HÅNDBOK - FELLES, SKADEMEKANISMER

1 Skademekanismer

Komponentene i et vannkraftverk vil under drift kunne utsettes for ulike påkjenninger som kan føre til slitasje, og i enkelte tilfeller også til alvorlige skader. Disse påkjenningene vil i hovedsak være av mekanisk art. Dette dokumentet gir en kort oppsummering av de mest aktuelle mekanismene som ligger til grunn for slitasje og skader.

2 Mekanisk slitasje

Med mekanisk slitasje forstås den langsomme slitasjen som oppstår når komponenter er i fysisk kontakt med hverandre over lengre tid. Det finnes flere former for slitasjemekanismer, hvorav de viktigste er beskrevet litt nærmere nedenfor.

2.1 Adhesiv slitasje

På atomnivå er enhver flate ru. Når to flater trykkes mot hverandre vil det derfor bare være kontakt på noen få punkter. Spenningen i disse punktene vil bli så høy at materialet deformeres plastisk med trolig påfølgende kaldsveising. Ved relativ bevegelse mellom flatene brytes disse forbindelsene, og materiale rives løs fra overflatene.

2.2 Abrasiv slitasje

Abrasiv slitasje er betegnelsen på prosessen som foregår når en hard flate river ut partikler av en bløtere flate. Dette kan foregå på to måter:

1. En hard flate glir direkte på en bløtere flate.

2. Løse harde partikler befinner seg mellom to flater som glir på hverandre. Disse partiklene kan f.eks. være resultat av en forutgående adhesiv slitasje, men den aller viktigste kilden er vannbårede partikler av f.eks. sand eller leire.

3 Korrosjon

Korrosjon kan defineres på mange måter. En mulighet er:

“Destruksjon eller forringelse av et materiale grunnet reaksjon med dets omgivelser.”

De tilstedeværende reaksjonene kan til dels være meget kompliserte. Som et enkelt eksempel vises i Figur 2.1 korrosjon i vått miljø. Korrosjon i vått miljø kan beskrives som en elektrokjemisk prosess bestående av en anodisk og en katodisk reaksjon og en elektrisk strømkrets (vist for jern (stål) i Figur 1.

Anodereaksjon:

\[Fe \rightarrow Fe^{2+} + 2e^-\qquad{(1)}\]

Katodereaksjon:

\[\frac{1}{2} O_2 + H_2O + 2e^- \rightarrow 2OH^-\qquad{(2)}\]

Selve oppløsningen av materialet skjer altså ved den anodiske reaksjonen der positivt ladede atomer (positive ioner) forlater metallet og fører til materialtap. Under reaksjonen blir det frigitt negative ladninger (elektroner). Disse vandrer så gjennom metallet til katoden der de forbrukes i den katodiske reaksjonen.

Korrosjon kan opptre i mange ulike former, og i det etterfølgende er det gitt en kort beskrivelse av noen typer korrosjonsformer.

3.1 Generell korrosjon

Generell korrosjon er den mest vanlige form for korrosjon, og kjennetegnes ved at metallet angripes over hele den eksponerte flaten. Anode- og katodereaksjonene foregår over hele elektrodeflaten. Korrosjonsproduktene vil kunne danne et beskyttende sjikt på overflaten som senker korrosjonshastigheten, men de vil også kunne løses i elektrolytten.

3.2 Galvanisk korrosjon

Galvanisk korrosjon er de tæringer som oppstår når to forskjellige metaller er i elektrisk ledende kontakt med hverandre og omgitt av en elektrolytisk væske. Man har altså et galvanisk element etter samme prinsipp som et lommelyktbatteri. Ved galvanisk korrosjon er det alltid det minst edle metallet som går i oppløsning. Metallets edelhet er bestemt av plasseringen i metallenes spenningsrekke. En annen viktig faktor ved galvanisk korrosjon er arealforholdet mellom det katodiske og det anodiske området. Korrosjonsangrepet vil øke betydelig om det anodiske området (det metallet som går i oppløsning) er lite i forhold til det katodiske området.

