DE3825541A1

DE3825541A1 - Verfahren zur bewertung der reststandzeit von waermebestaendigem stahl

Info

Publication number: DE3825541A1
Application number: DE3825541A
Authority: DE
Inventors: Nobuhiko Nishimura; Fujimitsu Masuyama; Tetsuro Sada
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1987-07-27
Filing date: 1988-07-27
Publication date: 1989-02-09
Anticipated expiration: 2008-07-28
Also published as: DE3825541C2; GB2208000B; GB8817548D0; GB2208000A; US4907457A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung oder Bewertung der Reststandzeit von hitze- oder wärmebe ständigen Stählen, die unter erschwerten Betriebsbe dingungen bei hohen Temperaturen eingesetzt werden.

Überhitzerröhren von Kesseln in Kraftwerken unterliegen beispielsweise einer Verschlechterung der Werkstoffeigen schaften nach längerem Betrieb, weil sie unter erschwerten Bedingungen bei hohen Temperaturen und Drücken eingesetzt werden. Wenn die Betriebslebensdauer bzw. Standzeit des Werkstoffs voll erschöpft ist, können Unfälle, z.B. durch Brüche, auftreten. Zur Vermeidung solcher Unfälle sind bereits verschiedene Verfahren zur Bewertung der Rest standzeit von wärmebeständigen Stählen angewandt worden, beispielsweise ein Dauerstandversuch am Werkstoff, ein Verfahren, das auf der Untersuchung der Änderung der me chanischen Festigkeit, wie Härte, oder des Gefüges beruht, oder ein zerstörungsfrei arbeitendes Prüfverfahren für die Feststellung etwaiger Risse.

Zerstörende Prüfverfahren, z.B. der Dauerstandversuch, erfordern jedoch aufwendige Arbeitsgänge, wie Proben nahme durch Zerschneiden von tatsächlich benutzten Teilen und Langzeituntersuchung oder -prüfung, die über einen langen Zeitraum entsprechend einem Mehrfachen von tausend Stunden durchgeführt werden muß. Mittels eines solchen Verfahrens ist es mithin unmöglich, die Reststandzeit in kurzer Zeit und in zerstörungsfreier Weise zu be stimmen. Das auf der Feststellung der Änderung in den mechanischen Eigenschaften, wie Härte, beruhende Verfahren vermag keine genaue Information bezüglich der Reststand zeit über einen langen Zeitraum vom Beginn bis zum Ende des Einsatzes des betreffenden Teils zu liefern; dies be ruht zum Teil darauf, daß die Änderung in den mechanischen Eigenschaften hauptsächlich in der Endphase der Stand zeit oder Betriebslebensdauer auftritt, und zum Teil darauf, daß die sich ändernden Eigenschaften stark variieren. Es ist auch bekannt, daß eine Änderung im Ge füge oder in der Struktur im Langzeitbetrieb einen der kritischsten Faktoren bezüglich der Eigenschaftsver schlechterung des Werkstoffs darstellt. Es ist jedoch noch kein wirksames Verfahren entwickelt worden, das eine quantitative Untersuchung bzw. Auswertung der Ge fügeänderung von wärmebeständigen Stählen zum Zwecke der Bewertung der Reststandzeit erlaubt. Eine zerstörungs freie Untersuchung bzw. Prüfung zur Feststellung von Rissen in wärmebeständigen Stählen, die bei hoher Tempera tur und unter hoher Beanspruchung eingesetzt werden, ist zwar für die Bewertung der Reststandzeit sehr wirk sam, doch liefert diese Methode keine Information bezüg lich des Werkstoffzustands, bevor tatsächlich ein Riß auftritt.

Die Erfindung ist nun entwickelt worden, um die Lücke zwischen dem Stand der Technik und dem tatsächlichen Be darf zu schließen und ein Verfahren zu schaffen, das eine genaue Bewertung der Reststandzeit von wärmebeständigem Stahl anhand einer Information bezüglich einer Dichte änderung eines Legierungselements in diesem Stahl er möglicht.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines Ver fahrens zur Bewertung der Reststandzeit von bei hoher Temperatur und unter hohem Druck eingesetzten wärmebe ständigen Stählen, das eine sichere Bewertung dieser Reststandzeit in zerstörungsfreier Weise erlaubt.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Bewertung der Reststandzeit eines wärmebeständigen Stahls nach Betrieb oder Einsatz bei hoher Temperatur und unter hoher Bean spruchung erfindungsgemäß dadurch gelöst daß die Dichte eines Legierungselements in einem winzigen oder kleinsten Bereich jeder einer Vielzahl von Meßstellen auf der Ober fläche des wärmebeständigen Stahls gemessen wird und eine Vorausbestimmungsgröße für die Reststandzeit durch Auf tragen von Daten betreffend die Meßwerte der Dichte des Legierungselements auf ein im voraus abgeleitetes oder aufgestelltes Reststandzeit-Bewertungsbezugsdiagramm ge wonnen bzw. abgeleitet wird, welches die Beziehung zwi schen der Dichte des Legierungselements und der mittels zerstörungsfreier Prüfung oder einer Kräftebestimmung an zahlreichen (Proben-)Stücken des unter verschiedenen Bedingungen eingesetzten wärmebeständigen Stahls er mittelten Betriebslebensdauer- oder Standzeitabnahme dar stellt.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Be wertung der Reststandzeit eines wärmebeständigen Stahls nach Betrieb oder Einsatz bei hoher Temperatur und unter hoher Beanspruchung, das dadurch gekennzeichnet ist, daß von der Oberfläche des wärmebeständigen Stahls eine Nachbildungs-Probe (replica) gewonnen oder entnommen wird, der Zustand der Verschlechterung des metallurgischen Gefüges des wärmebeständigen Stahls und/oder der Zustand von Ausfällungen bzw. Ausscheidungen in der Probe be stimmt wird und eine Vorausbestimmungsgröße für die Reststandzeit durch Auftragen von Daten betreffend die bestimmten Größen für die Verschlechterung des metallurgi schen Gefüges und/oder den Zustand von Ausfällungen bzw. Ausscheidungen auf ein im voraus aufgestelltes Reststand zeit-Bewertungsbezugsdiagramm gewonnen oder abgeleitet wird, welches die Beziehung zwischen dem Zustand der Verschlechterung des metallurgischen Gefüges und/oder dem Zustand der Ausfällungen bzw. Ausscheidungen und der mit tels zerstörungsfreier Prüfung oder einer Kräftebestimmung an zahlreichen (Proben-)Stücken des unter verschiedenen Bedingungen eingesetzten wärmebeständigen Stahls ermittel ten Betriebslebensdauer- oder Standzeitabnahme darstellt.

