A 323 - Kurzfassung des Schlussberichts
Lebensdauerbewertung auf Basis der Gefüge- und Schädigungsentwicklung von 9-12% Cr-Stählen
Zusammenfassung des Abschlussberichtes zum Forschungsprojekt
Lebensdauerbewertung auf Basis der Gefüge- und Schädigungsentwicklung von 9-12% Cr-Stählen
(Projekt A 323 / S0024/10269/21)
Laufzeit der Forschungsarbeiten: 01. Juli 2021 bis 31. Dezember 2024
Hochtemperaturbeanspruchte Komponenten sind zentraler Bestandteil des Anlagenbaus sowie von thermischen Kraftwerken, unabhängig vom genutzten Primärenergieträger. Neben Entwicklungen für zukünftige CO2-neutral befeuerte oder solar beheizte Kraftwerke ist die Zustands- und Lebensdauerbewertung von Bestandskraftwerken eine zentrale Fragestellung im Bereich der Hochtemperaturwerkstoffe. Das Gelingen der Energiewende erfordert es, dass bis zur permanenten Verfügbarkeit ausreichend regenerativ erzeugter Elektrizität fossil befeuerte Kraftwerke als Brückentechnologie verfügbar sind und sicher betrieben werden können. Hierzu muss die langfristige Eigenschaftsentwicklung der eingesetzten Werkstoffe sicher bewerten werden können. Die hochwarmfesten 9-12 % Chromstähle, die zum Erreichen hoher Wirkungsgrade in fossilen Bestandskraftwerken verbaut sind, zeigen im Vergleich zu niedriglegierten warmfesten Stählen eine hinsichtlich der Restlebensdauerbewertung herausfordernde Kriechschädigungsentwicklung. Die Kriechporenbildung selbst, sowie eine signifikante Zunahme der Anzahl an Kriechporen tritt bei 9-12 % Chromstählen erst bei hohen Erschöpfungsgraden gegen Ende der Lebensdauer auf. Daraus ergeben sich erhebliche Herausforderungen hinsichtlich der Bauteilüberwachung.
Das vorliegende Forschungsprojekt hatte zum Ziel, den Kenntnisstand über den Ablauf der Kriechschädigung bei den 9-12% Chromstählen im Hinblick auf eine bessere Charakterisierung und Quantifizierung der Schädigung zu erweitern und somit eine bessere Prognose der Restlebensdauer zu ermöglichen. Die dafür angewandte Methodik basiert auf der Verknüpfung von Erkenntnissen aus speziell designten, gestuften und nach definierten Erschöpfungsgraden abgebrochenen Zeitstandversuchen in Kombination mit umfangreichen metallographischen Untersuchungen. Anhand von lichtoptischen Bewertungen, Untersuchungen im Raster- und Transmissionselektronenmikroskop wurden Veränderungen der Mikrostrukturparameter (Ausscheidungspopulation, Subkorn- und Versetzungsstruktur) in Abhängigkeit von der Beanspruchung und der Beanspruchungsdauer betrachtet. Um die Übertragbarkeit auf reale Komponenten sicherzustellen, wurden neben Versuchswerkstoffen im Ausgangszustand (P91, E911, P92) auch betriebsbeanspruchte Werkstoffe mit in die Untersuchungen einbezogen.
Zunächst erfolgte eine umfangreiche Sammlung und Aufbereitung von Daten aus früheren Forschungsvorhaben. Es wurde ein geeignetes Datenformat entwickelt, die Datenblätter bilden eine Grundlage für die weiteren geplanten Auswertungen, welche die Ableitung von empirischen Zusammenhängen zwischen Belastung, Verformung, beobachtbarer Schädigung und Gefügestrukturparametern ermöglichen und sind Grundlage für die Überführung in sogenannte HDF5-Container. Die strukturierte Ablage in dem einer Verzeichnisstruktur ähnelnden Ordnungssystem erweist sich gegenüber einer Speicherung in Dateiformen von Tabellenkalkulationssystemen weitüberlegen. Als plattformübergreifendes Format ohne Bindung an bestimmte proprietäre Software eignet sich HDF5 auch hervorragend für den Datenaustausch. Die im Rahmen des Forschungsvorhabens durchgeführten Analysen mit kNN zeigten, dass die Modelle in der Lage waren, mit den vorgegebenen Eingangsmerkmalen sinnvolle Vorhersagen zu treffen. Für weitere Anwendungen bietet die zusammengestellte Datenbasis und HDF5 eine sehr gute Grundlage.
Das Versuchsprogramm zur mechanischen Werkstoffprüfung (Ausgangszustand und betriebsbeanspruchter Zustand) umfasste konventionelle Zeitstandversuche, Hohlzylinderversuche, gestufte Versuche, Relaxationsversuche, MLCF-Versuche, Small Punch Tests. Die Konturen der geprüften Proben wurden zur Ermittlung der Gleichmaßdehnung mit einem 3D-Scanner vermessen.
Die Ergebnisse der konventionellen Zeitstandprüfung zeigen, dass sich die Datenpunkte für die Werkstoffe P91 und E911 im oberen Streuband der entsprechende VdTÜV-Datenblätter einreihen, während die Bruchpunkte der betriebsbeanspruchten Werkstoffzustände im unteren Streuband liegen. Der Bruchpunkt des konventionellen Zeitstandversuches für den P92 liegt auf der aus vorherigen Versuchsdaten berechneten Zeitstandkurve, was für ein homogenes Werkstoffverhalten spricht. Die Hohlzylinderversuche wurden mit dem Ziel durchgeführt, die mikrostrukturellen Veränderungen insbesondere unter mehrachsiger Beanspruchung bewerten zu können.
