A221

Optimierung der Schweißverbindung zur Verhinderung des vorzeitigen Kriechversagens in der Wärmeeinflusszone über die gezielte Festigkeitsauswahl des Schweißgutes MISMATCH

(A221 S 24/10079/2004)

Laufzeit der Forschungsarbeiten: 1. Juli 2004 - 31. Dezember 2007

Schweißverbindungen sind zum jetzigen Zeitpunkt sowohl beim Bau von Kraftwerken und Anla-gen als auch für deren eventuelle Reparatur unverzichtbar. Eine Werkstoffentwicklung mit dem Ziel einer Erhöhung der Dampfparameter muss daher zwingend die Qualifizierung geeigneter Schweißgüter und –verfahren sowie die Überprüfung geschweißter Komponenten auf deren Einsatztauglichkeit unter Hochtemperaturbeanspruchung beinhalten.

Vor allem auf dem Gebiet der ferritisch-martensitischen Werkstoffe sind Schweißnähte - aufgrund der durch die Wärmeeinbringung des Schweißprozesses entstehenden Wärmeeinflusszonen im Grundwerkstoff – oft eine Schwachstelle und können zu vorzeitigem Versagen der Komponente führen. Dies liegt zum einen an der niedrigen Zeitstandfestigkeit, zum anderen an der Verschärfung des Spannungszustands in der äußeren Wärmeeinflusszone. In zahlreichen Arbeiten konnte gezeigt werden, dass das Versagensverhalten durch eine mehrachsige Bean-spruchung negativ beeinflusst werden kann. Ein Optimierung des Schweißnahtverhaltens hin zu längeren Lebensdauern geschweißter Komponenten ist für die oben genannten Ziele der Emissionsreduzierung bzw. Wirkungsgradsteigerung unerlässlich.

Ziel dieses Forschungsvorhabens war die Steigerung der Zeitstandfestigkeit von Schweißverbindungen über eine gezielte Beeinflussung der Mehrachsigkeitsverhältnisse in diesem Bereich. Durch die Optimierung der Schweißguteigenschaften - stets angepasst an die Werkstoffeigen-schaften des Grundwerkstoffs - kann eine Entlastung der Wärmeeinflusszone erreicht werden. Untersucht werden Schweißgüter, die eine zum Grundwerkstoff höhere (overmatched, OM), äquivalente (matched) und niedrigere (undermatched, UM) Zeitstandfestigkeit besitzen. Im Fo-kus der vorliegenden Arbeit standen Schweißverbindungen moderner 9-12 %-Chromstähle.

Als Grundwerkstoff kamen der E911 (X11CrMoWVNb9-1-1) zum Einsatz, artgleich geschweißt mit Thermanit MTS 911® (E911 Schweißgut), overmatched geschweißt mit Thermanit MTS 616® (P92 / X10CrWMoVNb9-2 Schweißgut) und undermatched geschweißt mit Thermanit MTS 3® (P91 / X10CrMoVNb9-1 Schweißgut). Durch die unterschiedlichen Zeitstandfestigkeiten der Schweißgüter können Umlagerungs- und Relaxationsvorgänge in den einzelnen Werkstoff-zonen beeinflusst werden. Somit erlaubt die Anpassung der Schweißguteigenschaften, in Kombination mit einer optimierten Schweißnahtgeometrie eine Einflussnahme auf die Lage und Höhe der kritischen Größen wie der Mehrachsigkeit des Spannungszustandes und der Schädigung sowie der absoluten Höhe von Spannungen- und Dehnungen.

Mit Hilfe einer detaillierten Basischarakterisierung der verwendeten Werkstoffe (Zugversuche bei Raumtemperatur und 600 °C, Zeitstandversuche an homogenen Proben sowie Schweißverbindungsproben) wurde im Vorhaben ein Materialmodell für inelastische Finite Elemente Simulationen entwickelt und erfolgreich anhand von Kleinproben aber auch an den zwei im Projekt durchgeführten Bauteilversuchen validiert. Bei den Kleinproben zeigen Finite-Elemente-Simulationen sowie die experimentellen Ergebnisse einen Trend hin zu längeren Lebensdauern unter Verwendung des zeitstandschwächeren Schweißgutes. Ein Einfluss des Flankenwinkels auf die Lebensdauer kann hier anhand von (numerischen) Untersuchungen nicht festgestellt werden.

Bei den Simulationen der Komponenten (längsgeschweißte, dickwandige Rohre unter Innendruck) zeigte sich hingegen ein anderes Verhalten. Trotz der Entschärfung des Spannungszustandes durch Verwendung des Schweißgutes mit niedrigerer (undermatched) Zeitstandfestigkeit, kann ein nennenswerter positiver Einfluss auf die Schädigung im Bauteil durch die Variati-on der Schweißguteigenschaften alleine nicht festgestellt werden. Diese Feststellung wird auch von den vorliegenden Ergebnissen metallographischer Untersuchungen bestätigt. Im Gegensatz zu den Kleinproben kann bei den Komponenten allerdings anhand numerischer Simulationen eine Reduzierung der Schädigung um 15 % bei kleinen Flankenwinkeln (0°) im Vergleich zu größeren Flankenwinkeln (15° bzw. 22°) festgestellt werden. Des Weiteren zeigen FE-Simulationen, dass durch eine Kombination des optimierten Flankenwinkels und des zeitstandschwächeren P91 Schweißgutes eine weitere Reduzierung des Schädigungsgrades - verglichen mit artgleich oder OM geschweißten Komponenten – erzielt werden kann.

Die im Rahmen dieses Forschungsvorhabens erzielten Ergebnisse zeigen, dass durch die Optimierung der Schweißguteigenschaften in Kombination mit der Optimierung der Bauteilgeometrie eine Einflussnahme auf die Lage und Höhe der kritischen Größen wie der Mehrachsigkeit und der absoluten Höhe von Spannungen und Dehnungen in geschweißten Bauteilen möglich ist. Um eine deutlichere Lebensdauerverlängerung geschweißter Bauteile erreichen zu können, kann auf die Erfahrung und hier entwickelte Methodik zurückgegriffen werden. Durch eine Verknüpfung mit bereits abgeschlossenen oder noch laufenden Vorhaben (z. B. A198 und A257 „Langzeitkennwerte warmfester Stähle“ bzw. A105 , A152  und A229 „Schädigungsentwicklung“) kann ein auf den jeweiligen Grundwerkstoff abgestimmtes Schweißgut entwickelt werden, um die Lebensdauer geschweißter Komponenten zu maximieren oder Wartungsintervalle zu verlängern.

Forschungsstelle 1:
Materialprüfungsanstalt Uni Stuttgart (MPA) Otto-Graf-Institut
www.mpa.uni-stuttgart.de
 
Forschungsleiter 1:
Prof. Dr.-Ing. habil E. Roos

(vorgelegt vom Wirtschaftsverband Stahlbau und Energietechnik e.V., Düsseldorf (SET) für Fachverband Dampfkessel-, Behälter- und Rohrleitungsbau e.V. (FDBR))

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

Bezugsquelle Schlussbericht:
bitte wenden Sie sich an die AVIF