A077

Qualifizierung von Werkstoffen zum Einsatz in Dampferzeugeranlagen mit erhöhten Temperaturen

(A077 S 24/16/93)

Laufzeit der Forschungsarbeiten: 1. Januar 1994 – 30. Juni 1999

Neuentwickelte ferritische und austenitische warmfeste Stähle sollten für höhere Frischdampfparameter, insbesondere Frischdampftemperaturen qualifiziert werden so daß eine Wirkungsgradsteigerung und somit eine geringere C02-Emmission erreicht werden kann. Die Anhebung der Frischdampftemperatur von bisher 580o C bis auf 650o C sollte im wesentlichen durch verbesserte Langzeitkriecheigenschaften der weiterentwickelten warmfesten Stähle, d.h. durch eine konsequente Gefügeoptimierung, erreicht werden.

Wichtige Dampfkessel-Komponenten stellen die Membranwand sowie der Überhitzer Austrittssammler dar, wobei für die Werkstoffqualifizierung der Stähle neben der Ermittlung von Langzeit-Kriechdaten auch die Optimierung der Schweißparameter für UP-, WIG- und E-Hand-Verfahren, einschließlich Gefügeuntersuchungen, LCF-Test sowie Korrosionstest geplant waren.

Das umfangreiche Forschungsprogramm wurde in einer Gemeinschaftsarbeit von drei Kraftwerkskomponenten-Herstellern sowie drei Forschungsstellen durchgeführt.

Für die Membranwand sollte ein Werkstoff mit hoher Zeitstandfertigkeit qualifiziert werden, der aufgrund der sich einstellenden Härte keine Wärmebehandlung nach dem Schweißen erfordert. Mit dem Stahl T 91 war dieses Ziel nicht erreichbar. Als aussichtsreich erwies sich demgegenüber der Stahl  7CrMoVTiB 10 10. Untersuchungen an Rohr-Rundnähten zeigten folgende Ergebnisse:

I Bei der schweißtechnischen Verarbeitung kann auf ein Vorwärmen verzichtet werden.

I Die im ungeglühten Zustand erzielte Härte in der Wärme-Einflußzone von ca. 350 HV mit Härtespitzen bis zu ca. 370 HV liegt auf einem akzeptablen Niveau. Eine ausreichende Duktilität wurde bei Biegeversuchen nachgewiesen.

I Die Anforderung an die Kerbschlagzähigkeit des Schweißgutes, basierend auf der Anforderung für den Grundwerkstoff in Querrichtung, wurde mit dem Schweißzusatz SW 564 formal knapp unterschritten. Vergleichsweise liegt das Kerbschlagzähigkeitsniveau  des ungeglühten 10CrMo9-10 Schweißgutes deutlich niedriger. Vom ungeglühten 10CrMo9-10 Schweißgut , das seit Jahrzehnten im TRD-Bereich zur Anwendung kommt, sind keine Probleme bekannt. Diese vergleichende Betrachtungsweise muß bei der Bewertung des Kerbschlagzähigkeitsniveaus des Schweißzusatzes SW 564 entscheidend mit berücksichtigt werden.

I Aus derzeitiger Sicht wird die artgleiche Schweißzusatzvariante gegenüber der zähigkeitsoptimierten Variante favorisiert. Die Anforderung der Verfahrensprüfung nach TRD 201 sind im ungeglühten und geglühten Zustand erfüllt.

I Die zur Berechnung notwendigen Zeitstandwerte können als abgesichert angesehen werden. Es liegen Zeitstandergebnisse bis ca. 100.000 h Prüfdauer vor. Vom Gesichtspunkt der Festigkeitsberechnung lassen sich mit dem Stahl 7CrMoVTiB 10 10 bei einem Berechnungsdruck von 350 bar zulässige Wandtemperaturen von 565o C realisieren. Ob diese hohen Temperaturen aus korrosions- und verfahrenstechnischen Gründen sinnvoll sind, bleibt offen. Zumindest können jedoch die alten Sicherheitsmargen bei der Werkstoffausnutzung in Membranwänden wieder hergestellt werden.

Damit kann als Ergebnis dieser Untersuchungen festgestellt werden, daß Membranwände aus dem Werkstoff 7CrMoVTiB 10 10 ohne Wärmbehandlung hergestellt werden können. Die große Akzeptanz der Forschungsergebnisse bei der Technischen Überwachung, den Kraftwerksbetreibern und den Komponentenherstellern führte bereits während des laufenden Forschungsprogramms im Rahmen von Einzelbegutachtungen zu Betriebseinsätzen in bestehenden Anlagen.

