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-Kerbschlagzähigkeit bietet.

Jüngste Studien haben gezeigt, dass verschiedene Bedingungen für das Normalisieren und Anlassen (NT) von Schweißnähten aus P91-Stahl optimale mechanische Eigenschaften in der WEZ erzeugen können, ohne dass eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen erforderlich ist.

Härte

SA 335 Grade 91 ist ein modifizierter martensitischer Stahl mit hohem Chromgehalt, der für erhöhte Temperaturen in Kraftwerken und anderen Hochleistungsanwendungen, wie z. B. Schweißen, entwickelt wurde. Er zeichnet sich durch gute Kriechfestigkeit und Zähigkeit sowie Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit aus; beim Schweißen oder bei der Wärmebehandlung nach dem Schweißen kann seine Härte jedoch abnehmen, was zu Rissen oder frühzeitigem Versagen führt.

Studien über die Auswirkungen verschiedener Schweißverfahren, Schweißdrahttypen und Vorwärm-/Zwischenlagentemperaturen auf P91 waren früher selten; in letzter Zeit hat sich jedoch die Reparatur von P91-Rohrleitungen mit Mischschweißnähten unter Verwendung ähnlicher Schweißverfahren und Schweißzusätze wie bei den Originalschweißnähten durchgesetzt; dies erfordert HAZ-Härtegrade, die niedriger sind als die des Grundwerkstoffs; wie dies in angemessener Zeit in der PWHT erreicht werden kann, muss noch weiter untersucht werden.

Bei einigen Kraftwerksprojekten wurden während des Betriebs Risse vom Typ IV in der Schweißnaht-Zwischenzone festgestellt. Diese Risse waren wahrscheinlich das Ergebnis einer unzureichenden PWHT. Unsere Untersuchung ergab, dass eine zweistündige Druckwasserhärtung bei 750 °C ideal ist, um die Härte in der WEZ zu reduzieren und gleichzeitig ein ausreichendes Gefüge und einen akzeptablen Härteunterschied zum Grundwerkstoff zu erzielen.

Kriechfestigkeit

Die Kriechfestigkeit von p91 misst, wie viel Spannung ein Material aushalten kann, bevor es sich verformt, wobei die Kriechfestigkeit von Faktoren wie Korngröße und Betriebstemperatur sowie von der chemischen Zusammensetzung abhängt, die die Umwandlungstemperaturen und andere Eigenschaften der Zusammensetzung beeinflusst.

Um die Kriechgrenze eines Metalls zu bestimmen, verwenden Konstrukteure ein Verhältnis zwischen der Bruchspannung und seiner Spannungs-Verformungs-Kurve, extrapoliert bis zu 100.000 Stunden, und berechnete Mindestkriechraten über diesen Zeitraum. Die Bruchspannung misst sowohl die Endpunktbruchspannung als auch die notwendige Spannung, um diesen Punkt zu erreichen - 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 für fossile Brennstoffe für Kesselböden und andere Bauteile verwendet; es wurde jedoch über Ausfälle von Bauteilen aus diesem Metall nach relativ kurzer Betriebsdauer berichtet.

Versagen tritt auf, weil die Kriechfestigkeitseigenschaften aufgrund von feinkörnigen Bereichen in der Wärmeeinflusszone (WEZ) reduziert sind.

Charpy-Zähigkeit

P91-Stahl eignet sich ideal für den Einsatz in Kraftwerkskomponenten, die langfristig bei hohen Temperaturen betrieben werden, einschließlich solcher, die Kriech- und Wärmebelastungswiderstand, hohe Duktilität und minimale Wärmeausdehnung aufweisen. Da seine Oxidationsbeständigkeit unter 610 Grad Celsius sinkt, werden seine Anwendungen für die Energieerzeugung eingeschränkt. Darüber hinaus schränkt die geringe Kerbschlagzähigkeit 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 HAZ-Proben vor, bei denen die Rissausbreitung durch die einzelnen Teilzonen je nach Mikrostruktur unterschiedlich ist und die Kerbschlagarbeit je nach Prüfung variiert.

Mehrlagige Schutzgasschweißungen von P91- und P22-Stahl weisen eine schlechte Kerbschlagzähigkeit in den Schweißnahtzonen (FGHAZ) auf. Dies ist auf eine Anhäufung von ungehärtetem Martensit in diesem Bereich aufgrund einer unsachgemäßen PWHT zurückzuführen.

Studien haben die Auswirkungen des Anteils an diffusem Wasserstoff und der Dauer der Druckwasserhärtung auf die mechanischen Eigenschaften und den Härtegradienten von Schweißnähten gezeigt. Pandey et al. untersuchten die Auswirkungen dieses Faktors auf das Mikrogefüge und die Zugeigenschaften von mehrlagig geschweißten P91-Plattenschweißnähten im Stumpfschweißverfahren mit vier verschiedenen Wasserstoffgehalten und stellten fest, dass ein höherer diffusionsfähiger Wasserstoffgehalt und eine längere PWHT-Dauer zu besseren Zugeigenschaften, aber zu einer geringeren Kerbschlagzähigkeit führten.

Korrosionsbeständigkeit

Die Stahlsorte 91 ist für ihre hervorragende Korrosionsbeständigkeit bekannt; allerdings können spannungsinduzierte Martensit- und Kriechschäden zu Korrosion führen. Eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) kann dazu beitragen, diese Auswirkungen abzuschwächen. Allerdings ist diese Methode nicht immer praktikabel oder kosteneffizient, insbesondere bei Reparaturen im Betrieb.

Als Teil des Ziels, Schweißreparaturverfahren für die Güteklasse 91 ohne PWHT zu entwickeln, konzentrierten sich die in diesem Projekt durchgeführten Forschungsarbeiten auf die Untersuchung des metallurgischen Verhaltens von Werkstoffen während des Schweißens und der Wärmebehandlung, indem die Mikrostrukturen von Schweiß- und WEZ-Proben, die nach dem Schweißen hergestellt wurden, ausgewertet wurden; anschließend wurden mechanische Tests an realen Schweißnähten durchgeführt, um die WEZ-Zähigkeit zu messen.

Es wurden auch Vergleiche verschiedener Schweißtechniken durchgeführt, wobei der Schwerpunkt auf den Auswirkungen von Vorwärm-/Zwischenlagentemperaturen und Schweißströmen lag. Elektroden mit Durchmessern, die denen der Sorte 91 entsprechen, erwiesen sich als am besten geeignet für die Entwicklung von Schweißverfahren ohne PWHT; die Verwendung von Kombinationen von Stabelektroden mit Durchmessern von 3,2 mm (1/8 Zoll, erste Lage) und 4,0 mm (5/32 Zoll, zweite Lage) führte zu einer deutlichen Verfeinerung, während das Anlassen innerhalb der WEZ begrenzt war.

Wärmebehandlungen nach dem Schweißen von WIG-Schweißverbindungen zwischen P22 und Stählen der Güteklasse 91 unter Verwendung von Inconel 625 werden am besten bei 750 °C für 2 Stunden durchgeführt, um einen optimalen Kompromiss zwischen der Härte der Grenzfläche und den Eigenschaften des Schweißguts zu erzielen und gleichzeitig hohe mechanische Eigenschaften über ein breites Temperaturspektrum zu erhalten.