Komponentenverhalten im 700 °C-Kraftwerk : numerische und experimentelle Untersuchungen

Abstract

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.

Currently martensitic steels are used in fossil fired power plants with maximum working temperatures up to 625 °C. These steels do not show the required creep rupture strength at the target temperature of 700 °C. For these high temperatures, new materials like the nickel base alloys have to be qualified for power plants services. Originating from the weld of turbine materials, nickel base alloys show outstanding creep rupture strength. An alloy with good prospects out of the material class of the nickel base alloys is Alloy 617 mod. However, this material is expensive due to its high nickel content. Furthermore, the complex machinability of this material leads to an additional increase in expenses. A complete fabrication of the boiler area using Alloy 617 mod is not economically feasible, which means that the usage of this material has to be limited to the temperature weld of 625 °C to 700 °C. For the boiler area with temperatures below 625 °C the well proven 9 % to 12 % Cr-steels, like T/P92 and VM12/VM12-SHC may be used. In the weld of low temperatures up to 525 °C the usage of the 2.5 % Cr-steel T/P24 offers numerous advantages, in particular in the fabrication of membrane walls. This material shows good creep properties up to temperatures of 525 °C and, for thin walled components, T24 can be welded without post weld heat treatment by using suitable techniques.

For a successful design and fabrication of a 700 °C fossil fired power plant, appropriate materials have to be qualified. Here, a special focus is set on the creep properties of these materials. The presented work is a significant contribution to the qualification of these materials. First, the materials Alloy 617 mod, T/P92, VM12/VM12-SHC and T24 are briefly introduced and characterized. After this, the materials are investigated in a detailed creep testing program. This program includes investigations on base material, extracted from tubes, pipes and inductive bends of pipes. In addition, crossweld specimens and specimens made of weld material are creep tested at high temperatures. To gain important information about the behavior under service conditions and multiaxial loadings, a test rig was developed at MPA Universität Stuttgart, which is able to test membrane-wall like components under this point of view. The applied mechanical and thermal loads in these tests are dimensioned to cause a status of high damage within the investigated materials after a test time of 2.000 h to 5.000 h. After the test procedure, the membrane-wall like specimens are metallographically investigated. The objectives of these investigations are the characterization of the actual damage within the material caused by the prior testing, in particular within the tube-fin-welds and furthermore to identify the area of crack formation.

Besides the characterization and qualification of the materials for the construction of components of a high temperature fossil fired power plant with a peak temperature of 700 °C the results of the uniaxial creep test will be used to develop material models for inelastic finite element simulations. For this a creep equation based on a formulation of Graham and Walles will be modified and furthermore extended with a damage parameter. By simulating the component tests presented in this work, the created material models (including three heat affected zones) could be verified. However, it becomes obvious that irregulations in geometry in a tube-fin-weld of a waterwall may exist and may lead to an additional bending load. By evaluating the damage parameter, which is implemented in the used creep equation, the local creep strains and the multiaxiality of the stress state , the area of maximum creep damage and with this the location of crack formation can be precisely predicted in the heat affected zone on the tube side, close to the surface of the tube-fin-weld. The acquired results show, that modern FE codes in combination with suitable creep equations are a powerful tool to support the design process of power plant components.

Finally, the results in this work allow the conclusion that with the help of the introduced modified creep equation of Graham and Walles a numerical simulation of high temperature loaded boiler components is possible. Furthermore the data base for design and dimensioning processes of power plant components in the creep regime was extended with reliable data. In addition to that the qualification of the materials Alloy 617 mod, T/P92, VM12/VM12-SHC and T24 for the usage in fossil fired power plants with temperatures up to 700 °C was furthered.