Die Ergebnisse der gestuften Zeitstandversuche zeigen den Einfluss der vorherigen Laststufen für den P91, während der Einfluss beim P92 nur schwach ausgeprägt ist. Sie wurden mit dem Ziel durchgeführt, die minimale Kriechgeschwindigkeit bestimmen zu können. Die Abhängigkeit der minimalen Kriechgeschwindigkeit von der Versuchsspannung stimmt gut mit den Ergebnissen vorangegangener Projekte überein.
Für den Werkstoff P91 kann aus den durchgeführten Relaxationsversuchen abgeleitet werden, dass die anfängliche Relaxation bei einer Prüftemperatur von 600 °C stark ausgeprägt ist. Das Potential der Werkstoffverfestigung durch aufgebrachte Verformung wird durch einen Beanspruchungszyklus bei weitem nicht ausgeschöpft. Die Trennung des nicht-zeitabhängigen Verformungsanteils („Fließkurve“) und der zeitabhängigen Verformung (Kriechen) ermöglicht die Beschreibung des Werkstoffverhaltens bei monotoner Lastaufbringung mit einem sehr einfach gehaltenen Berechnungsansatz.
Die durchgeführten MLCF-Versuche leisten einen Beitrag zum Verständnis des Verformungsverhaltens des Werkstoffs P92 unter spannungskontrollierter Beanspruchung. Der in allen vier Beanspruchungsverläufen enthaltene Druckpeak bei -190 MPa, bzw. bei -150 MPa führt zu einer deutlichen Rückstauchung. Gleichermaßen mit (bFA6dhm1) und ohne Haltephase (bFA6dhm2) bei Spannung Null führt dies quasi zu einer Neutralisierung des Kriech-Dehnungszuwachses in der 3-minütigen Haltphase bei +90 MPa. Erst in den Versuchen mit entsprechenden Zugpeaks von +190 MPa konnte ein nennenswerter Dehnungszuwachs pro Zyklus erreicht werden. Der abschließende Versuch bFA6dhm4 ermöglicht im Vergleich zu einem konventionellen Kriechversuch die qualitative Bestimmung des Dehnungsinkrementes pro Zyklus aus der Ermüdungsbeanspruchung.
Die in diesem Forschungsvorhaben durchgeführten Small Punch Versuche zeigen einen Einfluss der Betriebsbeanspruchung des Versuchswerkstoffs, die ermittelten Kennwerte korrelieren allerdings nicht mit den konventionellen Zeitstandkennwerten. Aufgrund der speziellen Belastungsart der hier entwickelten Anlage und dem großen Einfluss der Probenpräparation scheint der Small Punch Test zur Werkstoffcharakterisierung ungeeignet zu sein.
Die Ermittlung der Gleichmaßdehnung mithilfe des 3D- Scanners liefert einen wichtigen Beitrag bei der Lebensdaueranalyse von Werkstoffen. Die Datenbasis für geprüfte Zeitstandproben konnte indiesem Projekt deutlich erweitert werden.
Die Auswertung der Porenstruktur liefert weitere Datenpunkte im Porosität / Porendichte = f(Lebensdauerverbrauch)–Schaubild. Es muss aber grundsätzlich berücksichtigt werden, dass die Ermittlung der Porendichte und der Porosität großen Streuungen unterliegt.
Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurden in den untersuchten Schmelzen keine Seigerungen / Mikroseigerungen ermittelt.
Die vergleichenden Untersuchungen an den Schmelzen 9U mit höheren Bruchverformungskennwerten und 9A mit niedrigen Bruchverformungskennwerten zeigen, dass die Anzahl der M23C6-Karbide und der vanadium- und niobreichen MX-Teilchen in der Schmelze 9U deutlich höher ist als in der Schmelze 9A, was vermuten lässt, dass sich die höhere Anzahl der M23C6-Karbide positiv auf die Duktilität auswirkt.
Die Porenbildung findet in den untersuchten martensitischen Stählen bevorzugt an ehemaligen Austenitkorngrenzen und an Ausscheidungen statt. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen bestätigen, dass die Porenbildung bevorzugt an Bornitriden erfolgt.
Das Forschungsprojekt erweiterte den Kenntnisstand über den Ablauf der Kriechschädigung bei den 9 %-12 % Cr- Stählen im Hinblick auf eine bessere Charakterisierung und Quantifizierung der Schädigung und leistet damit einen Beitrag dazu, die Restlebensdauer besser prognostizieren zu können.
Forschungsstellen:
Materialprüfungsanstalt (MPA) Universität Stuttgart
https://www.mpa.uni-stuttgart.de/
und
Fachgebiet und Institut für Werkstoffkunde (IfW) TU Darmstadt
https://www.mpa-ifw.tu-darmstadt.de
vorgelegt über: VAIS Verband für Anlagentechnik und IndustrieService e.V., Düsseldorf
Das Forschungsvorhaben wurde gefördert von der Stiftung Stahlanwendungsforschung im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft e.V.
Bezugsquelle Schlussbericht:
VAIS Verband für Anlagentechnik und IndustrieService e.V., Sternstraße 36
40479 Düsseldorf
Gerne können Sie sich auch an die Geschäftsstelle der AVIF wenden.