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- 9 Komponentensicherheit (119)
- 2 Prozess- und Anlagensicherheit (99)
- 2.1 Sicherheit von Energieträgern (85)
- 9.4 Integrität von Schweißverbindungen (74)
- 3 Gefahrgutumschließungen; Energiespeicher (73)
- 8 Zerstörungsfreie Prüfung (64)
- 9.0 Abteilungsleitung und andere (57)
- 7 Bauwerkssicherheit (52)
- 7.6 Korrosion und Korrosionsschutz (44)
- 3.5 Sicherheit von Gasspeichern (43)
Paper des Monats
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BAM Inside #7/2023
(2023)
BAM Inside #10/2023
(2023)
BAM Update #4/2023
(2023)
BAM Inside #8/2023
(2023)
BAM Inside #9/2023
(2023)
Niedriglegierte warmfeste Mn-Mo-Ni und Cr-Mo-V Stähle bilden einen wesentlichen Beitrag gegenwärtig eingesetzter Werkstoffe für druck- und temperaturführende Komponenten im Kraftwerksbau. Dies sind beispielsweise Kesselkomponenten wie Membranwände und Druckbehälter. Dabei kommen die Hauptmerkmale dieser Werkstoffgruppe (sehr gute mechanische Hochtemperatureigenschaften, Verarbeitbarkeit und niedrige Legierungskosten) zum Tragen. Die weitere Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades ist dabei das wichtigste Ziel, der Werkstoffauswahl für die nähere Zukunft, unabhängig vom Kraftwerkskonzept. Dies trifft jedoch im Besonderen bei fossil-befeuerten Kraftwerken im Rahmen der notwendigen Reduzierung der CO2 Emissionen zu. Die schweißtechnische Komponentenfertigung ist dabei das maßgebliche Fertigungsverfahren. Das Einbringen der Schweißwärme bedingt dabei metallurgische und Gefügeveränderungen in der wärmebeeinflussten Zone des Grundwerkstoffes (WEZ) als auch im niedergeschmolzenen Schweißgut. Die Schweißverbindung kann dabei zusätzlich während oder nach dem Schweißen Wasserstoff aufnehmen. Wasserstoff hat dabei eine degradierende Wirkung auf die mechanischen Eigenschaften, die sich im Worst-Case als wasserstoffunterstützte Kaltrisse zeigen, dies vor allem auch zeitverzögert (delayed cracking) durch die temperaturabhängige Wasserstoffdiffusion. Dabei zeigt jede Schweißmikrostruktur spezifische Wasserstoffdiffusions- und Lösungscharakteristika. Die Degradation ist daher als eine Kombination sich gegenseitig beeinflussender Faktoren aus lokaler Wasserstoffkonzentration, Mikrogefüge und mechanischer Beanspruchung zu sehen. Wie aktuelle Schadensfälle in der jüngeren Vergangenheit belegten (Rissbildung bei Schweißnähten an T24 Rohr-Rohr-Verbindungen), ist Wasserstoff dabei eine potentiell zu berücksichtigende Schadensursache. Zur weiterführenden Früherkennung möglicher Schäden, ist es daher notwendig, den gefügespezifischen Wasserstoffeffekt in Schweißnähten an niedriglegierten Stählen festzustellen und zu bewerten.
Die Interdependenz der mechanischen Beanspruchung und des Verbleibens einer potentiell degradierenden Wasserstoffkonzentration muss dabei für jedes Gefüge separiert werden. Daher wurden für die Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften gefügespezifische Untersuchungen an wasserstoffbeladenen Zugproben aus Grundwerkstoffen und thermisch simulierten WEZ Gefügen untersucht. Das Diffusionsverhalten wurde mit der elektrochemischen Permeationsmethode bei Raumtemperatur und über die Interpretation des Wasserstoffeffusions-verhaltens mittels Trägergasheißextraktion bei erhöhten Temperaturen bis 400°C untersucht. Zur realistischen Abbildung des Diffusionsverhaltens, wurde dabei eine optimierte Prozedur aus Probenaufheizung und Wasserstoffeffusion entwickelt. Diese wurde zusätzlich auf ein Wasserstoffmessgerät mit gekoppeltem Massen-spektrometer (MS) übertragen. Gleichzeitig, wurden die korrespondierende getrappte, sowie die Gesamtwasserstoff-konzentration bestimmt.
