DE3825541C2 - Verfahren zur Bewertung der Reststandzeit von wärmebeständigem Stahl - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Bewertung der Reststandzeit eines Bauteils aus hitze- oder wärmebeständigem legiertem Stahl, das unter erschwerten Betriebsbedingungen bei hohen Temperaturen eingesetzt wird.

Überhitzerröhren von Kesseln in Kraftwerken unterliegen beispielsweise einer Verschlechterung der Werkstoffeigenschaften 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 Reststandzeit von wärmebeständigen Stählen angewandt worden, beispielsweise ein Dauerstandversuch am Werkstoff, ein Verfahren, das auf der Untersuchung der Änderung der mechanischen 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 Probennahme 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 bestimmen. Das auf der Feststellung der Änderung in den mechanischen Eigenschaften, wie Härte, beruhende Verfahren vermag keine genaue Information bezüglich der Reststandzeit über einen langen Zeitraum vom Beginn bis zum Ende des Einsatzes des betreffenden Teils zu liefern; dies beruht zum Teil darauf, daß die Änderung in den mechanischen Eigenschaften hauptsächlich in der Endphase der Standzeit oder Betriebslebensdauer auftritt, und zum Teil darauf, daß die sich ändernden Eigenschaften stark variieren. Es ist auch bekannt, daß eine Änderung im Gefüge oder in der Struktur im Langzeitbetrieb einen der kritischsten Faktoren bezüglich der Eigenschaftsverschlechterung des Werkstoffs darstellt. Eine zerstörungsfreie Untersuchung bzw. Prüfung zur Feststellung von Rissen in wärmebeständigen Stählen, die bei hoher Temperatur und unter hoher Beanspruchung eingesetzt werden, ist zwar für die Bewertung der Reststandzeit sehr wirksam, doch liefert diese Methode keine Information bezüglich des Werkstoffzustands, bevor tatsächlich ein Riß auftritt.

Aus der US 4 287 417 ist ein Verfahren zur Bestimmung des zeitabhängigen Ausmaßes der Verschlechterung bzw. der Veränderung eines wärmebeständigen ferritischen Bauteils aus Cr-Mo-V-Stahl durch die Erwärmung im Einsatz, beispielsweise in Dampfturbinen, bekannt, bei dem mindestens einer der Faktoren Teilchenabstand, Teilchengröße und Kristallisationsdichte einer V₄C₃ Karbidausscheidung des Stahls gemessen und unter Vergleich mit im Labor ermittelten Bewertungsbezugskurven ausgewertet wird.

Des weiteren beschreibt die JP 56-55854 A auch ein Verfahren zur Bestimmung des Ausmaßes der Verschlechterung eines wärmebeständigen Stahls, bei dem eine Teilchendurchmesser- Verteilungskurve von in CrMoVW-Stahl ausgeschiedenem M₂₃C₆- Karbonat mittels eines Elektronenmikroskops sowohl bei einem zu untersuchenden Bauteil als auch bei einer Vergleichsprobe zur Ermittlung eines Referenzdiagrammes bestimmt und miteinander verglichen werden.

Schließlich beschreibt noch die JP 55-101857 A ein Verfahren zum Messen der Reststandzeit von Stahlbauteilen, die hohen Temperaturen ausgesetzt waren. Dieses Verfahren beruht darauf, daß die Konzentration der Legierungselemente in den M₂₃C₆-Karbid-Ausscheidungen im Stahl eines Bauteils quantitativ bestimmt werden und darauf basierend die Bewertung vorgenommen wird.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung von Verfahren zur Bewertung der Reststandzeit eines Bauteils aus wärmebeständigem, legiertem Stahl, das während längerer Zeitdauer hohen Temperaturen und hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt war, das eine sichere zerstörungsfreie Bewertung der Reststandzeit ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Verfahren gemäß den Ansprüchen 1, 4 oder 6 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 und 4 sind in Unteransprüchen angegeben.

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 Konzentration (Häufigkeit) von Stahl-Legierungselementen sowie dem Verschlechterungszustand des metallurgischen Gefüges der Stähle und/oder dem Fällungs- bzw. Ausscheidungszustand besteht.

