G. Lüdenbach et al. Oberflächengefügeuntersuchungen an Schweißnähten

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1 G. Lüdenbach et al. Oberflächengefügeuntersuchungen an Schweißnähten Oberflächengefügeuntersuchungen an Schweißnähten von Rohrleitungsbauteilen aus warmfesten ferritischen, martensitischen und austenitischen Stählen sowie Nickellegierungen mittels Folienabdrucktechnik 2. Überarbeitung der VGB-Gefügerichtreihe TW 507 Gereon Lüdenbach Peter Körner Karl Maile Peter Seliger Dieter Loog Joachim Schubert Ralf Uerlings Dirk Wurzel Jörg Gurski Thomas Gräb VGB Power Tech e.v., Essen VGB Power Tech e.v., Essen Materialprüfungsanstalt Universität, Stuttgart Siempelkamp Prüf- und Gutachtergesellschaft mbh, Dresden TÜV Rheinland Werkstoff GmbH, Köln Alstom Power Systems GmbH, Mannheim RWE Technology, Niederaußem Infracor GmbH, Marl TÜVNORD SysTec GmbH & Co. KG, Hamburg BHR Hochdruck-Rohrleitungsbau GmbH, Essen Kurzfassung Die Oberflächengefügeuntersuchung mittels Folienabdrucktechnik wird seit vielen Jahren erfolgreich zur Ermittlung des tatsächlichen Lebensdauerverbrauchs zeitstandbeanspruchter Rohrleitungsbauteile eingesetzt. Im Jahr 1992 wurde die Richtreihen zur Bewertung der Gefügeausbildung und Zeitstandschädigung warmfester Stähle für Hochdruckrohrleitungen und Kesselbauteile (TW 507) von einer VGB-Arbeitsgruppe erarbeitet und im Jahre 2005 erstmals überarbeitet. Bis heute bezieht sich diese Richtreihe ausschließlich auf die Prüfung am Grundwerkstoff obwohl die Schweißnähte ebenso lange in vergleichender Weise untersucht werden. Die für dieses Jahr geplante 2. Überarbeitung der Richtreihe bezieht sich unter anderem auf die Besonderheiten, die Gefügeuntersuchungen an Schweißnähten mit sich bringen. Anhand von Beispielen wird die Vorgehensweise bei der Auswahl der Prüfpositionen dargestellt sowie auf spezielle mikrostrukturelle Erscheinungen, wie Relaxationsporen und -risse eingegangen, die bevorzugt in der Grobkornzone der Wärmeeinflusszone auftreten. 1

