DD283059A7

DD283059A7 - Verfahren zur ermittlung der zeitstandsfestigkeit und lebensdauer von bauteilen

Info

Publication number: DD283059A7
Application number: DD31638988A
Authority: DD
Inventors: Bernd Melzer
Original assignee: Bergmann Borsig Veb
Priority date: 1988-06-03
Filing date: 1988-06-03
Publication date: 1990-10-03

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Zeitstandfestigkeit und Lebensdauer von warmfesten Bauteilen, insbesondere von Rohrleitungen, Rohrboegen oder Formstuecken in Kraftwerksanlagen mittels abulanter Pruefverfahren. Die Erfindung ist gekennzeichnet durch ein Verfahren, bei dem unter Zugrundelegung werkstoffspezifischer Voruntersuchung Kennwerte fuer die Kenngroeszen Gefuege, Porendichte, Haerte und Koerzitivfeldstaerke ermittelt und ein sogenannter Zeitstandfaktor Z gebildet wird, der in die Berechnung der Lebensdauer einbezogen wird.{Lebensdauerermittlung; Zeitstandfestigkeit; warmfeste Bauteile; Rohrleitungen; Rohrboegen; Formstuecke; Gefuege; Porendichte; Haerte; Koerzitivfeldstaerke}

Description

ermittelt und in die Berechnung der Lebensdauer einbezogen wird.

2. Verfahren zur Ermittlung der Zeitstandfestigkeit und Lebensdauer von warmfesten Bauteilen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als ambulante Prüfungen die metallgrafische Porendichtebestimmung, magnetische Koerzitivfeldstärkemessung, Härtemessung und Gefügebestimmung angewendet werden.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Zeitstandfestigkeit und Lebensdauer von warmfesten Bauteilen, insbesondere von Rohrleitungen, Rohrbögen oder Formstücken in Kraftwerksanlagen mittels ambulanter Prüfverfahren.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Unter den zahlreichen Eigenschaften warmfester Werkstoffe nimmt die Zeitstandfestigkeit für die Berechnung der Lebensdauer eine führende Rolle ein. Für die Festigkeitsberechnungen von Bauteilen, die Beanspruchungen bei höheren Temperaturen unterworfen sind, geht man von Kennwerten aus, die aus den Ergebnissen möglichst zahlreicher, der vorgegebenen Lebensdauer der Bauteile angepaßter Zeitstandversuche abgeleitet und in Standards als Kennwerte festgelegt werden.

Die dafür erforderlichen Prüfzeiten richten sich nach dem Verwendungszweck. Für Bauteile in Kraftwerksanlagen kommen fast ausschließlich Betriebszeiten zwischen 10000 bis etwa 200000 Stunden in Frage. Es ist jedoch nur in wenigen Fällen möglich, derartige lange Prüfzeiten rechtzeitig und in ausreichendem Maße zu verwirklichen. Man begnügt sich in diesen Fällen mit einer Extrapolation.

Zeitstandversuche werden in der Regel oberhalb 450^cC durchgeführt. Bis zu dieser Temperatur, genauer gesagt, bis zum Schnittpunkt der Kurve der Warmstreckgrenze mit der Kurve der Zeitstandfestigkeit für die jeweilige Lebensdauer, z. B.

100000 Stunden, rechnet man mit dei Warmstreckgrenze bzw. Warmzugfestigkeit.

Für die Auswertung gewonnener Zeitstandergebnisse stehoii verschiedene Verfahren zur Verfügung. Am häufigsten wird die grafische Auswertungsmethode angewendet. Bei dieser Methode wird die bleibende Dehnung Ew dur bei einer bestimmten Temperatur T untersuchten Beanspruchung σ einer Werkstoffcharge in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt. Es ergeben sich sogenannte Kriechkurven.

Aus diesem Diagramm können für die einzelnen Beanspruchungen die Zeiten abgelesen werden, bei denen eine- bleibende Dehnung von 0,2 und 1 % erreicht wurde bzw. bei denen der Bruch eintrat. Die untersuchten Beanspruchungen werden nunmehr über den Zeiten, bei denen die bleibende Dehnung 0,2 und 1 % betrug bzw. der Bruch eintrat, aufgetragen.