Erfindungsgemäß durchgeführte ausgedehnte Untersuchungen an wärmebeständigen Stählen, die bei hoher Temperatur und hohem Druck eingesetzt werden, haben gezeigt, daß eine sehr enge Beziehung zwischen der Reststandzeit solcher Stähle und dem Zustand der Dichte von Stahl-Legierungs elementen sowie dem Verschlechterungszustand des metallurgi schen Gefüges der Stähle und/oder dem Fällungs- bzw. Aus scheidungszustand besteht.

Die Erfindung beruht nun auf dieser Feststellung. Er findungsgemäß werden die Dichten von Legierungselementen in winzigen bzw. kleinsten Bereichen auf der Oberfläche des wärmebeständigen Stahls an einer Vielzahl von Stellen gemessen; wahlweise wird der Verschlechterungszustand (oder auch Zerfallszustand) des metallurgischen Gefüges und/oder der Ausscheidungszustand an einer Nachbildungs-Probe (replica) bestimmt, die von der Oberfläche des wärmebeständigen Stahls ent nommen worden ist. Gleichzeitig werden Beziehungen zwi schen diesen Faktoren und der Standzeitabnahmerate (life consumption rate) im voraus mittels einer zerstörenden Prüfung oder einer Kräftebestimmung bestimmt, und die da bei gewonnenen Daten werden in Form eines Reststandzeit- Bewertungsbezugsdiagramms gespeichert. Die Reststandzeit oder -lebensdauer des wärmebeständigen Stahls kann damit unter Bezugnahme auf dieses Diagramm bewertet werden.

Erfindungsgemäß ist somit eine genaue Bewertung in kurzer Zeit und ohne die Notwendigkeit für eine zerstörende Prüfung möglich. Zudem vermag das erfindungsgemäße Ver fahren Informationen bezüglich der Reststandzeit (residual life) von wärmebeständigem Stahl über einen langen Zeit raum vom Einsatzbeginn bis zum Betriebsende zu liefern.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Er findung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine graphische Darstellung der Mo-Dichtever teilung, ermittelt unter Verwendung eines unbe nutzten ferritischen wärmebeständigen Stahls und eines ferritischen wärmebeständigen Stahls nach Langzeiteinsatz, für ein erstes Ausführungsbei spiel der Erfindung,

Fig. 2 ein Reststandzeit-Bewertungsbezugsdiagramm zur Darstellung der Beziehungen zwischen dem größten Flächenfaktor der Mo-Dichteverteilung und der Dauerstandfestigkeitsabnahme bei einem ferritischen wärmebeständigen Stahl,

Fig. 3 ein Reststandzeit-Bewertungsbezugsdiagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen der Halb wertsbreite der Mo-Dichte eines ferritischen wärmebeständigen Stahls und der Dauerstandfestigkeitsabnahme (creep rupture life consumption),

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Bestimmung oder Definition des Flächenfaktors (area factor) als erfindungsgemäß eingeführter Begriff, bei einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Definition des Einheitsdichtebereichs (unity density section), ebenfalls als erfindungsgemäß eingeführter Begriff,

Fig. 6 eine graphische Darstellung des Cr- und Mo-Dichte spektrums in einem ferritischen wärmebeständigen Stahl nach 140 000-stündigem Betrieb als wärme und druckbeständiger Bauteil eines Kessels in einem Kraftwerk,

Fig. 7 ein Reststandzeit-Bewertungsbezugsdiagramm zur Darstellung der Beziehung oder Korrelation zwi schen logarithmischen Dämpfungsfaktoren von Cr- und Mo-Dichtespektren bei einem unter verschie denen Bedingungen eingesetzten wärmebeständigen Stahl und dem Standzeitabnahmefaktor, anhand eines Bruchversuchs bestimmt,

Fig. 8 eine für ein drittes Ausführungsbeispiel der Er findung geltende Darstellung eines analytischen, elektronenmikroskopisch bestimmten Gefüges eines Dünnschichtprüflings, aus einer kleinen Probe von 3 mm Durchmesser und 1 mm Tiefe gewonnen, die aus einem ferritischen wärme- und druckbe ständigen Bauteil eines in einem Kraftwerk ein gesetzten Kessels entnommen wurde,

Fig. 9 ein Reststandzeit-Bewertungsbezugsdiagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen der Dauer standfestigkeitsabnahme und der Molybdändichte in Matrixphase,

Fig. 10 eine für ein viertes Ausführungsbeispiel der Er findung geltende Darstellung einer Elektronen mikroskop-Gefügeaufnahme zur Messung des Kugelig keitsfaktors (spheroidizing factor) von Korn grenzenkarbiden,

Fig. 11 ein Reststandzeit-Bewertungsbezugsdiagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen dem Kugelig keitsfaktor von Korngrenzenkarbiden und der Dauerstandfestigkeitsabnahme,

Fig. 12 ein Fließdiagramm eines Verfahrens gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 13 eine für ein sechstes Ausführungsbeispiel der Erfindung geltende Darstellung einer elektronen mikroskopischen Übertragungs- oder Durchlaß-Ge fügeaufnahme einer Nachbildungs-Probe (replica), die von der Oberfläche eines temperatur- und druckbeständigen Bauteils eines über einen langen Zeitraum in einem Kraftwerk eingesetzten Kessels entnommen wurde, und

Fig. 14 ein Reststandzeit-Bewertungsdiagramm zur Dar stellung der Beziehung zwischen der M₆C-Karbid fällung und der Standzeitabnahme bei einem ferritischen wärmebeständigen Stahl.

