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Die Erzeugung von Erneuerbaren Energien unterliegt starken Schwankungen, die von konventionellen Kraftwerken ausgeglichen werden müssen, um das Stromnetz stabil zu halten. Für die konventionellen Kraftwerke bedeutet dies eine zunehmend zyklische Fahrweise, die zu häufigeren Last- und Temperaturwechseln führt. Von den eingesetzten Werkstoffen fehlen Daten zum Verhalten unter zyklischer Fahrweise. Ziel dieser Arbeit ist es daher, für P92, einen als Rohrleitungswerkstoff eingesetzten hochwarmfesten Stahl, zu untersuchen, welche Auswirkungen zyklische Fahrweisen auf die Schädigungsprozesse und Lebensdauern haben.
Da durch den zyklischen Betrieb eine verstärkte Schädigung durch Ermüdungsprozesse zu erwarten ist, wurden dehnungskontrollierte isotherme (LCF) und nicht-isotherme (TMF) Ermüdungsversuche mit und ohne Haltezeit bei verschiedenen Temperaturen bzw. Temperaturintervallen durchgeführt. Mit den Haltezeitversuchen soll dabei das Kriech-Ermüdungs-Verhalten untersucht werden. Bei den TMF-Versuchen wurde zusätzlich die Temperaturrate variiert, um näher an den realen Lastwechselgeschwindigkeiten zu prüfen. Schließlich wurden auf Basis der durchgeführten LCF- und TMF-Versuche betriebsnahe Versuchsprozeduren entwickelt, um unterschiedliche Betriebsmodi in einem Versuch abzubilden.
Die durchgeführten mechanischen Versuche stellen eine umfangreiche Basis zu Ermüdungsdaten an P92 dar. Neben der Abhängigkeit der Lebensdauer von Temperatur, Temperaturintervall und –rate, sowie Dehnung und Haltezeit, konnte auch das Entfestigungsverhalten genauer charakterisiert werden. Sowohl Haltezeiten als auch das Reduzieren der Temperaturrate können die Lebensdauer erheblich verringern. Dabei kommt es gerade bei vermeintlich kleinen Dehnungen, bei denen die Streckgrenze nur leicht überschritten wird, zu einer Lebensdauerreduzierung. Haltezeiten verstärken zudem die zyklische Entfestigung. Die fraktographische Analyse der Proben hat ergeben, dass es keinen direkten Zusammenhang zwischen der Entfestigung und der Bildung von Nebenrissen gibt. Stattdessen zeigen EBSD- und TEM-Untersuchungen, dass es zur Bildung einer Subkornstruktur kommt und die Entfestigung auf dem Verschwinden von Kleinwinkelkorngrenzen beruht. Während bei den LCF-Proben eine reine Ermüdungsschädigung vorliegt, konnte bei einigen TMF-Proben eine kriechdominierende Schädigung nachgewiesen werden. Die betriebsnahen Zyklen zeigen, dass sich mit den durchgeführten Versuchen das reale Betriebsverhalten gut abschätzen lässt. Da es jedoch auch Parameterkombinationen gibt, bei denen keine Änderung des Entfestigungs- und Lebensdauerverhaltens auftritt, sollte genau bekannt sein, welche Belastungen in einem Bauteil auftreten.
Hochwarmfeste ferritisch-martensitische Stähle mit 9-12 Gew.-% Chromgehalt werden wegen ihrer hohen Kriechfestigkeit und ihres gleichzeitig guten Oxidationswiderstands erfolgreich als Konstruktionswerkstoff für Hochtemperaturbauteile in Kraftwerken eingesetzt. Die zunehmend zyklische Fahrweise konventioneller Kraftwerke im lastflexiblen Betrieb führt zu häufigen Last- und Temperaturwechseln, die von den Bauteilen sicher ertragen werden müssen. Schnelle Lastwechsel verursachen vor allem in dickwandigen Bauteilen erhebliche thermische und mechanische Beanspruchungen. Während unter stationären Betriebs¬bedingungen der Lebensdauerverbrauch von der Werkstoffschädigung durch Kriechen dominiert wurde, verstärkt sich im zyklischen Betrieb die Schädigung durch Ermüdungsprozesse.
In der hier vorgestellten Arbeit wird am Beispiel des ferritisch-martensitischen Stahls P92 untersucht, welche Auswirkungen zyklische Fahrweisen auf die Schädigungsprozesse und Lebensdauern dieser Stähle haben. Das Versuchsprogramm kombiniert deshalb Standardtests mit betriebsnahen mechanischen Versuchen unter überlagerter Kriech-, Ermüdungs- und Temperaturwechselbeanspruchung. Diese werden im vorliegenden Beitrag anhand erster Versuchsergebnisse vorgestellt. Ziel der Arbeiten ist, die auftretenden mechanischen Effekte darzustellen und die zugrunde liegenden Schadensmechanismen durch umfangreiche mikroanalytische/fraktographische Nachuntersuchungen des Probenmaterials zu identifizieren.
Ermüdungsverhalten, Lebensdauer und Schädigungsprozesse von P92 unter zyklischen Betriebsbedingungen
(2016)
Schnelle Lastwechsel mit hohen Temperaturgradienten führen zu thermischen und mechanischen Beanspruchungen v.a. in dickwandigen Bauteilen. Daraus ergibt sich ein komplexes Lastkollektiv, bei dem der Werkstoff sowohl durch Kriechermüdung als auch durch thermomechanische Ermüdung (TMF) geschädigt wird. Welche Auswirkungen hat eine gleichzeitige Änderung von Temperatur, mechanischer Beanspruchung und Arbeitsmedium auf die Schädigungsprozesse?
Schnelle Lastwechsel führen v.a. in dickwandigen Kraftwerksbauteilen zu starken thermischen und mechanischen Beanspruchungen, da sich hohe Temperaturgradienten über der Wand des Bauteils einstellen. Es ergeben sich komplexe Lastkollektive aus zeitlich veränderlichen Spannungen/Dehnungen und Temperaturen, die formal einer Kombination aus Kriechbeanspruchung, Kriechermüdung und thermomechanischer Ermüdung (TMF) entsprechen.