Frau Professor Sander, die zunehmende Flexibilisierung konventioneller Kraftwerke wirkt sich auf unterschiedliche Bereiche aus. Welche davon haben Sie untersucht?

Gemeinsam mit verschiedenen Partnern wollten wir im Forschungsvorhaben THERRI herausfinden, welche Materialbelastungen entstehen, welche Restlebensdauer sich daraus berechnen lässt und welche Inspektionsintervalle zu empfehlen sind, um Kraftwerke verlässlich, ökonomisch und sicher zu betreiben.

Wie und wo macht sich Materialermüdung bei Kraftwerkskomponenten bemerkbar?

Materialermüdung in Bauteilen macht sich in Form von Rissen bemerkbar. Risse können durch die zyklische Belastung zunächst kontrolliert wachsen, bis eine bestimmte Belastungsgrenze des Materials erreicht ist. Dann breitet sich der Riss instabil aus, das heißt es kommt in der Regel zum Versagen des kompletten Bauteils. Die Flexibilisierung des Anlagenbetriebs führt nun bei bestimmten Bauteilen zu sehr hohen Beanspruchungen und somit zu einer schnelleren Rissbildung.

Welche Bauteile wurden innerhalb des THERRI-Vorhabens unter die Lupe genommen?

Im Rahmen von THERRI wurden dickwandige Bauteile untersucht, bei denen rechnerisch eine kritische Lebensdauergrenze erreicht wird. Zu diesen Bauteilen zählen zum Beispiel die Hochdruckumleitstation, zahlreich verbaute Kugelformstücke sowie die Kesselumwälzpumpe, bei der es während der Laufzeit des Projekts zu einem erheblichen Schadensfall in einem Kraftwerk gekommen war.

Wie lassen sich Risse und ihre Entwicklung verlässlich berechnen?

Um das Risswachstum verlässlich zu berechnen, sind zunächst umfangreiche bruchmechanische Materialuntersuchungen unter praxisnahen Versuchsbedingungen durchzuführen. Zusammen mit der zu ermittelnden Belastung, die das Bauteil während des Betriebs erfährt, gehen die experimentell bestimmten Rissfortschrittsparameter dann in analytische oder komplexe numerische Rissfortschrittssimulationen ein. Ausgangspunkt einer solchen Simulation ist ein Anfangsriss, der mit Prüfverfahren, wie zum Beispiel der Ultraschallprüfung, mit Sicherheit entdeckt werden kann. Im Falle einer analytischen Lösung muss für die Simulation die Beanspruchung in Form der sogenannten Spannungsintensitätsfaktorlösung für die konkrete Problemstellung in einer Datenbank vorhanden sein. Dagegen wird bei numerischen Simulationen die Problemstellung konkret mittels mathematischer Methoden gelöst, sodass das dreidimensionale Risswachstum in beliebigen Bauteilen abbildbar wird. Dazu müssen jedoch entsprechende bruchmechanische Berechnungskonzepte und -modelle hinterlegt sein.

Welche Herausforderungen sind zu bewältigen, um die Restlebensdauer und damit die Inspektionsintervalle möglichst präzise zu bestimmen?

Eine Herausforderung bei der Bestimmung der Restlebensdauer besteht zum Beispiel darin, mittels geeigneter bruchmechanischer Modelle die Beanspruchung im konkreten Bauteil zu bestimmen. Ferner muss eine statistisch abgesicherte Materialdatenbasis zum Risswachstumsverhalten vorhanden sein. Ein wesentlicher Punkt, der die Restlebensdauer maßgeblich beeinflusst, ist zudem die Kenntnis der Nachweisgrenzen der Prüfmethoden sowie der Genauigkeit der Risstiefenbestimmung an realen Bauteilen.

Das Interview führte Ilse Trautwein, Wissenschaftsjournalistin beim Projektträger Jülich.