Im folgenden ist die Erfindung anhand eines ersten Aus führungsbeispiels erläutert.

Erfindungsgemäß wurden ausgedehnte Untersuchungen an ferritischen und austenitischen wärmebeständigen Stählen durchgeführt, die im Langzeitbetrieb bei hohen Tempera turen eingesetzt waren. Als Ergebnis dieser Unter suchungen hat es sich gezeigt, daß im Fall von ferritischen wärmebeständigen Stählen die Eigenschafts-Verschlechterung des Stahls eng mit der Kugelbildung (nodulation) von Mo₂C-Karbiden im Ferritkorn unter Fällungs- oder Aus scheidungsvergröberung von M₆C-Karbiden in der Korngrenze, die im Langzeitgebrauch des Stahls auftreten, verbunden ist. Im Fall von austenitischem wärmebeständigen Stahl hat es sich außerdem gezeigt, daß die Verschlechterung eng mit der Fällung oder Ausscheidung (Ausseigerung) der δ-Phase zu den Korngrenzen und der resultierenden Entstehung einer chromarmen Schicht verbunden ist. Erfindungsgemäß hat es sich weiterhin gezeigt, daß diese strukturellen Änderungen der jeweiligen wärmebeständigen Stahlsorten dadurch festgestellt werden können, daß eine Änderung in der Dichte von Molybdän und Chrom, die Legierungselemente solcher Stähle darstellen, festgestellt oder gemessen wird.

Das erste Ausführungsbeispiel der Erfindung beruht auf diesen Feststellungen. Dabei wird somit die Änderung im Verteilungszustand der Elementdichte eines wärmebe ständigen Stahls quantitativ gemessen, und die Reststand zeit oder -lebensdauer dieses Stahls wird anhand der Meß daten unter Bezugnahme auf ein Reststandzeit-Bewertungs bezugsdiagramm bewertet, welches die Beziehung zwischen der quantitativen Größe der Dichteverteilung und der Standzeitabnahmerate angibt; dieses Diagramm wird durch tatsächliche Messung mittels zerstörender Prüfung oder Spannungsanalyse bzw. Kräftebestimmung aufgestellt.

Für einen ferritischen wärmebeständigen 2 1/4Cr-1Mo-Stahl und einen anderen ferritischen wärmebeständen Stahl, die über einen langen Zeitraum hinweg in Überhitzerröhren und Hauptdampfröhren eines Kraftwerk-Kessels eingesetzt waren, werden die Dichten von Mo als Legierungselement eines solchen wärmebeständigen Stahls gemessen und mittels eines Röntgen- Analysiergeräts an einer großen Vielzahl von 1×1 mm großen Stellen (1000×1000 Stellen) analysiert bzw. aufgestellt.

Über den gesamten Dichtebereich hinweg wurde eine Ab stufung oder Skala in Einheiten von 0,2% aufgestellt. Das Verhältnis der Zahl der in jedem Dichtebereich liegenden Untersuchungsstellen zur Gesamtzahl der Untersuchungs stellen wurde längs des Dichtepegels aufgetragen. Fig. 1 veranschaulicht die Mo-Dichteverteilung 1 in einem nicht benutzten Werkstoff und die Mo-Dichteverteilung eines über einen längeren Zeitraum hinweg benutzten Werkstoffs. Der von Langzeitbenutzung herrührende Grad der Unebenheit oder Ungleichmäßigkeit der Mo-Dichte wurde anhand des Höchstwerts 3 des Flächenfaktors der Mo-Dichteverteilung und der Halbwertsbreite 4 des Verteilungsspektrums ausge wertet. Für jeden der verschiedenen Stahlwerkstoffe wurde ein Reststandzeit-Bewertungsbezugsdiagramm gezeichnet, welches die Beziehung oder Korrelation zwischen der Dauer standfestigkeitsabnahme und dem Höchstwert des Flächen faktors oder der Halbwertsbreite des Verteilungsspektrums angibt. Fig. 2 veranschaulicht ein solches Reststandzeit- Bewertungsbezugsdiagramm, das in Übereinstimmung mit dem maximalen oder größten Flächenfaktor der Mo-Dichtever teilung von 2 1/4Cr-1 Mo-Stahl aufgetragen wurde, während Fig. 3 ein ähnliches, auf der Grundlage der Halbwerts breite festgelegtes Diagramm veranschaulicht.

Sodann wurde die Mo-Dichteverteilung nach der vorstehend beschriebenen Methode im Oberflächenbereich von Über hitzerröhren, die im Langzeitbetrieb in einem Kraftwerk- Kessel benutzt worden waren, gemessen, und die Dauer standfestigkeitsabnahme (creeprupture life consumption) wurde anhand dieses Bezugsdiagramms unter Heranziehung des gemessenen größten Flächenfaktors und der Halbwerts breite vorausbestimmt. Die auf der Grundlage des größten Flächenfaktors vorausbestimmte Größe der Standzeitabnahme betrug 53%, während die auf der Grundlage der Halbwerts breite vorausbestimmte Standzeitabnahme 56% betrug. Anderer seits wurde die Dauerstandfestigkeitsabnahme der Über hitzerröhre mittels eines Dauerstandversuchs gemessen. Dieser Versuch ergab eine Größe von 51,4%, die somit mit den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vorausbestimmten Größen gut übereinstimmt.

