A129

Nachweis der Langzeiteigenschaften von Schweißverbindungen moderner Stähle für den Einsatz in Dampferzeugern im Bereich bis 620 °C


(A129 S 24/17/97)

Laufzeit der Forschungsarbeiten: 1. Januar 1998 – 31. Dezember 2001

Durch Anhebung der Dampfparameter lassen sich immer höhere thermische Wirkungsgrade in fossil befeuerten Kraftwerken erreichen. Bei den gegenwärtig geplanten und gebauten Anlagen liegen die Dampftemperaturen im Bereich von 600 bis 620 0C. Hierbei kommt dem Strukturwerkstoff eine zentrale Bedeutung zu. Herkömmliche Werkstoffe wie 13CrMo4-4, 10CrMo9-10 und X20CrMoV12-1 sind für die Anwendung in modernen Großkesseln, insbesondere für Membranwände, Überhitzeraustrittsammler und Überhitzer, in diesem Temperaturbereich wegen ihrer zu geringen Zeitstandfestigkeiten bzw. ihres Oxidations- und korrosionsverhaltens nicht mehr geeignet, was zur Entwicklung der nachfolgend beschriebenen verbesserten ferritischen und martensitischen Werkstoffe führte.

Für Dampfleitungen, Sammler und Überhitzer eingesetzte dickwandige Rohre sowie Kesselrohre und Membranwände müssen mit einem geeigneten Schweißverfahren hergestellt werden. Durch das Schweißverfahren wird der der Schweißlinie unmittelbar benachbarte Grundwerkstoff maßgeblich in seiner Gefügestruktur geändert und damit auch die Zeitstandfestigkeit beeinflusst. Für entsprechende Konstruktionen ist deshalb nachzuweisen, dass auch Schweißverbindungen entsprechend ihrer Beanspruchung ausreichende Zeitstandfestigkeiten aufweisen. Im Zusammenhang mit der Qualifikation der Schweißverbindungen aufzuwerfende Fragestellungen und die das langzeitige Verhalten sowie die Charakterisierung der beeinflussenden Beanspruchungen waren Gegenstand der hier beschriebenen experimentellen, metallografischen und numerischen Untersuchungen.

Bei den Untersuchungen konnte auf im Rahmen des Vorgängervorhabens A 77 ermittelte Ergebnisse zurückgegriffen werden. Langzeitig angelegte Versuche aus diesem Vorhaben wurden fortgesetzt. Diese Ergebnisse sind in dem Abschlussbericht zum Vorhaben A 129 mit enthalten.

Die Langzeiteigenschaften von Schweißverbindungen von im Dampferzeugerbau verwendeten Stählen wurden mit quer zur Schweißnaht entnommenen Proben sowie WEZ-simulierten Proben untersucht.

An Schweißverbindungen aus dem martensitischen 9% Chromstahl E 911 traten bei der Prüftemperatur 550 0C ausschließlich Brüche im Grundwerkstoff auf, die Bruchzeiten ordnen sich in das Streuband um die Mittelwertskurve ein. Bei 600 0C wandert die Bruchlage nach etwa 10 000 h in die feinkörnige Wärmeeinflusszone, wobei die entsprechenden Zeitstandwerte sich zur unteren Streubandgrenze einordnen. Bei 650 0C traten ausschließlich Brüche in der feinkörnigen WEZ auf bei Spannungen, die ca. 40% unter der Mitttelwertskurve des Grundwerkstoffs liegen.

Bei den Verbindungen des austenitischen Werkstoffs X3CrNiMoN17-13 wurden erwartungsgemäß hohe Zeitstandfestigkeiten ermittelt, die sich im Streuband des Grundwerkstoffs einordnen lassen.

Für den Kesselrohrwerkstoff 7CrMoVTiB10-10 wurden sowohl bei 500 0C als auch bei
5500 C Zeitstandfestigkeiten im Bereich des Grundwerkstoffstreubandes ermittelt, wobei sich auch hier bei der höheren Temperatur die Bruchlage in die feinkörnige WEZ verlagert, was mit einer Abnahme der Zeitstandfestigkeiten in den Bereich der unteren Streubandgrenze verbunden ist.

