Lebensdaueroptimierung von Schweißverbindungen martensitischer Stähle für Hochtemperaturanwendungen

Abstract

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.

Welding is at present the most important joining technology in modern power and process plant construction and repair. Therefore, in modern alloy design - with the aim to increase steam parameters and hence the efficiency of power generation - the qualification of adequate materials and fabrication procedures is vital. Furthermore, the integrity of welded components has to be verified and guaranteed under high temperature loading conditions. For state of the art martensitic steels - used extensively in modern power plants - welding can cause major problems in service due to the formation of a heat affected zone in the base metal close to the fusion line. The heat affected zone represents the weakest link in weldments and can lead to premature failure of the component. There are two major factors: on the one hand, the outer fine grained or intercritical heat affected zone shows poor creep resistance due to its microstructure and precipitates' characteristics. On the other hand, a severe multiaxial stress state can be observed in that region of welded components. Multiaxial loading has a negative influence on the liftetime of components operating in the creep regime as it was shown in several publications. An optimization of the lifetime of welded components is essential to realize the ambiguous goals of increased efficiency and reduced emissions in power generation. Increasing the creep strength of welded components by taking influence on the multiaxiality of the stress state in the heat affected zone is the main goal of the work presented here. By a specific variation of the weld metals creep strength - adjusted to the material behavior of the base material - and an optimization of the weld geometry a positive influence on the creep rupture behavior of the heat affected zone can be achieved. Three different weld configurations are investigated in the research presented here. Furthermore, a variation of the weld edge angle and its influence on the behavior of welded components is studied. The main focus of this work is on welds of modern martensitic 9-12% Cr-steels. Due to the different creep strength of the weld metals, the stress distribution and the factor of multiaxiality of the stress state respectively, plus the absolute values of stress and strain in the different zones of the weld will be influenced. A specific combination of optimised weld metal's creep strength along with an adopted weld geometry allows to influence the location and magnitude of critical values such as multiaxiality, stress and deformation. A detailed material characterisation was performed for the base metal, the different weld metals as well as for specimens of several thermally simulated microstructures of the HAZ. For the finite element simulations presented in this research, a state of the art material model for creep loading was optimised and adjusted to welded components and validated with results from small scale specimens as well as large scale component tests (longitudinally welded, thick walled pipes under high temperature loading). Numerical and experimental results of small scale specimens show an optimisation of the lifetime if the undermatched filler material is used. This weld configuration shows reduced multiaxiality of the stress state in the heat affected zone and as a consequence less accumulated damage. The influence of the variation of the weld edge angle is rather small for small scale specimens - as finite element simulation show - and can therefore be neglected. However, large scale welded components show a different behaviour under creep loading. Although results of finite element simulations clearly show a reduction of the multiaxiality of the stress state by using an undermatched filler material, hardly any positive effect on the damage and thus the lifetime can be observed. This can be confirmed by metallographical investigations of the components that are available at present (one large scale test is still running). But it has to be emphasised that a variation of the weld edge angle of the components showed an enormous influence on the lifetime of those welds, contrary to the small scale results. Numerical results show a reduction of damage by 15% if small weld angles (0°) are used instead of larger angles (15° and 22°). Additional simulations, using a combination of small weld edge angle (0°) and the undermatched P91 filler material, clearly indicate yet another improvement of the damage situation in the intercritical heat affected zone. Finally, the results presented in this work allow the conclusion, that by a specific combination of optimised weld geometry and adjusted material behaviour of the weld metal, critical parameters like the multiaxiality of the stress state and damage but also the absolute values of stresses and strains in welded components can be influenced positively.