na vynucené odstávky a následný nutný servis, popř. výrobu nové součásti.

33. WORKPACKAGES6. WP6 Vývoj HP/HVOF žárově stříkaných povlaků, vhodných pro aplikace na součásti pracující v prostředí horké páry • Technologie žárového nástřiku umožňuje vytvářet na součástech povlaky předem definované tloušťky bez tepelného ovlivnění základního materiálu. Aplikace vysoce odolných povlaků na bázi kompozitních a superslitinových materiálů nanášených pomocí technologie žárového nástřiku metodou HP/HVOF bude použita jako náhrada tradičních povrchových ochran. • Při jejím použití nedochází k negativním projevům vyskytujícím se např. u navařovaných nebo nitridovaných povrchů, při jejichž aplikaci dochází následkem tepelných dilatací k nežádoucím průhybům a zakřivením způsobujícím zvýšení házivosti rotujících součástí. • Vhodným výběrem a optimalizací depozičních parametrů lze žárově stříkané povlaky využít pro nejnáročnější aplikace do vysokých provozních teplot (až do 850 °C) se zajištěním odolnosti proti mechanickému namáhání a degradaci.

34. WORKPACKAGES6. WP6 Vývoj HP/HVOF žárově stříkaných povlaků, vhodných pro aplikace na součásti pracující v prostředí horké páry • Hlavním cílem WP je určení optimální povrchové úpravy a vypracování metodik řízení procesu nástřiku, které zajistí požadované vlastnosti vysoce namáhaných povrchů součástí v podmínkách provozu parní turbíny. • Speciální povrchová úprava vytvořená pomocí technologie žárového nástřiku povede ke zvýšení tvrdosti povrchu materiálu, a tím ke zvýšení odolnosti proti otěru, zlepšení kluzných vlastností povrchu a zvýšení odolnosti proti vysokoteplotní degradaci základního materiálu. • Milníky letos: • 06/2012 WP6-M1 Rešerše současného stavu problematiky v oblasti povrchových ochran částí energetických zařízení (parních turbín) pracujících za vysokých teplot. Oblastí zájmu jsou především technologie žárových nástřiků.

35. WORKPACKAGES7. WP7 Degradační mechanismy materiálů dílů parních turbín • Vedoucí konsorcia podílející se na pracovním balíčku: Výzkumný a zkušební ústav Plzeň s.r.o. • Členové konsorcia podílející se na pracovním balíčku: ŠKODA POWER s.r.o., České vysoké učení technické v Praze, MATERIÁLOVÝ A METALURGICKÝ VÝZKUM s.r.o. • Zodpovědná osoba: doc. RNDr. Josef Kasl, CSc. • Cílem řešení WP je vypracovat soubor různorodých, ale navzájem komplementárních metod hodnocení stupně degradace vlastností nově zaváděných materiálů exponovaných dílů energetických zařízení v důsledku jejich exploatace během provozu (možnost současného použití více technik umožní spolehlivější stanovení skutečného stavu materiálu vzhledem ke stavu výchozímu, a tím objektivnější posouzení zbytkové životnosti) a přispět k poznání mezí použitelnosti nových i stávajících materiálů dílů parních turbín provozovaných ve stále náročnějších podmínkách (z hlediska odolnosti proti vysokoteplotní korozi).

36. WORKPACKAGES7. WP7 Degradační mechanismy materiálů dílů parních turbín • Energetická zařízení, resp. jejich části, jsou projektována na určitou dobu provozu. Již ve stádiu konstrukčního návrhu každého dílu je z hlediska volby vhodných materiálů, jejich zpracování, povrchových úprav a dimenzování součástí nezbytné uvažovat možné působení degradačních procesů na vlastnosti použitých materiálů a jimi vyvolané změny užitných vlastností vzhledem ke stavu po výrobě, resp. po montáži zařízení. • Vlastnosti konstrukčních materiálů se mění zejména v závislosti na historii dlouhodobého, navzájem provázaného působení vlivu teploty a charakteru pracovního prostředí, stavu napjatosti v součásti, rychlosti zatěžování a velikosti deformace. • V důsledku působení provozních degradačních faktorů se kromě zvýšení náchylnosti k porušení křehkým lomem uplatňují procesy únavy materiálu, vlivy creepu, korozního napadení a vysokoteplotní oxidace a erozní a abrazivní opotřebení. • Uvedené mechanismy mohou působit ve vzájemné kombinaci a vyvolat rozměrové změny součástí a změny jejich základních parametrů.