Zusätzlich wurden auch die in Japan entwickelten Stähle HCM 2 S und HCM 12 untersucht. Bei dem Werkstoff HCM 2 S fiel die hohe Entkohlungstiefe des Grundrohres  38 x 6,3 auf. Da die vorausgesagte Zeitstandfestigkeit nicht besser ist, als die des Werkstoffes 7 CrMoVTiB 1010 und sich auch keine höhere Verarbeitungssicherheit und günstigere Bauteileigenschaften abzeichneten, wurde auf eine weitere Erprobung dieses Werkstoffes verzichtet.

Wie die Ergebnisse der Untersuchungen zum Schweißen des Stahls HCM 12 zeigten, konnte dieser Werkstoff ohne Wärmenachbehandlung nicht zu Membranwänden verarbeitet werden. Maßgebend für diese Beurteilung war, daß im geschweißten Zustand sowohl im Schweißgut als auch in der Wärmeeinflußzone Härtewerte bis ca. 420 HV 1 vorlagen. Diese hohen Härtewerte, verbunden mit einem nicht ausreichenden Verformungsvermögen führen beim Biegen zur Anrißbildung im Schweißgut, so daß eine Wärmebehandlung erforderlich wird. Der Stahl HCM 12 ist damit für eine Membranwandfertigung unter Werkstattbedingungen nicht geeignet.

Als Werkstoff für Überhitzer-Austrittsammler und -Rohre wurden Schweißverbindungen des Stahls E 911 (für Betriebstemperaturen bis 580o C) und des Stahls X3CrNiMoN 17- 13 (für Betriebstemperaturen über 580o C) untersucht.

Für den Werkstoff E 911 haben alle am Kesselrohr, am Rohr und an den Schweißnähten durchgeführten mechanischtechnologischen Untersuchungen sowie die Versuche an Proben, die nach dem WIG-, E-Hand- und UP-Verfahren geschweißt waren, nachgewiesen, daß dieser neue martensitische Werkstoff gut zu verarbeiten und für den Druckteilbau geeignet ist. Geeignete Schweißzusätze für die genannten drei Schweißverfahren wurden gefunden.

Die Zeitstanduntersuchungen werden in einem Nachfolgevorhaben durch weitere Grundwerkstoff- und Schweißgutschmelzen ergänzt.

Zum Schweißen des Werkstoffs X3CrNiMoN 17-13 konnte ein artgleicher Zusatzstoff für das E-Handschweißen entwickelt werden, der hinsichtlich

I Schweißverhalten

I Heißrißempfindlichkeit

I Festigkeiteigenschaften und

I Zähigkeitsverhalten

geeignet erscheint, zukünftig bei der Fertigung von Sammlern und Rohrleitungen eingesetzt zu werden. Weiterführende Untersuchungen, insbesondere hinsichtlich des Zeitstands-verhaltens sind angelaufen. Die Untersuchungen zum Ultraschallprüfen dickwandiger Rundnähte haben ergeben, daß die Längsfehlerprüfung unter den vorliegenden Randbedingungen möglich ist, daß bei der Querfehlerprüfung aber Einschränkungen gemacht werden müssen. Im Rahmen einer spezifischen Prüfanweisung sind Festlegungen unter Einbeziehung weiterer Prüfverfahren zu treffen und zwischen Hersteller, Kunden und Sachverständigen abzustimmen.

Eine dickwandige Rohrmischverbindung Austenit-Martensit LCX3CrNiMoN17-13 / X10CrMoVNb91 ist mit vorheriger Aufpufferung unter Verwendung von Ni-Basis-Schweißzusatz heißrißfrei herstellbar.

Die Mischverbindung, aber auch die artgleiche austenitische Verbindung, sind unter Einhaltung von Randbedingungen und Vorgaben mittels Ultraschall auf Längsfehler prüfbar. Es wird deshalb empfohlen, bei der Herstellung der Rundnaht ergänzend die DS-Prüfung und lagenweise die FE-Prüfung heranzuziehen.

Forschungsstelle 1:
Institut für Verfahrenstechnik und Dampfkesselwesen IVD Universität Stuttgart
(jetzt: Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik, www.ifk.uni-stuttgart.de)Forschungsleiter 1:     
-   (vorgelegt vom Wirtschaftsverband Stahlbau und Energietechnik e.V., Düsseldorf (SET))

Das Forschungsvorhaben wurde gefördert von der Stiftung Stahlanwendungsforschung im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft e.V.

Bezugsquelle Schlussbericht:
bitte wenden Sie sich an die AVIF