A 324 - Kurzfassung des Schlussberichts

Bewertung von Fehlergrößen bei Schweißverbindungen in Kraftwerken unter flexibler Fahrweise II

Zusammenfassung des Abschlussberichtes zum Forschungsprojekt

Bewertung von Fehlergrößen bei Schweißverbindungen in Kraftwerken unter flexibler Fahrweise II
Projekt A 324 / S0024/10270/21)

Laufzeit der Forschungsarbeiten:   01. Januar 2022 bis 31. Dezember 2025

Der Fortschritt der Energiewende erfordert eine zunehmend flexiblere Nutzung fossiler Kraftwerke. Statt wie vorgesehen eine Grundlast zu sichern, verändert sich das Lastprofil hin zu Spitzenlastbetrieb mit mehreren An- und Abfahrten pro Tag. Die dadurch verursachte Werkstoff- und Bauteilermüdung wurde bei der ursprünglichen Auslegung der Bestandskraftwerke meist nicht berücksichtigt. Da Schweißverbindungen aufgrund ihrer metallurgisch heterogenen Verbundstruktur unter Kriechermüdungsbeanspruchung oft das schwächste Glied der drucktragenden Komponente darstellen, gilt es sichere und wirtschaftliche Betriebsweisen zu gewährleisten, indem geeignete Bewertungsmethoden und -konzepte für Schweißverbindungen unter Kriech- und Kriechermüdungsbeanspruchung entwickelt werden.

In diesem Forschungsprojekt wurden Methoden und Ansätze zur Beurteilung von Fehlstellen in Schweißverbindungen aus ferritisch-martensitischen 9 % Cr-Stählen, die unter Kriech- und Kriechermüdungsbeanspruchung stehen, auf Basis der Vorarbeiten des Vorgängerprojekts A 300 weiterentwickelt. Der Schwerpunkt lag dabei auf der Untersuchung des Rissverhaltens unter Ermüdungs- und Kriechermüdungsbeanspruchung. Die Untersuchungen erfolgten an Proben aus zwei repräsentativen Schweißverbindungen

Das Projekt umfasste ein umfangreiches Versuchsprogramm zur Charakterisierung des mechanischen Verhaltens am Beispiel zweier Schweißverbindungen  aus den 9 % Cr-haltigen ferritisch-martensitischen Stählen X10CrWMoVNb9-2/P92 und GX13CrMoCoVNbNB9-2-1/CB2 (SV4: CB2-Pufferung-P92 und SV5: P92-P92). Durchgeführt wurden mikrostrukturelle Analysen, Härtemessungsprofile, Warmzugversuche,  Zeitstandversuche, Kurzzeit-Ermüdungsversuche sowie Kriechrisswachstums-, Ermüdungsrisswachstums- und Kriechermüdungsrisswachstumsversuche. Die Versuchsergebnisse wurden zur Entwicklung und Kalibrierung numerischer Modelle verwendet, um das Verhalten von Schweißverbindungen unter verschiedenen Belastungsfällen mit ausdrücklicher Berücksichtigung der heterogenen Struktur und der Wärmeeinflusszone zu beschreiben.

Zeitstanduntersuchungen an SV4 zeigen einen temperaturabhängigen Bruchlagenwechsel.  Während bei 600 °C alle Proben auf der Seite des Grundwerkstoffs CB2 versagen, tritt bei 625 °C Versagen bei höheren Spannungen noch in CB2 und bei niedrigeren Spannungen in der Wärmeeinflusszone WEZ-B zwischen Pufferung und Schweißgut auf. Diese Veränderung der Bruchstelle lässt sich numerisch simulieren, sofern chargenspezifische Materialparameter für die Grundwerkstoffe, lokal angepasste Parameter für die Wärmeeinflusszone sowie die tatsächlichen geometrischen Breiten der kritischen Wärmeeinflusszone in das Modell einbezogen werden.

Das Kriechrissfortschrittsverhalten sowohl von artunterschiedlichen als auch von artgleichen Schweißverbindungen und deren Grundwerkstoffe bei 600 °C lässt sich mit dem NSW-Modell und den jeweiligen C*-Werten für Schweißverbindung und Grundwerkstoff gut approximieren. Eine zweifach erhöhte Rissausbereitungsgeschwindigkeit wurde für die Schweißverbindung im Vergleich zu Grundwerkstoff festgestellt. Bei 625 °C weisen der Grundwerkstoff CB2 und die Schweißverbindung SV4 im Vergleich zum 600 °C dreifach erhöhte Rissausbreitungsgeschwindigkeiten auf.

