A170

Verbundprojekt: Marcko – Schweißnaht – Klärung des Betriebsverhaltens von Schweißverbindungen zwischen martensitischen und austenitischen Rohren bei Temperaturen bis 650 0C unter kombinierter thermischer und mechanischer Belastung

(A170 S 24/10019/01)

Laufzeit der Forschungsarbeiten: 1. August 1996 - 31. Dezember 2002

Das Ziel dieses Projektes war, Schweißverbindungen mit Heizflächenrohren aus den martensitischen 9% Cr-Stählen T91 bzw. E911 und dem austenitischen Werkstoff 1.4910 für den Einsatz bei Temperaturen bis 650 0C und Drücken im Bereich von 330 bar zu optimieren und zu qualifizieren. Damit sollte langfristig das Potential der neuen 9-12% Cr-Stähle und insbesondere des E911 für Mischschweißverbindungen in Kraftwerken besser ausgenutzt werden. Das Ziel wurde über die Schritte

- Auswahl geeigneter Schweißverbindungen,
- Optimierung der Schweißnahtgeometrie,
- Beschreibung des thermischen und mechanischen Verhaltens geschweißter Proben,
- Vorhersage des Betriebsverhaltens geschweißter Rohre und
- Beschreibung des Verhaltens geschweißter Rohre unter betriebsnahen Bedingungen

erreicht. Die Arbeiten konnten darüber hinaus Hinweise zur Auslegung und Lebensdauervorhersage von Mischschweißnähten bei künftig zu bauenden Kraftwerken geben.

Auswahl geeigneter Schweißverbindungen:

Rohre mit unterschiedlich hergestellten Mischverbindungen wurden in einem „Screening“ unter Innendruck und täglichen Temperaturzyklen mit 18-stündigen Haltezeiten bei 625 0C geprüft. Es zeigte sich

- relativ frühes Nahtversagen bei Rohren mit direktem Übergang (HIP, Reibschweißen ohne Zwischenring) und Leckage bei Walzverbindern im Überlappungsbereich,
- kein Nahtversagen bei WIG-Schweißverbindungen und Reibschweißverbindungen mit Zwischenring und
- Porenschädigung (Klasse 2a) in der WEZ der WIG-geschweißten Rohre und im nahtnahen Bereich der nach dem Schweißen vergüteten Rohre am Außenrand oberhalb von etwa 300 Zyklen.

Die WIG-Schweißverbindungen (sowohl nur angelassen als auch neuvergütet) haben sich damit für die weiteren Untersuchungen qualifiziert. Das Ziel, für die Screening-Versuche ein Belastungsniveau einzustellen, bei diesem nach 365 Zyklen erste Porenschädigung in WIG-Nähten zu finden und I- und V bzw. U-Nähte zu unterscheiden und zu qualifizieren, wurde damit erreicht.

Optimierung der Schweißnahtgeometrie:

Finite-Elemente Rechnungen haben ergeben, dass bei Rohrmischverbindungen wegen der deutlich höheren Spannungen an den Schweißnähten die U- und V-Nähte den Stumpfnähten deutlich überlegen sind:

- Spannungsanalysen unter der Annahme von rein elastischem Werkstoffverhalten ergaben keine signifikanten Unterschiede zwischen U- und V-Nähten. I-Nähte zeigten dagegen in der Nähe des Überganges einen deutlich größeren Bereich hoher Beanspruchungen.
- Der Vergleich von Finite-Element Berechnungen für inelastisches Werkstoffverhalten mit den Berechnungen für rein elastisches Verhalten ergab eine Überschätzung der Beanspruchungen um mindestens einen Faktor 4 für den elastischen Fall.
- U- und V-Nähte sind wegen der günstigeren Spannungsverteilung im Vergleich zu Stumpfnähten zu bevorzugen.

Beschreibung des thermischen und mechanischen Verhaltens geschweißter Proben:

Die temperaturabhängigen mechanischen Eigenschaften der verschiedenen Werkstoffgefüge der Rohrschweißverbindungen (T91, drei schweißsimulierte Wärmeeinflusszonen des T91, E911, NiCr20Nb, 1.4910 wurden zur Erzeugung einer Datenbasis für die Werkstoffmodellierung über einen weiten Temperatur-, Dehnraten-, Spannungs- und Zeitbereich ermittelt. Insbesondere wurden WEZ-Zeitstandproben bei praxisrelevanten niedrigen Belastungen bis 30.000 h Laufzeit geprüft. Die Low-Cycle-Fatigue Versuche zeigten außerdem, dass Versagen in den WEZ-Gefügen im Allgemeinen erst bei höheren Zyklenzahlen als im Grundwerkstoff auftrat.