Außerdem wurde ein Reststandzeit-Bewertungsbezugsdiagramm auch für austenitischen Stahl auf der Grundlage der Cr- Dichteverteilung aufgestellt, und zwar nach einer Methode, die im wesentlichen der für ferritischen Stahl benutzten Methode entspricht. Die Reststandzeit wurde anhand des größten Flächenfaktors und der Halbwertsbreite der Cr- Dichteverteilung, an einem Langzeitbetrieb ausgesetzten Werkstoffproben gemessen, bewertet. Das Bewertungsergebnis stimmte dabei gut mit dem Ergebnis der Bestimmung der Standzeitabnahme mittels des Dauerstandversuchs überein.

Nachstehend ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Er findung beschrieben. Erfindungsgemäß hat es sich auch herausgestellt, daß die Reststandzeit oder -lebensdauer eines ferritischen, bei hoher Temperatur und hohen Be lastungspegeln verwendeten wärmebeständigen Stahls von der Art und der Form der Karbide abhängt, die im Ge brauch des Stahls ausfallen bzw. ausseigern. Ein Prüfling a 1 (Fig. 4) zeigt eine gleichmäßige Verteilung feiner Karbide. Bei diesem Prüfling wird ein im wesentlichen gleichmäßiges Verhältnis von Karbiden über eine Vielzahl von Untersuchungsstellen hinweg festgestellt. Dies be deutet, daß die Dichten der die Karbide darstellenden Elemente, d.h. Cr und Mo im Fall von ferritischen Stählen, unabhängig von der Lage der Untersuchungsstelle im we sentlichen konstant sind. Wie aus Fig. 4(b1) hervorgeht, zeigt daher das Dichtespektrum einen scharfen Peak im Be reich um die mittlere Dichte herum.

Im Gegensatz dazu variiert bei einem Prüfling (Fig. 4(a2), bei dem Karbide kondensiert und vergröbert sind, das Verhältnis der Karbide im Untersuchungsbereich im großen Maße in Abhängigkeit von der Lage der Unter suchungsstelle, mit dem Ergebnis, daß unterschiedliche Untersuchungsstellen verschiedene Dichten von Karbid bildbildnern zeigen. Demzufolge enthält das Spektrum lediglich einen niedrigen und breiten Peak (vgl. Fig. 4(b2).

Erfindungsgemäß wurde nun eine Methode entwickelt, die eine quantitative Erfassung oder Messung der Änderung in der Dichteverteilung von Chrom (Cr) und Molybdän (Mo) als Karbidbildner ermöglicht. Dabei wurden insbesondere die Dichten von Cr und Mo in winzigen oder kleinsten Be reichen an einer Vielzahl von Untersuchungsstellen auf der Oberfläche eines ferritischen wärmebeständigen Stahls gemessen, wobei für jeden Einheits-Dichteabschnitt oder -bereich das Verhältnis der in jedem Dichtebereich liegen den Untersuchungsstelle zur Gesamtzahl der Untersuchungs stellen als Flächenfaktor berechnet wurde. Die Größe der Flächenfaktoren der jeweiligen Einheits-Dichtebereiche wurde jeweils für Cr und Mo längs der Dichte (bzw. Dichte achse) aufgetragen. Als Ergebnis hat es sich gezeigt, daß das Flächenfaktordämpfungsverhältnis an der Seite der höheren Dichte des Flächenfaktors des Dichtespektrums in Abhängigkeit von Faktoren variiert, z.B. der Art der ausgefällten Karbide und dem Verteilungszustand dieser ausgefällten Stoffe.

Im folgenden ist die Definition des Einheits-Dichtebe reichs erläutert.

Gemäß Fig. 5 wird der Dichtebereich zwischen der Mindest dichte (Cmin) und der Höchstdichte (Cmax) für jeweils Cr und Mo, an einer Vielzahl von Untersuchungsstellen ge messen in n Teile der Dichte (Δ C, z.B. 0,1 Gew.-%) unter teilt. Jeder derartige Teil oder Bereich wird als Einheits- Dichtebereich (C bis C + Δ C) bezeichnet:

Δ C = (Cmax - Cmin)/n (n = Teiler)

Der Flächenfaktor X(c) wird wie folgt definiert: Der Flächenfaktor X(c) ist, genauer gesagt, das Verhältnis der Zahl der in jedem Einheits-Dichtebereich (C bis C + Δ C) liegenden Untersuchungsstellen (n _c) zur Gesamtzahl (N) der Untersuchungsstellen. Der Flächenfaktor X(c) bestimmt sich somit nach folgender Gleichung:

Fig. 6 zeigt Cr- und Mo-Dichtespektren von durch Aus schneiden bis zu einer Tiefe von mehreren Millimetern von der Oberfläche her gewonnenen Prüflingen eines ferritischen wärmebeständigen Stahls, der 140 000 Stunden lang als Werkstoff eines temperatur- und druckbeständigen Bauteils eines Kraftwerk-Kessels eingesetzt war. In Fig. 6 stehen die einzelnen Symbole für die folgenden Faktoren:

Dabei bedeuten:
N = Gesamtzahl der Untersuchungsstellen,
n (Cr) = Zahl der Untersuchungsstellen mit Cr-Dichte im Bereich zwischen C _cr und C _Cr + Δ C _Cr,
n (Mo) = Zahl der Untersuchungsstellen mit Mo-Dichte im Bereich zwischen C _Mo und C _Mo + Δ C _Mo.