2 G. Lüdenbach et al. Oberflächengefügeuntersuchungen an Schweißnähten 1 Einleitung Zur Ermittlung des Gefügezustandes und zur Feststellung der tatsächlichen Werkstofferschöpfung werden in zunehmendem Umfang an langzeitig im Kriechbereich betriebenen Kraftwerkskomponenten bauteilmetallografische Gefügeuntersuchungen durchgeführt. Grundlage für die im Jahre 1982 vom VGB erstmalig veröffentlichten VGB TW 507 Richtreihen zur Bewertung der Gefügeausbildung und Zeitstandschädigung warmfester Stähle für Hochdruckrohrleitungen und Kesselbauteile war das VdTÜV-Merkblatt DAMPFKESSEL /6 "Oberflächengefügeuntersuchung zeitstandbeanspruchter Bauteile gemäß TRD 508" und die VGB-Richtlinie R 509 L "Wiederkehrende Prüfungen an Rohrleitungsanlagen in fossilbefeuerten Wärmekraftwerken". Die erste Ausgabe enthielt schematische Angaben über Gefüge- und Schädigungsklassen, wobei bereits eine weitere Unterteilung der bis zu diesem Zeitpunkt gebräuchlichen Schädigungsklassen 2 und 3 eingeführt wurde. Darüber hinaus wurden reale Gefügebilder der jeweiligen Werkstoffe in unterschiedlichen Schädigungszuständen dargestellt, die eine einheitliche Bewertung der Befunde durch verschiedene Fachleute ermöglichte und so Missverständnisse zwischen Metallografen, Sachverständigen und Betreibern zu verhindern suchte. Mit der 2. Ausgabe im Jahre 2002 erfolgte die Anpassung an die zuvor überarbeitete VGB R 509 L Wiederkehrende Prüfungen an Rohrleitungsbauteilen in fossilbefeuerten Wärmekraftwerken sowie die Aufnahme der neuen 9-12% Chromstählen, die bisher in der Richtreihe nicht vertreten waren. Darüber hinaus wurden in dieser Ausgabe die neueren Erkenntnisse aus Betriebserfahrungen und Forschungsvorhaben bezüglich der Schädigungsmechanismen, d.h. dem Zusammenhang zwischen der Mikrostruktur, der Verformungsfähigkeit und dem Schädigungsverhalten eingearbeitet. Es wurde auch in der 2. Ausgabe darauf verzichtet, ein Qualifizierungsbzw. Zertifizierungsverfahren für Prüfer und Prüffirmen zu etablieren. Stattdessen sollte die ausführliche Beschreibung der Präparationstechnik, die sich als Anforderung an die Prüfung versteht, einen hohen Qualitätsstandard gewährleisten. Im Gegensatz zur ersten Auflage sind die Gefügeaufnahmen des Lieferzustandes, d.h. ohne thermische Beanspruchung - in einem separaten Teil des Bildanhangs zusammengefasst worden und sollen zukünftig nicht mehr als Beurteilungsklasse bezeichnet werden. Hierdurch sollte vermieden werden, dass diese Richtreihen als Abnahmekriterium im Rahmen der Neufertigung herangezogen werden, da nur in sehr wenigen Fällen ein nachgewiesener Zusammenhang zwischen der lichtmikroskopisch sichtbaren Mikrostruktur und der zu erwartenden Zeitstandfestigkeit besteht. Für die Beurteilung der Zeitstandbeanspruchung wurde auch weiterhin die Klasseneinteilung 1 bis 5 beibehalten, wobei auch Hinweise gegeben wurden, dass unter Umständen auch die Porendichte zur Beurteilung des Schädigungszustandes herangezogen werden sollte. Im Bildteil wurde neben den Ausgangszuständen und den Gefügerichtreihen ein dritter Teil mit Sonderfällen eingeführt, der besondere Probleme der Präparation oder werkstoffspezifische Eigenarten näher beschreibt. 2

