Modellierung des Ermüdungsverhaltens von Mischschweißnähten unter Mediumsbedingungen bei multiaxialer thermo-mechanischer Beanspruchung

Abstract

Zielsetzung der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung einer Vorgehensweise zur Ermüdungsbewertung von Mischschweißnähten in Hochtemperaturwasserumgebung bei mehrachsiger thermomechanischer Beanspruchung. Das Vorgehen gliedert sich in die zur Ermittlung der thermomechanischen Beanspruchungen notwendigen numerischen Berechnungsverfahren sowie in eine Methodik zur Bewertung der mehrachsigen Beanspruchungszustände unter Berücksichtigung des Umgebungsmediums. Kriterium für die Werkstoff- bzw. Bauteilermüdung ist die Lebensdauer bzw. die ertragbare Zyklenzahl bis zum Auftreten eines technischen Anrisses. Die auf Basis von Versuchen an Werkstoffproben entwickelte Methodik wird an geschweißten Rohrmodulen verifiziert. Dazu werden die Module in einer Großversuchsanlage von Hochtemperatur-Druckwasser durchströmt und thermisch-transienten Wechselbeanspruchungen ausgesetzt. Im Rahmen experimenteller Untersuchungen wurden zunächst an Laborproben Verformungs- und Anrisskennwerte der Untersuchungswerkstoffe im Umgebungsmedium Luft- und Hochtemperaturwasser ermittelt. Die in definierter Hochtemperaturwasserumgebung ausgebildeten Oxidschichten wurden bezüglich ihres Bildungsprozesses sowie des mechanischen Verhaltens charakterisiert. Der mehrlagige Schweißprozess von Rohrmodulen mit Nennweite DN80 wurde mit Temperaturmessungen begleitet und im Anschluss wurde der Eigenspannungszustand innerhalb der Rohrumfangsnaht durch Eigenspannungsmessungen ermittelt. Im Rahmen von Bauteilversuchen wurden die Rohrmodule in Hochtemperaturwasser durch periodische Kaltwasserzuspeisung transienten Temperaturwechselzuständen zwischen 260 C und 20 C ausgesetzt, um ermüdungsrelevante Beanspruchungen zu erzeugen. Durch fraktographische Analysen an den vorab thermisch-mechanisch-korrosiv beanspruchten Rohrmodulen wurden zugehörige Schadensmuster analysiert. Im Rahmen numerischer Untersuchungen wurden temperaturabhängige Materialmodelle zur simulativen Abbildung des zyklischen Verformungsverhaltens angepasst. Das zugehörige elastisch-plastische Verformungsverhalten wurde zuvor durch isotherme Ermüdungsversuche an glatten Laborproben ermittelt. Das eingesetzte Materialmodell mit kinematischer Verfestigung ist im FE-Programm Abaqus bereits implementiert und erprobt. Die Ergebnisse konnten anhand eigener Versuchsdaten mit gekerbten Proben sowie Daten aus der Literatur verifiziert werden. Eine Schweißprozesssimulation wurde durchgeführt um den Eingenspannungszustand von Rohrmodulen mit Mischschweißnaht zu ermitteln. Das quasistatische elastisch-plastische Werkstoffverhalten wurde im FE-Programm durch Hinterlegung temperaturabhängiger Fließkurven berücksichtigt. Die numerisch ermittelten Eigenspannungsfelder wurden durch Messungen verifiziert. Die Fluid-Struktur-Interaktion der mit Hochtemperaturwasser durchströmten Rohrmodule wurde durch thermisch voll-gekoppelte CFD-Analysen in ANSYS-CFX berechnet. Transiente Temperaturwechselzustände im Bereich der Rohrmodule mit Mischschweißnaht wurden unter Verwendung eines Turbulenzmodells mit Reynolds-Mittelung (RANS) sowie einem Grobstrukturmodell (LES) simuliert. Durch transiente CFD-Simulation berechnete Temperaturfelder wurden in ein strukturmechanisches Modell übertragen, um die elastisch-plastischen Verformungszustände innerhalb des Moduls mit Mischschweißnaht zu ermitteln. Neben dem eigenspannungsfreien Ausgangszustand der Rohrmodule konnte auch der Einfluss eines initialen Eigenspannungsfeldes, entsprechend das Ergebnis der Schweißprozesssimulation, bei der Beanspruchungsermittlung direkt berücksichtigt werden. Die Gültigkeit der hier entwickelten Simulationsmethodik konnte durch die Gegenüberstellung von numerisch berechneten Temperatur- und Verschiebungsfeldern und den während Bauteilversuchen gemessenen Werten aufgezeigt und nachgewiesen werden. Eine Bewertung der transienten Beanspruchungszustände erfolgte nach klassischen Festigkeitshypothesen und der Methode der kritischen Schnittebene. Zur Berücksichtigung des Einflusses der Hochtemperaturwasserumgebung auf die Ermüdungsfestigkeit wurde ein mechanismenbasierter Ansatz unter Verwendung eines Schädigungsparameters vorgeschlagen. Es konnte gezeigt werden, dass Lebensdauerabschätzungen basierend auf der entwickelten Vorgehensweise von fraktographischen Analysen aus Bauteilversuchen bestätigt werden. Im Vergleich zu Analysen nach dem Stand von Wissenschaft und Technik wird damit eine bessere Abschätzung des Mediumseinflusses hinsichtlich der Ermüdungsfestigkeit erreicht.

