Risse in der Wärmeeinflusszone beim Schweißen von hochwarmfesten ferritisch-martensitischen Stählen sind klassifiziert als Typ IV Schädigung (Type IV Cracking). Dieser Schädigungsmechanismus tritt bei den hochwarmfesten kriechbeständigen Werkstoffe wie die Stähle P22, P91, P92 und P911 auf, die in modernen Kraftwerken und der Petrochemie bei hohen Temperaturen eingesetzt werden.
Wie entsteht dieser Schädigungsmechanismus?
Durch die Wärmeeinwirkung beim Schweißen (kurzzeitiges Erwärmen über oder nahe des Ac1 Umwandlungspunktes) vergröbern sich die festigkeitssteigernden Carbide in der Wärmeeinflusszone (HAZ) und es bildet sich in den Zonen FGHAZ und ICHAZ ein feines Korn, dass wiederum zu einer lokalen Kriechverformung führt und erzeugt dort einen mehraxialen Spannungszustand. Dies beschleunigt die Keimbildung und das Wachstum von Kriechhohlräumen, insbesondere unter der Oberfläche.
Unter Kriechbedingungen (hohe Temperatur und hohe Beanspruchung über einen sehr langen Zeitraum) verschmelzen diese Hohlräume zu Rissen, typischerweise entlang der Korngrenzen. Es führt zu einer drastischen reduzierten Kriechbeständigkeit die dann zum endgültigen Versagen führt.
Wo tritt dieses Bauteilversagen auf?
Die Mikrostrukturen und mechanischen Eigenschaften der Wärmeeinflusszone (HAZ) werden von mehreren Parametern bestimmt (z. B. der während des Schweißens erreichten Spitzentemperatur sowie der Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT). Die HAZ lässt sich in verschiedene Zonen unterteilen. Die Kriech-Rissbildung tritt in einem spezifischen schmalen Bereich (FGHAZ) oder in dem interkritischen Bereich (ICHAZ) der Wärmeeinflusszone von Schweißverbindungen auf.
Welche Werkstoffe sind von diesem Schädigungsmechanismus vorwiegend betroffen?
Insbesondere die in der Tabelle aufgeführten hochwarmfesten und kriechbeständigen Werkstoffe:
Tabelle 1: Hochwarmfeste und kriechbeständige Werkstoffe
| Werkstoff | Werkstoff Nr. | EN Norm | ASTM äquivalente Werkstoffe | ASTM Standard | Anmerkung |
|---|---|---|---|---|---|
| 10CrMo9-10 | 1.7380 (K21590) | EN 10028-2 (Blech) EN 10216-2 (naht,. Rohr) EN 10253-2 (Fitting) EN 10222 (Schmiedeteil) | Gr. 22 T22 P22 F 22 Cl. 1&3 F22 Cl. 1&2 WP22 Cl. 1&2 | ASTM A-387 (Plate) ASTM A-213 (Smls. Tubes) ASTM A-355 (Smls. Pipes) ASTM A-182 (Forg. flange/fitting) ASTM A-336 (Forging) ASTM A-234 (Fitting) | Zulassung EN bis 500 °C; |
| X10CrMoVNb9-1 | 1.4903 (K90901 | EN 10028-2 (Blech) EN 10216-2 (nahtl. Rohr) EN 10253-2 (Fitting) EN 10222 (Schmiedeteil) | Gr. 91 Cl. 2 T91 Type 1 &2 P91 Type 1 &2 F 91 Type 1&2 F 91 Type 1&2 WP91 Type 1&2 | ASTM A-387 (Plate) ASTM A-213 (Smls. Tube) ASTM A-335 (Smls. Pipe) ASTM A-234 (Fitting) ASTM A-182 ((Forg. flange/fitting) ASTM A-336 (Forging) ASTM A-234 (Fitting) | Zulassung EN bis 600 °C |