Die Auswertung wird im doppelt- oder einfach-logarithmischen Korrdinatensystem vorgenommen. Aus dem Diagramm lassen sich für beliebige Zeiten die 0,2%—1 % Zeitdehngrenze sowie die Zeitstandfestiykeit ablesen.

Neben der grafischen Auswertung hat es nicht an Versuchen gefehlt, durch eine mathematische Erfassung des Verlaufes der Zeitdehn- und Zeitbruchlinien eine größere Genauigkeit, insbesondere bei der Extrapolation von Zeitstandergebnissen zu erreichen. Das bekannteste und am meisten angewendete mathematische Auswerteverfahren ist das von F. R. Larson und

J. Millar entwickelte Verfahren. Bei diesem Verfahren wird das Werkstoffverhalten durch ein: air jeden Werkstoff charakteristische Konstante C und durch eine sogenannte Meisterkurve beschrieben.

Aus dieser Meisterkurve kann man für alle Temperaturen und Zeiten mit Hilfe des Larson-Miller-Diagramms die entsprechenden Zeitstandkennwerte ablesen.

Untersuchungen haben ergeben, daß sowohl die mathematischen als auch die grafischen Extrapolationsverfahren mit erheblichen Unsicherheiten behaftet sind. Außerdem bestehen zwischen den Chargen bzw. Bauteilen eines Werkstoffes auf Grund der Schwankungen in der chemischen Zusammensetzung und der Herstellungstechnologie erhebliche Unterschiede in den Kennwerten der Zeitstandfestigkeit, die für jeden Werkstoff zu einem charakteristischen Streuband von ±20% führen.

Bei den in der Praxis angewendeten Verfahren zur Ermittlung der Restlebensdauer von Bauteilen aus zeitstandbeanspruchten Werkstoffen werden aus dtn beanspruchten Bauteilen eine oder mehrere Proben entnommen und die Zeitstandfestigkeit bzw. Restlebensdauer ermittelt (DD-WP 110602, DD-WP 137145. DD-WP 139300, DD-WP 142092). Diese Verfahrensweise hat den Nachteil, daß durch die Probennahme aus den eingebauten Bauteilen eine Weiterverwendung der Bauteile nicht mehr möglich ist. Eine Übertragbarkeit der Ergebnisse auf ähnliche Bauteile ist nur in sehr begrenztem Umfang möglich, da in den Eigenschaften zwischen den Bauteilen größere Unterschiede vorliegen können (s.o.). Außerdem entsteht bei der Prüfung der Zeitstandfestigkeit an aus einem oder mehreren Bauteilen entnommenen Proben ein hoher Aufwand an Kosten für die Fertigung und Prüfung der entnommenen Proben.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung stellt sich das Ziel, ein Verfahren zur Ermittlung der Zeitstandfestigkeit und Lebensdauer von Bauteilen zu entwickeln, bei dem die zu prüfenden Bauteile im eingebauten Zustand belassen und nach der Prüfung weiterverwendet worden können, der Aufwand für die Fertigung der Proben entfällt und für die Prüfung verringert wird.

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das für den praktischen Betrieb handhabbar ist und unter Zugrundelegung ambulanter Prüfverfahren für die Lebensdauerberechnungen von Rohrleitungen, Rohrbogen oder Fnrmstücken ausreichend genaue Ergebnisse liefert und damit die Möglichkeit schafft, die Dringlichkeit von Wiederholungsprüfungen und die Reihenfolge von Bauteilwechselungen hinreichend genau festzulegen. Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch ydüai, daß werkstoffspezifische Voruntersuchungen durchgeführt und Kennwerte für die Kenngrößen Gefüge, Porendichte, Härte und Koerzitivfeldstärke und ihr Zusammenhang zur Zeitstmdfestigkeit ermittelt werden, an den höchst beanspruchten Stellen des eingebauten Bauteiles mehrere ambulante Prüfungen vorgenommen und ausgewertet werden, wobei unter Zugrundelegung der bei den werkstoffspezifischen Voruntersuchungen festgelegten Kennwertbereiche eine Klassifizierung der ambulant ermittelten Kennwerte für die Kenngrößen Gefüge, Porendichte, Härte und Koerzitivfeldstärke durch eine Bewertungsziffer B erfolgt, aus mindestens drei so ermittelten Bewertungsziffern B durch Mittelwertbildung eine durchschnittliche Bewertungsziffer B_d für die ambulant ermittelten Kenngrößen gebildet wird und mittels der durchschnittlichen Bewertungsziffer B_d ein sogenannter Zeitstandsfaktor Z mittels der Beziehung