Die Ergebnisse zeigten, dass die WEZ eine generell erhöhte Anfälligkeit für die Degradation besitzt (im Gegensatz zum Grundwerk-stoff), unabhängig von der verwendeten Legierungsroute. Dabei nimmt die martensitische Grobkornzone die Stellung als anfälligste Mikrostruktur ein. Aus den gewonnenen Daten, konnten erstmals durchgängige gefügespezifische Kriterien(Hüllkurven) für das Versagen mit quantifizierbaren Wasserstoffkonzentrationen generiert werden. Dazu erfolgten Untersuchungen an Mn-Mo-Ni legierten Stählen (16MND5 und 20MND5 / 20MnMoNi5-5) sowie an kriechfesten Stählen T24 (7CrMoVTiB1010) und T22 (10CrMo9-10). Generell, zeigten Mn-Mo-Ni Grundwerk-stoffe eine bessere Beständigkeit als Cr-Mo(-V) Stähle. Im Fall des Cr-Mo-V Legierungskonzeptes, konnte zusätzlich die positive Wirkung von Vanadium als Legierungselement zur Erhöhung der Beständigkeit gegenüber einer Degradation bestätigt werden.
Die Untersuchungen des Diffusions- und Lösungs-vermögens zeigten, dass die WEZ generell niedrigere Diffusionskoeffizienten besitzt als der Grundwerk-stoff. Dies wird durch stärkeres Trapping des Wasserstoffs beeinflusst und steigert dabei die Lösungs-fähigkeit der Mikrostruktur. Oberhalb von 100°C konnte dabei kein nennenswertes Trapping festgestellt werden, außer im Fall des T24 infolge der Zulegierung von Vanadium. Unterhalb von 100°C, zeigte sich ein deutlicher Abfall der Diffusion infolge des weiter ansteigenden Trappings. Für den betrachteten Temperatur-bereich wurden dabei effektive Wasserstoffdiffusions-koeffizienten berechnet, die zum Teil höher liegen, im Vergleich zu Literaturwerten. Dies liegt zum großen Teil in der optimierten Aufheizprozedur der Proben begründet und, daran gekoppelt, der beschleunigten Wasserstoffeffusion.
Die weiterführende Bedeutung der Ergebnisse liegt in drei Bereichen begründet. Erstens, besteht jetzt die Möglichkeit der quantifizierbaren Vergleichbarkeit des gefüge-spezifischen Wasserstoff-einflusses auf die Degradation. Zweitens, wurden aus den experimentellen Daten, Kriterien für das Versagen für der spezifischen Schweißnahtgefüge abgeleitet. Drittens, stehen realistischere Diffusionskoeffizienten für eine Vielzahl von Schweißnahtgefügen zur Verfügung.
Aus wissenschaftlicher Sicht ergeben sich wichtige Beiträge zur Interpretation des Wasserstoffeinflusses auf die makroskopischen mechanischen Eigenschaften hinsichtlich der Legierung bzw. Phasenzusammensetzung, wie oben angeführt. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass Berechnungsalgorithmen in Kombination mit bestimmten experimentellen Randbedingungen, großen Einfluss auf die effektiven Wasserstoffdiffusions-koeffizienten haben. Dies kann speziell bei erhöhten Temperaturen zu Abweichungen führen, die einen weiteren Ansatz zur Erklärung (der in der Literatur) genannten Streubänder ergeben.
Aus ökonomischer Sicht leisten die präsentierten Ergebnisse Beiträge zur sicheren und zuverlässigen Verarbeitung der Werkstoffe. So können anhand der identifizierten Temperaturstufen des Wasserstofftrappings Mindestvorwärm-, Zwischenlagen- bzw. Nachwärmtemperaturen für das Wasserstoffarmglühen identifiziert werden. Die Verwendung der Diffusionskoeffizienten ermöglicht zusätzlich die Abschätzung bzw. Anpassung von notwendigen Haltezeiten. Für die weitere Zukunft ist die Einbindung der mechanischen Daten in vorhandene Modelle zur numerischen Simulation und der verbesserten Vorhersage wasserstoffunterstützter Degradation von Schweißmikrostrukturen vorgesehen.
Liebe Leser*innen,
wir stehen an der Schwelle einer globalen Transformation, des Aufbruchs in ein neues Zeitalter. Deutschland hat sich verpflichtet, bis 2045 das Ziel der Klimaneutralität zu erreichen, und stellt sich damit der Verantwortung, die Erderwärmung in vertretbaren Grenzen zu halten.