Die Erfindung beruht nun auf dieser Feststellung. Erfindungsgemäß werden die Konzentrationen eines Legierungselementes in winzigen bzw. kleinsten Bereichen auf der Oberfläche des wärmebeständigen Stahls an einer Vielzahl von Stellen gemessen, wahlweise wird der Verschlechterungszustand des metallurgischen Gefüges und/oder der Ausscheidungszustand an einem Abdruck bestimmt, der von der Oberfläche des wärmebeständigen Stahls entnommen worden ist. Gleichzeitig werden Beziehungen zwischen diesen Faktoren und der Standzeitabnahmerate im voraus mittels einer zerstörenden Prüfung oder einer Kräftebestimmung bestimmt, und die dabei 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.

Somit ist eine genaue Bewertung in kurzer Zeit und ohne die Notwendigkeit für eine zerstörende Prüfung möglich. Zudem vermögen die erfindungsgemäßen Verfahren Informationen bezüglich der Reststandzeit von wärmebeständigem Stahl über einen langen Zeitraum vom Einsatzbeginn bis zum Betriebsende zu liefern.

Im folgenden werden die erfindungsgemäßen Verfahren bzw. bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine graphische Darstellung der Mo-Konzentrationsverteilung, ermittelt unter Verwendung eines unbenutzten ferritischen wärmebeständigen Stahls und eines ferritischen wärmebeständigen Stahls nach Langzeiteinsatz, für ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 ein Reststandzeit-Bewertungsbezugsdiagramm zur Darstellung der Beziehungen zwischen der größten Häufigkeit (Flächenfaktor) der Mo-Konzentrationsverteilung und der Dauerstandfestigkeitsabnahme bei einem ferritischen wärmebeständigen Stahl,

Fig. 3 ein Reststandzeit-Bewertungsbezugsdiagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen der Halbwertsbreite der Mo-Konzentration eines ferritischen wärmebeständigen Stahls und der Dauerstandfestigkeitsabnahme,

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

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Definition des Einheitsdichtebereichs ebenfalls als eingeführter Begriff,

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

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

Fig. 8 eine für ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung geltende Darstellung einer Elektronenmikroskop- Gefügeaufnahme zur Messung des Kugeligkeitsfaktors von Korngrenzenkarbiden,

Fig. 9 ein Reststandzeit-Bewertungsbezugsdiagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen dem Kugeligkeitsfaktor von Korngrenzenkarbiden und der Dauerstandfestigkeitsabnahme,

Fig. 10 ein Fließdiagramm eines Verfahrens gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 11 eine für ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung geltende Darstellung einer elektronenmikroskopischen Übertragungs- oder Durchlaß-Gefügeaufnahme einer Probe, die von der Oberfläche eines temperatur- und druckbeständigen Bauteils eines über einen langen Zeitraum in einem Kraftwerk eingesetzten Kessels entnommen wurde, und

Fig. 12 ein Reststandzeit-Bewertungsdiagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen der M₆C-Karbidfällung und der Standzeitabnahme bei einem ferritischen wärmebeständigen Stahl.

Im folgenden ist die Erfindung anhand eines ersten Ausführungsbeispiels erläutert.