37. WORKPACKAGES7. WP7 Degradační mechanismy materiálů dílů parních turbín • Při snaze o bezpečný, spolehlivý, ekonomický a ekologický provoz vystupuje do popředí problematika hodnocení stupně degradace vlastností konstrukčních materiálů a určení rozsahu jejich poškozování vlivem různých provozních faktorů. • Pro posouzení spolehlivosti, bezpečnosti a zbytkové životnosti energetických zařízení je tudíž nezbytné průběžně během jejich provozování sledovat účinek degradačních mechanismů na vlastnosti materiálů jednotlivých komponent pracujících ve velmi nepříznivých podmínkách (zejména vysoké teploty, velké mechanické namáhání a agresivní prostředí). • Bude zkoumána míra a rychlost degradačních procesů progresivních kovových konstrukčních materiálů a konstrukčních materiálů s klasickými (nitridování, cementace) i pokrokovými (žárové nástřiky) povrchovými úpravami a základních svařovaných konstrukčních uzlů používaných v energetickém strojírenství. • Budou rozvíjeny stávající (případně zaváděny nové netradiční) metodiky hodnocení stupně degradace vlastností materiálů dílů energetických zařízení a s ní spojené hodnocení jejich zbytkové životnosti.

38. WORKPACKAGES7. WP7 Degradační mechanismy materiálů dílů parních turbín • Základním problémem stanovení zbytkové životnosti konstrukce s uvážením degradačních procesů je posouzení rozsahu změny původních vlastností materiálu. • Výchozí vlastnosti materiálu jsou získávány převážně na základě výsledků destruktivních metod (mechanické, křehkolomové, únavové, creepové parametry, rozbory prvkového složení, sledování mikrostruktury, případně substruktury). • Možnost provádění rozsáhlých destruktivních zkoušek, podmíněná odběrem relativně velkého objemu materiálu z provozovaného dílu, bývá z důvodu zachování integrity dílů vyloučená. • Sledování vlastností materiálů provozovaných dílů je proto téměř vždy omezeno na metody nedestruktivní nebo semidestruktivní.

39. WORKPACKAGES7. WP7 Degradační mechanismy materiálů dílů parních turbín • Pozornost bude soustředěna na použití metody sejmutí otisku (jedná se o semidestruktivní metodu hodnocení mikrostruktury materiálu). Při její aplikaci je ovlivnění povrchu součásti při jeho preparaci zanedbatelné. Metoda snímání replik je v současné době standardně používána pro oceli feriticko-perlitické a bainitické. • Metoda bude aplikována na vysokolegované chromové oceli. Hodnocení replik je běžně prováděno pomocí světelné mikroskopie; při řešení bude využíváno sledování replik i pomocí řádkovací elektronové mikroskopie, umožňující pracovat s vyšším rozlišením. • Pozornost bude zaměřena i na ověření nových metodik založených na měření elektrochemických polarizačních křivek a na využití technik rentgenové difrakce.

40. WORKPACKAGES7. WP7 Degradační mechanismy materiálů dílů parních turbín • Jedním z přístupů k určování zbytkové životnosti dílů energetických zařízení je měření vysokoteplotní tvrdosti (tj. aktuální tvrdosti provozovaného dílu), která je svázána přes výsledky získané při fyzikálních simulacích (při tzv. zrychlených creepových zkouškách) se zbytkovou životností. • U zrychlené creepové zkoušky je oproti klasické creepové zkoušce, v důsledku cyklického namáhání testovaného vzorku, doba trvání zkoušky výrazně zkrácena. • Pro uplatnění této techniky je nutné změřit (ve spolupráci s vhodnou elektrárnou ČEZ) tvrdost aktivního dílu, pro výrobu zkušebních vzorků mít k dispozici „nepoužitý“ materiál, z něhož byl díl vyroben, a provést fyzikální simulace.