Et eksempel på galvanisk korrosjon har man ved påsveising av rustfrie deler på vanlig stål. Etter en stund vil man ofte kunne observere nye og sterkere tæringer inntil det rustfrie belegget. Det minst edle stålet går i oppløsning pga galvanisk korrosjon.

Denne situasjonen kan f.eks. være aktuell ved utbedring av allerede eksisterende tæringer på et løpehjul.

3.3 Spaltkorrosjon

I spalter eller andre tilsvarende beskyttede områder kan det oppstå en intens lokal korrosjon. For at spaltkorrosjon skal kunne opptre må følgende betingelser være oppfylt:

• spalten må være stor nok til at væsken kan trenge inn
• spalten må være liten nok til at væsken blir stillestående

Spaltkorrosjon er altså knyttet til små volumer av innestengt væske. Et slikt tilfelle kan man f.eks. ha pga hull, pakninger, overlappskjøter, avsetninger og spalter under bolte- og naglehoder. Til og med sand, korrosjonsprodukter og andre faste legemer kan gi grobunn for spaltkorrosjon.

Det som skjer ved denne typen korrosjon er at den stillestående væsken (elektrolytten) i spalten blir utarmet på oksygen (O₂), slik at dannelsen av OH^--ioner avtar og stopper helt. Dette skulle man tro hindret videre tæring, men det er dessverre det motsatte som er tilfelle. For å opprettholde ladningslikevekten i spalten vil i stedet f.eks. Cl^--ioner gå inn i spalten. PH-verdien synker, miljøet blir dermed mer aggressivt, og korrosjonen tiltar.

3.4 Groptæring

Groptæring er en form for lokalt tæringsangrep som spesielt forekommer på passiverbare metaller (f.eks. rustfritt stål). Det dannes groper eller hull i metalloverflaten. Gropene har vanligvis veldig liten diameter, og de er ofte dekket av korrosjonsprodukter. Dette gjør at det kan være vanskelig å oppdage groptæringer.

En spesiell form for groptæringer skyldes rustbakterier. Denne form for groptæring er lett å kjenne igjen ved at det danner seg store rustknuter. Rustknutene kan ha en diameter på over 30 mm. Gropene under knutene utvider seg etter hvert, og kan sees som tydelige tæringsskader av betydelig størrelse og dybde. Stålplater på 10 - 12 mm ruster igjennom, bjelkeflenser ødelegges som om noen “har tatt seg en bit”. Hvis rustknutene sitter tett, kan dette føre til en betydelig svekkelse av konstruksjonen. Rustknutene vil også kunne forårsake store strømningstap i vannveien på grunn av økt friksjon.

3.5 Erosjonskorrosjon

Ved erosjonskorrosjon er det nødvendig med både mekaniske og elektrokjemiske mekanismer for at tæring skal finne sted. Denne form for korrosjon kan anta flere former. Den mekaniske mekanismen kan f.eks. bestå i at faste partikler i vannet sliter bort det beskyttende oksydbelegget slik at det gis grobunn for korrosjon. Dette kan skade rustfritt stål.

Støterosjon, turbulenskorrosjon og fretting er andre typer erosjonskorrosjon.

3.6 Spenningskorrosjon

Spenningskorrosjon oppstår ved kombinert innvirkning av strekkspenninger og korrosivt miljø. Det er kun enkelte metallegeringer som er ømfintlig overfor spenningskorrosjon. F.eks. er 18/8 CrNi-stål svært ømfintlig for miljø som inneholder klorider, som f.eks. sjøvann. Korrosjonen forårsaker sprekker i materialet som kan være vanskelig å oppdage før det oppstår havari.

I vannkraftverk anses spenningskorrosjon å spille en mindre rolle da de korrosive miljøene som kan forårsake denne typen korrosjon sjelden er til stede. På anlegg med avløp til sjøvann bør man imidlertid være påpasselig.