Es wurden ausgedehnte Untersuchungen an ferritischen und austenitischen wärmebeständigen Stählen durchgeführt, die im Langzeitbetrieb bei hohen Temperaturen eingesetzt waren. Als Ergebnis von ferritischen wärmebeständigen Stählen die Eigenschafts-Verschlechterung des Stahls eng mit der Kugelbildung von Mo₂C-Karbiden im Ferritkorn unter Fällungs- oder Ausscheidungsvergröberung 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 der δ-Phase zu den Korngrenzen und der resultierenden Entstehung einer chromarmen Schicht verbunden ist. Es hat sich weiterhin gezeigt, daß diese strukturellen Änderungen der jeweiligen wärmebeständigen Stahlsorten dadurch festgestellt werden können, daß eine Änderung in der Konzentration 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 Elementkonzentration eines wärmebeständigen Stahls quantitativ gemessen, und die Reststandzeit oder -lebensdauer dieses Stahls wird anhand der Meßdaten unter Bezugnahme auf ein Reststandzeit-Bewertungsbezugsdiagramm bewertet, welches die Beziehung zwischen der quantitativen Größe der Konzentrationsverteilung 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 wärmebeständigen Stahl, die über einen langen Zeitraum hinweg in Überhitzerröhren und Hauptdampfröhren eines Kraftwerk-Kessels eingesetzt waren, werden die Konzentrationen 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 Konzentrationsbereich hinweg wurde eine Abstufung oder Skala in Einheiten von 0,2% aufgestellt. Das Verhältnis der Zahl der in jedem Konzentrationsbereich liegenden Untersuchungsstellen zur Gesamtzahl der Untersuchungsstellen wurde längs des Konzentrationspegels aufgetragen. Fig. 1 veranschaulicht die Mo-Konzentrationsverteilung 1 in einem nicht benutzt Werkstoff und die Mo-Konzentrationsverteilung 2 eines über einen längeren Zeitraum hinweg benutzten Werkstoffs. Der von Langzeitbenutzung herrührende Grad der Streuung der Mo-Konzentration wurde anhand des Höchstwerts 3 des Flächenfaktors (relative Häufigkeitsdichte) der Mo-Konzentrationsverteilung und der Halbwertsbreite 4 des Verteilungsspektrums ausgewertet. Für jeden der verschiedenen Stahlwerkstoffe wurde ein Reststandzeit-Bewertungsbezugsdiagramm gezeichnet, welches die Beziehung zwischen der Dauerstandfestigkeitsabnahme und dem Höchstwert des Flächenfaktors oder der Halbwertsbreite des Verteilungsspektrums angibt. Fig. 2 veranschaulicht ein solches Reststandzeit- Bewertungsbezugsdiagramm, das in Übereinstimmung mit dem maximalen oder größten Flächenfaktor (relative Häufigkeitsdichte) der Mo-Konzentrationsverteilung von 2 1/4Cr-1 Mo-Stahl aufgetragen wurde, während Fig. 3 ein ähnliches, auf der Grundlage der Halbwertsbreite festgelegtes Diagramm veranschaulicht.

Sodann wurde die Mo-Konzentrationsverteilung nach der vorstehend beschriebenen Methode im Oberflächenbereich von Überhitzerröhren, die im Langzeitbetrieb in einem Kraftwerk- Kessel benutzt worden waren, gemessen, und die Dauerstandfestigkeitsabnahme wurde anhand dieses Bezugsdiagramms unter Heranziehung des gemessenen größten Flächenfaktors und der Halbwertsbreite vorausbestimmt. Der auf der Grundlage des größten Flächenfaktors vorausbestimmte Wert der Standzeitabnahme betrug 53%, während die auf der Grundlage der Halbwertsbreite vorausbestimmte Standzeitabnahme 56% betrug. Andererseits wurde die Dauerstandfestigkeitsabnahme der Überhitzerröhre mittels eines Dauerstandversuchs gemessen. Dieser Versuch ergab einen Wert von 51,4%, die somit mit den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vorausbestimmten Werten gut übereinstimmt.

Außerdem wurde ein Reststandzeit-Bewertungsbezugsdiagramm auch für austenitischen Stahl auf der Grundlage der Cr- Konzentrationsverteilung 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- Konzentrationsverteilung, 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 Erfindung beschrieben. Es hat sich auch herausgestellt, daß die Reststandzeit oder -lebensdauer eines ferritischen, bei hoher Temperatur und hohen Belastungspegeln verwendeten wärmebeständigen Stahls von der Art und der Form der Karbide abhängt, die im Gebrauch des Stahls ausfallen bzw. ausscheiden. Ein Prüfling a1 (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 bedeutet, daß die Konzentrationen der die Karbide darstellenden Elemente, d. h. Cr und Mo im Fall von ferritischen Stählen, unabhängig von der Lage der Untersuchungsstelle im wesentlichen konstant sind. Wie aus Fig. 4(b1) hervorgeht, zeigt daher das Konzentrationsspektrum einen scharfen Peak im Bereich um die mittlere Konzentration 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 Untersuchungsstelle, mit dem Ergebnis, daß unterschiedliche Untersuchungsstellen verschiedene Konzentrationen von Karbidbildnern 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 Konzentrationsverteilung von Chrom (Cr) und Molybdän (Mo) als Karbidbildner ermöglicht. Dabei wurden insbesondere die Konzentrationen von Cr und Mo in winzigen oder kleinsten Bereichen an einer Vielzahl von Untersuchungsstellen auf der Oberfläche eines ferritischen wärmebeständigen Stahls gemessen, wobei für jeden Einheits-Konzentrationsabschnitt oder -bereich das Verhältnis der in jedem Konzentrationsbereich liegenden Untersuchungsstelle zur Gesamtzahl der Untersuchungsstellen als Flächenfaktor berechnet wurde. Die Größe der Flächenfaktoren der jeweiligen Einheits-Konzentrationsbereiche wurde jeweils für Cr und Mo längs der Konzentration aufgetragen. Als Ergebnis hat es sich gezeigt, daß das Flächenfaktordämpfungsverhältnis an der Seite der höheren Konzentration des Flächenfaktors des Konzentrationsspektrums 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-Konzentrationsbereichs erläutert.