Das Ermüdungsrissfortschrittsverhalten von Schweißverbindungen und Grundwerkstoffen lässt sich konservativ durch die Rissausbreitungsgleichung aus BS 7910 beschreiben. Unter überlagerter Kriechbelastung führen Kriechermüdungsrissversuche zu erhöhten  Rissausbreitungsraten im Vergleich zu reinen Ermüdungsrissversuchen. Die Versuche mit dem Komplexzyklus weisen ein erhöhtes Risswachstum im Vergleich zu den Versuchen mit dem Standardzyklus auf. Die gesamte Rissausbreitungsrate in Kriechermüdungsrissversuchen lässt sich durch eine Akkumulation der jeweiligen Anteile aus Kriech- und Ermüdungsbeanspruchung analytisch ermitteln. Das Auslegungsverfahren sowie die Auswertungsmethode wurden durch Validierungsversuche mit Komplexzyklus an Proben mit halbelliptischen Oberflächenrissen verifiziert.

Für inhomogene Schweißverbindungen lässt sich der Kriechbruchmechanikparameter C* mittels verschiedener Ansätze bestimmen bzw. abschätzen. Das ausführlichste Simulationsverfahren mit den vollständigen Schweißnahtzonen und zonenspezifischen Materialdaten liefert den genausten C*-Wert. Die für CT-Proben an SV4 durchgeführten numerischen Untersuchungen zeigen, dass die Position der Kerbe innerhalb der Wärmeeinflusszone nur einen geringen Einfluss auf die Rissspitzenbeanspruchung hat. Die Vereinfachung des Modells auf nur wenige Materialzonen liefert konservative Ergebnisse für C*, wenn die Werkstoffparameter der kriechschwächsten Subzone gewählt werden - unabhängig der Risslage. Zudem liefern sowohl das Verfahren nach ASTM E1457 als auch das Abaqus Konturintegral mit einem 3-Zonen Modell hinreichend gute Ergebnisse, um eine Anwendbarkeit zu rechtfertigen.

Aus dem breiten Versuchsprogramm und den numerischen Ergebnissen wurde ein vereinfachtes ingenieurmäßiges Verfahren zur Bewertung von Schweißverbindungen unter Kriech- und Kriechermüdungs-beanspruchung entwickelt, mit Fokus auf realistische und tolerierbare Fehlergrößen. Zur Abschätzung von C* für inhomogene Schweißverbindungen in der Praxisanwendung dient ein Konzept, das auf einem Schweißnahtvorfaktor und dem C*-Wert des  homogenen Grundwerkstoffs basiert. Für CT-Proben aus 9 % Cr-Stählen wurde unter der Randbedingung eines konstanten Norton-Exponenten n in allen Zonen eine Modellfunktion dieses Vorfaktors identifiziert, welche die wesentlichen Einflussparameter berücksichtigt. Diese Funktion bietet die Grundlage für weiterführende Validierungen und Erweiterungen in zukünftigen Untersuchungen.

Die in diesem Forschungsprojekt gewonnen Erkenntnisse werden in einer Handlungsanweisung dem Anwender in der Industrie direkt für den Wissenstransfer zur  Verfügung gestellt. Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht. Mit den Ergebnissen lässt sich der Einsatz ferritisch-martensitischer Schweißverbindungen effizient gestalten und die Lebensdauer geschweißter Komponenten unter den heutigen Einsatzbedingungen verlängern.

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

Forschungsstellen:

Materialprüfungsanstalt (MPA) Universität Stuttgart
https://www.mpa.uni-stuttgart.de/

Fachgebiet und Institut für Werkstoffkunde (IfW) TU Darmstadt
https://www.mpa-ifw.tu-darmstadt.de                                                                                                                        

vorgelegt über:

FVV e.V., Frankfurt

Bezugsquelle Schlussbericht:
https://www.fvv-net.de/transfer/projekte   

Gerne können Sie sich auch an die Geschäftsstelle der AVIF wenden.