Der Flächenfaktor wird als natürlicher Logarithmus längs der Ordinate aufgetragen. Ersichtlicherweise verkleinert sich der natürliche Logarithmus des Flächenfaktors linear in bezug auf die Dichte bzw. in Abhängigkeit von dieser, insbesondere im Bereich höherer Dichte, und zwar sowohl im Cr- als auch im Mo-Dichtespektrum. Der Gradient dieser linearen Änderung, d.h. die Dämpfungsfaktoren λ C _cr und λ C _Mo, wurde nach der Methode des kleinsten Quadrats berechnet.

Fig. 7 ist ein Reststandzeit-Bewertungsbezugsdiagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen der Dauerstand festigkeitsabnahme und den mit verschiedenen Werkstoffen nach Langzeitbenutzung ermittelten logarithmischen Cr- und Mo-Dämpfungsfaktoren. Die auf der Grundlage des Cr-Dichtespektrums und des Mo-Dichtespektrums des wärme beständigen Stahls bewerteten oder ermittelten Größen der Reststandzeit betrugen 73% bzw. 68%. Andererseits betrug die nach dem Dauerstandversuch an diesem Stahl gemessene Reststandzeit 65%. Dies bedeutet, daß die Differenz zwi schen der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmten Reststandzeitgröße und der nach dem Dauerstandversuch er mittelten Reststandzeitgröße nicht mehr als 10% beträgt. Das Reststandzeit-Bewertungsverfahren gemäß der Er findung ist mithin sehr wirksam bzw. zuverlässig.

Im folgenden ist ein drittes Ausführungsbeispiel der Er findung beschrieben.

Erfindungsgemäß wurde eine gründliche Untersuchung eines ferritischen wärmebeständigen Stahls durchgeführt, der im Langzeitbetrieb als Werkstoff eines mechanischen Bau teils bei hoher Temperatur benutzt worden war. Dabei zeigte es sich, daß hauptsächlich durch Molybdän gebildete Kar bide koagulieren und grob werden, während die Molybdän dichte in der Matrixphase klein wird, jeweils in Beziehung zur Abnahme der Betriebslebensdauer oder Standzeit.

Das dritte Ausführungsbeispiel stützt sich auf diese Tat sache. Genauer gesagt: die Molybdändichte der Matrixphase einer kleinsten Probe, die aus einem mechanischen, einem Langzeitbetrieb ausgesetzten Bauteil entnommen wurde, wird gemessen und auf einem Standzeitabnahme-Bewertungs diagramm aufgetragen, das im voraus aufgestellt worden ist, um die Beziehung zwischen der Molybdändichte und der Standzeitabnahme darzustellen; auf diese Weise wird die Reststandzeit (residual life) bestimmt.

Fig. 8 ist eine Darstellung einer analytischen elektronen mikroskopischen Gefügeaufnahme eines Dünnschichtprüflings in Form einer kleinsten Probe von 3 mm Durchmesser und 1 mm Tiefe, die aus einem ferritischen wärme- und druck beständigen Stahlbauteil eines Kraftwerk-Kessels ent nommen wurde. Aus Fig. 8 geht hervor, daß zahlreiche Ausfällungen oder Ausscheidungen von groben, hauptsächlich durch Molybdän gebildeten Karbiden 32 des M₆C-Typs, die vor der Ver wendung nicht vorhanden waren, an den Korngrenzen fest zustellen sind. Die Molybdändichte wurde daher an fünf Stellen oder Punkten 33-37 in der Matrix gemessen; das Er gebnis ist in Tabelle 1 aufgeführt, aus welcher hervorgeht, daß die Molybdändichte in der Matrixphase entsprechend der Ausfällung der groben Karbide des M₆C-Typs abgenommen hat.

Untersuchungsstelle (Ziffern nach Fig. 1)
Mo-Dichte (Gew.-%)
1 (33)
0,68
2 (34)	0,65
3 (35)	0,66
4 (36)	0,69
5 (37)	0,67

Weiterhin erfolgte eine Untersuchung bezüglich der Be ziehung zwischen der Dauerstandfestigkeitsabnahme und der Molybdändichte in der Matrixphase an verschiedenen Werkstoffen, die einem Langzeiteinsatz ausgesetzt waren, und künstlich im Zeitstandversuch beschädigten Werk stoffen. Gemäß Fig. 9 ist dabei eine gute Übereinstimmung zwischen der Standzeitabnahme und der Molybdändichte in der Matrixphase zu beobachten. Unter Heranziehung der graphischen Darstellung als Standzeit-Bewertungsbezugs diagramm wird die Dauerstandfestigkeitsabnahme des ferritischen wärmebeständigen Stahls anhand des Mittel werts der Dichte von Molybdän als Legierungselement zu 63% vorausbestimmt.

Anschließend wurde aus demselben Werkstoff ein Prüfling entnommen (bzw. ausgeschnitten) und einem Dauerstandver such zur Bestimmung der Dauerstandfestigkeitsabnahme un terworfen. Die nach diesem Versuch bestimmte Standzeitab nahme betrug 58%.

Hieraus ist ersichtlich, daß das Verfahren gemäß diesem Ausführungsbeispiel, das sich auf die Molybdändichte stützt, ein Bewertungsergebnis liefert, das nahezu dem jenigen entspricht, das nach der herkömmlichen Bewertungs methode erhalten wird; das Verfahren gewährleistet somit eine ausreichend hohe Zuverlässigkeit. Die Reststandzeit oder -lebensdauer kann somit einfach durch Messung der Molybdändichte mit hohem Zuverlässigkeitsgrad bestimmt werden.

Im folgenden ist ein viertes Ausführungsbeispiel der Er findung erläutert.