3.7 Korrosjonsutmatting

Korrosjonsutmatting er et spesialtilfelle av spenningskorrosjon. I motsetning til spenningskorrosjon, har korrosjonsutmatting betydning for alle materialer som er utsatt for varierende belastning i et miljø forskjellig fra tørr luft.

Et materiale som utsettes for et korrosivt miljø vil få nedsatt fasthet med hensyn til utmatting, og risikoen for sprekker øker. Sprekkveksten skjer ved en kombinasjon av utmatting og korrosjon. Et brudd grunnet korrosjonsutmatting kan skilles fra et vanlig utmattingsbrudd ved å undersøke bruddflaten. Ved korrosjonsutmatting vil utmattingssprekken være dekket av korrosjonsprodukter.

I et kraftverk er det i første rekke de vannberørte delene av turbinakselen på horisontal-akslede maskiner som er utsatt for korrosjonsutmatting. For kjølevannsanlegg og tømme- og lenseanlegg er det i første rekke vannberørte deler, f.eks. akslinger til pumper, som er utsatt for korrosjonsutmatting.

4 Sanderosjon

Med erosjon forstås den slipende effekten som oppstår når faste partikler, enten i luft eller vann, strømmer langs en flate. Slitasjeeffekten er knyttet til den bevegelsesenergien partiklene har når de treffer flaten. Erosjonen vil derfor være særlig fremtredende i bend og der hvor vannstrømmen på grunn av virvler eller andre forstyrrelser avbøyes kraftig mot ståloverflaten samtidig som den relative hastigheten mellom vannet og overflaten er stor. Sand og gruspartikler som er for store til å sveve fritt i vannstrømmen vil erodere platekasser og rør selv der hvor strømningen er parallell til overflaten.

Erosjonen skaper ujevnheter i overflaten slik at denne mattes, og etter hvert dannes et “bølgende” erosjonsmønster. Ved langt fremskreden erosjon kan det observeres avlange groper som ligger tett i tett med lengdeaksen i strømningsretningen.

For luker og rør er det sand, silt eller leirpartikler i driftsvannet som står for slitasjen når dette strømmer over flatene. For kjølevannsanlegg og tømme- og lenseanlegg vil det spesielt være ventiler som er utsatt for sanderosjon. For turbiner er det sand, silt eller leirpartikler i driftsvannet som står for slitasjen når dette strømmer langs flatene i turbinen.

5 Kavitasjonserosjon

I områder med høye vannhastigheter vil det lokale trykket kunne bli så lavt at vannet begynner å koke, og det dannes ustabile dampblærer. Dette kan f.eks. skje i forbindelse med ujevnheter i overflaten. Dette fenomenet kalles kavitasjon. Dampblærene fraktes videre med vannstrømmen, og kollapser når trykket stiger igjen, hvilket ofte vil være like nedstrøms den ujevnheten som skapte kavitasjonen. Skjer dette inne ved overflaten, vil denne utsettes for et kraftig støt (implosjon) som kan overstige materialets bruddgrense slik at materialpartikler “sprenges” løs.

Den resulterende slitasjen kalles kavitasjonserosjon, og kjennetegnes av masse små krater med skarpe kanter.

I vannveien finnes forhold for kavitasjon hovedsaklig i tappeluker, luker i tappestilling, og i de trangeste tverrsnittene før og umiddelbart etter turbinen.

6 Dråpeslagserosjon

Vanndråper som i stor hastighet treffer overflaten av et materiale kan forårsake dråpeslagserosjon. Hver dråpe som treffer overflaten medfører tangentielle spenninger som er store nok til å gi en plastisk deformasjon. Om fenomenet vedvarer får man interkrystalinske sprekker og materialet i overflaten vil etter hvert løsne.

Utseendemessig er det liten forskjell på Kapittel 5 og dråpeslagserosjon.

