doświadczenia z zastosowania nowych stali do wytwarzania

Transkrypt

Prace IMŻ 1 (2010)
51
Janusz DOBRZAŃSKI, Adam ZIELIŃSKI
Instytut Metalurgii Żelaza im. St. Staszica
Jerzy PASTERNAK
RAFAKO S.A.
Adam HERNAS
Politechnika Śląska
DOŚWIADCZENIA Z ZASTOSOWANIA NOWYCH
STALI DO WYTWARZANIA ELEMENTÓW KOTŁÓW
NA PARAMETRY NADKRYTYCZNE
W referacie przedstawiono charakterystyki nowych stali żarowytrzymałych stosowanych w budowie kotłów nadkrytycznych, w tym szczególnie wyniki badań cienko- i grubościennych złączy spawanych. Przedmiotem badań były
niskostopowe stale bainityczne T/P23 i T/P24 oraz wysokostopowe martenzytyczne T/P91, T/P92, VM12 oraz austenityczna HR3C. Dokonano analizy doboru materiałów na przegrzewacze pary kotła nadkrytycznego. Przedstawiono
charakterystyki struktury i właściwości mechanicznych w temperaturze pokojowej i podwyższonej materiałów podstawowych oraz złączy spawanych. Zweryfikowano zastosowane technologie spawania i oceniono przydatności badanych
materiałów do określonych zastosowań.
Słowa kluczowe: własności technologiczne i mechaniczne, stabilność strukturalna stali, złącza spawane, wytrzymałość na pełzanie, długotrwałe wyżarzanie
EXPERIMENTS WITH APPLICATION OF NEW STEELS
IN MANUFACTURING OF THE COMPONENTS OF BOILERS
WITH SUPERCRITICAL PARAMETERS
The paper presents characteristics of new creep resisting steels for boilers, and in particular the results of tests of
thin- and heavy-walled welded joints. Low-alloy T/P23 and T/P24 steels, high-alloy T/P91, T/P92, VM12 and austenitic HR3C steels were subject to testing. Analysis of selection of the material for supercritical boiler steam superheater
was conducted. Characteristics of the structure and mechanical properties at ambient and elevated temperature of basic materials and welded joints were presented. The applied technologies of welding were verified, moreover usability
of the examined materials in specific applications was assessed.
Keywords: technological and mechanical properties, steel structure stability, welded joints, creep tests, long-term
annealing
1. WSTĘP
Dość powszechnie wiadomo, że krajowy system energetyczny jest w dużej mierze przestarzały co wynika
miedzy innymi z faktu, że 40% bloków ma ponad 35 lat,
a 10% osiągnęło wiek 50 lat – co jest daleko posuniętą
energetyczną emeryturą. Dla sprostania stale rosnącemu zapotrzebowaniu na energię oraz zapewnieniu
bezpieczeństwa funkcjonowania krajowej energetyki,
wymagane jest w najbliższych latach zintensyfikowanie działań inwestycyjnych i zwiększenie zainstalowanej mocy od 3000 do 5000 MW. Rozwój sektora
energetycznego winien uwzględniać instalowanie najbardziej efektywnych bloków, o dużej sprawności oraz
minimalnym negatywnym oddziaływaniu na środowisko, jakimi, dla technologii węglowych, są kotły o parametrach nadkrytycznych [1]. Taki kierunek rozwoju
krajowej energetyki (nie wspominając o lansowanych
technologiach energetyki odnawialnej oraz perspektywie budowy elektrowni jądrowych) determinowany
jest zarówno czynnikami techniczno-ekonomicznymi
jak i uwarunkowaniami prawnymi związanymi między
innymi z Pakietem energetyczno-klimatycznym i systemem handlu emisjami EU ETS z 2008 roku. Zatem
wzrost zapotrzebowania na energię oraz dyrektywy
Unii Europejskiej między innymi 2001/77/EC, 2001/80/
WE, 1997/97/23/WE (PED) powodują konieczność modernizacji europejskiej energetyki, a tym samym podjęcia działań w zakresie projektowania, wytwarzania
i eksploatacji urządzeń energetycznych. Ustalenia
międzynarodowe zobowiązują również do redukcji SO2
i NOx, ograniczenia emisji CO2, ograniczenia zasolenia
wód powierzchniowych wodami kopalnianymi i do zagospodarowania odpadów wytwarzanych w sektorze
energetycznym.