Gemäß Fig. 5 wird der Konzentrationsbereich zwischen der Mindest- Konzentration (Cmin) und der Höchstkonzentration (Cmax) für jeweils Cr und Mo, an einer Vielzahl von Untersuchungsstellen gemessen, in n Teile der Konzentration (ΔC, z. B. 0,1 Gew.-%) unterteilt. Jeder derartige Teil oder Bereich wird als Einheits- Konzentrationsbereich (C bis C+ΔC) bezeichnet:

ΔC = (Cmax - Cmin)/n (n = Teiler)

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

mit
Cmax
Σ X(c) = 100
C = Cmin, ΔC

Fig. 6 zeigt Cr- und Mo-Konzentrationsspektren von durch Ausschneiden 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-Konzentration im Bereich zwischen C_cr und C_Cr+ΔC_Cr, n(Mo) = Zahl der Untersuchungsstellen mit Mo-Konzentration im Bereich zwischen C_Mo und C_Mo+ΔC_Mo.

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

Fig. 7 ist eine Reststandzeit-Bewertungsbezugsdiagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen der Dauerstandfestigkeitsabnahme und den mit verschiedenen Werkstoffen nach Langzeitbenutzung ermittelten logarithmischen Cr- und Mo-Dämpfungsfaktoren. Die auf der Grundlage des Cr-Konzentrationsspektrums und des Mo-Konzentrationsspektrums des wärmebeständigen Stahls bewerteten oder ermittelten Werte der Reststandzeit betrugen 73% bzw. 68%. Andererseits betrug die nach dem Dauerstandversuch an diesem Stahl gemessene Reststandzeit 65%. Dies bedeutet, daß die Differenz zwischen der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmten Reststandzeitgröße und der nach dem Dauerstandversuch ermittelte Reststandzeitwert nicht mehr als 10% beträgt. Das Reststandzeit-Bewertungsverfahren gemäß der Erfindung ist mithin sehr wirksam bzw. zuverlässig.

Im folgenden ist ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert.

Es wurde eine gründliche Untersuchung eines ferritischen wärmebeständigen Stahls nach langem Betriebseinsatz durchgeführt. Dabei zeigte es sich, daß diese Art des wärmebeständigen Stahls eine Tendenz dahingehend zeigt, daß Korngrenzenausfällungen oder -ausscheidungen kugelig werden, wenn der Stahl über einen langen Zeitraum hinweg bei hoher Temperatur eingesetzt wird, wobei der Grad der Kugeligkeit von den Werten der Temperatur und der Spannung bzw. Beanspruchung im Gebrauch abhängt. Als Maß für den Grad der Kugeligkeit in ferritischem wärmebeständigen Stahl nach Langzeiteinsatz bei hoher Temperatur wurde ein Konzept eines Kugeligkeitsfaktors als Verhältnis zwischen dem Mindestwert und dem Höchstwert des Durchmessers der Kugel oder Sphäre der ausgefällten Karbide eingeführt. Der Kugeligkeitsfaktor bestimmt sich damit nach folgender Formel:

Es 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 dritten Ausführungsbeispiel kann somit die Reststandzeit von ferritischem wärmebeständigen Stahl nach Langzeiteinsatz bei hoher Temperatur dadurch bewertet werden, daß der Kugeligkeitsfaktor von in den Korngrenzen ausgefällten oder ausgeschiedenen Karbiden gemessen und der so gemessene Kugeligkeitsfaktor auf einem Reststandzeit- Bewertungsbezugsdiagramm aufgetragene wird, das die Beziehung zwischen dem erwähnten Kugeligkeitsfaktor und der Standzeitabnahme zeigt, wobei diese Beziehung im voraus mittels zerstörender Prüfung oder Kräftebestimmung ermittelt worden ist.