Zwei elastisch-viskoplastische Werkstoffmodelle wurden für die Beschreibung von Zeitstand- und zyklisch thermischer Ermüdungsbeanspruchung verwendet. Das nichtisotherme Robinson-Modell ist nur für die Beschreibung des Werkstoffverhaltens unter statischen Belastungen geeignet. Das Verhalten unter zyklischen Belastungen, bei welchen sich die Materialien sowohl verfestigen als auch entfestigen, kann mit dem Robinson-Modell nicht beschrieben werden. Das Chaboche-Modell ist in der Lage, das primäre, sekundäre und tertiäre Kriechverhalten, das Verhalten bei zyklischer Belastung einschließlich Ver- und Entfestigung und die Einflüsse der Belastungsrate zu beschreiben. Mit diesem Modell konnten alle Messergebnisse für das statische, zyklische und dynamische Verhalten für alle Prüftemperaturen mit guter Qualität beschrieben werden.

Vorhersage des Betriebsverhaltens geschweißter Rohre:

Auf der Basis von Finite-Element Simulationen mit dem Chaboche-Werkstoffgesetz wurden die Verformungen der Rohre während der Bauteilversuche berechnet. Die berechneten und gemessenen Verformungen stimmen insbesondere im Schweißnahtbereich sowohl für die angelassenen als auch die neuvergüteten WIG-Verbindungen bei allen untersuchten Belastungsniveaus und bis 7300 h Gesamtversuchszeit (304 Zyklen) gut überein.

Für die quantitative, ortsaufgelöste Lebensdauervorhersage wurde ein in der Literatur vorgeschlagenes Konzept exemplarisch auf die Grenzfälle rein statischer und rein zyklischer Belastung angewendet. Dieses Konzept beruht auf der Erfassung der akkumulierten inelastischen Dehnungen, die sich aus den Finite-Element Berechnungen ergeben. Die bisherigen Ergebnisse suggerieren, dass in der Zukunft auch die schweißnahtnahen Bereiche, die sowohl statische als auch zyklische Belastungsanteile aufweisen, in die Lebensdauervorhersage einbezogen werden können.

Beschreibung des Verhaltens geschweißter Rohre unter betriebsnahen Bedingungen durch Bauteilversuche:

Rohrversuche unter täglichen Zyklen in Phase hinsichtlich Temperaturwechsel, Innendruck und axialer Zusatzlast wurden an WIG-geschweißten sowohl angelassenen als auch neuvergüteten Verbindungen durchgeführt. Der tägliche Temperturzyklus enthielt wieder eine 18-stündige Haltezeit bei 625 0C, die maximalen Innendruck- und Axialkraftniveaus wurden variiert; dabei betrugen die niedrigeren Belastungen 290 bar und 20kN (ähnlich den geplanten Niveaus im Kraftwerk). Gesamtversuchszeiten von 7300 h (304 Tageszyklen) wurden erreicht. Es zeigten sich folgende Versagensarten:

- Grundwerkstoffversagen trat bei den neuvergüteten Rohrproben bei hohen Belastungen auf.
- Versagen im schweißnahtnahen Bereich trat nur bei den angelassenen Rohrproben in der interkritischen WEZ bei den niedrigeren Belastungen auf. Dabei fördert eine hohe Mehrachsigkeit am Außenrand der Rohre die Schädigung durch Porenbildung. Bei gleichen Innendruck- und Temperturniveaus bewirkt eine zusätzliche Axialkraft ein früheres Versagen der Verbindung als bei reiner Innendruckbelastung.
- Durch die Luftumgebung an der isolierten Rohraußenwand entstand in einer Probe ein Riss im Werkstoff T91 unmittelbar an der Schmelzlinie (inkl. Aufmischungszone) als Folge einer durch Verzunderung verursachten Kerbe.

(Vgl. auch den Bericht zum Vorhaben A 109)

Forschungsstelle 1:
Fraunhofer Institut für Werkstoffmechanik (IWM)
www.iwm.fhg.de
 
Forschungsleiter 1:
Dr. Thomas Hollstein (vorgelegt vom Wirtschaftsverband Stahlbau und Energietechnik e.V., Düsseldorf (SET) für Fachverband Dampfkessel-, Behälter- und Rohrleitungsbau e.V. (FDBR))

Das Forschungsvorhaben wurde gefördert von von der Stiftung Stahlanwendungsforschung im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft e.V. Bezugsquelle Schlussbericht:
bitte wenden Sie sich an die AVIF