52
Janusz Dobrzański, Adam Zieliński, Jerzy Pasternak, Adam Hernas
Budowa kotłów na parametry nadkrytyczne o temperaturze pary 565–650oC i ciśnieniu > 27 MPa wymaga
zastosowania na elementy ciśnieniowe kotłów, w tym
elementy ścian membranowych, przegrzewaczy pary
jak również komór i rurociągów, nowych stali żarowytrzymałych spełniających wysokie wymagania własności technologicznych oraz użytkowych Przydatność
materiału do określonych zastosowań wyznacza zespół
właściwości mechanicznych – wytrzymałościowych
i ciągliwych (w tym głównie długotrwałej wytrzymałości na pełzanie), fizykochemicznych (np. odporności na
utlenianie w parze wodnej oraz na korozję wysokotemperaturową), własności technologicznych. Istotną rolę
odgrywa również dostępność i cena rur [1–11].
Wytwarzanie urządzeń ciśnieniowych objęte jest
prawnymi uregulowaniami dyrektywy 97/23/WE
(PED), która definiuje proces projektowania, wytwarzania i oceny zgodności urządzeń ciśnieniowych i ich
zespołów z podstawowymi wymaganiami odnoszonymi
do urządzeń po raz pierwszy wprowadzanych do obrotu
na rynek UE. Zasady funkcjonowania systemu oceny
zgodności wyrobów (PED) zawierają ogólne wymagania ochrony życia, zdrowia, mienia i środowiska, zostały wprowadzone do polskiego prawodawstwa ustawą
z dnia 30.08.2002 (Dz.U Nr 166, np. poz. 166). Szczegółowe wymagania techniczne dotyczące urządzeń ciśnieniowych zawarte zostały w europejskich normach
zharmonizowanych. Wprowadzany na rynek wyrób
podlega sprawdzeniu przez Organizację Notyfikowaną, co do zgodności z wymaganiami PED, a następnie
na podstawie pozytywnej oceny wydaje ona stosowne
Świadectwo Zgodności.
Poza doborem materiałów, wytwórca urządzenia ciśnieniowego zobowiązany jest do zademonstrowania
technologii wykonania połączeń nierozłącznych. Ocena
jakości i określone wymagania wykonanych złączy spawanych, zostały zdefiniowane w normie EN ISO 15614-1,
natomiast sposoby oceny jakości złączy spawanych
w normie EN ISO 5817.
2. DOBÓR MATERIAŁÓW NA WĘŻOWNICE
PRZEGRZEWACZY PARY
W części kotłowej bloku energetycznego kluczowymi
elementami konstrukcyjnymi są:
– ściany szczelne (membranowe) komory paleniskowej
wykonane z cienkościennych rurek,
– nie ogrzewane spalinami grubościenne rurociągi
pary świeżej i komory (kolektory),
– ogrzewane spalinami wężownice przegrzewaczy pary
i przegrzewaczy w części wtórnej.
Rozwój technologii energetycznych jest możliwy jedynie wraz z rozwojem materiałów i technologii, spełniających coraz wyższe wymagania odpowiednich własności użytkowych.
Zależnie od rodzaju elementu konstrukcyjnego i temperatury pary w budowie kotłów nadkrytycznych stosowane są cztery grupy materiałów [1–20];
– stale niskostopowe bainityczne T/P23 i T/P24;
– stale martenzytyczne na bazie 8–12%Cr;
– stale austenityczne;
– nadstopy niklu.
Do krytycznych elementów kotła nadkrytycznego
pracujących w najtrudniejszych warunkach eksploatacyjnych należą wężownice pary świeżej i przegrzanej.
Prace IMŻ 1 (2010)
W analizie uwzględniono stale martenzytyczne
z grupy 8–12%Cr (T91, T92, HCM12A, VM12) oraz austenityczne Cr-Ni (TP 347 FG, SUPER 304H, HR3C)
o składach chemicznych przedstawionych w monografii
pt. Materiały i technologie do budowy kotłów nadkrytycznych i spalarni odpadów [1, 20].
