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Application of Probabilistic Methods for Lifetime Prediction of High Temperature Components under Creep-Fatigue Loading

Kölzow, Felix (2021):
Application of Probabilistic Methods for Lifetime Prediction of High Temperature Components under Creep-Fatigue Loading. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00018616,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Application of Probabilistic Methods for Lifetime Prediction of High Temperature Components under Creep-Fatigue Loading
Language: English
Abstract:

Due to intermittent renewable energy share, precise lifetime assessment procedures are necessary to increase the power plant reliability and flexibility, while steam turbine components are exposed to creep-fatigue loading. Simultaneously, approaches are necessary for an objective risk assessment while quantifying the failure probability. Different probabilistic methods exist which could allow to estimate material uncertainties, compute the probability of crack initiation and generate optimised experimental designs. Another component is the falsification for a stepwise improvement of the lifetime approaches and probabilistic methods provide tools for this kind of procedure. This is the reason why probabilistic methods are tried to combine with accumulative lifetime methods for creep-fatigue loading. The generalised damage accumulation rule is combined with probabilistic methods to quantify the probability of crack initiation for high temperature components under creep-fatigue loading, while considering three types of materials (X12CrMoWVNbN10-1-1, GX12CrMoVNbN9-1, 30CrMoNiV5-11). A temperature modified Manson-Coffin-Basquin relationship is proposed to take a broader temperature range during the low-cycle fatigue assessment into account and to gain statistical information. The Wilshire-Scharning creep rupture model is examined and, in combination with the maximum likelihood method, allows the creep assessment procedure to take into account ongoing experiments. The reliability method FORM can be applied in conjunction with the generalised damage accumulation rule to compute the failure probability. The used HRLF algorithm does not indicate convergence problems. A Taylor series perspective and a sensitivity analysis indicates that the critical damage threshold is one of the most crucial parameters. Additionally, different workloads are compared to each other and a comparison between a deterministic and probabilistic lifetime assessment approach is shown. Conceptional difficulties of accumulative lifetime assessment methods and the missing possibility to obtain statistical information leads to the investigation of the continuum damage mechanics approach to combine it with sophisticated probabilistic methods. Different end-of-life criteria (load drop, change of elastic behaviour) are compared to each other. A concise definition of damage is necessary and the temperature dependency of critical damage threshold is investigated. To obtain probabilistic results while using damage mechanics lifetime predictions, the polynomial chaos expansion is employed. The Sermage damage model in combination with a non-intrusive regression technique is used to show exemplary probabilistic results and potential problems, while a probabilistic service-type cycle is considered. Long-term creep rupture experiments show partially low influence measures in the linear regression analysis. Thus, the last part of this work considers the sequential and exchange algorithm proposed by Fedorov to obtain an experimental design that leads to a lower number of experiments while reducing the uncertainty in the parameter estimation. The construction of nested experimental design spaces is introduced to achieve this goal.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Aufgrund der schwankenden Einspeisung erneuerbarer Energien sind präzise Lebensdauermethoden für die Erhöhung der Zuverlässigkeit und Flexibilität fossiler Kraftwerke notwendig. Die Turbinenkomponenten werden dabei typischerweise einer Kriech-Ermüdungs-Beanspruchung ausgesetzt. Gleichzeitig werden Konzepte für eine möglichst objektive Risikobewertung sowie die Quantifizierung der Zuverlässigkeit benötigt. Verschiedene Methoden existieren, um Unsicherheiten bei der Bestimmung des Materialverhaltens zu erfassen, eine verbesserte optimale statistische Versuchsplanung zu forcieren und um final die Versagenswahrscheinlichkeit zu bestimmen. Ein weiterer Baustein ist die Falsifizierung von Lebensdauerverfahren und probabilistischer Methoden können helfen, ein derartiges Prozedere anzuwenden. Die verallgemeinerte Schadensakkumulationshypothese wird in dieser Arbeit mit Zuverlässigkeitsmethoden kombiniert, um die Wahrscheinlichkeit eines technischen Anrisses von Hochtemperaturkomponenten unter Kriech-Ermüdungs-Beanspruchung zu ermitteln. Es werden zwei Schmiedestähle (X12CrMoWVNbN10-1-1, 30CrMoNiV5-11) als auch ein Stahlgusswerkstoff (GX12CrMoVNbN9-1) näher untersucht. Im Zuge dessen wird eine temperaturmodifizierte Manson-Coffin-Basquin Beziehung vorgeschlagen, um eine statistische Auswertung eines Temperaturbereiches von niederzyklischen Ermüdungsversuchen zu ermöglichen. Des Weiteren wird die Wilshire-Scharning-Beziehung zur Bewertung des Zeitstandverhaltens untersucht und laufende Kriechversuche werden mit in der Auswertung erfasst. Bei der Anwendung des Zuverlässigkeitsverfahrens wird der HRLF-Algorithmus angewendet, wobei keine Konvergenzprobleme auftreten. Wie aus einer anschließenden Sensitivitätsanalyse hervorgeht, gehört die kritische Schädigungssumme zu den wichtigsten Einflussgrößen. Weiterhin werden unterschiedliche Lastfälle bezüglich der Anrisswahrscheinlichkeit untersucht. Anschließend erfolgt ein Vergleich zwischen einem deterministischen und einem probabilistischen Lebensdauerbewertungsansatz. Konzeptionelle Hindernisse innerhalb des akkumulativen Lebensdaueransatzes und Schwierigkeiten bei der Parameterbestimmung, bspw. der kritischen Schädigungsssumme, führen zur Einbeziehung der Schädigungsmechanik und höherwertigen probabilistischen Methoden. Unterschiedliche Lebensdauerkriterien werden miteinander verglichen, wobei das Augenmerk auf eine konsistente Schädigungsdefinition gelegt wird. Weiterhin wird die Temperaturabhängigkeit des kritischen Schädigungswertes untersucht. Die Anwendung der Polynomial Chaos Expansion in Kombination mit der Schädigungsmechanik ermöglicht es, mithilfe eines nicht-intrusiven Regressionsansatzes die probabilistische Schädigungsentwicklung für einen betriebsähnlichen Dampfturbinenzyklus zu bestimmen. Die Evolutionsgleichung der Schädigungsentwicklung basiert auf einem Ansatz nach Sermage. Bei der Untersuchung langzeitiger Kriechversuche zeigt sich, dass einige Versuche einen geringen Einfluss auf die Modellparameter besitzen. Der letzte Teil der Arbeit befasst sich daher mit der Versuchsplanung von Zeitstandversuchen. Es wird gezeigt, dass mit weniger Zeitstandversuchen als üblich eine genauere Parameterbestimmung möglich ist. Das Verfahren zur Versuchsplanung basiert auf der Konstruktion von verschachtelten Designräumen.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: XXII, 169 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Center for Engineering Materials, State Materials Testing Institute Darmstadt (MPA) Chair and Institute for Materials Technology (IfW) > Hochtemperaturwerkstoffe
Date Deposited: 15 Jun 2021 07:26
Last Modified: 15 Jun 2021 07:27
DOI: 10.26083/tuprints-00018616
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-186167
Referees: Oechsner, Prof. Dr. Matthias ; Gottschalk, Prof. Dr. Hanno
Refereed: 1 December 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/18616
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