3 G. Lüdenbach et al. Oberflächengefügeuntersuchungen an Schweißnähten Um flexibel auf neue Erkenntnisse reagieren zu können, wurde mit der 2. Ausgabe ein Ringbuch als Ausgabeformat gewählt, so dass zukünftig zwingend notwendige aber auch wünschenswerte Erweiterungen als Zusatz- oder Austauschseiten angeboten werden können. In der für dieses Jahr geplanten dritten Auflage wurde als Erweiterung zur 2. Ausgabe die Beurteilung von Zeitstandschäden an Schweißverbindungen (Rund- und Stutzennähten) in die Richtreihe mit aufgenommen. Hierdurch wurde einerseits der festgestellten zahlreichen Schäden und anderseits der intensiven Prüftätigkeit mittels Gefügeabdrucktechnik an Schweißverbindungen im Rahmen der wiederkehrenden Prüfungen Rechnung getragen. Die in der zweiten Fassung dargelegten metallphysikalischen Grundlagen zur Entwicklung von Zeitstandschäden gelten grundsätzlich auch für die Schädigungsentwicklung an den Schweißverbindungen. Da es sich bei Kriechschäden an Schweißverbindungen um sehr lokale Schädigungen handelt, sind das zu erwartende Bauteilversagen (Leck vor Bruch) und damit auch die abzuleitenden Maßnahmen grundsätzlich verschieden zu den vergleichbar geschädigten Grundwerkstoffbereichen. Aus diesem Grund wurde zu Abgrenzung zwischen Grundwerkstoff- und Schweißnahtschädigung eine jeweils andere Nomenklatur für die Beurteilungsklassen gewählt. 2 Porenbildung an Schweißnähten Grundsätzlich treten beim Schweißen von Bauteilen aufgrund der eingebrachten Schweißwärme und der daraus resultierenden thermischen Veränderung des Werkstoffs, Zonen unterschiedlicher Gefügeausbildung (Wärmeeinflußzonen) auf. Die sich ausbildenden Gefügezonen in der Schweißverbindung lassen sich für unlegierte Stähle mit Hilfe des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms abschätzen, wobei berücksichtigt werden muss, dass dieses Diagramm natürlich nur für Gleichgewichtszustände gültig ist und somit für die deutlich schnellere Abkühlgeschwindigkeit in einer Schweißverbindung nur bedingt herangezogen werden darf. Die Gusszone grenzt sich durch die Fusionslinie zum Grundwerkstoff deutlich ab. Diese Zone entsteht aus dem eingeschmolzenen Zusatzwerkstoff und dem aufgeschmolzenen Grundwerkstoff. Sie ist bei lichtoptischer Betrachtung nicht bzw. nur sehr schwer erkennbar. In der sich anschließenden Grobkornzone im Grundwerkstoff kommt es aufgrund der hohen Temperaturen zu einem verstärkten Wachstum der Austenitkörner, das auch durch die Auflösung der Nitride und Karbide begünstigt wird. Noch etwas weiter in Richtung Grundwerkstoff schließt sich bei Temperaturen knapp oberhalb von A C 3 die Feinkornzone an. Im Gegensatz zur Grobkornzone (GKZ) bleiben in diesem Bereich der WEZ die Nitrid- und Karbidausscheidungen weitgehend erhalten, weshalb aufgrund der dadurch vorhandenen Keimbildung günstige Bedingungen für eine feinkörnige Gefügebildung vorliegen. Im Temperaturbereich zwischen A C 3 und A C 1 entsteht (bei niedrig- bzw. unlegierten Stählen) die so genannte Perlitzerfallszone bzw. interkritische Zone (IKZ) erreicht. Aufgrund der niedrigen Temperaturen werden hier nur noch die im Vergleich zum Ferrit sich früher auflösenden 3

4 G. Lüdenbach et al. Oberflächengefügeuntersuchungen an Schweißnähten perlitischen Bereiche des Gefüges austenitisiert. Die lamellenförmige Struktur des Zementits wird aufgelöst und globular eingeformt. Noch weiter von der Schmelzline entfernt schließt sich die Anlass- und im Falle eines vorangegangenen kritischen Verformungsgrades die Rekristallisationszone an. Die interkritische Zone weist gegenüber dem Grundwerkstoff geringere Zeitstandfestigkeiten auf, was bei der Auslegung durch Abminderung der Zeitstandfestigkeit des unteren Streubandes um weitere 20% berücksichtigt wird. Da in den Kraftwerken in der Regel keine voll tragenden Nähte (z.b. Längsnähte) eingesetzt werden ist gegenüber der beanspruchenden Axialspannung aus dem Innendruck (50% der Umfangsspannung) eine ausreichende Sicherheit vorhanden. Aus diesem Grunde sind Zeitstandschäden an Schweißverbindungen auf die Überlagerung von Zusatzspannungen zurückzuführen, die in der Regel aus Biegemomenten resultieren, die durch behinderte Wärmedehnung des Rohrleitungssystems entstehen. Diese Biegemomente sind dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Rohrumfang der Biegezugzone immer auch eine Biegedruckzone gegenübersteht, in der keinerlei Zeitstandschädigungen auftreten. Gleichzeitig sind die Biegezugspannungen auf der Rohraußenoberfläche am größten, so dass in der Regel ein ausgeprägter Schädigungsgradient über die Wanddicke von außen nach innen zu erwarten ist. 3 Präparationshinweise und Gefügebeurteilung Bei der Präparation von Schweißnähten ist nach Möglichkeit die mechanische Präparation der elektrolytischen Präparation aufgrund der größeren Abdruckfläche vorzuziehen. Grundsätzlich sollte die Abdruckgröße so gewählt werden, dass Schweißgut, Wärmeeinflusszone und angrenzender Grundwerkstoff einer Schweißnaht mit erfasst werden. Bei breiten Schweißnähten sind zwei Abdruckpositionen für einen Schweißnahtbereich empfehlenswert. Die Auswertung erfolgt lichtoptisch durch Abrastern des kompletten Abdruckbereichs (Schweißgut, WEZ und Grundwerkstoff) bei mindestens 200-facher Vergrößerung und eingehender Untersuchung der für Zeitstandschäden kritischen Bereiche der WEZ (FKZ und IKZ) bei 500-facher Vergrößerung. Neben den Beurteilungsklassen ist die Lage von festgestellten Poren- oder Mikrosrissbildungen wie z.b. (Feinkornzone, Grobkornzone, Schweißgut oder Grundwerkstoff) und deren Orientierung zur Schweißnahtrichtung eindeutig zu beschreiben. Zur Abgenzung der Beurteilung von Grundwerkstoffen wurde für die Beurteilung der Schweißnähte eine andere Nomenklatur (Beurteilungsklasse A bis E ) verwendet. Da Kriechschäden im Bereich von Schweißnähten lokal und mit entsprechendem Gradienten auftreten wird immer der maximale Schädigungszustand in dem entsprechenden Nahtbereich z.b. (Beurteilungsklasse D in der FKZ) angegeben. 4

