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Organisationseinheit der BAM
Eingeladener Vortrag
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Metallic high temperature materials for energy applications - current research activities at BAM
(2015)
Size Effects in Miniature Specimen Creep Testing of Heat Resistant Ferritic-Martensitic Steels
(2015)
Konventionelle Kraftwerke sind durch die Energiewende erheblichen Anforderungen ausgesetzt. Mangels ausreichender Stromspeicherkapazitäten müssen sie zur Netzstabilisierung flexibel auf die wetter- und tageszeitbedingte Fluktuation der Wind- und Sonnenergie reagieren, was gegenüber dem Grundlastbetrieb eine hohe Anzahl von Lasteingriffen oder Anfahrvorgängen bedeutet. Schnelle Lastwechsel und Anfahrvorgänge führen jedoch zu einer erheblichen Beanspruchung aller Bauteile des Dampfkreislaufs, die zu einer beschleunigten Bauteilschädigung und bis hin zu Anlagenausfällen führen können.
Vor diesem Hintergrund werden an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) Untersuchungen zur Beständigkeit ferritisch-martensitischer Dampferzeuger-werkstoffe mit 9 12 Gew. % Cr (P91, P92, VM12 SHC) bei zyklischem Anlagenbetrieb durchgeführt. Ziel der Arbeiten ist, durch grundlegende Korrosions- und Mechanikversuche unter zyklischen Bedingungen und ergänzende Simulationen die Reaktion dieser Werkstoffgruppe auf lastflexible Betriebsprofile umfassend zu beschreiben. Aufbauend auf einer detaillierten Charakterisierung der auftretenden Schädigungsmechanismen werden in einem Folgeschritt Standardzyklen zur effizienten Prüfung einzelner Werkstoffe abgeleitet.
Der Beitrag gibt einen kurzen Überblick über die Konzeption und stellt nachfolgend die aktuellen Projektergebnisse vor. Im Bereich der Oxidations-/Korrosionsuntersuchungen steht dabei zunächst die Integrität der schützenden Oxidschichten, vor allem auf der Dampfseite der Komponenten, im Vordergrund. Hierzu werden zyklische Oxidationstests an Standardproben und bauteilnahen Probengeometrien durchgeführt und die Oxidationskinetik sowie die Entwicklung der Haftfestigkeit untersucht. Die mechanischen Untersuchungen bauen auf den bekannten Kriech- und Ermüdungseigenschaften auf. Der Schwerpunkt liegt deshalb auf der Untersuchung von Schädigung und Lebensdauer bei Kombination von stationären Zuständen (mit überwiegender Kriechschädigung) und transienten Zuständen inklusive Temperaturwechseln, die Kriechermüdungs- bzw. thermo-mechanische Ermüdungsprozesse auslösen und so eine frühzeitige Rissbildung bewirken können. Im Hinblick auf die Flexibilisierung von Bestandsanlagen werden betriebsbeanspruchte Chargen in die Untersuchungen einbezogen, um eventuelle zusätzliche Effekte durch Werkstoffalterung zu berücksichtigen.
In recent years, the performance of heat resistant ferritic-martensitic steels under cyclic oxidation and cyclic mechanical loading has gained considerable attention. The growing contributions of renewable energy sources to electricity generation have triggered a shift from continuous (baseload) operation of conventional power plants towards cyclic or “flexible” operation, which is needed to stabilize the electric grids by balancing the highly variable renewable’s input.
Compared to the impressive amount of data on isothermal oxidation/corrosion and static
mechanical loading (creep) that was compiled over decades, only little and sometimes
contradictory information is so far available on the reaction of these alloys to cyclic
conditions. The latter may involve frequent transients or holds at intermediate temperatures, as well as shut-downs and start-ups with high temperature rates which result in cyclic mechanical loads (thermo-mechanical fatigue, TMF) and thermo-cyclic oxidation at variable temperature.
Our contribution will report on recent findings obtained within the framework of a junior
research group which investigates the oxidation and fatigue of the ferritic-martensitic grades P91, P92 and VM12 SHC under thermo-cyclic conditions. Cyclic oxidation tests are carried out in steam using different sample shapes (flat coupons, U-segments and rings taken from heat exchanger tubes). Special attention is paid to changes in the kinetics and the integrity and possible delamination/spalling of the oxide layers. Mechanical tests are carried out on material from real steam pipes with a focus on the softening behaviour and lifetime issues resulting from combined creep/TMF loadings. All experiments are carried out in the 300-620°C regime with temperature and load profiles that resemble typical loading scenarios in power plants and are complemented by detailed microstructural characterisation.