41. WORKPACKAGES7. WP7 Degradační mechanismy materiálů dílů parních turbín • Jednou z důležitých vlastností materiálů konstrukčních dílů je rovněž odolnost proti vysokoteplotní oxidaci. • Vysokoteplotní oxidace může vést jednak ke snížení průřezu součásti, jednak ke zhoršení tepelného přestupu způsobujícího lokální přehřívání materiálu a jeho urychlenou degradaci působením zvýšené teploty a také k zanášení a usazování uvolněných částic oxidických vrstev a jejich abrazivnímu působení na vnitřní povrchy součástí při jejich unášení médiem. • Pozornost bude věnována problematice oxidace vnitřních povrchů materiálů používaných v prostředích s nadkritickými parametry páry (vysokolegovaná-chromová ocel, niklové slitiny atd.) v závislosti na kvalitě a provozních parametrech páry a na odolnosti použitého materiálu proti vysokoteplotní oxidaci metodami termogravimetrické analýzy a cyklické oxidace.

42. WORKPACKAGES7. WP7 Degradační mechanismy materiálů dílů parních turbín • Milníky letos: • 12/2012 WP7-M1 Rozbor jednotlivých oblastí problematiky studované v rámci pracovního balíčku pro relevantní materiály, zpracování ve formě literární rešerše, podrobná specifikace rozvíjených metodik a zařízení pro příslušné experimentální okruhy.

43. WORKPACKAGES8. WP8 Výzkum a vývoj nových zkušebních metod pro hodnocení materiálových vlastností ocelí • Vedoucí konsorcia podílející se na pracovním balíčku: MATERIÁLOVÝ A METALURGICKÝ VÝZKUM s.r.o. • Členové konsorcia podílející se na pracovním balíčku: Výzkumný a zkušební ústav Plzeň s.r.o., ČEZ, a.s. • Zodpovědná osoba: prof. Ing. Karel Matocha, CSc. • Míra bezpečnosti provozu kritických komponent dlouhodobě provozovaných energetických zařízení, stanovená při konstrukčním návrhu, může být v průběhu jeho provozu významně snížena stárnutím. • Pod pojmem stárnutí se rozumí procesy, které mohou vést v průběhu exploatace ke změnám materiálových vlastností provozovaných zařízení. • Tyto procesy mohou být vyvolány jedním nebo kombinací několika degradačních mechanismů.

44. WORKPACKAGES8. WP8 Výzkum a vývoj nových zkušebních metod pro hodnocení materiálových vlastností ocelí • Kvalifikované posuzování zbytkové životnosti dlouhodobě provozovaných energetických zařízení vyžaduje znalost aktuálních mechanických charakteristik použitých materiálů. • Pro posouzení stupně degradace materiálových vlastností vlivem dlouhodobého provozu je však, kromě aktuálních mechanických vlastností, nezbytná znalost výchozího stavu materiálu. • V důsledku technologických operací v průběhu výroby mohou být mechanické vlastnosti materiálů na počátku provozu zařízení významně odlišné od mechanických vlastností výchozích polotovarů. • Rovněž mechanické vlastnosti v lokalizovaných oblastech součástí, jako jsou svarové spoje, povlaky a návary, nejsou obvykle k dispozici.

45. WORKPACKAGES8. WP8 Výzkum a vývoj nových zkušebních metod pro hodnocení materiálových vlastností ocelí • Pro stanovení vlastností materiálů, které zohledňují všechny technologické operace při jejich výrobě, je nezbytné minimalizovat množství potřebného zkušebního materiálu, odebraného nejlépe z kritických míst součásti, pokud možno bez porušení její integrity. • Zkušební postupy pro stanovení požadovaných mechanických vlastností jsou založeny na použití zkušebních těles a vzorků připravených z odebraného zkušebního materiálu. • Společnost MATERIÁLOVÝ A METALURGICKÝ VÝZKUM s.r.o. využívá dvě odběrová zařízení firmy Rolls-Royce umožňující odběr malého množství zkušebního materiálu z povrchu součásti. Toto zařízení umožňuje získat vzorek materiálu ve tvaru kulového vrchlíku o průměru cca 25 mm a výšce 3 mm až 4 mm.

