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Cluster-Forum, SLV München 20-10- 2009

SchweißtechnischeVerarbeitung

neuer Kraftwerkstähle

Dr. H. HeuserCluster-Forum

Schweißtechnik im KraftwerksbauSLV München, 20. Oktober 2009

We are the World of Welding Solutions.


Inhalt

- Entwicklungsstand, Qualifikation, Anwendung und Erfahrungenzur schweißtechnischen Verarbeitung der neuen Kraftwerkstähle:

- bainitischer Stahl T24

- martensitischer Stahl P92 und VM12-SHC

- Austenite

- Ni - Basis


Alloy 740Alloy 617Thick wall Alloy263/Alloy 617

13CrMo447CrMoVTiB10-10X10CrMoVNb9-1Alloy 617

DMV 304HCu/ S304H (SB) up to 610°CDMV 310N/ HR3C up to 630 °CSanicro 25 up to 650 °C steam

400 MW

High pressure partSteam rating 275 kg/s

990 t/hAllowable workingpressure (gauge) 393 bar

SH-Outlet temperature 700 °C

ReheaterSteam rating 215 kg/s

774 t/hAllowable workingpressure (gauge) 83 bar

RH-Outlet temperature 720 °C

Beispiel zur Werkstoffauswahleines künftigen KohlekraftwerksBeispiel zur WerkstoffauswahlBeispiel zur Werkstoffauswahleines keines küünftigen Kohlekraftwerksnftigen Kohlekraftwerks

Source: after Husemann

Babcock Hitachi Europe


Di = 450

P91,

e =

41,

3

P23,

e =

58,6

P22, e = 105,2

P24, e = 52,3

Di = 450

P91,

t= 3

9,8

P23,

t= 5

5,7

P22, t = 96,2

P24, t = 50,0

Rohrabm. gem. EN13480-3 Rohrabm. Gem. ASME B31.1

VALLOUREC & MANNESMANN TUBES

Vergleich der Wanddicken von P22, P23, P24 und P91Kalkulation für das gerade Rohr gem. EN 13480-3 bzw. gem. ASME B 31.1Auslegungsdruck: p = 191 bar, Temperatur T = 545 °C, Rohr- Ø i = 450 mm


Stähle:• 13CrMo4-5• 7CrMoVTiB10-10• VM12-SHC • X10CrWMoVNb9-2• Alloy 617 mod.

VM 12

T92

7CrMoVTiB10-1013CrMo4-5

480 500 520 540 560 580 600 620 640 660Temperature in °C

0

50

100

150

200

250

300105 h Average Creep Strength in MPa

Alloy 617 mod.

Werkstoffe für Membranwände

Membranwandwerkstoffe


Schweißzusätze für den neuen bainitischen Stahl 7CrMoVTiB10-10 (T/P24)


T/P24

0,046

0,007

Nb

0,013

0,014

N

0,001-0,221,032,510,550,250,091Stabelektrode

0,0020,0340,241,002,290,490,230,061WIG

BTiVMoCrMnSiC

Chemische Zusammensetzung verschiedener Schweißgüter in %


Mechanische Gütewerte reines Schweißgut bei RT, (Beispiele)

< 20626023,8600495740/2UPDraht-Ø 4,0 mm

< 23315018,1689577740/2ELØ 4,0 mm

< 230> 25020,3699595740/2

< 322> 25019,1803664---WIGØ 2,4 mm

< 250> 27> 17585 – 840> 450730 – 760Grundwerkstoff-Anforderungen

Härte[HV10]

KV [J]

Dehnung[%]

Rm[MPa]

Rp0,2[MPa]

WBH[°C/h]Schweißprozess

T/P24


Mechanische Gütewerte von Rundnahtschweißungen an T/P24 (Querzugprobe)

P24 (Rohr-Ø: 159 x 20 mm)

T24 (Rohrabmessung: Ø 38 x 6,3 mm; WIG-geschweißt)

---175 – 260> 27---585 – 840730 –760Grundwerkstoff

WIG, UP, EL*

Schweiß-prozess

180° o. k.< 250200 – 290GW597740/2

Biege-winkelHärte[HV10]KV [J]Bruch-

lageRm

[MPa]WBH[°C/h]

