Experimentelle und numerische Untersuchungen zu Mehrfachrissen in Komponenten der druckführenden Umschließung, Phase 2 (MeKom II); Teilvorhaben: Bewertung und mikromechanische Simulation von Proben und Bauteilen mit realitätsnahen Rissfeldern

Abstract

Im Jahr 2012 wurden bei routinemäßigen Ultraschalluntersuchungen in den belgischen Kernkraftwerken Doel und Tihange eine große Anzahl von Anzeigen in den Reaktordruckbehältern Doel 3 und Tihange 2 festgestellt. Eine Ursachenanalyse des Betreibers Electrabel kam zum Schluss, dass es sich bei den Ultraschallanzeigen um Wasserstoffflocken handelt, welche bei der Herstellung der Reaktordruckbehälter entstanden sind. Die Wasserstoffflocken haben eine Neigung von 0 bis 16° (laminar bzw. quasi-laminar) zur druckführenden Wandung und sind über die gesamte Wandstärke verteilt. Im BMWi-Teilvorhaben 1501513A (MeKom Phase 1) der MPA Universität Stuttgart [1] wurden für die experimentellen Untersuchungen zwei ferritische Stähle ausgewählt. Diese sind der ferritische Druckbehälterstahl 22NiMoCr3-7 und der als Sonderschmelze hergestellte ferritische Werkstoff KS07C. Für beide Werkstoffe wurden Werkstoffcharakterisierungen in der Hochlage (KS07C bei T = 150 °C, 22NiMoCr3-7 bei RT) und in der Tieflage der Werkstoffzähigkeit bzw. bei T = -100 °C (22NiMoCr3-7) durchgeführt mit dem Ziel das Werkstoffverhalten bei unterschiedlichen Spannungszuständen zu untersuchen. Im Rahmen des BMUV-Verbundvorhabens 1501596A (MeKom Phase 2 (MeKom II)) der MPA Universität Stuttgart und des Instituts für Eisenhüttenkunde der RWTH Aachen wurden die Werkstoffcharakterisierungen für den ferritische Druckbehälterstahl 22NiMoCr3-7 und die experimentellen Untersuchungen zur Entstehung von Mehrfachrissen und deren Interaktionsverhalten auf ein weites Temperaturspektrum bis T = -196 °C erweitert. Ebenso wurde der Einfluss von Mehrfachrissen auf die Tragfähigkeit von bauteilähnlichen Komponenten untersucht. Es hat sich wiederum gezeigt, dass der Werkstoff 22NiMoCr3-7 sehr homogen ist und kaum Streuungen aufzeigt. Insgesamt wird bestätigt, dass die Übergangstemperatur maßgebend von der Mehrachsigkeit der Belastung abhängt: Je höher diese ist, desto höher ist auch die Übergangstemperatur. In Bezug auf die numerischen Untersuchungen zeigt sich, dass mit dem hier angewendeten nicht lokalen Rousselier-Modell das Verformungs- und Schädigungsverhalten der Experimente gut abgebildet werden konnte. Auch der Ablauf der Interaktion der Risse konnte damit numerisch gut wiedergegeben werden. Mit dem Schädigungsmodell wurde des Weiteren ein betriebsnaher und auslegungsüberschreitender Lastfall eines RDBs unter Vorgabe von zwei quasi-laminaren Rissfeldern simuliert. Die untersuchten Rissfelder können unter beiden Lastfällen als unkritisch eingestuft werden. An dem als Sonderschmelze hergestellte ferritische Werkstoff KS07C wurde der Einfluss von Seigerungen auf das schädigungsmechanische Verhalten des Werkstoffs u.a. bei T = 150 °C untersucht. Dabei hat sich gezeigt, dass sich bei einer 90°-Orientierung der Seigerung zu Rissausbreitung sich der Risswiderstand einer C(T)-Probe gegenüber den Orientierungen 0° und 20° erhöht. Des Weiteren stand ein weiterer Materialblock aus dem Werkstoff KS07C mit einem realistischen Rissfeld zur Verfügung. Dieser wurde umfassend zerstörungsfrei untersucht und die bereits im Vorgängerprojekt angelegte statistische Datenbasis für die Ultraschall-POD-Berechnung wurde vergrößert. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere für dickwandige Bauteile die Längen kleiner Risse bei der Vermessung mit Ultraschall überschätzt werden können. Mittels selektivem Laserschweißen (SLM) wurden Laborproben hergestellt. Dazu wurde der Werkstoff 22NiMoCr3-7 in einer externen Verdüsungsanlage zu Pulver zerstäubt. Aus dem Pulver wurden anschließend mit einer an der MPA Universität Stuttgart zur Verfügung stehenden additiven Fertigungsanlage Proben für eine Materialcharakterisierung gedruckt. Diese Normzugproben wurden unterschiedlichen Wärmebehandlungen unterzogen, um näherungsweise einen Werkstoffzustand entsprechend dem Ausgangsmaterial einzustellen. Anhand von insgesamt 3 Variationen der Wärmebehandlung wurde diese dahingehend optimiert, um vergleichbare mechanisch-technologische Werkstoffeigenschaften des additiv gefertigten Werkstoffs mit dem geschmiedeten Werkstoff (Grundmaterial) zu erzielen. Die Ergebnisse zeigen, dass man mittles SLM komplexe Geometrien wie Scherzugproben und Rissfeldproben herstellen und über eine optimierte Wärmebehandlung damit das Veformungs- und Schädigungsverhalten des Grundmaterials erzielen kann. Zur Übertragung/Validierung der Bewertungsverfahren von Laborproben auf reale druckführende Komponenten wurden abschließend Versuchskörper mit bauteilnaher Geometrie aus dem Werkstoff 22NiMoCr3-7 ebenfalls mittels selektivem Laserschweißen (SLM) hergestellt und geprüft. Über die in diesem Vorhaben über einen weiten Temperaturbereich durchgeführten Versuche konnte der Bereich der Anwendbarkeit der in der Dissertation von Herrn Gauder gegenüber Code Case N848 und Code Case N848-1 erweiterten Interaktionsgrenzkurven auf das Übergangsgebiet festgelegt werden. So liegen nun für den Werkstoff 22NiMoCr3-7 sowohl für die Hochlage als auch für das Übergangsgebiet für wanddurchdringende Fehler Interaktionsgrenzkurven vor. Die Spaltbruchwahrscheinlichkeit in der Tieflage des Werkstoffs kann über das hier angewendete erweiterte Beremin-Modell tendenziell vorhergesagt werden. Die Vorhabensziele wurden erreicht.