Wartości naprężeń dopuszczalnych (rys. 1) dla tych
gatunków stali zaczerpnięto z obowiązujących norm
(EN 10216-2, VdTÜV–WB, ASME oraz karty materiałowej V&M:WBL-439), a w przypadku braku kompletu
danych, potrzebne wielkości wyznaczono metodą ekstrapolacji. W szczególności ekstrapolowano wartości
wytrzymałości na pełzanie dla 200 000 godzin dla stali
VM12, TP 347 FG, SUPER 304H oraz HR3C.
Rys. 1. Naprężenia dopuszczalne uwzględniające kryterium czasowej wytrzymałości na pełzanie Rz/t dla 100 000
godz. (wskaźniki dla VM12 obniżono o 10% wg zaleceń
V&M)
Fig. 1. Maximum stress accounting for the criterium of creep strength Rz/t for 100 000 hours. (ratios for VM12 were
reduced by 10% as per V&M recommendations)
Do obliczeń grubości ścianki (rys. 2) oraz masy przegrzewacza wylotowego pary świeżej przyjęto następujące założenia [16]:
– ciśnienie obliczeniowe pary pobl = 30,9 MPa, (przy
ciśnieniu roboczym 28,5 MPa)
– temperatura obliczeniowa 635oC (przy temperaturze
pary 600oC)
Rys. 2. Porównawcze zestawienie grubości obliczeniowej
rur przegrzewacza wylotowego pary świeżej dla 100 000
i 200 000 godz.
Fig. 2. Comparative listing of calculated gauges of pipes
of live steam outlet superheater for 100 000 and 200 000
hours
Prace IMŻ 1 (2010)
Doświadczenia z zastosowania nowych stali...
– wewnętrzna średnica rur (dw), jest stała, równa
30 mm, a średnica zewnętrzna jest wielkością wynikową;
– wszystkie wężownice przegrzewacza wykonane są
z jednego materiału.
Wyniki obliczeń jednoznacznie wskazują, że dla założonych parametrów obliczeniowych akceptowalne
grubości ścianek dotyczą jedynie stali austenitycznych
TP347HFG, SUPER 304H i HR3C. Dla pozostałych
gatunków stali grubości ścianek rur wynoszą powyżej
technologicznego maksimum 10 mm. Ze względu na
odporność na utlenianie najmniej odpowiednie są stale
z grupy 9%Cr, a najwyższą odporność korozyjną wykazują stale austenityczne.
Z dotychczasowych doświadczeń wynika, że na kolektory pary świeżej i wtórnej wymagania odpowiednich własności spełnia stal P92, a na przegrzewacz
grodziowy pracujący w nie za wysokiej temperaturze
stosowana jest stal VM12, która ma własności wytrzymałościowe niższe niż stale austenityczne, ale cechuje
się bardzo dobrą odpornością na korozję.
3. MATERIAŁ DO BADAŃ
METALOZNAWCZYCH
W ostatnich latach współpraca naukowo-badawcza
pomiędzy RAFAKO SA, a Instytutem Metalurgii Żelaza i Politechniką Śląską obejmowała szeroki zakres badań materiałowych koncentrujący się na jednorodnych
i mieszanych, cienko- i grubościennych złączach spawanych. W szczególności były to następujące złącza:
– wycinki kolektora pary o wymiarach I216×28 mm ze
stali 7CrWVNb9-6(P23),
– kolektora pary o I406×32 mm ze stali 7CrMoVTiB10-10 (P24),
– kolektora wylotowego przegrzewacza pary o wymiarach: I355,6×50 mm ze stali P91, I160×40 mm ze
stali P92 oraz I355,6×35 mm ze stali VM12),
– złącza cienkościenne I50×4,5 mm oraz I44,5 ×
8,8 mm; VM12-VM12, T91-VM12, HR3C-HR3C
(25Cr20NiNbN), VM12-HR3C, T91-SUPER 304H
(18Cr9Ni3CuNbN),
– króćce; Alloy 617(NiCr23Co12Mo)-T92 do kolektora
pary wykonanego ze stali P92 na parametry pary
o
o
pierwotnej 625 C/28,6 MPa oraz wtórnej 635 C/5,5
MPa,
– ściany membranowe ze stali T24.
53
Współpraca funkcjonuje w układzie trójkąta, w którym RAFAKO SA zapewnia materiał badawczy i realizuje część technologiczną, natomiast w IMŻ, który
posiada akredytację laboratorium UDT i ISO 9001 prowadzone są głównie badania własności mechanicznych
z próbami pełzania oraz badania strukturalne, natomiast w Politechnice Śl. badania strukturalne, próby
korozyjne i badania zmęczeniowe.
