Pitting Corrosion Induced Fatigue Fracture on a Gas Turbine Compressor Blade
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Andreas Neidel
Abstract
According to VDI Guideline 3822-3 “this type of corrosion is … caused by the formation of anodic regions of slight local expansion on the electrolyte-wetted surface. The presence of protective layers (passive layers) is a prerequisite for the occurrence of pitting corrosion.”
Both requirements are met on gas turbine compressor blades if water condensates on the turbine blades when the machine is at standstill and/or if the compressor temperature remains low enough in a running machine to allow aqueous media to persist, i.e. for the condensation not yet to have evaporated. This is the case with the front row of blades, generally up to stage 6.
Passive layers are present on the gas turbine compressor blades, since these parts are generally manufactured from martensitic 12–16% chrome steel, as also the case for steam turbine blades and discussed in detail in other case studies in the book. The failed compressor stator blade in this case study is made of X15Cr13, material no. 1.4024.
Pitting corrosion on the front row compressor blades was not uncommon before the introduction of high temperature corrosion protection coatings containing aluminium pigments on these blades. After the introduction of protective coatings, this corrosion mechanism was absent on the coated blades. The coating systems contain aluminium spherules which, given the correct coating method, are in contact with each other to form a continuous electrically conducting layer between the surface of the blade and the protective coating, creating a sacrificial anode resulting in the less noble aluminium – as compared to steel – preferentially corroding to protect the blade material.
The damaged part discussed in this case study originates from an older model gas turbine commissioned in 1955 already, having accumulated almost 163000 hours of operation when the damage was diagnosed. Depending on the type of operation, this represents a period of operation of 15 to 25 years. Such compressor blades were not coated back then.
Zusammenfassung
Nach VDI-Richtlinie 3822-3 ist „diese Korrosionsart… eine Folge der Bildung anodischer Bereiche geringer örtlicher Ausdehnung auf der vom Elektrolyt benetzten Oberfläche. Das Vorhandensein von Schutzschichten (Passivschichten) ist Vorbedingung für das Auftreten von Lochkorrosion.“
Beide Bedingungen sind bei Gasturbinen-Verdichterschaufeln erfüllt, wenn während des Maschinenstillstandes Kondenswasser auf den Schaufelblättern stehen bleiben kann und/oder während des Maschinenbetriebes die Temperatur im Verdichter niedrig genug bleibt für das Vorhandensein wässriger Medien, wenn mithin Kondenswasser noch nicht verdampft. Dies ist in den vorderen Schaufelreihen der Fall, i.d.R. bis Stufe 6.
Passivschichten sind auf Gasturbinenverdichterschaufeln vorhanden, da diese Bauteile i.a. aus martensitischen 12–16%-Chromstählen gefertigt werden, wie sie auch im Dampfturbinenschaufelbau üblich sind und in anderen Fallstudien des Buches ausführlich besprochen werden. Die gebrochene Verdichterleitschaufel dieser Fallstudie ist aus X15Cr13, Werkstoff-Nr. 1.4024.
Bis zur Einführung sog. aluminiumpigmenthaltiger Hochtemperatur-Korrosionsschutzlacke für jene Schaufeln traten bei Verdichterschaufeln der vorderen Reihen Lochkorrosionsbefunde nicht selten auf. Die später eingeführten Schutzlacke führten zum völligen Ausbleiben dieses Schadensmechanismus’ bei beschichteten Schaufeln. Die Beschichtungssysteme enthalten Aluminiumkügelchen, die sich bei richtiger Beschichtungstechnik gegenseitig berühren und so eine zusammenhängende, elektrisch leitende Schicht zwischen der Schaufeloberfläche und dem Schutzdecklack bilden, die wie eine Opferanode wirkt, so dass das gegenüber Stahl unedlere Aluminium bevorzugt korrosiv angegriffen wird, der Schaufelwerkstoff aber intakt bleibt.
Das in dieser Fallstudie besprochene Schadensbauteil stammt aus einer Gasturbine älterer Bauart, die bereits 1955 in Betrieb ging und bis zum Schadenseintritt fast 163000 Betriebsstunden akkumuliert hatte. Je nach Fahrweise bedeutet das eine Betriebszeit von 15 bis 25 Jahren. Damals wurden solche Verdichterschaufeln noch nicht beschichtet.
© 2012, Carl Hanser Verlag, München
Artikel in diesem Heft
- Contents/Inhalt
- Contents
- Editorial
- Editorial
- Technical Contributions/Fachbeiträge
- Investigations on High Temperature MgB2 Superconductor Wires and Tapes with New Sheath Materials and the Correlation of Their Microstructures and Properties
- A Three-Dimensional Microstructure Preparation Using Metallographic In-Depth Microsections
- Metallographie-Tagung Karlsruhe
- Failure Analysis
- Pitting Corrosion Induced Fatigue Fracture on a Gas Turbine Compressor Blade
- Meeting Diary/Veranstaltungskalender
- Meeting Diary
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