Ferritischer wärmebeständiger 2 1/4Cr-1Mo-Stahl und andere ferritische wärmebeständige Stähle, die einem Langzeiteinsatz als Werkstoff von temperatur- und druckbeständigen Kesselbauteilen unterworfen waren, wurden mittels eines Elektronenmikroskops untersucht.

Fig. 8 ist eine schaubildliche Darstellung der Struktur dieser, mittels des Elektronenmikroskops untersuchten Stähle. Die maximale Größe l_a und die kleinste Größe l_b der Korngrenzenkarbide 42 an der Korngrenze 41 wurden bei jedem dieser Werkstoffe gemessen, wobei der Kugeligkeitsfaktor als Verhältnis l_b/l_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 Kugeligkeitsfaktor und der Dauerstandfestigkeitsabnahme veranschaulicht.

Anschließend wurden Abdrücke von der Oberfläche von Überhitzteröhren eines Kraftwerk-Kessels nach Langzeitbetrieb entnommen, und die Kugeligkeitsfaktoren der Korngrenzenkarbide wurden nach der oben beschriebenen Methode gemessen. Durch Auftragen dieser Größe des Kugeligkeitsfaktors auf der Kurve des genannten Bezugsdiagramms wurde die Dauerstandfestigkeitsabnahme zu 50% vorausbestimmt bzw. vorausgesagt.

Es wurde ein Dauerstandversuch an denselben Überhitzerröhrenwerkstoffen und unbenutzten Werkstoffen bei einer Temperatur von 600°C und Spannungswerten von 10 kg/mm² durchgeführt. Die Bruchzeit betrug 1110 Stunden beim bereits benutzten Werkstoff und 2140 Stunden beim unbenutzten Werkstoff. Die Standzeitabnahme des benutzten Werkstoffs beträgt somit 51,4%. Dieser Wert entspricht sehr gut dem nach dem Verfahren gemäß diesem Ausführungsbeispiel 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 viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.

Bei diesem Verfahren zur Bewertung der Reststandzeit von wärmebeständigem Stahl werden Abdrücke und Ausziehabdrücke 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 metallurgischen Gefüges des wärmebeständigen Stahls auf der Grundlage der Probe bestimmt, und die Verteilung von Ausfällungen wird anhand der Ausschnittprobe bestimmt. Sodann werden die Beziehungen oder Korrelationen zwischen den Ergebnissen und dem Standzeitabschnitt oder Standzeitbereich des wärmebeständigen Stahls bestimmt. Dieses Ausführungsbeispiel benutzt somit die Beziehung oder Korrelation zwischen der Fehlerverteilung und der Reststandzeit sowie die Beziehung zwischen dem Verschlechterungszustand und der Ausfällungsverteilung und dem Standzeitabschnitt. 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 Ausführungsbeispiels ist im folgenden anhand von Fig. 10 beschrieben. Ein Abdruck 51 und ein Ausziehabdruck 57 werden von der Oberfläche eines wärmebeständigen Stahlelements gewonnen bzw. abgenommen, das bei hoher Temperatur unter einem hohen Beanspruchungsgrad benutzt worden ist. Der Abdruck 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 worden ist, so daß auf diese Weise der Standzeitabschnitt oder -bereich dieses wärmebeständigen Stahlelements beurteilt wird.

Der unmittelbar auf den Korngrenzenbruch (Bruch aufgrund der Erzeugung und Fortsetzung oder Ausdehnung von Dehnporen an der Korngrenze) bezogene Faktor ist die Ausfällung von M₆C-Karbiden (hauptsächlich aus Mo bestehenden Karbiden) und die erwähnte Gleichachsigkeit des Nebenkorns. Nach dem beschriebenen Verfahren wird der Änderungsgrad der Form der M₆C-Ausfällungen durch Vergleich mit demjenigen des Standardgefüges eingeordnet.

