P91 PWHT-Tabelle

P91-Stahl ist ein attraktiver Werkstoff für Kraftwerkskessel und andere Hochtemperaturanwendungen, da er bei höheren Temperaturen eine hervorragende Kombination mechanischer Eigenschaften wie Festigkeit, Kriechfestigkeit und Charpy-Schlagzähigkeit aufweist.

Jüngste Studien haben gezeigt, dass unterschiedliche Bedingungen für die Normalisierung und Temperung (NT) von P91-Stahlschweißnähten optimale mechanische Eigenschaften in der Wärmeeinflusszone (HAZ) erzielen können, ohne dass eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen erforderlich ist.

Härte

SA 335 Grade 91 ist ein modifizierter martensitischer Hochchrom-Molybdän-Stahl, der für den Einsatz bei erhöhten Temperaturen in Kraftwerken und anderen Hochleistungsanwendungen, wie beispielsweise beim Schweißen, entwickelt wurde. Er zeichnet sich durch gute Kriechfestigkeit und Zähigkeit sowie Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit aus; allerdings kann seine Härte während des Schweißens oder der Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) abnehmen, was zu Rissbildung oder vorzeitigem Versagen führen kann.

Studien zu den Auswirkungen verschiedener Schweißverfahren, Schweißdrahtsorten sowie Vorwärm- und Zwischenlagentemperaturen auf P91 waren früher selten; in jüngster Zeit ist es jedoch üblicher geworden, P91-Rohrleitungen mit ungleichartigen Schweißnähten unter Verwendung ähnlicher Schweißverfahren und Schweißzusätze wie bei den ursprünglichen Schweißnähten zu reparieren; Dies erfordert, dass die Härtewerte in der Wärmeeinflusszone niedriger sind als die des Grundmetalls; wie dies innerhalb eines angemessenen Zeitrahmens bei der Nachschweißwärmebehandlung erreicht werden kann, muss noch weiter untersucht werden.

Bei einigen Kraftwerksprojekten wurden während des Betriebs Risse vom Typ IV in der Wärmeeinflusszone der Schweißnähte festgestellt. Diese Risse waren wahrscheinlich auf eine unzureichende Nachwärmebehandlung zurückzuführen. Unsere Untersuchung ergab, dass eine Nachwärmebehandlung bei 750 °C über zwei Stunden ideal ist, um die Härte in der Wärmeeinflusszone der Schweißnähte zu verringern und gleichzeitig eine ausreichende Mikrostruktur sowie einen akzeptablen Härteunterschied zum Grundwerkstoff zu gewährleisten.

Kriechfestigkeit

Die Kriechfestigkeit von p91 gibt an, wie viel Spannung ein Werkstoff aushalten kann, bevor er sich verformt. Die Kriechfestigkeit hängt von Faktoren wie der Korngröße und der Betriebstemperatur sowie von der chemischen Zusammensetzung ab, die sich auf die Umwandlungstemperaturen und andere Eigenschaften des Werkstoffs auswirkt.

Um die Kriechgrenze eines Metalls zu ermitteln, verwenden Konstrukteure ein Verhältnis zwischen der Bruchspannung und der auf 100.000 Stunden extrapolierten Spannungs-Dehnungs-Kurve sowie die für diesen Zeitraum berechneten minimalen Kriechraten. Die Bruchspannung erfasst sowohl die Endpunkt-Bruchspannung als auch die zum Erreichen dieses Punktes erforderliche Spannung – sie wird sowohl als Spannungs- als auch als Zeitwert angegeben.

Martensitischer, hitzebeständiger P91-Stahl (9Cr-1Mo-V-Nb) wird aufgrund seiner hervorragenden Dampfkorrosionsbeständigkeit, seiner geringen Wärmeausdehnung, seiner hohen Wärmeleitfähigkeit und seiner Schweißbarkeit häufig in Kraftwerken, die mit fossilen Brennstoffen betrieben werden, für Kesselverteiler und andere Bauteile verwendet; allerdings wurden Ausfälle von Bauteilen aus diesem Werkstoff bereits nach relativ kurzer Betriebsdauer gemeldet.

Versagen tritt aufgrund verminderter Kriechfestigkeitseigenschaften auf, die auf feinkörnige Bereiche in der Wärmeeinflusszone (HAZ) zurückzuführen sind.