*) Wurzel: WIG; 2 Fülllagen mit Stabelektrode, 7 Fülllagen UP

---175 – 260> 27---585 – 840730 –760Grundwerkstoff

WIG

Schweiß-prozess

180° o. k.< 33660 – 76GW639---

Biege-winkelHärte[HV10]KV [J]Bruch-

lageRm

[MPa]WBH[°C/h]

T/P24


Kontinuierliches Zeit-Temperatur-Umwandlungsdiagramm zu T/P24

C Si Mn P S Al Cu Cr Ni Mo V B Nb Ti N

0,08 0,21 0,53 0,004 0,004 0,004 0,09 2,44 0,18 0,95 0,26 0,004 0,002 0,053 0,0073

Chemische Zusammensetzung (Gewichts-%)

T/P24


1

2

3

6,3

Wurzel

T24


1

2

3

6,3

1

2

3 4

5 6

7 8

11,6

1 2

3 4

5 6

78

910

1112

13 14

15 1617 1819

15

Rundnaht Kesselrohr Reines Schweißgut

Rohr-Ø: 38,3 mmV-Naht, 60°2-3 mm Spalt

Rohr-Ø: 48,3 mmV-Naht, 60°2-3 mm Spalt

T24

Optimierung der Schweißtechnologie auf KV-Werte; keine WBH


T24

KV 231 J KV 244 J

KV 284 J KV 258 J

Tzl < 250°C; dünne DecklageTzl < 250°C; dünne Decklage Tzl < 250°C; dicke Decklage

Tzl < 200°C; dicke Decklage Tzl < 200°C; dünne Decklage

KV 231 J

KV 284 J

KV 244 J

KV 258 J


GW GWSGWEZ WEZ

H_020612us

T24

0

50

100

150

200

250

300

350

400

Här

te H

V10 Decklage

Wurzel

Härteverlauf an einer WIG – Verbindung ohne WBH


Einschweißen von T24-Stegblechen

T24


T24-Membranwand, P91-Sammler

T24


T24


Werkstoffe für Sammler und Rohrleitungen:• X20CrMoV11-1• X10CrMoVNb9-1(P91)• X11CrMoWVNb9-1-1 (P911/E911)• X10CrWMoVNb9-2 (P92) • Alloy 617

0

50

100

150

200

250

300

540 560 580 600 620 640 660 680 700 720 740

Temperature (°C)

105 h

Cre

ep R

uptu

re S

treng

th (M

Pa)

Main SteamPressure

P92P911P91

X20CrMoV11-1

Alloy 617

Zeitstandfestigkeit ausgewählter Rohr- und Sammler-Werkstoffe 105h-Werte

Sammlerwerkstoffe


Schweißzusätze für die neuen martensitischenStähle X10CrWMoVNb9-2 (P92) und VM12-SHC


C Si Mn P S Al Cr Ni Mo V Nb Ti W N B Co P91

0,08 - 0,12

0,20 - 0,50

0,30 - 0,60

max. 0,02

max. 0,01

max. 0,04

8,00 - 9,50

max. 0,4

0,85 - 1,05

0,18 - 0,25

0,06 - 0,10

---

---

0,03 - 0,07

---

---

E911

0,09 - 0,13

0,1 - 0,5

0,3 - 0,6

max. 0,02

max. 0,01

max. 0,04

8,50 - 9,50

0,1 - 0,4

0,9 - 1,1

0,18 - 0,25

0,06 - 0,10

---

0,9 - 1,1

0,05 - 0,09

0,0005 - 0,005

---

P92

0,07 - 0,13

max. 0,5

0,3 - 0,6

max. 0,02

max. 0,01

max. 0,04

8,50 - 9,50

max. 0,4

0,30 - 0,60

0,15 - 0,25

0,04 - 0,09

---

1,5 - 2,5

0,03 - 0,07

0,001 - 0,006

---

Ni- Basis

Alloy 617

0,05 - 0,08

max. 0,3

max. 0,3

max. 0,012

max. 0,008

0,8 - 1,3

21,0 - 23,0

Rest

8,0 - 10,0

---

---

0,3 - 0,5

Fe. max. 1,5

max. 0,05

0,002 - 0,005

11,0 - 13,0

in Entwicklung VM12 als martenstischer Stahl in Untersuchung Alloy 263 als Ni-Basi-legierung

Martensitische Stähle und Ni-Basiswerkstoffe für Sammler und dickwandige Rohrleitungskomponenten

