Lebensdauerbewertung dickwandiger Bauteile aus Nickelbasislegierungen unter betriebsnahen Beanspruchungen

Abstract

Nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) soll in Deutschland bis zum Jahr 2050 der Anteil der erneuerbaren Energien an der Stromerzeugung auf 80% gesteigert werden. Deshalb werden konventionelle Kraftwerke weniger zur Deckung der Grundlastversorgung, sondern vielmehr zur Deckung der Mittel- und Spitzenlastversorgung eingesetzt. Dies bedeutet für die Anlagen, dass diese einerseits für kürzere Zeiten stationär betrieben werden und andererseits deutlich häufiger mit hohen Laständerungsgeschwindigkeiten an- und abgefahren werden, um die Erzeugungslücken der erneuerbaren Energien zu decken. Dies führt dazu, dass die Komponenten verstärkt einer überlagerten Beanspruchung aus Kriechen und Ermüdung ausgesetzt sind, welche einen Lebensdauer verkürzenden Einfluss hat.

Das Ziel dieser Arbeit ist es, ein Konzept zur Lebensdauerbewertung von kriechermüdungsbeanspruchten dickwandigen Komponenten aus den Nickelbasislegierungen Alloy 617 mod. und Alloy 263 auf der Basis numerischer phänomenologischer Ansätze sowie Ansätzen gängiger Regelwerke/Empfehlungen zu entwickeln und zu verifizieren. Explizit liegt der Fokus auf zwei Komponenten der Hochtemperatur-Werkstoff-Teststrecke II (HWT II), einem Sammler aus Alloy 617 mod. und Alloy 263 sowie einem Halbkugelformstück aus Alloy 617 mod..

Zur Grundcharakterisierung der in HWT II verwendeten Schmelzen der Nickelbasislegierungen sind bei Prüftemperaturen im Bereich von 20°C bis 725°C einachsige Zugversuche, (Kriech-)ermüdungsversuche, Zeitstandversuche sowie Kerbschlagbiegeversuche durchgeführt worden. Der Vergleich der Versuchsergebnisse mit den Vorgaben der Werkstoffdatenblätter und den Ergebnissen der Forschungsvorhaben COORETEC DE4, MARCKO DE2 und MARCKO700 zeigte für beide Nickelbasislegierungen mit Ausnahme der Zeitstandversuchsergebnisse des Alloy 617 mod. keine Auffälligkeiten. Bei den Ergebnissen der Zeitstandversuche an der HWT II-Schmelze des Alloy 617 mod. konnten Abweichungen hinsichtlich des Verformungs- und Schädigungsverhalten identifiziert werden. Neben den Versuchen zur Grundcharakterisierung wurden komplexe Laborversuche zur Charakterisierung des Werkstoffverhaltens bei überlagerter Kriechermüdungsbeanspruchung sowie multiaxialen Spannungszuständen durchgeführt.

Des Weiteren wurden zur Charakterisierung der Entwicklung der Mikrostruktur, des Ausscheidungsverhaltens sowie der Versetzungsstruktur für beide Nickelbasislegierungen am Material im Ausgangszustand und im kriech- bzw. kriechermüdungsbeanspruchten Zustand metallographische Untersuchungen im Lichtmikroskop und Transmissionselektronenmikroskop durchgeführt. Die Ergebnisse wurden zur Einordnung mit den Ergebnissen aus anderen Forschungsvorhaben verglichen und es konnten keine Abweichungen festgestellt werden.

Um mit Hilfe von Finite-Elemente Simulationen das Verformungs- und Schädigungsverhalten bei Kriechermüdungsbeanspruchungen beschreiben zu können, wurde ein viskoplastisches Verformungsmodell mit integrierter Schädigungsformulierung nach Lemaitre verwendet. Die werkstoffabhängigen Modellparameter wurden anhand der Ergebnisse der Grundcharakterisierungsversuche für beide Nickelbasislegierungen angepasst. Zur Einordnung der Anpassungen wurden sämtliche Zeitstand und Ermüdungsversuche in FE-Simulationen nachgerechnet. Weiterhin erfolgte die Verifizierung der Modellanpassungen durch Nachrechnungen der komplexen Laborversuche. Aus den Vergleichen der Ergebnisse der Versuche und Simulationen ist zu identifizieren, dass sowohl das Verformungs- als auch das Schädigungsverhalten in guter Weise durch das viskoplastische Materialmodell mit den ermittelten Parametern beschrieben werden kann.