| X10CrWMoVNb9-2 | 1.4901 (K92460) | EN 10216-2 (nahtl. Rohr) EN 10253-2 (Fitting) | 92 T92 P92 F 92 F92 WP92 | ASTM A-1017 (Plate) ASTM A-213 (Smls. Tube) ASTM A-335 (Smls. Pipe) ASTM A-182 (Forg. flange/fitting) ASTM A-336 (Forging) ASTM A-234 (Fitting) | Weiterentwicklung des T91 durch optimierte Wolframzusätze und die kontrollierte Ausscheidung von M₂₃C₆-Karbiden und MX-Kohlenitriden. Zulassung EN bis 600 °C |
| – | (K91350) | – | T93 T93 F 93 F93 | ASTM A-213 (Smls. Tube) ASTM A-335 (Smls. Pipe) ASTM A-182 (Forg. flange/fitting) ASTM A-336 (Forging) | kontrollierte Bor- und Stickstoffzusätze die martensitische Lamellenstruktur stabilisieren und das Ausscheidungssystem verfeinern; Lösliches Bor trägt dazu bei, die Vergröberung von M23C6 zu verzögern, während Stickstoff die Bildung feiner MX-Karbonitride fördert; Reduzierung oder das vollständige Verhindern von Typ-IV-Rissen; |
| X11CrMoWVNb9-1-1 | 1.4905 (K91061) | EN 10216-2 (nahtl. Rohr) EN 10253-2 (Fitting) | T911 P911 F 911 F911 WP911 | ASTM A-213 (Smls. Tube) ASTM A-335 (Smls. Pipe) ASTM A-182 (Forg. flange/fitting) ASTM A-336 (Forging) ASTM A-234 (Fitting) | Zulassung EN bis 600 °C |
| X12CrCoWMoVNb12-2-2 | 1.4915 | VdTÜV WB 560/2 (nahtl. Rohr) | – | – | bis 620°C; 12% Cr Güte mit besserer Oxidationsbeständigkeit; (VM12-SHC) |
| X15CrCoWMoVNbBN11-2-2 | 1.4982 | VdTÜV WB 584 (nahtl. Rohr) | – | – | (Super VM12) |
Welche Maßnahmen können die Kriech-Rissbildung reduzieren bzw. verhindern?
Zu den Maßnahmen zur Schadensminderung zählen die angepasste Wärmeführung beim Schweißen (Vorwärmen, Zwischenlagentemperatur, Wärmeeinbringung und sorgfältig ausgeführte Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT).
Best Praxis Beispiel für P91:
Schweißen und Wärmebehandlung: immer in Übereinstimmung mit der genehmigten Schweißverfahrensprüfung (WPQR) und der Schweißanweisung (WPS):
- Vorwärmtemperatur: 200 – 250 °C (gleichmäßige Vorwärmung über die gesamte Schweißnaht)
- Zwischenlagetemperatur: max. 250 °C
- Wärmeeinbringung beim Schweißen: möglichst niedrig gemäß WPS
- Verwendung von geeigneten Schweißzusatzwerkstoffen mit niedrigem Wasserstoffgehalt
- Spannungsarmglühung (PWHT):
- Aufwärmrate: 100-150 °C/h
- Haltetemperatur: 760 – 780 °C 1)
- Haltezeit: 2 -6 h (abhängig von den Materialdicken)
- Abkühlrate: Abkühlung im Ofen bis < 300°C, dann Luftabkühlung
1)Eine Unterschreitung führt zu ungetemperten Martensit, was die Kriechbeständigkeit verringert und zu Rissen (Type IV Schädigung) in der HAZ führen kann (siehe oben). Eine Überschreitung oberhalb der unteren kritischen Temperatur (Ac1, ca. 800 °C) kann zu einer Reaustenitisierung der Mikrostruktur führen, wodurch sich beim Abkühlen frischer, nicht angelassener Martensit bildet und der Nutzen der PWHT zunichte gemacht wird.
Wie kann eine Kriech-Rissbildung entdeckt werden?
Durch moderne Prüfverfahren wie die zerstörungsfreie Prüfverfahren Phased-Array-Ultraschallprüfung oder A-Scan-Verfahren) lassen sich die Risse detektieren.
Weiterführende Informationen
API 934 Serie (High-Temperature Materials for Pressure Vessels)
