Lebensdaueroptimierung von Schweißverbindungen martensitischer Stähle für Hochtemperaturanwendungen

Doctoral thesis German OPEN
Bauer, Mathias (2009)
  • Related identifiers: doi: 10.18419/opus-6321
  • Subject: Wärmeeinflusszone , Mehrachsigkeit , Räumlicher Spannungszustand , Schweißverbindung , Nichtlineare Finite-Elemente-Methode , Experiment | 620 | Spannungsmehrachsigkeit , martensitische 9% Chrom-Stähle , Wärmeeinflusszone , Schweißverbindung | multiaxiality of stress state , martensitic 9% Chromium steels , heat affected zone , welds

Schweißverbindungen sind zum jetzigen Zeitpunkt sowohl beim Bau von Kraftwerken und Anlagen als auch für deren eventuelle Reparatur unverzichtbar. Eine Werkstoffentwicklung, mit dem Ziel der Erhöhung der Dampfparameter zur Wirkungsgradsteigerung bzw. zur Verringerung von Emissionen, muss daher zwingend die Qualifizierung geeigneter Schweißgüter und -verfahren sowie die Überprüfung geschweißter Komponenten auf deren Einsatztauglichkeit unter Hochtemperaturbeanspruchung beinhalten. Ein großer Anteil der hochtemperaturbeanspruchten Komponenten in Kraftwerken wird auch zukünftig aus den bisher in großem Umfang eingesetzten - oder im Zuge der gestiegenen Anforderungen neu entwickelten - martensitischen 9-12 %-Chromstählen gefertigt werden. Eine spezifische Wärmebehandlung (Vergüten) ist dabei maßgeblich verantwortlich für die Hochtemperatureigenschaften dieser Werkstoffe. Allerdings sind Schweißnähte vor allem bei ferritisch-martensitischen Werkstoffen - 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 Mehrachsigkeit des Spannungszustands in der äußeren Wärmeeinflusszone. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Steigerung der Zeitstandfestigkeit von Schweißverbindungen über eine gezielte Beeinflussung der Mehrachsigkeitsverhältnisse im Bereich der Wärmeeinflusszone der Schweißnaht. Durch die Optimierung der Schweißguteigenschaften - stets angepasst an die Werkstoffeigenschaften des Grundwerkstoffs - und der Schweißnahtgeometrie, kann eine Entlastung der Wärmeeinflusszone erreicht werden. Untersucht werden drei Schweißgüter unterschiedlicher Zeitstandfestigkeit. Ferner wurde der Einfluss unterschiedlicher Flankenwinkel detailliert untersucht. Im Fokus der vorliegenden Arbeit stehen Schweißverbindungen moderner 9-12 %-Chromstähle. Durch die unterschiedlichen Zeitstandfestigkeiten der untersuchten Schweißgüter können Umlagerungs- und Relaxationsvorgänge in den einzelnen Werkstoffzonen beeinflusst werden. Somit erlaubt die Anpassung der Schweißguteigenschaften, in Kombination mit einer optimierten Schweißnahtgeometrie, eine Einflussnahme auf den Spannungs- und Dehnungszustand im Bereich der Naht geschweißter Komponenten. Mit Hilfe einer detaillierten Basischarakterisierung des Grundwerkstoffs, der verschiedenen Schweißgüter und verschiedenen Proben aus simulierten Gefügen aus der Wärmeeinflusszone, wird ein Materialmodell für inelastische Finite-Elemente-Simulationen entwickelt und erfolgreich validiert. Dazu dienen neben Kleinproben auch zwei Bauteilversuche (längsnahtgeschweißte, dickwandige Rohre unter Innendruck). Bei den Kleinproben zeigen die Finite-Elemente-Simulationen sowie die experimentellen Ergebnisse einen Trend hin zu längeren Lebensdauern unter Verwendung des zeitstandschwächeren Schweißgutes. Numerisch kann gezeigt werden, dass bei dieser Schweißkonfiguration die Mehrachsigkeit des Spannungszustandes und folglich die Schädigung im kritischsten Bereich der Naht deutlich reduziert werden kann. Ein Einfluss des Flankenwinkels auf die Lebensdauer kann bei den Kleinproben anhand von (numerischen) Untersuchungen allerdings nicht festgestellt werden. Bei den Simulationen der Komponenten zeigt sich hingegen ein anderes Verhalten. Trotz der Entschärfung des Spannungszustandes, durch Verwendung des Schweißgutes mit niedrigerer Zeitstandfestigkeit, kann kein nennenswerter positiver Einfluss auf die Reduzierung der Schädigung im Bauteil festgestellt werden. Im Gegensatz zu den Kleinproben kann bei den Komponenten aber 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 mit dem zeitstandschwächeren P91 Schweißgut eine weitere Reduzierung des Schädigungsgrads – verglichen mit matched oder overmatched geschweißten Komponenten – erzielt werden kann. Die im Rahmen dieser Arbeit erzielten Ergebnisse zeigen, dass durch angepasste Schweißguteigenschaften in Kombination mit einer Optimierung der Schweißnahtgeometrie eine Einflussnahme auf die Lage und Größe der kritischen Parameter wie der Mehrachsigkeit des Spannungszustandes und der Schädigung sowie der absoluten Größe von Spannungen und Dehnungen möglich ist. Die Validierung der numerischen Ergebnisse mit experimentell ermittelten Daten hat gezeigt, dass mit den hier abgeleiteten Algorithmen in Abhängigkeit des Mehrachsigkeitsgrad des Spannungszustands eine Beschreibung des viskoplastischen Verformungsverhaltens und insbesondere der Schädigungsentwicklung hochtemperaturbeanspruchter, geschweißter Bauteile sowie eine Lebensdauerabschätzung dieser Komponenten mit Vorhersage des Versagensorts und der Versagenszeit möglich ist.
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