ermittelt und in die Berechnung der Lebensdauer einbezogen wird.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung werden als ambulante Prüfungen die metallografische Porendichtebestimmung, magnetische Koerzitivfeldstärkemessung, Härtemessung und Gefügebestimmung angewendet.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, die zu prüfenden Bauteile, wie Rohrleitungen, Rohrbogen oder Formstücke im eingebauten Zustand zu belassen. Dadurch ist es möglicr, die Bauteile nach erfolgter Prüfung weiterzuverwenden, so daß der Aufwand für die Fertigung von Proben entfällt und für d^!. Prüfung verringert wird. Das Verfahren ist des weiteren für den praktischen Betrieb in vorteilhafter Weise handhabbar und liefert unter Zugrundelegung ambulanter Prüfverfahren für die Lebensdauerberechnung warmfester Bauteile ausreichend genaue Ergebnisse. Mit dem Verfahren wird ein Zeitstandfaktor Z gewonnen, der in die Lebensdauerberechnung eingeht. Ohne diesen Faktor Z steht für einen Werkstoff nur das Streuband „Mittelwert ±20%" zur Verfügung, das keine genauen Aussagen zur Lebensdauer zuläßt. Verwendet man dabei aus Sicherheitsgründen den Kennwert der Zeitstandfestigkeit, der der unteren Streubandgrenze entspricht, so ergibt sich z. B. bei einer üblichen Betriebsbeanspruchung von 60MPa für den Stahl 12Ch 1 MF bei 550°Ceine Lebensdauer von etwa 160000 Stunden. Das betrachtete Bauteil kann aber auch eine Zeitstandfestigkeit aufweisen, die an der oberen Streubandgrenze liegt. In diesem Fall würde die Lebensdauer unter den o.g. Beanspruchungsbedingungen über 1 OCC/000 Stunden betrage >.

Dieser Unterschied zwischen minimal und maximal möglicher Lebensdauer (etwa 95 Jahre) ist natürlich für Einschätzungen zur Restlebensdauer zu groß.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht, gestützt auf die aktuellen Werkstoffeigenschaften, mittels Zeitstandfestigkeitsfaktor Z die Berechnung einer genauen Lebensdauer. Damit ist es möglich, die Dringlichkeit von Wiederholungsprüfungen und die Reihenfolge von Bauteilwechselungen hinreichend genau festzulegen.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Die Erfindung geht davon aus, daß zwischen den ambulant prüfbaren Kenngrößen Gefüge, Porendichte, Härte und Koerzitivfeldstärke und der Zeitstandfestigkeit des betreffenden Werkstoffes ein Zusammenhang besteht.

Von dem Werkstoff des zu untersuchenden Bauteiles werden werkstoffspezifische Voruntersuchungen durchgeführt und Kennwerte für die Kenngrößen, Gefüge, Porendichte, Härte und Koaxitivfeldstärke und ihr Zusammenhang zur Zeitstandfestigkeit ermittelt. Die so gewonnenen Kennwerte sind Ausgangspunkt der weiteren Verfahrensdurchführung.

An den höchst beanspruchten Stellen des fest eingebauten Bauteiles werden mehrere ambulante Prüfungen vorgenommen. Die ambulante Prüfung kann mittels zerstörungsfreier Prüfung des Werkstoffzustandes durch metallografische Porendichtebestimmung, magnetische Koerzitivfeldstärkemessung, Härtemessung und Gefügebestimmung erfolgen. Die dabei ermittelten Kennwerte für die Kenngrößen Gefüge, Porendichte, Harte und Koerzitivfeldstärke werden in die Kennwertbereiche der ambulanten werkstoffspezifischen Voruntersuchung eingeordnet. Daraus ergibt sich eine Bewertungsziffer B.