Sammlerwerkstoffe


P92

0,04

0,044

Nb

1,57

1,72

W

0,05

0,04

N

32 ppm0,170,410,738,450,600,360,09UP; Pulver Marathon 543

30 ppm0,190,530,708,950,650,270,11Stabelektrode

BVMoNiCrMnSiC



Mechanische Eigenschaften reines Schweißgut bei RT, (Beispiele)

P92

< 2505320,8742621760/4UP: Ø 3,2 mm

< 2605517,6800675760/2El: Ø 4,0 mm

< 280> 10017,8857749760/2WIG: Ø 2,0 mm

< 260> 41> 17620 – 850440740 – 780Grundwerkstoff

Härte[HV10]

KV [J]

Dehnung[%]

Rm[MPa]

Rp0,2[MPa]



ZTU-Diagramm zu T/P92

P92


0

200

400

600

800

1000

Tem

pera

tur [

°C]

200 - 300°C

760°C

20 - 100°C

·

2 - 4 h

ZeitSchweißen

Abkühlrate:100 - 150°C/h

< 400°C:Abkühlung an ruhender Luft

Aufheizrate:80 - 120°C/h

langsame Abkühlung

·notwendiges Abkühlen vor Wärmebehandlung und evtl. Wasserstoffarmglühung

± 10

Vorwärmen

·

Wärmeführung beim Schweißen und WBH des P92

P92


P92


Reines Schweißgut zu P92; Auslagerung bei 600°C

IS

TV

TZWL

: 160 A: 200°C

0 5 10 15 20 25 30

Haltezeit [h]

01020304050607080

KV

[J] b

ei +

20 °C

10 (x103)38

WBH:750°C/4h750°C/2h

H_200602us

P92


Mechanische Eigenschaften einer Rundnahtschweißung

Rohrabmessung: Ø 336 x 40 mm

234 – 24984 – 96GW678760/4UP

236 – 26258 – 62GW665760/2El

---27 / 40---620 – 850740 – 780Grundwerkstoff

Härte[HV10]

KV (ISO-V)[J]

BruchlageRm[MPa]


P92


Bruchlage einer Zeitstandprobe; P92 / SZW: EL; 650°C, 70 MPa, 4295 h

GW WEZ SG W EZ

P92


Härteprofil einer gebrochenen P92-Zeitstandprobe

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Probenlänge [mm]

165175185195205215225235245255265

Här

te [H

V 10

]

GW SGWEZ WEZ

Fusi

onsl

ine

Fusi

onsl

ine

Stabel.70 MPa, 650°C, 4295 h

Bru

chla

ge

P92


Schweißen des martensitischen Rohrstahles

VM12-SHC


Oxidation von 9 - 12% Cr-Stählen in Wasserdampf

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0 1000 2000 3000 5000

Auslagerungszeit bei 650°C (h)

4000

Zund

ersc

hich

tdic

ke (m

m)

X10CrMoVNb9-1 (P/T 91)P/T 92

X20CrMoNiV11-1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0 1000 2000 3000 5000

Auslagerungszeit bei 650°C (h)

4000

Zund

ersc

hich

tdic

ke (m

m)

X10CrMoVNb9-1 (P/T 91)P/T 92

X20CrMoNiV11-1

Hochtemperaturoxidation


VM12-SHC

0,05

0,04

N

0,06

0,06

Nb

1,48

1,44

W

1,59

1,64

Co

0,0030,240,330,7911,20,660,330,13Stabelektrode

0,0030,220,30,4011,60,430,20,17WIG

BVMoNiCrMnSiC



Mechanische Eigenschaften reines Schweißgut bei RT (Beispiele)

VM12-SHC

< 2814417,2832689770/2El.: Ø 4,0 mm

< 2974418,5822684770/2WIG: Ø 2,4 mm

< 26027 / 40> 17620 – 850> 450760 – 800Grundwerkstoff

Härte[HV10]

KV [J]

Dehnung[%]

Rm[MPa]

Rp0,2[MPa]



VM12-SHC


550°C

0

200

400

600

800

1000

Tem

pera

t ur [

° C]

200 - 280°C

770°C

Aufheizrate: 80 - 120°C/hWandstärke < 10 mm:500°C/h

Abkühlrate:80 - 120°C/h

< 300°C:Abkühlung an ruhender Luft

+ -

abhängig von: - Wandstärke- Schweißprozess

langsameAbkühlung

100°C·

·

VorwärmenSchweißen

notwendiges Abkühlen vor WBH

·20°C

10

0,5 - 4 h

Zeit

Wärmeführung beim Schweißen und nachfolgender WBH

VM12-SHC


Rohrabmessung: Ø 140 x 10 mm; geschweißt mit artgleichem Zusatz (WIG)

VM12-SHC


Mechanische Eigenschaften von Rohrrundnähten

Rohrabmessung: Ø 140 x 10 mm

VM12-SHC

< 32231 – 51GW728770/2El.

