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TECHNISCHE INFORMATION Neuartige Schweißzusätze für bainitische und martensitische Stähle

Inhalt Vorwort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1. Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2. Entwicklung von neuen warmfesten Schweißzusatzwerkstoffen für bainitische und martensitische Werkstoffe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 3. Schweißzusätze zum Schweißen des neuen bainitischen Stahls T/P23 . . . . . . . . . . . . . . . . 6 4. Schweißzusätze zum Schweißen des neuen bainitischen Stahls T/P24 (7CrMoVTiB10-10; 1.7378). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 5. Artgleiche Schweißzusätze für die martensitischen Werkstoffe E911 und P92 (Nf 616) . . . 8 6. Zeitstandsuntersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 6.1 Zeitstandsuntersuchungen zu den bainitischen Schweißzusätzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 6.2 Zeitstandsuntersuchungen zu den martensitischen Schweißzusätzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 7. Artgleicher Schweißzusatz für einen neuen martensitischen Werkstoff mit 12% Chrom – VM12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 8. Zusammenfassung und Ausblick. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 9. Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

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Neuartige Schweißzusätze für bainitische und martensitische Stähle Volker Groß, Hamm Herbert Heuser, Hamm Claus Jochum, Hamm Das Bestreben bei fossil befeuerten Kraftwerken höhere Wirkungsgrade zu realisieren ist verbunden mit höheren Prozessparametern (Druck/Temperatur). Derzeit werden Frischdampftemperaturen bis 620 °C realisiert. Hierzu sind martensitische Stähle (E911 oder P92) mit ausreichenden Zeitstandeigenschaften notwendig. Über die Eigenschaften artgleicher Schweißzusätze wird berichtet. Darüber hinaus werden Ergebnisse noch laufender Entwicklungen zu Schweißgütern für einen martensitischen 12 %-igen Cr-Stahl (VM12) vorgestellt. Im Kesselbereich werden bisherige eingesetzte warmfeste Kesselrohre wie 16Mo3, 13CrMo4-5 oder auch 10CrMo9-10 durch neue bainitische Stähle wie T/P23 und T/P24 ersetzt. Die Eigenschaften artgleicher Schweißzusätze zu diesen Stählen werden ebenfalls vorgestellt.

1. Einleitung Das Streben nach höheren Wirkungsgraden von fossil befeuerten Kraftwerken führte in den vergangenen Jahren zu einer Reihe neuer Werkstoffentwicklungen, mit denen es möglich wurde, die Dampfparameter deutlich zu erhöhen und Dampftemperaturen von bis zu 625 °C im Dauerbetrieb wirksam umzusetzen. Ein besonderes Augenmerk wurde dabei auf die Weiterentwicklung der modifizierten 9%-igen Cr-Stähle gerichtet. Grundlage dieser Entwicklung bildete der Stahl T/P91 (X10CrMoVNb9-1), aus denen die neuen Stähle T/P92 (dies ist eine japanische Entwicklung; Nf616) und E911 (X11CrMoWVNb9-1-1) hervorgingen [1-4]. Mit der Realisierung erhöhter Dampfparameter werden aber auch die Belastungen an die Membranrohrwände steigen und die erhöhten Anforderungen können mit den bislang eingesetzten Rohrstählen 13CrMo4-4 bzw. T11/T12 nicht mehr erfüllt werden.

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Auch hier werden, wie im dickwandigen Bereich, künftig Werkstoffe mit höheren Zeitstandfestigkeiten benötigt. Darüber hinaus muss für die Membranrohrwandfertigung die schweißtechnische Verarbeitung ohne Wärmenachbehandlung gesichert sein. Dieses Anforderungsprofil führte in Japan zu der Entwicklung des Stahles T/P23 (HCM2S) und bei Vallourec & Mannesmann zur Entwicklung des Stahles T/P24 (7CrMoVTiB10-10) [5]. Dieser Beitrag beschreibt die Entwicklung der artgleichen Schweißzusatzwerkstoffe zu den bainitischen Werkstoffen T/P23 und T/P24 und martensitischen Grundwerkstoffen E911 und P92. Darüber hinaus werden aktuelle Ergebnisse zu einem neuen martensitischen Stahl VM12 vorgestellt.

ursprünglich vorgesehen, ihr Einsatzpotential als Kesselrohr haben, sondern auch im dickwandigen Hochdruckrohrleitungsbereich bei Temperaturen von 500 bis 550 °C eine gute Alternative zu den martensitischen 9 % Cr-Stählen darstellen. Die in diesem Beitrag behandelten Werkstoffe werden in Tabelle 1 mit ihren chemischen Zusammensetzungen und ihren Gütewerten vorgestellt. Zum Vergleich sind auch die bekannten Werkstoffe X20CrMoVW12-1 (X20) und P91 aufgelistet.