A methodology for fatigue life assessment of dissimilar metal welds experiencing multiaxial thermo-mechanical loading in high temperature water environment is described. The concept covers numerical calculation procedures to determine the cyclic loading state and thereon an approach to account for environmental effects. Criterion for fatigue in materials and fatigue life of components is defined by the tolerable number of loading cycles until a technical crack is formed. The methodology described is derived from tests using laboratory specimens at first and applied to welded pipe components afterwards. Within a large-scale testing facility these components were exposed to pressurized high temperature water to experience thermal transients. Fatigue testing using laboratory specimens was done to determine deformation behavior and fatigue life of the investigated materials in both air and high temperature water environment. Oxide scales which have built up under defined high tempterature water conditions were analyzed concerning its time dependent formation and mechanical behavior. Temperature measurements were applied during the multilayer welding process of pipes which were investigated regarding its residual stress state after the welding. Thermal cycling was applied on welded modules in the range between 260 C to 20 C. Therefore cold water was injected right in front of the modules periodically. A fractographic analysis was done on the inner pipe wall of welded modules to investigate the fracture behavior resulting from thermal cycling. Elastic-plastic materials modeling was used to determine the temperature dependent deformation behavior during cyclic loading by numerical analysis. Therefore models have been adjusted to data from fatigue tests using smooth specimens. Cyclic deformation was calculated by use of a material model including kinematic hardening which is implemented in the FE-Code Abaqus. Results were verified by comparison to both test data from notched and welded specimens as well as data from literature. Weld residual stress fields within welded modules were calculated by simulating the welding process. Therefore FE-Analysis includes temperature dependent static flow curves to calculate quasi-static elastic-plastic material behavior. Results from numerical simulation and residual stress measurements were compared for verification. Thermally fully coupled CFD-Analysis were performed to simulate Fluid-Structure-Interaction within welded pipe modules. Transient temperature changes within welded modules were caclulated as a result from turbulent mixing by applying RANS- and LESmodeling. Elastic-plastic deformations within welded modules were caclulated by transferring temperature fields within solids from CFD-Analysis to a structural mechanics FE-model. Resulting deformations and temperatures from numerical analysis were confirmed by measurements during component testing of welded modules. Fatigue assessment was done by applying classical theories of failure as well as critical plane approaches. In order to include environmental effects within the fatigue assessment a mechanistic concept based on a fatigue damage parameter is proposed. Results from the mechanistic environmental fatigue concept are in good agreement to the fractographic analysis of the tested components. Finally the proposed methodology showed distinct advantages regarding its estimations on fatigue life in comparison to state-of-the-art fatigue assessment.