< 35137 – 73GW745770/0,5WIG

---27 / 40---620 – 850740 – 780Grundwerkstoff

Härte[HV10]

KV [J]BruchlageRp0,2

[MPa]WBH[°C/h]Schweißprozess


Härteverlauf einer Rohrrundnaht (WIG; WBH: 770°C / 0,5 h)

VM12-SHC

200

250

300

350

Här

te [H

V10]

DecklageWurzel

GW WEZ SG WEZ GW


Thermanit MTS 5 Co 1

0,0020,050,0321,130,00350,0050,270,611,469,450,590,200,1395,01120155

0,0020,050,0301,170,00320,0050,270,661,559,590,570,190,1274,01120154

TiNbNCoBAlVNiMoCrMnSiCØSerial-No.

Chemical composition of Thermanit MTS 5 Co 1, all weld metal

Mechanical properties, all weld metal test results, SMAW 4,0 mm, Pos. PA

-19,6447309740/10600

-17,2521439740/10550

October 200910000 h

20 19 26 183000 h

24 36 33 341000 h

24937 40 46 22 370 h17,6773629740/10RT

HardnessHV10

CVN[J]

Exp. at550 °C

Elong.[%]

TS[MPa]

YS[MPa]

PWHT°C/hTest temp.


Artgleiche Schweißzusätze

zu Super 304 H


ÜberhitzerwerkstoffeC Si Mn Fe Cr Ni Mo Cu Nb Ti Andere

HR3C 0,04-0,10

max.0,75

max.2,00 Rest 24,0-

26,017,0-23,0 - - 0,20-

0,60 - N 0,15 - 0,35

DM310N 0,05-0,07

0,30-0,50

1,00-1,40 Rest 24,4-

25,020,8-21,5 - - 0,40-

0,50 - N 0,18 - 0,24

TP 347H 0,04-0,10

max.0,75

max. 2,00 Rest 17,0-

20,09,0-13,0 - - 8 x C -

Super 304H 0,07-0,13

max. 0,30

max. 1,00 Rest 17,0-

19,07,5-10,5 - 2,50-

3,500,30-0,60 - N 0,05 - 0,12

Sanicro 25 max. 0,08 0,2 0,5 Rest 22,0-

24,023,0-25,0 - 3,00 0,48 -

Alloy 617 mod. 0,05-0,08

max. 0,30

max. 0,30

max. 1,5

21,0-23,0 Rest 8,0-

10,0max. 0,05

max. 0,03

0,30-0,50

Co 11 - 13; B 0,002 - 0,005 Al 0,80 - 1,30

Alloy 263 0,04-0,08 - max.

0,6max.0,7

19,0-21,0 Rest 5,6-

6,1max. 0,2 - 1,9-

2,4Co 19 - 21; Ti + Al 2,4 -2,8 Al max. 0,6; B max. 0,0005

Alloy 740 0,03-0,05

0,3-1,0

0,1-1,0

max. 0,7

23,5-25,5 Rest 0,2-

0,8 - 1,8-2,2

1,4-1,8

Co 18,0 - 22,0 Al 0,9 - 1,3


Artgleicher WIG-SZW

Super 304 H

Chemische Zusammensetzung

Mechanische Eigenschaften bei RT

0,00070,210,6316,80,9180,0020,0023,20,40,09

BNNbCuNiMoCrSPMnSiC

27,919,4462354+65090 82 94 88 10355,227,8703533RT

[J][%][%][MPa][MPa][°C]KV (ISO-V)EinschnürungDehnungRmRpPrüftemp.

