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Komponentenverhalten im 700 °C-Kraftwerk : numerische und experimentelle Untersuchungen
(2013) Schmidt, Kay H.; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Ziel dieser Arbeit ist es, einen Beitrag zur Auswahl, Charakterisierung und Qualifizierung geeigneter Kessel- und Rohrleitungswerkstoffe für ein hocheffizientes fossil befeuertes 700 °C Kraftwerk zu leisten. Weiterhin soll gezeigt werden, dass mit Hilfe numerischer Simulationen unter Einbindung geeigneter Kriechgleichungen das Verformungs- und Relaxationsverhalten von hochtemperaturbeanspruchten Komponenten abgebildet werden kann. In den vergangen Jahren wurden einige neue Werkstoffe entwickelt die es erlaubten Dampftemperaturen von bis zu 625 °C im Dauerbetrieb eines fossil befeuerten Kraftwerkskessels zu erzielen. Ermöglicht wurde dies durch die Verwendung von speziell für den Hochtemperatureinsatz weiterentwickelten martensitischen Stählen. Die Zeitstandfestigkeit dieser martensitischen Stähle weisen aktuell keine ausreichende Zeitstandfestigkeit auf um einen sicheren Dauerbetrieb eines fossil befeuerten Kraftwerkskessels bei Spitzentemperaturen oberhalb von 700 °C und Dampfdrücken bis zu 350 bar zu gewährleisten. Im Bereich der Temperaturen bis 700 °C müssen daher weitere Werkstoffe für den Einsatz im Kraftwerksbetrieb qualifiziert werden. Hier steht mit der Nickelbasislegierung Alloy 617 mod eine sehr interessante Legierung zur Verfügung. Durch den hohen Ni-Gehalt ist dieser Werkstoff allerdings vergleichsweise teuer und muss zudem unter erhöhtem Aufwand verarbeitet werden. Dies bedeutet, dass die Verwendung dieses Werkstoffes auf den Temperaturbereich von 625 °C bis 700 °C eingeschränkt werden sollte. Im Temperaturbereich bis 625 °C kann auf die gut erprobten martensitischen 9 % bis 12 % Cr-Stähle (z. B. T/P92 und VM12/VM12-SHC) zurückgegriffen werden. Im Bereich niedriger Temperaturen bis 525 °C bietet der Einsatz des 2,5 % Cr-Stahles T/P24, besonders bei der Fertigung von Membranwänden, einige Vorteile. Er weist in diesem Temperaturbereich ausreichende Zeitstandfestigkeiten auf und kann im dünnwandigen Bereich bei entsprechender Prozessführung ohne Wärmenachbehandlung verschweißt werden. Für eine erfolgreiche Realisierung eines 700 °C Kraftwerkes müssen geeignete Werkstoffe qualifiziert und im Hinblick auf ihre Kriecheigenschaften untersucht werden. Daher werden zunächst die Werkstoffe Alloy 617 mod, T/P92, VM12/VM12-SHC und T24 charakterisiert und vorgestellt sowie anschließend detaillierten Zeitstanduntersuchungen unterzogen. Innerhalb dieses Versuchsprogramms werden sowohl Grundwerkstoffproben, entnommen aus Kesselrohren und dickwandigen Rohren sowie deren Induktivbiegungen als auch Schweißverbindungs- und Schweißgutproben geprüft. Um zudem wichtige Informationen über das Verhalten der Werkstoffe unter mehrachsiger Belastung und annähernd realen Betriebsbedingungen gewinnen zu können, werden Membranwandprüfkörper in einem an der MPA Stuttgart entwickelten Komponentenprüfstand auf ihr Kriechverhalten untersucht. Die am Prüfkörper angreifenden mechanischen Lasten während des Prüfvorganges werden so ausgelegt, dass nach einer Zeit von etwa 2.000 h bis 5.000 h ein Zustand hoher Schädigung vorliegt. Anschließend werden die Prüflinge einer detaillierten metallografischen Untersuchung unterzogen. Ziel ist, neben der Bestimmung des Ortes der Rissbildung, die Ermittlung des tatsächlichen Schädigungszustandes, im Besonderen innerhalb der Rohr-Steg-Schweißverbindung. Neben der Charakterisierung und Qualifizierung der Werkstoffe werden die Ergebnisse der Zeitstanduntersuchungen zur Erstellung eines Materialmodelles für inelastische Finite-Elemente-Simulationen herangezogen. Die zu diesem Zweck verwendeten Kriechgleichungen basieren auf einem Ansatz nach Graham und Walles. Über eine Nachrechnung der innerhalb dieser Arbeit durchgeführten Bauteilversuche konnten die erstellten Materialmodelle verifiziert werden. Mit Hilfe des berechneten Schädigungsparameters, der lokalen Kriechdehnung sowie der Mehrachsigkeit des Spannungszustandes kann zudem der Ort maximaler Kriechschädigung und somit der Ort der Rissbildung kurz unterhalb der Bauteiloberfläche der rohrseitigen Wärmeeinusszone der Rohr-Steg-Schweißverbindung abgebildet werden. Die hier erarbeiteten Ergebnisse verdeutlichen, dass moderne FE-Programme in Kombination mit einem modifizierten Kriechgleichungsansatz nach Graham und Walles ein durchaus geeignetes Werkzeug zur Unterstützung des Auslegungs- und Designprozesses von Kraftwerkskomponenten darstellen. Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass mit Hilfe des verwendeten Kriechgleichungsansatzes eine numerische Simulation von hochtemperaturbeanspruchten Kesselkomponenten möglich ist. Die durchgeführten einachsigen Zeitstandversuche stellen zudem eine sinnvolle Ergänzung der Datenbasis für die Auslegung und die betriebliche Zuverlässigkeit im Langzeitbereich dar. Auch die Qualifizierung der Werkstoffe Alloy 617 mod, VM12/VM12-SHC, T/P92 und T24 für den Einsatz in einem fossil befeuerten Kraftwerk mit Dampftemperaturen bis 700 °C wurde mit den Ergebnissen dieser Arbeit vorangetrieben.