Die Probe wird in ein Abtastelektronenmikroskop 55 eingebracht, um das Vorhandensein und die Verteilung von Dehnporen 56 zu untersuchen. Das Ergebnis wird mit dem Standardgefüge 54 verglichen, dessen Standzeitabschnitte bekannt sind, so daß die Reststandzeit des untersuchten Stahls als Standzeitabschnitt bestimmt wird. Der von derselben Stelle wie der Abdruck 51 gewonnene Ausziehabdruck 57 wird mittels eines Transmissions- oder Durchlaßelektronenmikroskops 58 untersucht, um den Verteilungszustand der Ausfällungen zu bestimmen. Das Ergebnis wird mit demjenigen des Standardwerkstoffs mit bekannten Standzeitabschnitten verglichen, so daß die Reststandzeit des untersuchten Stahls als Standzeitabschnitt bestimmt wird.

Die Standzeitabschnitte werden somit mittels verschiedener Untersuchungen des wärmebeständigen Stahls bestimmt, z. B. Untersuchung des Verteilungszustandes von Rissen und mikroskopischen Rissen, Untersuchung der Verteilung von Dehnporen, Untersuchung auf der Grundlage von Änderung des metallurgischen Gefüges und Untersuchung der Verteilung 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-Mo-Stahlproben A, B und C durchgeführt, die von Überhitzerröhren 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 herkömmlichen Methode, d. h. einem Dauerstandsversuch durchgeführten 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 das 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 fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.

Es hat 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 Dauerstandfestigkeit aufweist.

Nach dem Verfahren gemäß dem fünften 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 aufgestellt worden ist und das die Beziehung zwischen der Relativmenge und der Standzeitabnahme darstellt.

Ein praktisches Beispiel für dieses Verfahren ist nachstehend anhand von Fig. 11 erläutert, die eine schematische oder schaubildliche Darstellung einer Durchlaßelektronenmikroskop- Gefügeaufnahme einer Ausschnittprobe ist, die in zerstörungsfreier Weise von der Oberfläche eines druckbeständigen Abschnitts eines Kraftwerk-Kessels gewonnen wurde. Mittels eines mit diesem Elektronenmikroskop verbunden quantitativen Elementkonzentrations- Analysators wird eine Elementdichtenanalyse an 100 Einheiten von Ausfällungen 61 in der Ausschnittprobe durchgeführt, um damit die Ausfällungen oder Ausscheidungen 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 bestehendenb Karbide des Typs M₆C als Ausfällungsmenge von M₆C betrug 63%. Fig. 12 veranschaulicht ein im voraus ermitteltes Reststandzeit-Bewertungsdiagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen der M₆C-Ausfällungsmenge und der Dauerstandfestigkeitsabnahme bei einem wärmebeständigen Stahl, der im Langzeitbetrieb mit Verringerung seiner Dauerstandfestigkeit eingesetzt worden war. Die Dauerstandfestigkeitsabnahme des Prüfwerkstoffs wird zu 48% vorausbestimmt, indem die Meßgröße der M₆C-Ausfällung entsprechend auf das Diagramm gemäß Fig. 12 aufgetragen 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 Dauerstandfestigkeitsabnahme, wodurch die Gültigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens für die zerstörungsfreie Vorausbestimmung der Reststandzeit bestätigt wird.

Mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren gemäß der Erfindung kann somit die Reststandzeit eines wärmebeständigen 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 wärmebeständigen Stahl verwendenden Geräts im Zuge eines zuverlässigen zerstörungsfreien Prüfverfahrens.

Claims (6)

1. Verfahren zur Bewertung der Reststandzeit eines Bauteils aus wärmebeständigem, legiertem Stahl, das während längerer Zeitdauer hohen Temperaturen und hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt war,
wobei quantitative Werte aus einer an einem Oberflächenbereich des Stahls gemessenen Häufigkeitsverteilungskurve mit entsprechenden Werten verglichen werden, die zuvor auf die gleiche Weise bei Testproben der gleichen Stahlsorte im Labor während und nach Zeitstandversuchen zur Aufstellung eines Reststandzeit- Bewertungsbezugsdiagramms ermittelt wurden, und
wobei die Reststandzeit des Bauteils durch diesen Vergleich aus dem zuvor aufgestellten Diagramm abgeleitet wird,
wobei Konzentrationen eines Legierungselementes in dem Stahl an zahlreichen Stellen des Oberflächenbereichs des Stahls gemessen werden unabhängig davon, ob sich an der jeweiligen Stelle die Matrix oder eine Ausscheidung befindet, und
wobei die Häufigkeitsverteilungskurve mit den gemessenen Konzentrationen aufgestellt wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das jeweilige Reststandzeit-Bewertungsbezugsdiagramm der Konzentrationen des jeweiligen Legierungselements auf der Grundlage des Maximalwerts der Häufigkeitsverteilungskurve der Konzentrationen und/oder auf der Grundlage der Halbwertsbreite der Häufigkeitsverteilungskurve der Konzentrationen des jeweiligen Legierungselements erstellt wird.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Reststandzeit- Bewertungsbezugsdiagramm der Konzentrationen des jeweiligen Legierungselements auf der Grundlage des Gradienten des Logarithmus der relativen Häufigkeit(sdichte) als Funktion der Konzentration erstellt wird.