Bewertungsziffer B	S 32	2	33 bis 40	3	41 bis 50	4
magnetische Koerzitivfeldstärke	S 140	141 bis 150	151 bis 160	a 51
Härte	3 7	3 bis 2 6	2 5bis4	>160
Ausgangsgefüge oder Gefügeklasse	> 200 und/ oder Porenketten, Risse	200 bis 50	< 50bis0	2bis1 3bis1
Porendichte 1 mm²	0

Aus mindestens drei durch Prüfungen gewonnenen Bewertungsziffern B wird durch arithmetische Mittelwertbildung eine durchschnittliche Bewertungsziffer B<j gewonnen. Durch die Beziehung

2 2

Z-^-Bd₊I

kann ein sogenannter Zeitstandfaktor Z ermittelt werden, der in die weitere Berechnung der Lebensdauer des betreffenden Bauteiles einbezogen wird.

Beispiel:

Die Untersuchung eines geraden Rohrabschnittes hat folgende Kennwerte ergeben, die zu entsprechenden Bewertungsziffern B führen:

Kennwert Bewertungsziffer B

Koerzitivfeldstärke 32

Härte 145

Ausgangsgefüge 3 bis 2

Porendichte „ 1

300 5~

mm' Daraus ergibt sich die durchschnittliche Bewertungsziffer B_d = 1,5.

Aus der Beziehung^ _ 2 ^ ₊_2_ 15 3

ergibt sich für L ein Wert von 0,87.

Dieser Zeitstandfaktor Z = 0,87 wird wie folgt in die weitere Berechnung für die Lebensdauer einbezogen.

τ= φ· 10

B	¹ Λ/Γ	Ig(σ/Ζ)-	B₀
2 · p(da	-s)	B,
2s	-V₁

Es bedeuten:

τ = rechnerische Lebensdauer in Stunden

φ = Lebensdauer-Minderungsfaktor; dieser erfaßt den Einfluß der Schwankung der Betriebstemperatur

B₀, B,, B₂, C = Konstante des Stahles bei Larson-Miller Darstellung

T =Temperaturmitte!wertinK

σ = Referenzspannung in MPa (Ü)

da = Rohraußendurchmesser in mm

s = Wanddicke in mm

Vl = Verschwächungsbeiwert (0,7 oder 0,8 nach Stahltyp)

ρ = mittlerer Innendruck in MPa (Ü)

Claims

1. Verfahren zur Ermittlung der Zeitstandfestigkeit und Lebensdauer von warmfesten Bauteilen, insbesondere von Rohrleitungen, Rohrbogen oder Formstücken in Kraftwerksanlagen mittels ambulanter Prüfverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß werkstoffspezifische Voruntersuchungen durchgeführt und Kennwerte für die Kenngrößen Gefüge, Porendichte, Härte und Koerzitivfeldstärke und ihr Zusammenhang zur Zeitstandfestigkeit ermittelt werden, an den höchst beanspruchten Stellen des eingebauten Bauteiles ambulante Prüfungen vorgenommen und ausgewertet werden, wobei unter Zurundelegung der bei den werkstoffspezifischen Voruntersuchungen festgelegten Kennwertbereiche eine Klassifizierung der ambulant ermittelten Kennwerte für die Kenngrößen Gefüge, Porendichte, Härte und Koerzitivfeldstärke durch eine Bewertungsziffer B erfolgt, aus mindestens drei so ermittelten Bewertungsziffern B durch Mittelwertbildung eine durchschnittliche Bewertungsziffer Bd für die ambulant ermittelten Kenngrößen gebildet wird und mittels der durchschnittlichen Bewertungsziffer Bd ein sogenannter Zeitstandsfaktor Z mittels der Beziehung

Z = A..Bd ₊ |