A202

Programmgestützte fortschrittliche Kriech- und Kriechermüdungsrissbeschreibung für typische langzeitbeanspruchte Kraftwerksbauteile

(A202 S 24/10045/2002)

Laufzeit der Forschungsarbeiten: 1. Januar 2003 - 31. Dezember 2004

In vielen Bereichen des Kraftwerks- und Anlagenbaus werden Werkstoffe unter hohen Temperaturen eingesetzt. Für eine hohe Werkstoffausnutzung und für einen sicheren Betrieb ist eine zuverlässige bruchmechanische Absicherung der Bauteile in Bezug auf Risseinleitung und Rissausbreitung unumgänglich. Daher hatte das vorliegende Vorhaben zum Ziel, direkt anwendbare Unterlagen und Methoden zur Berechnung von Risseinleitung und Rissfortschritt zahlreicher warmfester Stähle bei hohen Temperaturen unter statischer Kriechbeanspruchung und zyklischer Kriechermüdungsbeanspruchung bereitzustellen.

In langzeitigen Versuchen ermittelte Ergebnisse und Kennwerte für 1% CrMoNiV- und 10 bis 12% Cr-Stähle und entsprechende Gussvarianten bildeten die Grundlage für die Anwendung und Untersuchung von Berechnungsverfahren zum Risseinleitungs- und Rissfortschrittsverhalten unter Kriech-, Kriechermüdungs- und Ermüdungsbeanspruchung für Hochtemperaturbauteile des thermischen Maschinen- und Anlagenbaus. Die Grundlagen der verwendeten bruchmechanischen Parameter wurden anhand der umfangreichen zur Verfügung stehenden Datenbasis untersucht. Es wurden Methoden erarbeitet und in einer zur Anwendung auf Bauteile geeigneten Weise in ein modular strukturiertes Programmsystem „HT-Riss“ integriert, in dem auch die o.g. Datenbasis verfügbar ist.

Kriech- und Kriechermüdungsrisseinleitung lassen sich mit Hilfe eines Zweikriterienverfahrens beschreiben, das im Rahmen des Vorhabens weiterentwickelt wurde. Unterlagen zur Unterstützung der Anwendung des Parameters C* für Kriechrisseinleitung und Kriechrissfortschritt auf den bauteilrelevanten 3D-Fall wurden bereitgestellt. Die CFE*-Werte für den 1D-Belastungsfall liegen deutlich über den Werten für 3D-Belastung, was durch das Rissschließen bei Belastung zu klären ist. Insgesamt ergibt sich daraus die Empfehlung, 3D-Belastungsrechnungen mithilfe der FE-Methode durchzuführen.

Für Kriechermüdungsrissfortschritt wurde eine akkumulative Beschreibung auf der Grundlage einer DK1-Beziehung für den Ermüdungsrissanteil und einer C*-abhängigen Beschreibung für den Kriechrissanteil erstellt und mit anderen Verfahren verglichen. Dabei führte eine Wichtung der Anteile von Kriechen und Ermüden bei der Akkumulation zu einer Verbesserung. Die benötigten Werkstoffkenndaten wurden überprüft, parametrisiert und stehen in der Datenbasis zur Verfügung. Die vergleichende Bestimmung des Parameters C* für bauteilrelevantes Kriechrissverhalten zeigt, dass die Anwendung von Näherungsverfahren unter Vorbehalt möglich erscheint und im Vergleich zur FE-Rechnung für C* durchweg auf die sichere Seite führt. Verschiedene Maßnahmen wie Berücksichtigung der Duktilität und einer rechnerischen Schädigung mit dem Ziel, das Streuband bei der Relation Kriechrissgeschwindigkeit-C* zu vermindern, führten nicht zu einer signifikanten Verbesserung.

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass für die Berechnungen von Bauteilen unter Kriech- bzw. Kriechermüdungsbeanspruchung ein direkt anwendbares Programmsystem mit langzeitig abgesicherten Auslegungskennlinien bereitgestellt wurde. Das anwenderfreundliche Programmsystem umfasst eine Werkstoffdatenbank und eine Objektdatenbank und setzt sich aus verschiedenen integrierten Berechnungsmodulen zusammen. Zur Verifizierung wurden bauteiltypische Beanspruchungsfälle (Welle, Gehäuse, Rohrleitung) berechnet.

Forschungsstelle 1:
Institut für Werkstoffkunde der Technischen Universität Darmstadt (lfW)
www.tu-darmstadt.de/mpa-ifw

Forschungsleiter 1:
Prof. Dr.-Ing. Roos
 
Forschungsstelle 2:
Materialprüfungsanstalt Uni Stuttgart (MPA) Otto-Graf-Institut
www.mpa.uni-stuttgart.de
 
Forschungsleiter 2:
Prof. Dr.-Ing. Christina Berger
 
(vorgelegt vom Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V. (VDMA) für Forschungskuratorium Maschinenbau e.V. (FKM))

Das Forschungsvorhaben wurde gefördert von der Stiftung Stahlanwendungsforschung im Stifterverband der Deutschen Wissenschaft e.V.

Bezugsquelle Schlussbericht:
bitte wenden Sie sich an die AVIF