4. Verfahren zur Bewertung der Reststandzeit eines Bauteils aus wärmebeständigem, legiertem Stahl, das während längerer Zeitdauer hohen Temperaturen und hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt war,
wobei ein Abdruck von einem Oberflächensegment des Bauteils hergestellt wird,
wobei anhand des Abdrucks mit Hilfe eines optischen Mikroskops eine Gefügeuntersuchung nach Rissen und Mikrorissen sowie nach Formänderung der M₆C-Karbide durchgeführt wird und das Ergebnis mit einem Standardgefüge verglichen wird, dessen Standzeitabnahme anhand entsprechender Untersuc hungen im Labor während und nach Zeitstandversuchen bestimmt wurde, wobei aufgrund dieses Vergleichs eine erste Beurteilung der Standzeitsituation erfolgt,
wobei der Abdruck mittels eines Abtastelektronenmikroskops auf das Vorhandensein und die Verteilung von Dehnporen untersucht und mit einem Standardgefüge verglichen wird, dessen Standzeitsituation in Bezug auf das Vorhandensein und die Verteilung von Dehnporen bekannt ist, wobei aufgrund dieses Vergleichs eine zweite Beurteilung der Standzeitsituation erfolgt,
wobei ein Ausziehabdruck des Oberflächensegments des Bauteils unter einem Durchstrahlungs-Elektronenmikroskop auf die Verteilung von Ausscheidungen untersucht wird und mit einem Standardgefüge verglichen wird, dessen Standzeitsituation in Bezug auf die Verteilung der Aussscheidungen bekannt ist, wobei aufgrund dieses Vergleichs eine dritte Beurteilung der Standzeitsituation erfolgt, und
wobei basierend auf der ersten, zweiten und dritten Beurteilung eine Reststandzeitbewertung erfolgt.

5. Verfahren gemäß Anspruch 4,
wobei der Ausziehabdruck bei der Untersuchung der Verteilung der Ausscheidungen unter dem Durchstrahlungs-Elektronenmikroskop untersucht wird und die Arten von Ausscheidungen identifiziert werden,
wobei mit den identifizierten Ausscheidungen das Verhältnis der Anzahl von Ausscheidungen des M₆C-Typs zur Gesamtzahl aller Ausscheidungen ermittelt wird,
wobei bei Testproben der gleichen Stahlsorte im Labor während und nach Zeitstandversuchen auf gleiche Weise das Verhältnis der Karbide vom M₆C-Typ zur Gesamtzahl aller Ausscheidungen zur Aufstellung eines Reststandzeit- Bewertungsbezugsdiagramms ermittelt wird.

6. Verfahren zur Bewertung der Reststandzeit eines Bauteils aus wärmebeständigem, legiertem Stahl, das während längerer Zeitdauer hohen Temperaturen und hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt war,
wobei ein Abdruck von einem Oberflächensegment des Bauteils hergestellt wird,
wobei der Abdruck mittels eines Elektronenmikroskops untersucht wird und ein Kugeligkeitsfaktor als Verhältnis zwischen einem kleinsten Durchmesser und einem größten Durchmesser einer kugeligen Sphäre von ausgeschiedenen Karbiden an Korngrenzen ermittelt wird,
wobei anhand von Testproben der gleichen Stahlsorte im Labor aus Zeitstandversuchen auf gleiche Weise Kugeligkeitsfaktoren zur Aufstellung eines Reststandzeit- Bewertungsbezugsdiagramms ermittelt werden und
die Reststandzeit des Bauteils anhand des am Bauteil ermittelten Kugeligkeitsfaktors aus dem Reststandzeit- Bewertungsbezugsdiagramm abgeleitet wird.