Laufende Versuche: Auslagerung bei 650 °C ⇒ KV nach 1000, 3000 und 10000 h

Cluster-Forum, SLV München 20-10- 2009Artgleiche Stabelektrode

Super 304 H

Chemische Zusammensetzung reines Schweißgut; El-Ø 3,2 mm

Mechanische Eigenschaften bei RT0,00350,1890,543,1615,920,9418,170,0030,0113,270,400,112

BNNbCuNiMoCrSPMnSiC

46,825,4478358+650

70 68 6653,928,0712550RT39,325,0464350+650

88 88 9055,130,1711541RTmin. 135+650

min. 85min. 35590 - 850min. 235RT[J][%][%][MPa][MPa][°C]

KV (ISO-V)EinschnürungDehnungRmRpPrüftemp.

Laufende Versuche: Auslagerung bei 650 °C; KV nach 1000, 3000 und 10000 h


Analyse reines Schweißgut

NiCr22Co12Mo9 (2.4627); ER NiCrCoMo-1

Chemische Zusammensetzung

0,410,00201,20,3011,0Rest8,721,50,040,060,06SZW1,20,00261,10,3011,4Rest8,722,20,090,090,06GWFeBAlTiCoNiMoCrMnSiC

Alloy 617


Makroschliff

Alloy 617


•• HHööchste Sauberkeitchste Sauberkeit•• ÖÖffnungswinkel 70ffnungswinkel 70°°•• ZZäähflhflüüssiges Schweissiges Schweißßgutgut•• Steile ElektrodenfSteile Elektrodenfüührunghrung•• StrichraupentechnikStrichraupentechnik•• Kurzer LichtbogenKurzer Lichtbogen•• geringe Wgeringe Wäärmeeinbringungrmeeinbringung•• ZwischenlagentempZwischenlagentemp. . maxmax 150 150 °°CC

Schweißen von alloy 617


Hohe HHohe Häärte an der Oberflrte an der Oberfläächeche

UTP 6170Co mod.UTP 6170Co mod.im Schweiim SchweißßzustandzustandHV10HV10

200 200 –– 245 HV245 HV

Alloy 617


alloy 230, 263, 617, 740T23, T24

VM12-SHCP92

Ni-BasisSuper 304 H

P23, P24

10CrMo9-1016Mo3; 13CrMo4-5

unalloyed Steels

Schweißparameter

Schweißtechnische Einflussgrößen:VorwärmtemperaturZwischenlagentemperaturSchweißprozesseStromstärke, SchweißspannungRaupendickeSchweißgeschwindigkeitLagenaufbau

Die Verarbeitung hoch entwickelter Werkstoffe erfordert präziseste Einstellungen und hoch spezialisiertes Personal.

Parameterfenster zur schweißtechnischen Verarbeitung

Neue Kraftwerkstähle


• Zu neuartigen martensitischen, bainitischen und austenitischenRohrstählen wurden artgleiche SZW entwickelt

• Bedingungen für eine optimale schweißtechnische Verarbeitung dieserStähle wurden ermittelt ( WE, Wärmeführung, Raupendicke, WBH )

• Im Hinblick auf ausreichende Zeitstandwerte sind bestimmte Analysen-grenzen einzuhalten.

• Der Nachweis über ausreichende Zeitstandfestigkeiten kann nur überlanglaufende Versuche erbracht werden.

Zusammenfassung


Gegenüberstellung der artgleichen SZWBÖHLER-Brand / T-PUT-Brand

Marathon 543UV 430 TTR-WUP-Pulver

Thermanit MTS 3

Union S P24

Union S P23

UP-Draht

Thermanit Chromo 9 V

Thermanit P24

Thermanit P23

StabelektrodenThermanit 304 H Cu

Thermanit MTS 5 CoTThermanit

MTS 616

Thermanit MTS 3

Union I P24

Union I P23

WIG

T-PUT-Brand

BÖHLER BB 910BÖHLER BB 430UP-Pulver

BÖHLER P92-UP

BÖHLER C 9 MV-UP

BÖHLER P 24-UP

BÖHLER P 23-UP

UP-Draht

BÖHLER FOX E 304 H-Cu

BÖHLER FOX C 12 CoW

BÖHLER FOX P92

BÖHLER FOX C 9 MV

BÖHLER FOX P 24

BÖHLER FOX P 23

Stabelektroden

BÖHLER ER 304 H Cu-IG

BÖHLER C 12 CoW-IG

BÖHLER P92-IG

BÖHLER C 9 MV-IG

BÖHLER P 24-IG

BÖHLER P 23-IG

WIG

BÖHLER-Brand

Super 304 HVM12-SHCT/P92T/P91T/P24T/P23

Grundwerkstoffe

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