Charpy-Zähigkeit

P91-Stahl eignet sich ideal für den Einsatz in langlebigen Kraftwerkskomponenten, die bei hohen Temperaturen betrieben werden, darunter solche, die Kriech- und thermischen Belastungen ausgesetzt sind und bei denen hohe Duktilität sowie minimale Wärmeausdehnung gefragt sind. Da seine Oxidationsbeständigkeit bei Temperaturen unter 610 °C nachlässt, sind seine Anwendungsmöglichkeiten in der Stromerzeugung eingeschränkt. Zudem schränkt die geringe Schlagzähigkeit den Einsatz unter dynamischen Belastungen ein; um diese Eigenschaft weiter zu verbessern, wird eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) empfohlen. DIN EN 288-3 sieht mechanische Prüfungen an realen Proben aus der Schweißwärmebeeinflusszone vor, bei denen die Rissausbreitung durch die einzelnen Unterzonen je nach deren Mikrostruktur unterschiedlich verläuft und zu Schwankungen der Schlagenergie zwischen den einzelnen Prüfungen führt.

Bei mehrlagigen, abgeschirmten Metall-Lichtbogenschweißnähten aus den Stahlsorten P91 und P22 weist die Schweißschmelzzone (FGHAZ) eine schlechte Schlagzähigkeit auf. Dies ist auf eine Ansammlung von ungetempertem Martensit in diesem Bereich zurückzuführen, die durch eine unsachgemäße Nachwärmbehandlung (PWHT) verursacht wird.

Studien haben die Auswirkungen des Gehalts an diffusiblem Wasserstoff und der Dauer der Nachwärmbehandlung (PWHT) auf die mechanischen Eigenschaften und den Härtegradienten von Schweißkonstruktionen aufgezeigt. Pandey et al. untersuchten den Einfluss dieser Faktoren auf die Mikrostruktur und die Zugfestigkeitseigenschaften von mehrlagig geschweißten P91-Plattenverbindungen, die im SMAW-Verfahren mit vier verschiedenen Wasserstoffkonzentrationen hergestellt wurden, und zeigten, dass ein höherer Gehalt an diffusiblem Wasserstoff und eine längere Dauer der Nachwärmbehandlung zu verbesserten Zugfestigkeitseigenschaften führten, jedoch die Schlagzähigkeit verringerten.

Korrosionsbeständigkeit

Stahl der Güteklasse 91 ist für seine hervorragende Korrosionsbeständigkeit bekannt; jedoch können spannungsinduzierter Martensit und Kriechschäden zum Auftreten von Korrosion führen. Eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) kann dazu beitragen, diese Auswirkungen zu mindern; allerdings ist diese Methode möglicherweise nicht immer durchführbar oder wirtschaftlich, insbesondere bei Reparaturen im laufenden Betrieb.

Im Rahmen des Ziels, Schweißreparaturverfahren für die Güteklasse 91 ohne Nachwärmebehandlung (PWHT) zu entwickeln, konzentrierte sich die im Rahmen dieses Projekts durchgeführte Forschung auf die Untersuchung des metallurgischen Verhaltens der Werkstoffe während des Schweiß- und Wärmebehandlungsprozesses durch die Auswertung der Mikrostrukturen von Schweißnaht- und Wärmeeinflusszonenproben, die nach dem Schweißen hergestellt wurden; anschließend wurden mechanische Prüfungen an realen Schweißnähten durchgeführt, um die Zähigkeit der Wärmeeinflusszone zu messen.

Es wurden außerdem Vergleiche verschiedener Schweißtechniken durchgeführt, wobei der Schwerpunkt auf deren Auswirkungen auf die Vorwärm- und Zwischenlagentemperaturen sowie die Schweißströme lag. Elektroden mit Durchmessern, die denen der Güteklasse 91 entsprachen, erwiesen sich als am besten geeignet für die Entwicklung von Schweißverfahren ohne Nachwärmbehandlung; die Verwendung von Kombinationen aus SMAW-Elektroden mit Durchmessern von 3,2 mm (1/8 Zoll, erste Schicht) und 4,0 mm (5/32 Zoll, zweite Schicht) führte zu einer deutlichen Verfeinerung der Kristallstruktur, während die Anlaufformung innerhalb der Wärmeeinflusszonen begrenzt blieb.

Die Wärmebehandlung nach dem Schweißen von WIG-Schweißverbindungen zwischen P22- und Grade-91-Stählen unter Verwendung von Inconel 625 als Schweißzusatzwerkstoff sollte vorzugsweise bei 750 °C für 2 Stunden durchgeführt werden, um einen optimalen Kompromiss zwischen der Härte der Grenzfläche und den Eigenschaften des Schweißguts zu erzielen und gleichzeitig hohe mechanische Eigenschaften über einen breiten Temperaturbereich hinweg zu gewährleisten.