Verhalten des hochwarmfesten Stahles P92 unter zyklischen thermo-mechanischen Bedingungen in lastflexiblen Dampfkraftwerken
| dc.contributor.advisor | Skrotzki, Birgit | |
| dc.contributor.author | Jürgens, Maria | |
| dc.contributor.grantor | Technische Universität Berlin | en |
| dc.contributor.referee | Skrotzki, Birgit | |
| dc.contributor.referee | Reimers, Walter | |
| dc.date.accepted | 2019-11-28 | |
| dc.date.accessioned | 2020-10-07T12:30:36Z | |
| dc.date.available | 2020-10-07T12:30:36Z | |
| dc.date.issued | 2020 | |
| dc.description.abstract | Die Erzeugung von Erneuerbaren Energien unterliegt starken Schwankungen, die von konventionellen Kraftwerken ausgeglichen werden müssen, um das Stromnetz stabil zu halten. Für die konventionellen Kraftwerke bedeutet dies eine zunehmend zyklische Fahrweise, die zu häufigeren Last- und Temperaturwechseln führt. Von den eingesetzten Werkstoffen fehlen Daten zum Verhalten unter zyklischer Fahrweise. Ziel dieser Arbeit ist es daher, für P92, einen als Rohrleitungswerkstoff eingesetzten hochwarmfesten Stahl, zu untersuchen, welche Auswirkungen zyklische Fahrweisen auf die Schädigungsprozesse und Lebensdauern haben. Da durch den zyklischen Betrieb eine verstärkte Schädigung durch Ermüdungsprozesse zu erwarten ist, wurden dehnungskontrollierte isotherme (LCF) und nicht-isotherme (TMF) Ermüdungsversuche mit und ohne Haltezeit bei verschiedenen Temperaturen bzw. Temperaturintervallen durchgeführt. Mit den Haltezeitversuchen soll dabei das Kriech- Ermüdungs-Verhalten untersucht werden. Bei den TMF-Versuchen wurde zusätzlich die Temperaturrate variiert, um näher an den realen Lastwechselgeschwindigkeiten zu prüfen. Schließlich wurden auf Basis der durchgeführten LCF- und TMF-Versuche betriebsnahe Versuchsprozeduren entwickelt, um unterschiedliche Betriebsmodi in einem Versuch abzubilden. Die durchgeführten mechanischen Versuche stellen eine umfangreiche Basis zu Ermüdungsdaten an P92 dar. Neben der Abhängigkeit der Lebensdauer von Temperatur, Temperaturintervall und –rate, sowie Dehnung und Haltezeit, konnte auch das Entfestigungsverhalten genauer charakterisiert werden. Sowohl Haltezeiten als auch das Reduzieren der Temperaturrate können die Lebensdauer erheblich verringern. Dabei kommt es gerade bei vermeintlich kleinen Dehnungen, bei denen die Streckgrenze nur leicht überschritten wird, zu einer Lebensdauerreduzierung. Haltezeiten verstärken zudem die zyklische Entfestigung. Die fraktographische Analyse der Proben hat ergeben, dass es keinen direkten Zusammenhang zwischen der Entfestigung und der Bildung von Nebenrissen gibt. Stattdessen zeigen EBSD- und TEM-Untersuchungen, dass es zur Bildung einer Subkornstruktur kommt und die Entfestigung auf dem Verschwinden von Kleinwinkelkorngrenzen beruht. Während bei den LCF-Proben eine reine Ermüdungsschädigung vorliegt, konnte bei einigen TMF-Proben eine kriechdominierende Schädigung nachgewiesen werden. Die betriebsnahen Zyklen zeigen, dass sich mit den durchgeführten Versuchen das reale Betriebsverhalten gut abschätzen lässt. Da es jedoch auch Parameterkombinationen gibt, bei denen keine Änderung des Entfestigungs- und Lebensdauerverhaltens auftritt, sollte genau bekannt sein, welche Belastungen in einem Bauteil auftreten. | de |
| dc.description.abstract | Renewable Energy Sources are subjected to strong fluctuations which have to be compensated by conventional power plants in order to keep the electricity grid stable. Consequently, conventional power plants are forced into a more flexible operation with frequent load reductions and temperature changes. Since reliable data on the behavior under flexible loading conditions of the materials used are missing, the objective of this thesis is to investigate the impacts of a cyclic operation on the damage evolution and lifetime behavior of P92, a material grade used for steam piping. Due to the flexible loading an increased damage caused by fatigue processes is expected. Therefore, strain controlled isothermal (LCF) and non-isothermal (TMF) fatigue tests with and without hold times at different temperatures and temperature intervals have been performed. The tests with hold time should investigate the creep-fatigue-interaction. In addition, to examine thoroughly the real speed of load change, the temperature rate for the TMF-tests was varied. Finally, service-orientated test procedures were developed on the basis of the performed LCF- and TMF-tests to reproduce different operation modes. The conducted mechanical tests provide a broad basis of fatigue data of P92. Along with the dependency of lifetime on temperature, strain, hold time, temperature interval and rate, the softening behavior has also been investigated more closely. Both hold times and decreasing the temperature rate can cause severe lifetime reductions. In this context, especially at supposed small strains where the yield strength is only slightly exceeded, lifetime is strongly reduced. Additionally, hold times lead to a more pronounced softening. The fractographic investigation of the specimen showed that no direct link exists between the softening and the formation of side-cracks. Instead, EBSD- and TEM-investigations demonstrate that a subgrain structure forms and that the softening is based on the disappearance of low angle grain boundaries. All tested LCF-specimens show a clear fatigue damage, whereas some TMF- tested-specimens show a creep dominated damage. The service-orientated test procedures indicate that the conducted tests can give good estimates of the real performance. However, since there are also parameter combinations where no changes in the softening and lifetime behavior occur it should be known with sufficient precision which loads can occur during flexible operation. | en |
| dc.identifier.uri | https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/11653 | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-10538 | |
| dc.language.iso | de | en |
| dc.rights.uri | http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/ | en |
| dc.subject.ddc | 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten | de |
| dc.subject.other | P92 | de |
| dc.subject.other | LCF | de |
| dc.subject.other | TMF | de |
| dc.subject.other | Energiewende | de |
| dc.subject.other | Kriechermüdung | de |
| dc.subject.other | energy transition | en |
| dc.subject.other | creep-fatigue | en |
| dc.title | Verhalten des hochwarmfesten Stahles P92 unter zyklischen thermo-mechanischen Bedingungen in lastflexiblen Dampfkraftwerken | de |
| dc.title.translated | Cyclo-thermomechanical behaviour of heat resistant steel P92 in power plants under flexible loading | en |
| dc.type | Doctoral Thesis | en |
| dc.type.version | acceptedVersion | en |
| tub.accessrights.dnb | free | en |
| tub.affiliation | Fak. 3 Prozesswissenschaften::Inst. Werkstoffwissenschaften und -technologien::FG Metallische Werkstoffe | de |
| tub.affiliation.faculty | Fak. 3 Prozesswissenschaften | de |
| tub.affiliation.group | FG Metallische Werkstoffe | de |
| tub.affiliation.institute | Inst. Werkstoffwissenschaften und -technologien | de |
| tub.publisher.universityorinstitution | Technische Universität Berlin | en |