Erfindungsgemäß wurde eine gründliche Untersuchung eines ferritischen wärmebeständigen Stahls nach langem Betriebs einsatz durchgeführt. Dabei zeigte es sich, daß diese Art des wärmebeständigen Stahls eine Tendenz dahingehend zeigt, daß Korngrenzenausfällungen oder -ausscheidungen kugelig (spheroidized) werden, wenn der Stahl über einen langen Zeitraum hinweg bei hoher Temperatur eingesetzt wird, wobei der Grad der Kugeligkeit (spherodization) von den Größen der Temperatur und der Spannung bzw. Bean spruchung im Gebrauch abhängt. Als Maß für den Grad der Kugeligkeit in ferritischem wärmebeständigen Stahl nach Langzeiteinsatz bei hoher Temperatur wurde ein Konzept eines Kugeligkeitsfaktors (spheroidizing factor) als Ver hältnis zwischen dem Mindestwert und dem Höchstwert des Durchmessers der Kugeln oder Sphären der ausgefällten Karbide eingeführt. Der Kugeligkeitsfaktor bestimmt sich damit nach folgender Formel:

Erfindungsgemäß wurde festgestellt, daß dieses neuartige Konzept des Kugeligkeitsfaktors eine gute Beziehung zur Standzeitabnahme auf der Grundlage der Kräftebestimmung aufweist, so daß die Reststandzeit durch Messung des Kugeligkeitsfaktors einfach und genau bewertet werden kann.

Nach dem vierten Ausführungsbeispiel kann somit die Rest standzeit von ferritischem wärmebeständigen Stahl nach Langzeiteinsatz bei hoher Temperatur dadurch bewertet wer den, daß der Kugeligkeitsfaktor von in den Korngrenzen ausgefällten oder ausgeschiedenen Karbiden gemessen und der so gemessene Kugeligkeitsfaktor auf einem Reststand zeit-Bewertungsbezugsdiagramm aufgetragen wird, das die Beziehung zwischen dem erwähnten Kugeligkeitsfaktor und der Standzeitabnahme zeigt, wobei diese Beziehung im voraus mittels zerstörender Prüfung oder Kräftebestimmung er mittelt worden ist.

Ferritischer wärmebeständiger 2 1/4Cr - 1Mo-Stahl und andere ferritische wärmebeständige Stähle, die einem Lang zeiteinsatz als Werkstoff von temperatur- und druckbe ständigen Kesselbauteilen unterworfen waren, wurden mit tels eines Elektronenmikroskops untersucht.

Fig. 10 ist eine schaubildliche Darstellung der Struktur dieser, mittels des Elektronenmikroskops untersuchten Stähle. Die maximale Größe 1 _a und die kleinste Größe 1 _b der Korngrenzenkarbide 42 an der Korngrenze 41 wurden bei jedem dieser Werkstoffe gemessen, wobei der Kugeligkeits faktor als Verhältnis 1 _b/1 _a berechnet wurde.

Anschließend wurden ein Dauerstandversuch durchgeführt und die Betriebslebensdauer- oder Standzeitabnahme als Verhältnis der Dauerstandzeit zwischen bereits benutztem Werkstoff und nicht benutztem Werkstoff berechnet, wobei ein Reststandzeit-Bewertungsbezugsdiagramm gemäß Fig. 11 erhalten wurde, das die Beziehung zwischen dem Kugelig keitsfaktor und der Dauerstandfestigkeitsabnahme veran schaulicht.

Anschließend wurden Nachbildungsproben (replica samples) von der Oberfläche von Überhitzerröhren eines Kraftwerk Kessels nach Langzeitbetrieb entnommen, und die Kugelig keitsfaktoren der Korngrenzenkarbide wurden nach der oben beschriebenen Methode gemessen. Durch Auftragen die ser Größe des Kugeligkeitsfaktors auf der Kurve des ge nannten Bezugsdiagramms wurde die Dauerstandfestigkeits abnahme zu 50% vorausbestimmt bzw. vorausgesagt.

Es wurde ein Dauerstandversuch an denselben Überhitzer röhrenwerkstoffen und unbenutzten Werkstoffen bei einer Temperatur von 600°C und Spannungsgrößen von 10 kg/mm² durchgeführt. Die Bruchzeit betrug 1110 Stunden beim be reits benutzten Werkstoff und 2140 Stunden beim unbe nutzten Werkstoff. Die Standzeitabnahme des benutzten Werkstoffs beträgt somit 51,4%. Dieser Wert entspricht sehr gut dem nach dem Verfahren gemäß diesem Ausführungs beispiel vorausbestimmten Wert.

Mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren kann somit die Reststandzeit von ferritischem wärmebeständigen Stahl nach Langzeiteinsatz bei hoher Temperatur ohne weiteres bestimmt werden.

Im folgenden ist ein fünftes Ausführungsbeispiel der Er findung beschrieben.

Bei diesem Verfahren zur Bewertung der Reststandzeit von wärmebeständigem Stahl werden Proben (replica) und Aus schnittproben (extract replica) von der Oberfläche des Stahls gewonnen bzw. entnommen und die Beziehung zwischen der Defekt- oder Fehlerverteilung im wärmebeständigen Stahl und der Reststandzeit anhand dieser Proben bestimmt. Weiterhin wird der Verschlechterungszustand des metallurgi schen Gefüges des wärmebeständigen Stahls auf der Grund lage der Probe bestimmt, und die Verteilung von Aus fällungen wird anhand der Ausschnittprobe bestimmt. So dann werden die Beziehungen oder Korrelationen zwischen den Ergebnissen und dem Standzeitabschnitt oder Standzeitbereich (life section) des wärmebeständigen Stahls bestimmt. Dieses Ausführungs beispiel benutzt somit die Beziehung oder Korrelation zwischen der Fehlerverteilung und der Reststandzeit sowie die Beziehung zwischen dem Verschlechterungszustand und der Ausfällungsverteilung und dem Standzeitahschnitt (life section). Mittels dieser Beziehungen oder Korrelationen ist es möglich, die Reststandzeit des wärmebeständigen Stahls in zerstörungsfreier Weise und in kurzer Zeit vom Beginn bis zum Ende der Einsatzperiode zu bestimmen.