Anhand von Nachrechnungen komplexer dickwandiger Bauteile (Sammler, Halbkugelformstück) unter realitätsnahen thermischen und mechanischen Belastungsbedingungen konnte gezeigt werden, dass das im Rahmen dieser Arbeit an den Werkstoffen Alloy 617 mod. bzw. Alloy 263 angepasste Verformungs- und Lemaitre-Schädigungsmodell geeignet ist, um die anrissgefährdeten Stellen und die Lebensdauer bis zum Anriss vorherzusagen. Dies konnte anhand von Farbeindringprüfungen sowie Auswertungen der Bruchflächen des untersuchten Sammlers belegt werden.

Für die Lebensdauerwertungen wurden darüber hinaus noch die Bewertungsansätze nach der europäischen DIN EN 12952-3/4, der amerikanischen ASME Section III Division 1 Subsection NH, der französischen RCC-MR RB 3262.12 und der britischen R5 Empfehlungen Volume 2/3 angewendet. Dabei zeigte sich, dass die Ansätze nach ASME und RCC-MR aufgrund sehr konservativer Vorhersagen und die Ansätze nach R5 und DIN EN 12952 aufgrund nicht konservativer Vorhersagen für die Nickelbasislegierungen Alloy 617 mod. und Alloy 263 nicht geeignet sind.

Until 2050 the renewable energies should provide 80% of the power in Germany according to Renewable Energy law. Due to that reason the conventional power plants are not used for base load, but rather for the supply of average and peak load. The change of the operating mode leads to shorter times at stationary temperatures and the number of faster start-ups/shut-downs of the power plants will increase. As a result of this the components are exposed to an interacting load of creep and fatigue which reduces the lifetimes.

The aim of this thesis is the development and verification of a lifetime assessment procedure for components made of the nickel-base alloys Alloy 617 mod. and Alloy 263 under creep fatigue loading conditions based on numerical phenomenological models and on the approaches of different standards/recommendations. The focus lies on two components of the high temperature material test rig II (HWT II), a header made of Alloy 617 mod. and Alloy 263 as well as a formed part made of Alloy 617 mod..

For the basis characterization of the HWT II melts, specimens of the Alloy 617 mod. and Alloy 263 are tested in uniaxial tensile tests, (creep-)fatigue tests, creep tests and charpy tests in a temperature range between 20°C and 725°C. From the comparisons of the test results and the material specifications respectively the results of the projects COORETEC DE4, MARCKO DE2 and MARCKO700 no deviations were obvious for both materials with the exception of the creep test results with Alloy 617 mod. material. The creep tests with Alloy 617 mod. material of the HWT II melt show differences regarding the deformation and damage behavior. In addition to the basis characterization tests some complex lab tests for the characterization of the material behavior under creep-fatigue and multiaxial loading conditions were conducted.

The developments of the microstructure, the precipitations as well as the structure of dislocations are investigated in the light optical microscope and the transmission electron microscope for the base raw material, the creep and creep-fatigue exposed material. For the classification the investigation results were compared to the results of the other projects and no differences could be identified.

For the description of the deformation and damage behavior under creep-fatigue loading with finite elements simulations a viscoplastic deformation model with an integrated damage model of Lemaitre was used. The material dependent model parameters were fitted under consideration of the basis characterization test results of the Alloy 617 mod. and Alloy 263. All basis characterization tests are simulated with finite elements to classify the parameter fittings. The verification of the fitted material models was carried out by simulations of the complex lab tests. From the comparison of the simulation and test results it is obvious that the deformation and damage behavior can be reproduced with the used material model in a good manner.

With finite element simulations of complex thick-walled components (header, formed part) under realistic thermal and mechanic loading conditions could be shown that the viscoplastic material model fitted for the Alloy 617 mod. and Alloy 263 is able to predict the locations of the maximum loadings and the lifetime until the first cracks appear. This could be confirmed by dye penetrant testing on the one hand and destructive investigations of two fracture surfaces of the header on the other hand.

Additionally the approaches of the European DIN EN 12952-3/4, the American ASME Section III Division 1 Subsection NH, the French RCC-MR RB 3262.12 and the British R5 recommendations Volume 2/3 are used to predict the lifetimes. It can be seen that the approaches of ASME and RCC-MR provide very conservative predictions and that the approaches of R5 and DIN EN 12952 provide non-conservative predictions. These results lead to the conclusion that no approach of the standards/recommendation is suitable for the nickel base alloys Alloy 617 mod. and Alloy 263.