5 G. Lüdenbach et al. Oberflächengefügeuntersuchungen an Schweißnähten Aufgrund der, über den Umfang gesehen, lokalen Schädigung durch Zusatzspannungen ist zur Auffindbarkeit solcher Schäden im Anschluss an die visuelle Begutachtung vor der Oberflächengefügeuntersuchung erst eine Oberflächenrissprüfung durchzuführen. Folgende Punkte sind bei der Oberflächenrissprüfung zu beachten: Bei den ferromagnetischen Werkstoffen (ferritische Stähle) ist eine Oberflächenrissprüfung nach dem magnetischen Streuflussverfahren durchzuführen, wobei der fluoreszirende Prüfkontrast der schwarz-weiß-prüfung vorzuziehen ist. Bei den austenitischen Stählen und Nickelbasislegierungen ist eine Oberflächenrissprüfung nach dem Farb-Eindringverfahren durchzuführen. Bei beiden Verfahren ist auf die Herstellung einer prüffähigen Oberfläche (durch Beschleifen oder Strahlen) zu achten. Bei vorliegenden Rissbefunden (Ort der höchsten Beanspruchung ist klar definiert) ist zur Klärung der Rissursache folgende Vorgehensweise bei der Abdrucknahme zu empfehlen: Für die Oberflächengefügeuntersuchung gilt: Bei Rissbefund sollte zur Unterscheidung zwischen Zeitstand- und Dehnungswechselriss jeweils ein Gefügeabdruck im Bereich der Rissmitte und des Rissauslaufs genommen werden. Darüber hinaus sollte die Risstiefe durch geeignete Verfahren wie z. B. (Anbohren, Ausschleifen, Ultraschall- oder Wirbelstromprüfung) ermittelt werden. Werden keine Risse nachgewiesen, sollte im Bereich der höchsten Beanspruchung, sofern dieser bekannt ist, die Untersuchung erfolgen. Liegen keine Informationen über die Beanspruchungssituation vor, sind an mindestens drei Positionen, die um jeweils 120 auf dem Umfang verteilt sind, die Gefügeabdrücke anzufertigen. Grundsätzlich sind Auffälligkeiten bei der visuellen Leitungsbegehung sowie Ergebnisse aus Berechnungen nach der Warm- und Kaltaufnahme der Hänger für die Auswahl der Abdruckpositionen zu berücksichtigen. Es werden auch Vorschläge gemacht, wie bei ermittelten Befunden weiter zu verfahren ist. Hierbei wird auch auf den Unterschied zwischen Rissbefunden, überwiegend hervorgerufen durch Dehnungswechselbeanspruchung, und klassischen Zeitstandrissen hingewiesen. Besondere Aufmerksamkeit wurde den Befunden an Schweißnähten gewidmet, die nicht einer klassischen Zeitstandschädigung zugeordnet werden können. Hierbei handelt es sich um Poren- und Mikrorissbildung in der Grobkornzone. Diese sind in der Regel nicht auf eine betreibsbedingte 5