Eine praktische Ausführungsform dieses Ausführungsbei spiels ist im folgenden anhand von Fig. 12 beschrieben. Eine Nachbildung oder Probe 51 und eine Ausschnittnach bildung oder -probe 57 werden von der Oberfläche eines wärmebeständigen Stahlelements gewonnen bzw. entnommen, das bei hoher Temperatur unter einem hohen Beanspruchungs grad benutzt worden ist. Die Probe 51 wird auf ein optisches Mikroskop aufgebracht, um etwaige Risse und mikroskopische Risse festzustellen und den Zustand der Verschlechterung des metallurgischen Gefüges, z.B. Gleichachsigkeit von Nebenkorn aufgrund von Umorientierung oder Versetzung, zu bestimmen. Das Ergebnis dieser Untersuchung wird mit einem Standardgefüge verglichen, dessen Standzeitabnahme aufgrund z.B. eines Dauerstandversuchs festgestellt wor den ist, so daß auf diese Weise der Standzeitabschnitt oder -bereich (life section) dieses wärmebeständigen Stahlelements be urteilt wird.

Der unmittelbar auf den Korngrenzenbruch (Bruch aufgrund der Erzeugung und Fortsetzung oder Ausdehnung von Dehn poren an der Korngrenze) bezogene Faktor ist die Aus fällung von M₆C-Karbiden (hauptsächlich aus Mo bestehen den Karbiden) und die erwähnte Gleichachsigkeit des Nebenkorns. Nach dem beschriebenen Verfahren wird der Änderungsgrad der Form der M₆C-Ausfällungen durch Ver gleich mit demjenigen des Standardgefüges eingeordnet (ranked).

Die Probe wird in ein Abtastelektronenmikroskop 55 einge bracht, um das Vorhandensein und die Verteilung von Dehn poren (creep voids) 56 zu untersuchen. Das Ergebnis wird mit dem Standardgefüge 54 verglichen, dessen Standzeitab schnitte bekannt sind, so daß die Reststandzeit des unter suchten Stahls als Standzeitabschnitt bestimmt wird. Die von derselben Stelle wie die Probe 51 gewonnene Aus schnittprobe 57 wird mittels eines Transmissions- oder Durchlaßelektronenmikroskops 58 untersucht, um den Ver teilungszustand der Ausfällungen zu bestimmen. Das Er gebnis wird mit demjenigen des Standardwerkstoffs mit be kannten Standzeitabschnitten verglichen, so daß die Rest standzeit des untersuchten Stahls als Standzeitabschnitt (life section) bestimmt wird.

Die Standzeitabschnitte werden somit mittels verschiedener Untersuchungen des wärmebeständigen Stahls bestimmt, z.B. Untersuchung des Verteilungszustands von Rissen und mikroskopischen Rissen, Untersuchung der Verteilung von Dehnporen, Untersuchung auf der Grundlage von Änderung des metallurgischen Gefüges und Untersuchung der Ver teilung von Ausfällungen oder Ausscheidungen. Anhand des genannten Standzeitabschnitts oder -bereichs wird die Reststandzeit des untersuchten Stahls bewertet.

Nach dem Verfahren gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird ein Reststandzeit-Bewertungsversuch mit 2 1/4Cr - 1Mo- Stahlproben A, B und C durchgeführt, die von Überhitzer röhren entnommen wurden, welche sich im Langzeitbetrieb in einem Kraftwerk-Kessel befanden. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle 2 zusammengefaßt.

Tabelle 2 zeigt auch das Ergebnis der nach einer her kömmlichen Methode, d.h. einem Dauerstandversuch durchge führten Reststandzeitbewertung. Der unmittelbar auf den oben genannten Korngrenzenbruch bezogene Faktor ist, wie erwähnt, die oben genannte Ausfällung von M₆C-Karbiden und die vorher erwähnte Gleichachsigkeit des Nebenkorns. Nach dem beschriebenen Verfahren wird der Änderungsgrad der Form der M₆C-Ausfällungen durch Vergleich zu dem des Standardgefüges eingeordnet.

Aus Tabelle 2 geht hervor, daß das beschriebene Verfahren die Bewertung der Reststandzeit oder -lebensdauer von wärmebeständigem Stahl in kurzer Zeit und im Vergleich zum herkömmlichen Verfahren mit höherem Genauigkeitsgrad in zerstörungsfreier Weise ermöglicht.

Tabelle 2

Nachstehend ist ein sechstes Ausführungsbeispiel der Er findung beschrieben.

Erfindungsgemäß hat es sich gezeigt, daß die Arten der Ausfällungen oder Ausscheidungen in einem bei hoher Temperatur und unter hoher Beanspruchung eingesetzten wärmebeständigen Stahl zeitabhängig variieren, so daß sich das Verhältnis der Menge einer jeden Ausfällung zur Gesamtmenge aller Ausfällungen, d.h. die Relativmenge, (ebenfalls) zeitabhängig ändert. Dies bedeutet, daß die Relativmenge eine Beziehung zur Abnahme der Dauerstand festigkeit aufweist.

