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Modelli di previsione di vita dei rivestimenti e tecniche di controllo non distruttivo avanzato per la determinazione del degrado delle parti calde

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Modelli di previsione di vita dei rivestimenti e tecniche di controllo non distruttivo avanzato per la determinazione del degrado delle parti calde

distruttivo avanzato per la determinazione del degrado delle parti calde Claudia Rinaldi*, Letizia De Maria*, Marco Mandelli** Giornata di Studio su Evoluzione delle Tecniche di Manutenzione delle parti calde di Turbine a Gas: ruolo dei materiali e dei rivestimenti Milano, 22 maggio 2007 POSTER SESSION *CESI RICERCA SpA ** PROING Italia Nell’ambito delle problematiche inerenti l’estensione di vita delle parti calde, occupano un posto rilevante gli studi sulla durata dei rivestimenti. Questi hanno un duplice ruolo: – di protezione sia dalle elevate temperature sia dai fenomeni di ossidazione a caldo/corrosione; – di elemento sacrificale: per consentire il recupero del componente durante la manutenzione parti calde, il rivestimento non deve essere esposto per un tempo più lungo della sua “vita utile”. La conoscenza affidabile della durata del potere protettivo di tali rivestimenti è dunque cruciale ai fini di una scelta efficiente degli intervalli temporali tra gli interventi di ispezione/manutenzione. In questa memoria si accenna dapprima brevemente ai meccanismi di degrado dei rivestimenti multistrato, composti da uno strato metallico (bond coat, BC, contenente la fase beta, ricca di alluminio), e da uno ceramico (di zirconia-ittria, TBC). Si presentano, quindi, i modelli in uso per la descrizione quantitativa di questi fenomeni e la metodologia per effettuare valutazioni della vita spesa e residua, dopo un periodo di funzionamento in condizioni operative note. In particolare, oltre ai classici modelli di ossidazione e di interdiffusione tra rivestimento metallico e substrato, si mostrano alcune relazioni semplificate, finalizzate a correlare il numero di cicli a frattura, che lo strato ceramico può sopportare, con la crescita dello strato di ossido, che si sviluppa termicamente alla base della TBC (detto TGO e costituito sostanzialmente da allumina). Le relazioni analitiche che descrivono i vari aspetti del degrado interagiscono in modo complesso; per renderne quindi agevole l’utilizzo e più semplice l’applicazione alle diverse zone del componente, si è formulato un software di previsione di vita dei rivestimenti [1]. In questo lavoro, si riportano alcuni risultati dell’applicazione del metodo predittivo messo a punto a campioni esposti in laboratorio a temperature elevate; in base alle previsioni di durata di alcuni rivestimenti tipici di componenti reali (AMDRY 995, Sicoat2231, Sicoat 2453, etc.), ne vengono confrontate le prestazioni (evidenziando il ruolo del Re) [2]. Inoltre vengono esemplificate le conseguenze delle diverse modalità operative (ad es. numero di accensioni e spegnimenti e durata dei periodi di esercizio) sulla vita dei rivestimenti con barriera termica (v. Fig. 1); in tal modo si evidenzia praticamente l’influenza delle modalità di gestione flessibilizzata degli impianti sulla durabilità delle parti calde. La realtà dell’esercizio è comunque molto più variegata e differenziata delle ipotesi semplificative su cui si basano i modelli predittivi. Per poter determinare con precisione maggiore l’effettiva frazione di vita consumata nel singolo impianto risulta necessario aver modo di misurare il reale stato di degrado dopo un periodo di esercizio. E’ dunque sempre elevato l’interesse industriale verso tutte le tecniche di controllo non distruttivo in grado di fornire informazioni utili per recuperare eventuali margini di vita residua e abbattere i costi di manutenzione (manutenzione su condizione). Per raggiungere tale finalità è necessario disporre di tecniche di controllo non distruttivo innovative in grado di individuare il livello effettivo di degrado del rivestimento (in particolare del BC, della TBC e dell’interfaccia tra questi). Nella seconda parte della memoria verranno descritti i risultati ottenuti su componenti reali eserciti con la tecnica non distruttiva di tipo ottico, detta piezospettroscopia di fluorescenza (PLPS). Essa è in grado di misurare lo stato tensionale residuo presente nello strato di allumina (TGO) che cresce sul BC metallico, alla base della TBC colonnare (prodotta per electron beam physical vapour deposition, EB-PVD). La riduzione della sollecitazione in compressione al di sotto di 1 GPa indica un incipiente distacco all’interfaccia traTGO e TBC o BC.

Nei programmi di ricerca in corso è stato sviluppato un nuovo strumento a fibra ottica, portatile, dotato di laser di eccitazione circa 8 volte più potente di quello usato negli strumenti disponibili in commercio [3,4]. Esso è stato applicato per individuare il livello di degrado dell’interfaccia tra bond coat metallico e barriera termica ceramica su alcuni componenti di impianti reali, eserciti in condizioni diverse di ciclaggio. Un esempio di risultati è mostrato in Fig. 2. Le valutazioni effettuate sono state convalidate mediante analisi metallografiche distruttive e hanno consentito di individuare anche l’efficacia e i limiti del raffreddamento laminare sulla pala di 1° stadio della turbina V94.3A2. Il confronto tra i risultati di misure PLPS fatte su componenti provenienti da impianti diversi ha mostrato che l’esercizio flessibilizzato causa un consumo accelerato della vita utile del rivestimento con TBC. Dall’estensione delle zone deplete è stato infine possibile ricavare anche una stima del valore di temperatura media nelle diverse posizioni del componente, mediante il codice di previsione di vita dei rivestimenti citato, dotato di una routine contenente l’algoritmo dell’analisi inversa [5]. Nel proseguo dell’attività di ricerca si continuerà nello sviluppo della tecnica PLPS, che sembra particolarmente promettente sia per la sua capacità di rilevare in modo quantitativo la frazione di vita spesa dalla TBC, basandosi sullo stato di tensionamento alla base della barriera termica colonnare [2,3], sia perché il segnale ottico è trasportabile in fibra e quindi la tecnica è per sua natura applicabile anche a cassa chiusa, in modo simile a quanto si fa già oggi con la tecnica ottica endoscopica, per individuare le regioni in cui la TBC è già staccata. Tempo ciclo a 900°C (h) Vita (tempo di esercizio) (h) N cicli TGO (µm) 300 29000 97 8.65 100 21000 210 7.8 50 16200 324 7.18 25 12650 506 6.75 10 8579 858 5.8 0 0,5 1 1,5 2 2,5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 posizione n (cm) TG O str es s ( GP a) Fori di raffreddamento [a] 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 25%_fori 25%_centro 25%_coda GP a Frazione di vita (%) [b] Fig. 1 Esempio di risultati ottenibili con il codice di previsione di vita del rivestimento con barriera termica in diverse condizioni operative (per studiare gli effetti della flessibilizzazione) Fig. 2 Risultati ottenuti con la tecnica PLPS lungo una linea orizzontale al 25% dell’altezza di una pala esercita, allontanandosi dal bordo ingresso (posizione 0) verso il bordo uscita posizione 13). Si nota che l’efficacia del raffreddamento fino alla posizione a 5cm dal bordo ingresso e dopo l’ultima linea di fori (posizione 7,5) ha provocato un consumo di vita contenuto( 0,4%); verso il bordo uscita invece è stato valutato un consumo di vita superiore all’80%.

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