6 G. Lüdenbach et al. Oberflächengefügeuntersuchungen an Schweißnähten Zeitstandschädigung sondern auf den Abbau von Schweißeigenspannungen während der Spannungsarmglühung oder während der ersten Betriebsphase entstanden (Relaxationsporen bzw. Relaxationsrisse). Da durch die Betriebsbeanspruchung zwar kein Weiterwachsen dieser Vorschädigung abzuleiten ist, die Wirkung der Schweißeigenspannungen jedoch zu einem erhöhten Lebensdauerverbrauch in der angrenzenden schwachen interkritischen Zone geführt haben kann, wird empfohlen, diese Bereiche im Rahmen der wiederkehrenden Prüfungen weiter zu beobachten. Deshalb können auch Relaxiationsrisse, die visuell oder bei der MT-Prüfung detektiert werden und kein frisches Risswachstum aufweisen, ausgeschliffen werden. Ein Reparaturschweißen ist aufgrund der in der Regel geringen Risstiefe meist nicht notwendig. Mikroskopisch erkennbare Relaxiationserscheinungen in Form von Korngrenzentrennungen und Porenketten in der Grobkornzone der WEZ oder seltener auch im Schweißgut können, sofern sie nicht großflächig vorliegen, belassen werden. Anhand von Schadensbeispielen aus der Praxis werden die Hintergründe beschrieben und erläutert. 6

7 Oberflächengefügeuntersuchungen an Schweißnähten von Rohrleitungsbauteilen aus warmfesten ferritischen, martensitischen und austenitischen Stählen sowie Nickellegierungen mittels Folienabdrucktechnik Gereon Lüdenbach, Peter Körner, Karl Maile, Peter Seliger, Dieter Loog, Joachim Schubert, Ralf Uerlings, Dirk Wurzel, Jörg Gurski, Thomas Gräb

8 GLIEDERUNG Eigenschaften von Schweißnähten Auslegung von Schweißnähten Schädigungen an Schweißnähten Oberflächengefügeuntersuchungen an Schweißnähten MPA-Seminar Gereon Lüdenbach FOLIE 2

9 Eigenschaften von Schweißnähten Wärmeeinflußzone (WEZ) SG WEZ GW Grundwerkstoff GW A Schweißgut SG Grundwerkstoff GW B Fusionslinie 1 mm Schweißgut (SG) Grobkornzone (GKZ) Feinkornzone (FKZ) Grundwerkstoff (GW) MPA-Seminar Gereon Lüdenbach FOLIE 3

10 Eigenschaften von Schweißnähten Die geringste Zeitstandfestigkeit besitzt die interkritische Zone (IKZ) MPA-Seminar Gereon Lüdenbach FOLIE 4

11 Eigenschaften von Schweißnähten log σ Schweißminderungsfaktor (für t = 10 5 bzw. 2 x 10 5 h) Ermittlung der Zeitstandfestigkeit an Proben aus 1. niedergeschmolzendem Schweißgut => Festigkeit des reinen Schweißgutes 2. Schweißverbindungsproben => Bruchlage und Festigkeit des gebrochenen Bereichs Bruchlagenwechsel nach ca Th T = const. 1,0 0,9 0,8-20% vom Mittelwert GW untere Streuband des Grundwerkstoffs log t Bruchlage: SG Bruchlage: WEZ 0,7 0,6 0,5-20% vom unteren Streuband Temperatur 0,8 x 0,8 = 0,64 MPA-Seminar Gereon Lüdenbach FOLIE 5

12 Auslegung von Schweißnähten voll beanspruchte Nähte Längsnähte σ axial = 0,5 x σ tangential nicht voll beanspruchte Nähte Abzweige Rundnähte MPA-Seminar Gereon Lüdenbach FOLIE 6