Składy chemiczne nowej generacji stali żarowytrzymałych o osnowie ferrytycznej przeznaczonych do zastosowania na elementy krytyczne kotłów o parametrach nadkrytycznych zestawiono w tablicy 1.
4. OBRÓBKA CIEPLNA
Obróbka cieplna stosowana dla niskostopowych stali
bainitycznych polega na normalizowaniu w temperaturze od ok. 1040 do ok. 1080ºC, z wysokim odpuszczaniu
w temperaturze od ok. 730 do ok. 780ºC. Natomiast po
spawaniu elementów cienkościennych o grubości do 10
mm obróbka cieplna nie jest wymagana, a powyżej przeprowadza się wyżarzanie odprężające w temperaturze
ok.740ºC z czasem wytrzymania do ok. 4 h, w zależności od geometrii elementu. Stale niskostopowe (T/P23
oraz T/P24) wykazują w stanie wyjściowym strukturą
na ogół bainityczną lub bainityczno-martenzytyczną
(niekiedy z niewielką ilością ferrytu) z wydzieleniami
węglików M23C6 oraz węglików/azotków MX, (Nb, B,
V, Ti). Udział martenzytu w tych stalach ma istotny
wpływ na obniżenie udarności, szczególnie złączy spawanych.
Stale o zawartości 9–12%Cr podlegają normalizowaniu/hartowaniu w powietrzu i następnie wysokiemu odpuszczaniu, uzyskując strukturę odpuszczonego martenzytu, często z niewielkim udziałem ferrytu
delta. Po spawaniu obowiązkowo należy przeprowadzić wyżarzanie odprężające/odpuszczanie 730–780ºC
w czasie zależnym od geometrii obiektu.
5. WYNIKI BADAŃ
5.1. WYNIKI BADAŃ WŁASNOŚCI
WYTRZYMAŁOŚCIOWYCH ORAZ PRACY
ŁAMANIA W TEMPERATURZE POKOJOWEJ
ORAZ W TEMPERATURZE PODWYŻSZONEJ
Złącza spawane kolektorów poddano badaniom nieniszczącym, ocenie własności mechanicznych, własności
Tablica 1. Skład chemiczny nowych stali żarowytrzymałych stosowanych w kotłach o parametrach nadkrytycznych
Table 1. Chemical composition of new creep-resisting steels to be applied in boilers of supercritical parameters
Gatunek stali
7CrWVNb9-6
(T/P23)
C
0,040,10
Si
do
0,50
Mn
0,300,60
Cr
1,902,60
7CrMoVTiB10-10 (T/P24)
W-1.7378
0,050,095
0,150,45
0,300,70
2,202,60
X10CrMoVNb9-1 (T/P91);
W-1.4903
X10CrWMoVNb9-2
(T/P92)
0,080,12
0,070,13
0,200,50
0,300,60
0,300,60
8,09,5
8,59,5
X12CrCoWVNb12-2-2
(VM12)
0,110,14
0,150,45
11,012,0
< 0,5
0,400,60
Zawartość pierwiastków, %
Ni
Mo
V
W
do
0,201,450,30
0,30
1,75
< 0,40
< 0,40
0,200,40
Nb
0,020,08
0,901,10
0,200,30
0,851,05
0,300,60
0,180,25
0,150,25
1,52,0
0,060,10
0,040,09
0,200,40
0,200,30
1,301,70
0,030,08
-
-
pozostałe
N do 0,010
N do 0,010
B 0,0015-0,0070
Ti 0,05-0,10
N 0,03-0,07
N 0,03-0,07
B 0,001-0,006
Co: 1,40-1,60
N:0,030-0,070
B:0,0030-0,006
54
7CrWVNb9-6 (P23)
Prace IMŻ 1 (2010)
7CrMoVTiB10-10 (P24)
t
Rys. 3. Porównanie wyników badań wytrzymałości na rozciąganie Rm w temperaturze od 20 do 550ºC z materiału podstawowego i jednorodnych złączy spawanych kolektorów ze stali P23 oraz P24 po normalizowaniu, odpuszczaniu i wyżarzaniu
odprężającym
Fig. 3. Comparison of strength properties test results at ambient temperature and elevated temperature to 550ºC of the
examined tube material made of low-alloy steel 7CrWVNb9-6 (P23) and 7CrMoVTiB10-10(P24) steels after normalising and
tempering and results of similar welded joint after stress relief annealing
a)
b)
c)
Rys. 4. Porównanie wyników badań pracy łamania na próbkach z karbem V materiału kolektora, SWC oraz spoiny jednorodnego złącza spawanego stali P23: materiału rodzimego, strefy wpływu ciepła i spoiny w temperaturze Tb = 20ºC; materiału
