Untersuchungen zur Beschreibung des Ermüdungsverhaltens kraftwerksspezifischer Stähle im Frühstadium

Projektnummer 219

Die Beanspruchungssituation von Bauteilen des Kraftwerks- und Anlagenbaus wird zunehmend durch die Änderung von Randbedingungen wie

  • gesteigerte Dampfparameter
  • größere Einheiten
  • Änderungen in der Verfahrenstechnik (Kombikraftwerk)

zu sehen sein. Die für Auslegung und Lebensdauer notwendigen Eigenschaften (Kriechfestigkeit, Ermüdungseigenschaften) müssen über entsprechende Forschungsprogramme bereitgestellt werden.

Für die Ermittlung der Erschöpfung infolge Werkstoffermüdung wird nach gültigen Regelwerken und Richtlinien z. B. die TRD 301/508 herangezogen. Bei der Anwendung von zerstörungsfreien Prüfmethoden bei Ermüdungsanrissbildung ergibt sich das grundsätzliche Problem, dass diese Risse, die im allgemeinen von der Oberfläche ausgehen, mit Oxidationsprodukten nahezu gefüllt sind, so dass eine Detektion kurzer Risslängen sehr erschwert wird. Darüber hinaus stellt das Vorhandensein von Ermüdungsanrissen im Größenordnungsbereich 1 mm nahezu den "End-of-Life"-Zustand dar. Für die Früherkennung der ermüdungsbedingten Anrissbildung liegen daher keine der Kriechschädigung vergleichbaren Hilfsmittel vor.

Die wesentliche Problemstellung des geplanten Vorhabens orientiert sich an folgenden Wissenslücken:

  • Für die Ermittlung des Erschöpfungszustandes von Bauteilen des Kraftwerkbaus infolge Ermüdungsbeanspruchung fehlt eine systematische Zusammenstellung von werkstoff- bzw. temperaturspezifischen Anrisslastspielkurven, die die entsprechenden Kurven in den Regelwerken auch im Hinblick auf die modernen Stähle ergänzen bzw. ersetzen. Damit ergibt sich die Möglichkeit einer realistischeren Erschöpfungsermittlung.
  • Der Zusammenhang zwischen Ermüdung und Vorgängen in der Mikrostruktur ist im Hinblick auf die Bewertung der rechnerischen Erschöpfung zu untersuchen und quantifizierend zu bewerten. Damit wird die Grundlage für die Anwendung zerstörungsfreier Früherkennung von Ermüdungsschädigung geschaffen.
  • Die Möglichkeiten einer Früherkennung von Ermüdungsrissbildung mit zerstörungsfreien Methoden sind zu ermitteln. Damit sollen potentielle Verfahren für die Bauteilüberwachung identifiziert werden.

Zur Ermittlung realistischer Erschöpfungsgrade fehlen insbesondere für die moderneren Kraftwerksbaustähle die werkstoffabhängigen und temperaturabhängigen Anrisslast-Spielzahlkurven in einer Form, die vergleichbar den bekannten Anrissbezugskurven einschlägiger Regelwerke ist. Darüber hinaus fehlen die mikrostrukturellen Bewertungsgrundlagen, die für eine Bauteilüberwachung notwendig sind.

Zielsetzungen des Vorhabens sind daher am Beispiel von einem typischen Kraftwerksstahl die Möglichkeiten der Quantifizierung der Ermüdungsschädigung über folgende Schritte zu untersuchen:

  • Darstellung der temperaturabhängigen Anrisskennlinien als regelwerksfähige Bezugskurve einschließlich ihrer numerischen Beschreibung mit Bezug zu den genannten Schädigungsphasen ("Ermüdungsfrüherkennung").
  • Mikrostrukturelle Beschreibung und Bewertung von Schädigungsvorgängen durch Ermüdung bereits vor der Risseinleitung.
  • Möglichkeiten der Schädigungsfrüherkennung mit zerstörungsfreien Verfahren grundsätzlich überprüfen und gegebenenfalls quantifizieren.

Für einen im Kraftwerkbau wichtigen Stahl (9-12%Cr-Stahl) soll beispielhaft die Entwicklung mikrostruktureller Parameter, wie Ausscheidungsverhalten, Kornstruktur, Korngröße, Gleitlinienbildung und ähnliches, sowie damit einhergehende Schädigungsprozesse, wie Mikrorissbildung und -wachstum einschließlich Änderung der (Mikro)härte, während der Ermüdungsbelastung in Abhängigkeit von der Zykluszahl bis zum Bruch verfolgt werden. Für bestimmte repräsentative Dehnungsschwingbreiten soll dazu die Probe in festgelegten Bruchteilen der Anrisslastspielzahl ausgebaut, metallografisch untersucht und das Ergebnis mit dem Ausgangszustand verglichen werden. Anhand der Gegenüberstellung der Entwicklung der mikrostrukturellen Parameter mit dem Verbrauch der zyklischen Lebensdauer (Erschöpfung) soll ein "Katalog" typischer Parameter zur Ermüdungsfrüherkennung erstellt werden, der es erlaubt Rückschlüsse auf den realen Erschöpfungsgrad betriebsbeanspruchter Werkstoffe zu ziehen. Im Hinblick auf die Änderung der Leitfähigkeit im äußeren Bereich der Probe durch die Ermüdungsvorgänge werden versuchsbegleitend Leitfähigkeitsmessungen (Wechselstrompotentialsonde bzw. Mehrfrequenz-Wirbelstromsonde) durchgeführt.

Das Projekt wurde aus Mitteln des deutschen Bundesministeriums für Wirtschaft über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen e. V. (AiF) gefördert. Es wurde von Dezember 2001 bis Dezember 2004 bei der Staatlichen Materialprüfungsanstalt (MPA) der Universität Stuttgart (Professor Dr. Roos) bearbeitet. Der VGB-Fachausschuss "Werkstoffe und Qualitätssicherung" begleitete die Projektbearbeitung fachlich.