2. Entwicklung von neuen warmfesten Schweißzusatzwerk stoffen für bainitische und martensitische Werkstoffe Bei der Einführung neuer Stähle stellt sich die Frage nach den entsprechend geeigneten Schweißzusatzwerkstoffen. Daher ist es von großer Bedeutung, dass zeitgleich zur Entwicklung neuer Grundwerkstoffe auch die Entwicklung entsprechender Schweißzusatzwerkstoffe mit ausreichenden Zeitstandeigenschaften erfolgt. Dabei geht man in der Regel davon aus, dass die Analysen der Schweißzusatzwerkstoffe eng an die der Grundwerkstoffe angelehnt sind. Im nachfolgenden werden die Schweißzusätze für die bainitischen Werkstoffe T/P23, T/P24 und für die martensitischen Werkstoffe E911 und P92 für die praxisüblichen Verfahren WIG, LBH und UP vorgestellt. Im Verlauf der (Stahl-) Entwicklung konnte festgestellt werden, dass die beiden bainitischen Stähle nicht nur, wie

Bezeichnung

BAINITISCHE STÄHLE HCM2S (T23) 7 CrMoVTiB 10-10 (T24) 1.7378 MARTENSITISCHE STÄHLE (9 - 12 % Cr-Stähle) X20CrMoV12-1 1.4922 X10CrMoVNb9-1 (P91) 1.4903 X11CrMoWVNb9-1-1 (E911) 1.4905 P92 (Nf616) VM12 (Ist-Werte der Versuchsschmelze „F“) 1)

C

Si

Mn

Tabelle 1: Chemische Zusammensetzung und mechanische Gütewerte der neuen bainitischen und martensitischen Werkstoffe sowie erprobter warmfester Werkstoffe X20 und P91

Elemente in Gewichts-% Cr Ni Mo

0,04-0,10 ≤ 0,50 0,30-0,60 1,90-2,60 0,05-0,095 0,15-0,45 0,30-0,70 2,20-2,60

– –

V

W

Nb

Sonstige

≤ 0,30 0,20-0,30 1,45-1,75 0,02-0,08 N ≤ 0,010 0,90-1,10 0,20-0,30 – – N ≤ 0,010 B 0,0015-0,0070

Einsatztemperatur °C 1)

≤ 550 ≤ 550

–

≤ 585

0,06-0,10 N 0,03-0,07

≤ 585

0,09-0,13 0,10-0,50 0,30-0,60 8,50-9,50 0,10-0,40 0,90-1,10 0,18-0,25 0,90-1,10 0,06-0,10 N 0,05-0,09

≤ 630

0,07-0,13

27 J liegen. Allerdings ist es erforderlich, dass beim Schweißen größtmögliche Sorgfalt gewährleistet sein muss (Einhalten geringer Wärmeeinbringung, richtige Wahl des Elektroden-Ø, Einhalten der zulässigen Lagendicke, etc.). Die WBH sollte bei 770 °C durchgeführt werden, da bei 760 °C keine ausreichend hohen Zähigkeitswerte garantiert werden können. Die Ac1b-Temperatur des Schweißguts und des Grundwerkstoffes liegt bei 800 °C. Die nachfolgende Tabelle 11 fasst die Ergebnisse für verschiedene Schweißverfahren (WIG, LBH, UP) zusammen.

Thermanit MTS 5 CoT Analyse, reines Schweißgut verschiedene Verfahren

C 0,12 0,11 0,10

WIG LBH UP

Si 0,51 0,45 0,50

Mn 0,39 0,65 0,60

Cr 11,60 11,15 11,30

Ni 0,30 0,70 0,65

Mo 0,28 0,30 0,29

V 0,26 0,25 0,23

W 1,51 1,50 1,50

Co 1,63 1,60 1,60

Nb 0,06 0,06 0,04

B 0,005 0,003 0,003

N 0,05 0,05 0,06

Mechanische Eigenschaften

a) reines Schweißgut Prüftemp.

