Charakterisierung des Eigenschaftsprofils von 600/620°C-Turbinenwerkstoffen auf der Grundlage von realen Langzeitkennwerten und der Korrelation mit Mikrostrukturanalysen und Strukturparametern

Projektnummer 314

Ziel des Vorhabens ist die Ermittlung der Langzeiteigenschaften realer Bauteile aus den neuen europäischen 620°C-Werkstoffen, die im Rahmen des Projektes COST522 entwickelt wurden. Darüber hinaus soll die Mikrostruktur von langzeitgetesteten Zeitstandproben aus 600- und 620°C-Werkstoffen charakterisiert werden, um Korrelationen zur Zeitstandfestigkeit zu erstellen und auf dieser Basis die Grundlagen für mögliche Restlebensdauerkonzepte zu schaffen.

Die in den Forschungsprojekten 158, 217 und 259 durchgeführten Untersuchungen zur Ermittlung von Werkstoffkennwerten moderner 600°C-Turbinenwerkstoffe erfolgten mit dem Ziel der Bewertung des Langzeitverhaltens hochbeanspruchter Turbinenwellen und Turbinengehäuse sowie Armaturen auf der Basis einer ausreichend langen Versuchszeit, damit eine sichere Extrapolation auf die geplante Auslegungsdauer von 200.000 Stunden gewährleistet werden kann.

Hintergrund für das neue Projekt 314 ist die Weiterentwicklung der Stähle innerhalb des COST-Programms, die zu neuen Schmiede- und Gusslegierungen für Anwendungen T > 600 °C auf der Basis von Chrom, Bor und Kobalt (FB2-, CB2-Typ) führte. Prototypbauteile wurden in COST bereits hergestellt und qualifiziert. Die Stähle werden nun aktuell in Kraftwerksneubauten eingesetzt.

Da im Rahmen des neuen Vorhabens reale Bauteile aus den neuen Werkstoffen für lang laufende Untersuchungen zur Verfügung stehen, können nun wesentliche Einflussfaktoren auf das Langzeitverhalten der Werkstoffe bestimmt werden, nämlich

  • die Streubreite der chemischen Zusammensetzung innerhalb der Herstellerspezifikationen,
  • die Erschmelzungs- und Fertigungswege,
  • Wärmebehandlungen und
  • Probenlagen im Bauteil.

Diese Informationen sind für den langfristigen Betrieb und spätere Lebensdauerbewertungen im Kraftwerk unabdingbar, um gezielte Entscheidungen über Revisionen und die Lebensdauer verlängernde Maßnahmen über den Auslegungszeitraum des Turbinenherstellers hinaus zu treffen.

Der Lebensdauerverbrauch korreliert mit bestimmten Indikatoren, z. B. der über Gefügeabdrücke ermittelbaren Porenbildung. Für die 600°C-Werkstoffe wurde allerdings ein anderes Verhalten als das niedrig legierter Werkstoffe ermittelt. Beispielsweise ist die Anzahl der Poren, die Porendichte und der Zeitpunkt des Auftretens von Poren wesentlich verändert. Neue und zusätzliche Indikatoren sind deshalb erforderlich, die sich für entsprechende Korrelationen eignen. In Frage kommen dafür Mikrostrukturparameter, die systematisch und mit festgelegter Prüf- und Analysetechnik ermittelt werden müssen.

In dem aktuellen Vorhaben 314 werden deshalb die folgenden drei Hauptziele verfolgt:

  1. Arbeitsschwerpunkt 620°C-Bauteile:
    Zeitstandfestigkeits-Streubandermittlung an Proben von Produktionsbauteilen der 620°C-Werkstoffe FB2 und CB2 und evtl. japanischer Werkstoffe; Bandbreite der anderen mechanischen Eigenschaften (Warmzugversuche, LCF); thermische Langzeitauslagerung mit Prüfung von Festigkeit und Zähigkeit.
  2. Arbeitsschwerpunkt 600°C-Bauteile:
    Langzeiteigenschaften: Weiterführung der Proben der 600°C-Werkstoffe mit Laufzeit > 70.000 h zur Streubandabsicherung und für anschließende Mikrostrukturuntersuchungen.
  3. Mikrostrukturanalysen und Gefügeparameter:
    Charakterisierung der Mikrostruktur der 600°C und 620°C Werkstoffe im Ausgangszustand und nach sehr langzeitiger Kriechbeanspruchung; Proben von Schmelzen, die die Zeitstandstreubänder nach oben und unten abgrenzen.

Von der Durchführung des Forschungsvorhabens wird folgender Nutzen für die Energieversorgungsunternehmen erwartet:

  • Durch die gründliche Untersuchung von Material aus realen Produktionsbauteilen der neuen Kraftwerksgeneration mit T ≥ 600 °C erfolgt die Bestimmung von Einflussparametern auf die Langzeiteigenschaften bis ca. 50.000 h im Rahmen der Projektlaufzeit. Damit soll die sichere Extrapolation bis auf > 100.000 h auf eine breitere Basis gestellt werden, um eine hohe Verfügbarkeit und lange Lebensdauer der Anlagen erreichen zu können.
  • Gleichzeitig werden Ergebnisse in Form von Mikrostrukturuntersuchungen und Gefügeparametern bereitgestellt, die der späteren Lebensdauerbestimmung der Komponenten der Hochtemperatur-Dampfkraftwerke unter den realen Betriebsbedingungen dienen kann.
  • Durch die mikrostrukturelle Charakterisierung von langzeitig geprüften Proben der 600°C-Werkstoffe aus den Vorgängervorhaben sollen Parameter identifiziert werden, mit denen Korrelationen zum Bauteilzustand und zum Lebensdauerverbrauch ermöglicht werden können. Dadurch könnten in den laufenden 600°C-Kraftwerken die Revisionsplanungen auf den realen Lebensdauerverbrauch angepasst und somit gezielte Wartungs- und Austauschkonzepte erstellt werden, mit hohem Nutzen für den Betreiber durch Vermeidung von ungeplanten Stillständen infolge von Betriebsproblemen.
  • Durch die gemeinsame Erarbeitung der Ergebnisse ist ein direkter Kenntnistransfer zwischen Kraftwerksbetreibern und Turbinenherstellern gewährleistet.

Das im August 2008 begonnene Projekt wird von Dr. Torsten-Ulf Kern, Siemens AG, Bereich Energy, geleitet. Die Werkstoffuntersuchungen werden am Institut für Werkstoffkunde der TU Darmstadt und bei der Materialprüfungsanstalt Stuttgart durchgeführt.

Die beteiligten Betreiberunternehmen

  • Dong Energy Power A/S,
  • E.ON Kraftwerke GmbH,
  • EnBW Kraftwerke AG,
  • RWE Power AG und
  • Vattenfall Europe Generation AG & Co. KG

stellen die Bauteile aus Kraftwerksneubauten zur Verfügung und ermöglichen das Langzeitvorhaben (geplante Laufzeit: 6 Jahre) durch eine gemeinsame Projektumlage.

Dem Lenkungskreis gehört darüber hinaus Alstom Switzerland (Ltd.) an.