Forschung

Lifetime evaluation based on the evolution of micro-structure and damage of 9-12 Cr Steels

Kurzdarstellung

Hochtemperaturbeanspruchte Komponenten sind wesentlicher Bestandteil von herkömmlichen fossilen Energieerzeugungsanlagen, die bei der Umsetzung des Energiekonzeptes der Bundesregierung bis 2038 als Brückentechnologie dienen, aber auch in Sonnenenergie- (CSP) oder Chemieanlagen vorkommen. Die Zustands- und Lebensdauerbewertung von Hochtemperatur-Komponenten stellt eine zentrale Aufgabenstellung dar, welche im Zusammenhang mit der Wirtschaftlichkeit und dem Wirkungsgrad von Anlagen steht, aber auch Aspekte der Betriebsverantwortung abdeckt. Die hochwarmfesten 9- 12% Chromstähle, die z.B. zum Erreichen höherer Wirkungsgrade in fossilen Kraftwerken verbaut sind, zeigen im Vergleich zu niedriglegierten warmfesten Stählen eine bzgl. der Restlebensdauerbewertung herausforderndere Kriechschädigungs-entwicklung. Die Kriechporenbildung bzw. eine erhöhte Anzahl an Kriechporen tritt erst bei hohen Erschöpfungsgraden gegen Ende der Lebensdauer ein. Daraus resultieren praktische Probleme bei der Bauteilüberwachung. Ziel des Vorhabens ist es daher, den Kenntnisstand über den Ablauf der Kriechschädigung bei den 9-12% Chromstählen im Hinblick auf eine bessere Charakterisierung und quantitative Nutzung bei der Lebensdauerbewertung zu erweitern. Dies soll durch die Verknüpfung von Erkenntnissen aus speziell designten gestuften und nach definierten Erschöpfungsgraden abgebrochenen Zeitstandversuchen mit metallographischen Untersuchungen realisiert werden, wobei Letztgenanntes die lichtoptische Bewertung wie auch weitergehende metallkundliche Untersuchungen im Rasterelektronen- bzw. Transmissionselektronenmikroskop zum Zweck der Ermittlung von Veränderungen der Mikrostrukturparameter (Ausscheidungs-population, Subkorn- und Versetzungsstruktur) in Abhängigkeit von der Beanspruchung bzw. daraus entstehenden Spannungen und Dehnungen umfasst. Thermodynamische Berechnungen, die mit experimentellen Ergebnissen verifiziert werden, dienen zur Erweiterung der Datenbasis. Erkenntnisse aus den AVIF-Forschungsprojekten Schädigungsentwicklung I bis III zur Gefüge- und Ausscheidungsentwicklung sollen damit gezielt ergänzt werden. Weiter-hin wird auf Ergebnisse und Proben von weiteren abgeschlossenen und laufenden Projekten zurückgegriffen. Um den Bezug zu realen Komponenten und Anlagen herzustellen wird ein Bauteil aus dem Kraftwerk zur Untersuchung herangezogen. Ziel des Forschungsprojektes ist die Ableitung von empirischen Zusammenhängen zwischen Belastung, Verformung, beobachtbarer Schädigung und Gefügestrukturparametern, um an-schließend geeignete Korrelationen zu Lebensdauer bzw. Erschöpfungsgrad herstellen zu können. Die Ergebnisse werden in die Lebensdauerbewertung einbezogen, wobei bestehende Verfahren der Erschöpfungsanalyse aus Normen (z.B. DIN EN 15952) und Modellen ggf. unter Einbeziehung von beobachtbaren Größen (z.B. Porendichte, Härte, Duktilität) und soweit notwendig Mikrostrukturparametern modifiziert werden. Aus diesen Zusammenhängen sol-len letztendlich Werkzeuge entwickelt werden, mit der Erschöpfung bzw. Schädigung von betriebsbeanspruchten Komponenten quantifiziert und daraus verlässliche Restlebensdauern ermittelt werden können.