13 Schädigung an Rundnähten FD-Leitung: 183 bar / 535 C Baujahr: 1967 (> h) Werkstoff: 14MoV6-3 Rohraußenoberfläche SN Riss (Leckage) Rissflanke (Grundwerkstoff) Sägeschnitt 10 mm Der Riss verläuft innerhalb der WEZ in konstantem Abstand zur Fusionslinie jeder einzelnen Schweißlage MPA-Seminar Gereon Lüdenbach FOLIE 7

14 Schädigung an Rundnähten 10 mm 50 µm ausgeprägte Kriechporenschädigung unmittelbar neben der Rissflanke die Anzahl der Kriechporen in den benachbarten Bereichen (SG, GKZ, GW) nimmt rapide ab MPA-Seminar Gereon Lüdenbach FOLIE 8

15 Schädigung an Rundnähten Rohrbogen-Anschlussnaht HZÜ-Leitung: 45 bar / 540 C Betriebsstunden: h Werkstoff: 13CrMo4-4 Abmessung: 195mm x 22mm Riss (Leckage) Pos. 3 Rissbereich Ergebnis der Oberflächengefügeuntersuchung, durchgeführt im Labor: Pos. 1: zeitstandbeansprucht ohne Mikroporen ( BK 1 ) Pos. 2: zeitstandbeansprucht ohne Mikroporen ( BK 1 ) Pos. 3: ca. 150mm langer Riss (Leckage) Risse an Schweißnähten entstehen durch Überlagerung von Zusatzspannungen überwiegend hervorgerufen von Biegemomenten als Folge behinderter Wärmedehnung MPA-Seminar Gereon Lüdenbach FOLIE 9

16 Prüfung an Rundnähten Zugzone = Zeitstandschädigung! Druckzone = keine Zeitstandschädigung! Gefügeuntersuchungen an Rundnähten erst nach erfolgter Oberflächenrissprüfung (dann ggf. befundabhängig) ggf. an Positionen, die sich aus Befunden der Rohrleitungsbegehung ergeben an Positionen, an denen die Rohrleitungsberechnung Zusatzspannungen vorhersagt Bogen-Anschlussnähte in der Verlängerung der Biegezugzone ( Extrados ) grundsätzlich an mindestens 3 Stellen verteilt auf dem Umfang MPA-Seminar Gereon Lüdenbach FOLIE 10

17 Beurteilungsklassen Grundwerkstoffe Beurteilungsklasse Gefüge- bzw. Schädigungszustand Abgrenzungskriterium 1 Zeitstandbeansprucht ohne Kriechporen 2a Vereinzelte Kriechporen Bis zu 150 Poren pro mm² 2b Zahlreiche Kriechporen ohne Orientierung Mehr als 150 Poren pro mm² 3a Zahlreiche Kriechporen mit Orientierung Siehe Hinweise 3b Kriechporenketten; vereinzelte Korngrenzentrennungen Mindestens 2 hintereinander liegende Korngrenzen mit mindestens je 3 Poren 4 Mikrorisse Mehr als eine Korngrenzenlänge 5 Makrorisse 150 Poren pro mm² entsprechen bei 500-facher Vergrößerung: rund 14 Poren bei einem Bildformat von 13 x 18 cm oder rund 8 Poren im Format 10 x 14 cm rund 5 Poren im Format 8 x 11 cm MPA-Seminar Gereon Lüdenbach FOLIE 11

18 Beurteilungsklassen Schweißnähte Beurteilungsklasse Gefüge- bzw. Schädigungszustand Abgrenzungskriterium A Zeitstandbeansprucht ohne Kriechporen B Vereinzelte Kriechporen < 150 Poren pro mm² C Zahlreiche Kriechporen mit > 150 Poren pro mm² Kriechporenketten D Mikrorisse Mehr als eine Korngrenzenlänge E Makrorisse 150 Poren pro mm² entsprechen bei 500-facher Vergrößerung: rund 14 Poren bei einem Bildformat von 13 x 18 cm oder rund 8 Poren im Format 10 x 14 cm rund 5 Poren im Format 8 x 11 cm MPA-Seminar Gereon Lüdenbach FOLIE 12