Der Weg zu einer CO₂-neutralen Zukunft wird nur mit sicheren Technologien und Innovationen möglich sein. Der Koalitionsvertrag der neuen Bundesregierung betont in seiner Präambel, dass "dieser Fortschritt auch mit einem Sicherheitsversprechen einhergehen muss". Unsere Expertise als Ressortforschungseinrichtung des Bundes mit dem Auftrag, Sicherheit in Technik und Chemie zu gewährleisten, ist daher auch 150 Jahre nach unserer Gründung gefragt - vielleicht mehr denn je. Wir verbinden sie mit dem Anspruch, Wissenschaft mit Wirkung zu betreiben, und leisten so einen Beitrag für eine klimaneutrale Zukunft.
Dieser Wandel und seine Innovationen werden von neuen Ideen in der Chemie sowie den Material- und Werkstoffwissenschaften getragen, unsere Zukunft ist eine stoffliche. Neue und alte Materialsysteme, Komponenten und Infrastrukturen werden im Kontext der Nachhaltigkeit gedacht werden müssen. Ihre Sicherheit macht Märkte, trägt also zum gesellschaftlichen Wohlstand bei, wenn wir das Vertrauen in Wissenschaft und Technik stärken. Dieses Vertrauen wiederum erwächst aus der Expertise von Menschen und der Verlässlichkeit von Institutionen wie der BAM.
Im letzten Jahr haben wir unsere Anstrengungen insbesondere in Schlüsselbereichen der Energiewende ausgebaut: unter anderem mit unserem Kompetenzzentrum für die Sicherheit moderner Wasserstofftechnologien, umfassenden Testmöglichkeiten für elektrische Energiespeicher und der Suche nach effizienteren, umweltschonenden Alternativen zu Lithium-Ionen-Batterien sowie mit Projekten zur Standfestigkeit noch größerer, leistungsstärkerer Windenergieanlagen und zur CO₂-Einsparung.
Zusammen mit unseren Partner*innen haben wir die große Chance, den Wandel aktiv voranzubringen. Davon erfahren Sie mehr in unserem neuen BAM Report 2021/22. Viel Spaß beim Lesen und Eintauchen in unsere Arbeit!
Liebe Leserin, lieber Leser,
die Explosion war bis an den Stadtrand von Berlin zu hören, als am 25. Mai 1894 auf dem Tempelhofer Feld etwa 70 mit Wasserstoff gefüllte Gasflaschen der "königlich-preußischen Luftschiffer-Kompagnie" detonierten. Auch wenn zum Glück niemand verletzt wurde: Die Explosion führte schlagartig vor Augen, welche Gefahren eine neue Technologie mit sich bringen kann.
Um weitere Unfälle wie diesen zu vermeiden, beauftragte die Regierung Adolf Martens, den Leiter der "Mechanisch-Technischen Versuchsanstalt", mit einem Gutachten.
1871 - vor 150 Jahren - hatte die Einrichtung in Berlin ihre Arbeit aufgenommen. Anfangs war sie nicht mehr als ein bescheidenes Laboratorium zur Prüfung der "Festigkeit von Eisen und Stahl". Rasch entwickelte sie sich jedoch zu einer unverzichtbaren Begleiterin des Fortschritts.
Heute, anderthalb Jahrhunderte später, bestimmen nicht mehr nur Schadensanalysen, sondern Megatrends wie die Globalisierung, die Digitalisierung oder Nachhaltigkeit viele der Forschungsprojekte und hoheitlichen Aufgaben, mit denen sich die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) beschäftigt, die aus der "Mechanisch-Technischen Versuchsanstalt" hervorging und 1954 gegründet wurde. Um den globalen, wirtschaftlichen und technischen Herausforderungen unserer Zeit zu begegnen, forscht, prüft, bewertet und berät die BAM heute unter anderem zu nachhaltigen Baustoffen, zur Sicherheit von Lithiumbatterien oder zur effizienten Nutzung erneuerbarer Energien. Und nicht zufällig widmen wir uns wieder intensiv der sicheren Verwendung von Wasserstoff - dem Schüsselelement für eine emissionsfreie Zukunft.
All dies geht heute nur national und international vernetzt, mit Partner*innen in Wissenschaft, Wirtschaft und Verwaltung, denn unsere Aufgaben überschreiten oft Ländergrenzen und fast immer Fachdisziplinen. Und sie bedürfen der Verständigung mit der Gesellschaft und der Politik über Ziele und Standards.
Lassen Sie uns daher gemeinsam an den globalen Herausforderungen für die Sicherheit in unserer Zeit arbeiten. Lassen Sie uns Potenziale, die in Zukunftstechnologien stecken, gemeinsam heben. Und lassen Sie uns 150 Jahre BAM, also 150 Jahre Wissenschaft mit Wirkung, feiern. Mehr dazu erfahren Sie hier im BAM Report 2020/21 und auf unserer Jubiläums-Website www.150.BAM.de.