Mit den vorliegenden Untersuchungen wurde ein Beitrag zur Qualifizierung der Schweißverbindungen moderner Stähle für den Dampferzeugerbau geleistet.. Dabei zeigte sich, dass mit Ausnahme des martensitischen Werkstoffs bei der Temperatur von 650 0C, die ermittelten Zeitstandfestigkeiten nicht unterhalb des Grundwerkstoffstreubandes lagen. Die auch beim 9% Chromstahl P91 auftretende und mit einer Abnahme der Zeitstandfestigkeit verbundene Bruchlagenwanderung zur feinkörnigen WEZ ist auch bei den hier untersuchten ferritischen bzw. martensitischen Stähle zu beobachten. Dies wird mit zunehmender Temperatur ausgeprägter und verlagert sich zu kürzeren Zeiten. Die noch nicht vorliegenden langzeitigen Ergebnisse an schweißsimulierten Proben müssen zeigen, ob mit diesen Proben eine untere Grenze der Zeitstandfestigkeit ermittelt werden kann, wie dies bei dem untersuchten 9% Chromstahl P91 der Fall war.

Umfangreiche metallografische Untersuchungen dienten der eindeutigen Beschreibung der Bruchlagen und gaben Aufschluss über die Schädigungen in den geprüften Proben.

Für die Werkstoffe 7CrMoVTiB10-10 und E911 wurden numerische Simulationen durchgeführt. Dabei wurden neben Grundwerkstoff und Schweißgut die Wärmeeinflusszone durch drei Zonen charakterisiert, für die aus simulierend wärmebehandeltem Werkstoff Zeitdehnlinien bestimmt und in Kriechgleichungen umgesetzt wurden. Mit Hilfe der numerischen Untersuchungen konnten spezifische Spannungs- und Dehnungszustände in der Schweißnaht bestimmt werden. Dabei zeigte sich, dass die zur Prüfung des 7CrMoVTiB10-10 eingesetzte Rohrstreifenprobe die Zustände im Kesselrohr relativ gut wiedergibt. Durch ein Mehrachsigkeitsmaximum, bei sich über dem Querschnitt nur in geringem Maße ändernden Dehnungen, ist sowohl bei der Probe als auch im Kesselrohr damit zu rechnen, dass der Ort maximaler Schädigung ca. ein Drittel von der Wanddicke entfernt im Rohr liegt. Dies konnte für die Rohrstreifenprobe durch metallografische Befunde bestätigt werden. Die als Rundprobe ausgeführte Schweißverbindungsprobe weist hauptsächlich bedingt durch die Dehnungsbehinderung in Probenmitte einen unterschiedlichen Spannungszustand im Bereich von Schweißnaht und Wärmeeinflusszone auf. Der Betrag, der dort aufgetretenen Spannungen und Dehnungen ist im allgemeinen vergleichbar mit den in einem Rohr bei gleicher Nennspannung auftretenden. Die höhere Mehrachsigkeit über einen größeren Bereich der äußeren WEZ im Probeninneren zeigt, dass der Spannungszustand in der Probe als ungünstiger anzunehmen ist.

In den Vorhaben A 77 und A 129 wurden für die Schweißverbindungen der genannten Werkstoffe Zeitstandversuche mit Laufzeiten bis über 20.000 h durchgeführt. Die Fortführung einer Auswahl von Versuchen an Schweißverbindungsproben aus 7CrMoVTiB10-10 und E911 erweitert die langzeitige experimentelle Absicherung der Zeitstandfestigkeitswerte für Schweißverbindungen.

Forschungsstelle 1:
Materialprüfungsanstalt Uni Stuttgart (MPA) Otto-Graf-Institut
www.mpa.uni-stuttgart.de
 
Forschungsleiter 1:

Prof. Dr.-Ing. Dr. techn. E.h. K. Kußmaul, Dr.-Ing. K. Maile (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