46. WORKPACKAGES8. WP8 Výzkum a vývoj nových zkušebních metod pro hodnocení materiálových vlastností ocelí • Výzkum bude zaměřen na hodnocení mechanických vlastností materiálů pomocí instrumentovaného měření tvrdosti a na základě výsledků penetračních testů prováděných na zkušebních tělesech tvaru disku o průměru 8 mm a tloušťce 0.5 mm. • Instrumentované měření tvrdosti umožňuje měřit a vyhodnocovat hloubku vtisku indentoru v závislosti na aplikované zátěžné síle v průběhu zkušebního cyklu. • Na základě empirických korelací a správné interpretace vzniklého záznamu je možno stanovit mechanické vlastnosti materiálu a velikost napětí. • Výhodou této metody je i skutečnost, že eliminuje subjektivní chyby a je plně automatická.

47. WORKPACKAGES8. WP8 Výzkum a vývoj nových zkušebních metod pro hodnocení materiálových vlastností ocelí • Penetrační testy pro stanovení pevnostních a křehkolomových vlastností jsou v současné době prováděny dle CWA 15627 Part B: A Code of Practice for Small Punch Testing for Tensile and Fracture Behaviour. • Na základě tohoto dokumentu je možno z výsledků penetračních testů stanovit mez kluzu, mez pevnosti, tažnost, přechodovou teplotu pro 50 % houževnatého lomu (FATT) a lomovou houževnatost materiálu. • Dle CWA 15627 existují dva významně odlišné přístupy ke stanovení pevnostních charakteristik a lomové houževnatosti z výsledků penetračních testů: • 1. Empirické korelace mezi výsledky penetračních testů a výsledky standardizovaných zkoušek. • 2. Metody využívající matematického modelování pomocí metody konečných prvků a neuronových sítí.

48. WORKPACKAGES8. WP8 Výzkum a vývoj nových zkušebních metod pro hodnocení materiálových vlastností ocelí • Oba přístupy jsou používány pro stanovení meze kluzu, meze pevnosti a lomové houževnatosti materiálů. Určení FATT je dle CWA 15627 založeno pouze na stanovení empirických korelací. • Tyto korelace však mohou být významně závislé na orientaci penetračního disku. Orientace penetračního disku stanovená CWA 15627 neodpovídá orientaci disků vyrobených z materiálu odebraného z povrchu posuzované součásti odběrovým zařízením. • Cílem řešení WP je odstranit nevýhody stanovování meze kluzu, meze pevnosti a lomové houževnatosti ocelí s prostorově středěnou mřížkou pomocí empiricky stanovených korelací. • Pro určení uvedených materiálových charakteristik ocelí při pokojové teplotě na základě výsledků penetračních testů bude využívána MKP a neuronové sítě. • Dále bude studován vliv orientace penetračního disku na stanovení FATT z výsledků penetračních testů. • Získané výsledky budou využity při návrhu revize CWA 15627.

49. WORKPACKAGES8. WP8 Výzkum a vývoj nových zkušebních metod pro hodnocení materiálových vlastností ocelí • Milníky letos: • 12/2012 WP8-M1 Výběr 5 typů materiálů pro výrobu kritických komponent turbíny (výkovky, odlitky) a parovodů. Tepelné zpracování polotovarů pro dosažení čtyř úrovní meze kluzu a meze pevnosti pro každý zvolený materiál. Výroba zkušebních těles pro zkoušky tahem, zkoušky rázem v ohybu (Charpy V), zkoušky lomové houževnatosti (CT tělesa), penetrační zkoušky (disky o průměru 8 mm a tloušťce 0,5 mm) a vzorky pro instrumentované měření tvrdosti.

50. WORKPACKAGES9. WP9 Diagnostika stavu materiálu a termografie • Vedoucí konsorcia podílející se na pracovním balíčku: Západočeská univerzita v Plzni • Členové konsorcia podílející se na pracovním balíčku: Výzkumný a zkušební ústav Plzeň s.r.o., ČEZ, a.s. • Zodpovědná osoba: Doc. Ing. Milan Honner, Ph.D. • Cílem WP je připravit předpoklady pro zavedení nových termografických metod diagnostiky materiálů a zařízení do průmyslové praxe. • Jedná se o výzkum a vývoj nových zařízení pro měření meze únavy materiálů a emisivity povrchů materiálů a o zpracování a ověření metodik použití termografických metod v systému monitorování stavu a diagnostiky zařízení. • Jejich aplikací bude možné kvalitněji řešit únavovou životnost a prediktivní údržbu kritických komponent klasických tepelných i jaderných elektráren.