7 Rivning

Rivning kan oppstå når to flater i relativ bevegelse kommer i direkte kontakt med hverandre. Friksjonen mellom de to flatene kan gjøre at materiale fra den ene flaten adherer til den andre og rives løs. Faren for omfattende skader er størst hvis flatene består av materiale med samme hardhet.

Rivning er for så vidt en form for Kapittel 2, men skadene som oppstår ved rivning er såpass mye større og langt alvorligere enn skadene fra jevnere mekanisk slitasje at rivning betraktes som en egen form for skademekanisme.

8 Hamring

Hamring er en spesiell form for skademekanisme som først og fremst er lokalisert til den del av ledeskovlen som vender inn mot løpehjulet. Problemet forårsakes av fremmedlegemer, f.eks. stein eller ståldeler, som følger vannstrømmen inn i turbinen. Gjenstandene blir liggende i omdreiningshulrommet mellom løpehjulet og ledeskovlene hvor de følger løpehjulets rotasjon. Sentrifugalkreftene gjør at de kastes ut mot ledeskovlene, og etter en viss tid vil overflaten på ledeskovlene se ut som om de har vært slått på med en stor kulehammer.

9 Utmatting

Utmatting er den forandring som foregår i et materiale når det utsettes for periodisk varierende belastning (spenning) av tilstrekkelig størrelse. Forandringen vil resultere i sprekker og ofte i totalt brudd. I motsetning til brudd under jevn eller langsomt økende belastning, skjer et utmattingsbrudd uten forutgående varsel i form av plastisk tøyning og kontraksjon.

Sprekkdannelsen starter ved større eller mindre feil i, eller tett ved, overflaten av materialet. Sprekken brer seg i konsentriske buer med senter i startpunktet, loddrett på retningen av største normalspenning.

Konstruksjoners levetid med hensyn på utmatting er hovedsaklig bestemt av spenningsamplituder, overlagrede statiske spenninger og antall lastvekslinger. Den overlagrede statiske spenningen kan skyldes innebygde spenninger fra produksjonen eller statisk last. Veksten av en utmattingssprekk går i begynnelsen svært langsomt, kanskje over flere år inntil sprekken har nådd en viss størrelse da man får en akselererende vekst og brudd kommer etter kort tid. Sprø materialer er mer utsatt enn materialer med stor slagseighet.

I et korrosivt miljø vil risikoen for utmatting forsterkes, fordi overflaten angripes samtidig som fastheten med hensyn til utmatting reduseres (se forøvrig Kapittel 3.7).

Det mest bemerkelsesverdige ved utmatting er at sprekker og senere brudd oppstår ved spenninger vel under flytegrensen for det aktuelle materialet.

10 Deformasjoner

Ved store mekaniske belastninger kan påkjenningene bli så store at komponenter deformeres. En deformasjon vil inntreffe når spenningene over et større område overstiger materialets flytegrense. Deformasjon av en komponent kan direkte føre til skader på andre komponenter. Komponenter i vannveien dimensjoneres for bruksgrensetilstand, og flyteledd er normalt ikke tillatt.

11 Forskyvninger

Skader kan oppstå ved at komponenter har forskjøvet seg i forhold til hverandre.

Forskyvninger kan blant annet skyldes:

• setninger i grunnen
• feiljusteringer/opprettinger
• utknekking ved aksiallast
• temperaturvariasjoner i rør

12 Løse forbindelser

Enkelte skader kan føres tilbake til løse forbindelser mellom komponenter.

Løse forbindelser kan blant annet skyldes:

• vibrasjoner
• store mekaniske belastninger
• manglende tiltrekking/forspenning ved montasje
• temperaturvariasjoner
• redusert friksjon i friksjonsforbindelser pga feilaktig smøremiddel under montasje

13 Gjentetting

Funksjonssvikt i kjølevannsanlegget kan skyldes at kjølere eller rør med liten diameter går tett. Årsaken kan være sand og slam som blir liggende i røret og danner et humusbelegg eller algevekst. Problemet med algevekst oppstår helst der temperaturen er noe høyere slik at algene får bedre vekstvilkår.