Nach dem Verfahren gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel wird die Relativmenge einer Ausfällung in einer aus einem wärmebeständigen Stahl entnommenen Probe gemessen und die Reststandzeit durch Auftragen der gemessenen relativen Menge auf ein Diagramm vorausbestimmt, das im voraus auf gestellt worden ist und das die Beziehung zwischen der Relativmenge und der Standzeitabnahme darstellt.

Ein praktisches Beispiel für dieses Verfahren ist nach stehend anhand von Fig. 13 erläutert, die eine sche matische oder schaubildliche Darstellung einer Durchlaß elektronenmikroskop-Gefügeaufnahme einer Ausschnittprobe ist, die in zerstörungsfreier Weise von der Oberfläche eines druckbeständigen Abschnitts eines Kraftwerk-Kessels gewonnen wurde. Mittels eines mit diesem Elektronen mikroskop verbundenen quantitativen Elementdichten- Analysators wird eine Elementdichtenanalyse an 100 Ein heiten von Ausfällungen 61 in der Ausschnittprobe durchgeführt, um damit die Ausfällungen oder Ausschei dungen zu identifizieren; das Ergebnis erscheint in der nachstehenden Tabelle 3.

Art der Ausfällung
Menge an Ausfällung
M₂₃C₆\|5%
M₇C₃	32%
M₆C	63%

Das Verhältnis der hauptsächlich aus Mo und Fe bestehen den Karbide des Typs M₆C als Ausfällungsmenge von M₆C betrug 63%. Fig. 14 veranschaulicht ein im voraus er mitteltes Reststandzeit-Bewertungsdiagramm zur Dar stellung der Beziehung zwischen der M₆C-Ausfällungsmenge und der Dauerstandfestigkeitsabnahme bei einem wärmebe ständigen Stahl, der im Langzeitbetrieb mit Verringerung seiner Dauerstandfestigkeit eingesetzt worden war. Die Dauerstandfestigkeitsabnahme des Prüfwerkstoffs wird zu 48% vorausbestimmt, indem die Meßgröße der M₆C-Aus fällung entsprechend auf das Diagramm gemäß Fig. 14 auf getragen wird. Der gleiche druckbeständige Werkstoff wurde in Stücke geschnitten und einem Dauerstandversuch unterworfen, um die Abnahme der Dauerstandfestigkeit gegenüber dem unbenutzten Werkstoff nach der Larson- Miller-Parametermethode zu bestimmen. Die damit zu 53% ermittelte Dauerstandfestigkeitsabnahme entspricht praktisch der nach dem beschriebenen Verfahren gemäß der Erfindung vorausbestimmten Dauerstandfestigkeitsab nahme, wodurch die Gültigkeit des erfindungsgemäßen Ver fahrens für die zerstörungsfreie Vorausbestimmung der Reststandzeit bestätigt wird.

Mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren gemäß der Er findung kann somit die Reststandzeit eines wärmebe ständigen Stahls im Betrieb bei hoher Temperatur und unter hoher Beanspruchung in kurzer Zeit und mit einem hohen Genauigkeitsgrad zerstörungsfrei bewertet werden. Die Erfindung ermöglicht damit die Aufstellung eines Vorsorgewartungsplans mit dem Ziel der Verbesserung der Zuverlässigkeit eines den betreffenden wärmebe ständigen Stahl verwendenden Geräts im Zuge eines zu verlässigen zerstörungsfreien Prüfverfahrens.

Claims

1. Verfahren zur Bewertung der Reststandzeit eines wärme beständigen Stahls nach Betrieb oder Einsatz bei hoher Temperatur und unter hoher Beanspruchung, dadurch ge kennzeichnet, daß die Dichte eines Legierungselements in einem winzigen oder kleinsten Bereich jeder einer Vielzahl von Meßstellen auf der Oberfläche des wärme beständigen Stahls gemessen wird und eine Vorausbe stimmungsgröße für die Reststandzeit durch Auftragen von Daten betreffend die Meßwerte der Dichte des Le gierungselements auf ein im voraus abgeleitetes oder aufgestelltes Reststandzeit-Bewertungsbezugsdiagramm gewonnen bzw. abgeleitet wird, welches die Beziehung zwischen der Dichte des Legierungselements und der mittels zerstörungsfreier Prüfung oder einer Kräftebe stimmung an zahlreichen (Proben-)Stücken des unter ver schiedenen Bedingungen eingesetzten wärmebeständigen Stahls ermittelten Betriebslebensdauer- oder Stand zeitabnahme darstellt.

2. Verfahren zur Bewertung der Reststandzeit eines wärme beständigen Stahls nach Betrieb oder Einsatz bei hoher Temperatur und unter hoher Beanspruchung, dadurch ge kennzeichnet, daß von der Oberfläche des wärmebe ständigen Stahls eine Nachbildungs-Probe (replica) ge wonnen oder entnommen wird, der Zustand der Ver schlechterung des metallurgischen Gefüges des wärmebe ständigen Stahls und/oder der Zustand von Ausfällungen bzw. Ausscheidungen in der Probe bestimmt wird und eine Vorausbestimmungsgröße für die Reststandzeit durch Auf tragen von Daten betreffend die bestimmten Größen für die Verschlechterung des metallurgischen Gefüges und/oder den Zustand von Ausfällungen bzw. Ausschei dungen auf ein im voraus aufgestelltes Reststandzeit- Bewertungsbezugsdiagramm gewonnen oder abgeleitet wird, welches die Beziehung zwischen dem Zustand der Verschlechterung des metallurgischen Gefüges und/oder dem Zustand der Ausfällungen bzw. Ausscheidungen und der mittels zerstörungsfreier Prüfung oder einer Kräftebestimmung an zahlreichen (Proben-)Stücken des unter verschiedenen Bedingungen eingesetzten wärme beständigen Stahls ermittelten Betriebslebensdauer- oder Standzeitabnahme darstellt.