WBH

Rp0,2

Rm

A5

°C

°C/h

MPa

MPa

%

Av (ISO-V) (RT) J

WIG

+20

770/2

767

906

18

50 23 32

LBH

+20 +50 600

770/2

694

835

16

46 34 42

770/2

335

423

18

+20

770/4

688

819

18

Bruchlage

Av (ISO-V) J

Härte HV10

UP

Av (ISO-V) (+50 °C) J

57 66 58

b) Verbindung: VM12, Rohr-Øa: 406 mm, Wandstärke: 35 mm Prüftemp. WBH Rp0,2 Rm °C °C/h MPa MPa

36 48 46

+20

770/4

576

765

GW

45 41 31

260

600

770/4

293

383

GW

–

–

Tabelle 11: Ergebnisse des reinen UP-Schweißgutes sowie aus einer Verfahrensprüfung einer VM12-Rohrverbindung

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8. Zusammenfassung und Ausblick Anliegen des Beitrages war es, auf Werkstoffentwicklungen für moderne Kraftwerke aufmerksam zu machen. Diese Werkstoffe sind für die Ertüchtigung von bestehenden Kraftwerken sowie für Neubauten mit erhöhten Dampfparametern von hoher wirtschaftlicher Bedeutung. Das Bestreben, auch oberhalb von 620 °C in konventionellen Kraftwerken martensitische Stähle einzusetzen, hat zur Initiative eines breit angelegten europäischen Forschungsvorhaben „COST 536“ geführt, an dem sich über 15 europäische Länder beteiligen. Aus heutiger Sicht geht die Entwicklung hin zu Bor- und Cobalt-legierten Stählen. Der Cr-Gehalt der Werkstoffe wird auf ca. 11 - 11,5 % angehoben, um eine ausreichende

Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit gewährleisten zu können. Weitere Legierungsmodifikationen, insbesondere hinsichtlich der gestiegenen Rohstoffpreise werden diskutiert. Die Entwicklung artgleicher Schweißzusätze für derartige Stähle erfolgt parallel zu der Grundwerkstoffentwicklung. Es bleibt eine anspruchsvolle Aufgabe, mit weiteren Entwicklungen für die Schweißzusätze das Optimum zwischen Langzeiteigenschaften bis 650 °C, ausreichenden Zähigkeiten im Schweißgut bei gleichzeitig möglichst kurzen Wärmebehandlungen und ausreichende Zunderbeständigkeiten zu gewährleisten. Denkbar sind auch Abstriche bezüglich Zähigkeitsanforderungen an das reine Schweißgut (z. B. von > 41 J auf 27 J bei RT), will man nicht deutlich längere Anlasszeiten der Schweißverbindungen als bislang üblich in Kauf nehmen.

9. Literatur [1] Bendick,W.; Haarmann, K.; Kubla, G. und Zschau, M.: Neue Werkstoffe für den Kessel- und Rohrleitungsbereich von Kraftwerken mit erhöhten Dampfparametern; Tagungsband der 6. Werkstofftagung Graz, 16.04.1999 [2] Bendick,W.; Hahn, B. und Schendler,W.: Neue Entwicklungen für warmfeste Rohre im Kraftwerksbau; 3R international 40 (2001), S. 264 - 268 [3] Heuser, H.; Jochum, C. und Hahn, B.: Properties of Matching Filler Metals for E911 and P92; 28. MPA-Seminar Stuttgart, 10./11.10.2002, Tagungsband Vol. 2 [4] Pecha, J.; Bobonic, M.: Mikrolegierte Cr-Mo-Stähle im Energiewesen. In XXV.Tage der Schweißtechnik,Vamberk, 2002, S. 78-83 [5] Arndt, J.; Haarmann, K.; Kottmann, G.; Vaillant, J.C.; Bendick,W.; Deshayes, F.: The T23/T24 Book, Vallourec & Mannesmann Tubes 1998 14

[6] Brühl, F.: Verhalten des 9 %-Chromstahles X10CrMoVNb91 und seiner Schweißverbindungen im Kurz- und Langzeitversuch; Dissertation, Graz 1989 [7] Bendick, W.; Haarmann, K.; Wellnitz, G.; Zschau, M.: Eigenschaften der 9- bis 12 %-Chromstähle und ihr Verhalten unter Zeitstandbeanspruchung;VBG Kraftwerkstechnik 73 (1993), Heft 1, S. 77 - 84 [8] Blume, R.; Heuser, H.; Leich, K.E.; Meyer, F.: Verbesserungen der mechanisch-technologischen Eigenschaften von Schweißverbindungen an CrMoVNbStählen mit 9 % Cr durch Optimierung von Schweißzusätzen und Schweißparametern; DVS Bericht 162, S. 206 - 210 [9] Heuser, H.; Bendick, W.; Melzer, B.; Zschau, M.; Cerjak, H.; Letofsky, E.: Ermittlung der Langzeiteigenschaften artgleicher Schweißgüter neuer warmfester Stähle. Forschungsbericht P297; Studiengesellschaft Stahlanwendung e.V., Düsseldorf, Dezember 2000.

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