Feil materialvalg?

Uten å vite mer om sprekkene i Adtranz-togenes drivaksler enn det som har stått i mediene, skal man være varsom med synsing, men det kan virke som om togbyggeren har valgt feil materiale. Adtranz hevdet i Teknisk Ukeblad 35/2000, at for å utnytte fordelene ved høyfast stål, må høyere overflatespenninger tolereres. Dette er en sannhet med modifikasjoner. Med forspenning, for eksempel i slanke skrueforbindelser der skruene gis en tilnærmet statisk belastning, kan man leve med høye spenninger uten utmattingsbrudd. Slik jeg har gjettet meg til at spenningstilstanden er i de havariutsatte drivakslingene, er det ikke tilfelle at spenningsnivået er statisk.

Det sies dessuten i TU-artikkelen, at Veritas (DnV) har fastslått at havariet skyldtes utmatting.



De som har arbeidet med utmatting, vet hvor dramatisk egenskapene endres, spesielt for høyfast stål, når korrosjon er tilstede. Dette er for meg en kjensgjerning, og står i sterk kontrast til et debattinnlegg i Forum i TU 2000-39: Der antydes at korrosjon ikke har noen dramatisk effekt på utmattingsegenskapene. Da skal man tenke på at dette med reduksjon i utmattingsfasthet til og med er nedfelt i Norsk Standard 3472! Den logiske slutningen er at uten korrosjon ville ikke akselhavariene ha skjedd!



Oljebad, eller rustfritt

Ett eksempel på effektiv korrosjonsbeskyttelse ser man i en girboks der drev og tenner er badet i olje. Slik elimineres korrosjon, og man oppnår høy terskelverdi for sprekkvekst. Det er selvsagt urealistisk å oppnå en slik miljøtilstand for drivakslingene på Signatur.



Prinsipielt er det minst to måter å unngå korrosjon på: Å skape tilnærmet girbokstilstand, eller velge et materiale som ikke korroderer.

Fra egen ingeniørpraksis med vannkraftmaskiner har jeg erfaring med begge metoder: En horisontal aksel for vannturbin i ulegert krom-manganstål (diameter 700 mm) var utsatt for korrosjonsutmatting. Årsaken var at akselen sto i ferskvann og var utsatt for vekslende bøyspenninger, beregnet +/- 24MPa. Etter lastvekseltall 108-109 fant vi en mengde sprekker med opptil 15 mm dybde. DnV anbefalte momentan driftsstans på grunn av fare for totalhavari.



Sprekkene ble fjernet ved maskinering og akseloverflaten ble tørrlagt ved at vi endret tetningsboksene. Åtte sprekkutsatte vannkraftaksler er berget på denne måten, uten at noen har havarert etter nærmere tolv års drift. Det gikk bra selv om bøyespenningen økte til +/-27 MPa på grunn av neddreiing av akselstammen.



Offeranode

Årsaken til den sterke korrosjonsutmattingen selv ved så lave spenninger, ser ut til å være at akseloverflaten er offeranode for en stor, nærliggende, korrosjonsbestandig flate (katode). Dette styrkes ved at en lignende aksel i nabokraftverket i Glomma ble drevet med langt høyere bøyspenninger – +/- 40Mpa – uten noen nærliggende katode.

Et annet eksempel på sammenhengen mellom brudd og korrosjon er dette: Høyfaste skruer med minste bruddfasthet 1300 MPa er sterkt utsatt for ustabilt brudd selv uten forutgående utmatting, når de utsettes for korrosjon på grunn av kondens. Men der skruene er omgitt av olje – som i det oljefylte navet i en Kaplanturbin – er det ikke oppdaget tilsvarende skruehavari.



Rustfritt seigherdingsstål

Et eksempel på skader på såkalt rustfritt stål er utmatting av koplingsbolter i akselstrengen til en Francisturbin. Turbinen ble startet i 1963. Ved at to løpehjul sitter på turbinakselen med mellomliggende avløp, gir vannstrømmen (uavhengig av pådraget) normalt ingen aksialkraft. Men det har i alle år vært problem i vårløsningen, ved at det inne i det ca . 400 meter lange tilløpsrøret i løpet av vinteren er dannet en +100 mm tykk ismantel. På våren løsner denne og pakker seg foran nedstrøms løpehjul, og hindrer vannet. Dermed oppstår ubalansert aksialkraft som gir utilsiktet belastning på koplingsbolter og aksiallager.



Aksiallageret havarerte ofte og skruene fikk utmattingsbrudd i den neddreide stammen. De måtte skiftes hvert annet eller tredje år. På havarerte skruer kunne vi se svak lokal rustdannelse ved bruddet på den ellers blanke stammen. Materialkvaliteten var EN10083. Ifølge mediene er dette det samme materiale som i drivakslingene på Signatur.



Rustbestandig

I 1985 ville man finne på noe for å unngå en så hyppig utskifting av skruene. Man hadde da i ca. ti år med god erfaring brukt et rustbestandig seigherdingstål i korrosjonsutsatte, større, høyt belastede skruer i vannturbiner. På bakgrunn av dette ble de nye skruene laget av dette stålet.



Kraftverket opplyser at det siden 1985 ikke har vært nødvendig å skifte skruene. Det har vært milde vintre også etter 1985, men isløsning forårsaker fortsatt lagerhavarier. Det betyr at de nye rustbestandige skruene fortsatt blir utsatt for den utmattingen som gjorde at de tidligere skruene havarerte etter et par års drift. Men det nye materialet holder.



Konklusjon

Erfaring fra drift av vannturbiner har vist at rustbestandig seigherdingsstål har langt høyere utmattingsfasthet enn tilsvarende seigherdingstål i kvalitet SIS2541 – som i drivakslingene på Signaturtogene, når det utsettes for korrosjon fra ferskvann. Hvordan det alternative materialet ville reagere på miljøet rundt drivakslingene i Signaturtogene, er selvsagt ikke kjent. Uten å kjenne spenningstilstand og -variasjon i drivakslingene – noe jeg for øvrig synes ville være interessant å få kvantifisert, kan man derfor lure på om materialet i drivakslingene er optimalt.



I den aktuelle vannturbinen kunne vi beholde dimensjonene på skruene ved å bruke et bedre, mer rustbestandig materiale. Men etter det jeg har lest, måtte man i drivakslingene til Signatur- og flytogene øke dimensjonen for sikre seg mot utmattingsbrudd. Så her er det noe som ikke stemmer!