rodzimego w zależności od temperatury badania w zakresie od -60 do 60ºC spoiny złącza spawanego w zależności od temperatury badania w zakresie od -20 do 60ºC
Fig. 4. Comparison of impact energy test results on specimens with V-notch of parent material, HAZ and weld metal of similar
circumferential welded joint of 7CrWVNb9-6 (P23) steel: a) at temperature Tb = 20ºC on parent material, HAZ and weld metal
of similar welded joint of collector: b) at temperature range from -100 to 60ºC on base material of collector, c) at temperature
range from -20 to 60ºC on weld metal of similar welded joint of collector
b)
a)
Rys. 5. Porównanie własności mechanicznych materiału podstawowego oraz obwodowego złącza spawanego kolektora przet
grzewacza pary ze stali P91, w zależności od temperatury badania Tb: a) wytrzymałości na rozciąganie Rm (Rm ), b) granicy
t
plastyczności Re (Re )
t
t
Fig. 5. Tensile strength Rm (Rm ) and yield point Re (Re ) in relation to test temperature Tb of steam superheater outlet header
base material of steel X10CrMoVNb9-1 (P91) and similar circumferential welded joint of the same steel
Prace IMŻ 1 (2010)
technologicznych oraz badaniom struktury materiałów
podstawowych oraz złączy spawanych. Przeprowadzono badania wytrzymałości na rozciąganie oraz granicy
plastyczności w temperaturze od 20 do 550oC, badania
pracy łamania na próbkach z karbem V dla materiału
podstawowego kolektorów, strefy wpływu ciepła i spoinach obwodowych dla wszystkich stali żarowytrzymałych zawartych w tablicy 1. W pracy przedstawiono jedynie wybrane wyniki badań materiału podstawowego
oraz złączy spawanych kolektorów I216×28 mm ze stali P23 oraz I406×32 mm ze stali P24 po procesie spawania i wyżarzania odprężającego (rys. 3, 4). Wyznaczona
temperatura przejścia w stan kruchy materiału kolektora wynosi ok. -30ºC, a dla materiału spoiny badanego
złącza spawanego ok. -20ºC.
Porównanie wyników własności wytrzymałościowych, wytrzymałości na rozciąganie oraz granicy plastyczności w temperaturze od 20 do 600ºC, dla materiału podstawowego i obwodowego złącza spawanego
kolektora pary ze stali P91 pokazano na rys. 5.
5.2. WYNIKI POMIARÓW TWARDOŚCI
ORAZ OCENY STRUKTURY MATERIAŁU
PODSTAWOWEGO I ZŁĄCZY SPAWANYCH
Badania struktury i pomiary twardości obwodowych
jednorodnych złączy spawanych kolektorów przeprowadzono na poprzecznych zgładach metalograficznych,
na mikroskopie świetlnym oraz w skaningowym mikroskopie elektronowym przy powiększeniach do 5 000×.
Otrzymana struktura materiału podstawowego kolektora ze stali 7CrWVNb9-6 (P23) to dolny bainit z nielicznymi obszarami ferrytu o twardości ok. 160–180
HV10. W strefie wpływu ciepła złącza obserwowana
struktura to obszary bainitu i martenzytu z udziałem
ferrytu, o twardości od 180 do 220 HV10. W spoinie oba)
55
serwuje się strukturę martenzytu z bainitem. Twardość
w obszarze spoiny wzrasta od 220HV10 do 245HV10.
Pomiary twardości (rys. 6) nie wykazały gwałtownych zmian przy przejściu przez poszczególne strefy
złącza [23–25, 27]. Natomiast struktura materiału
podstawowego stali o zawartości 9%Cr, P91 P92 oraz
o 12%Cr, VM12 to głównie martenzyt odpuszczony,
często z dolnym bainitem oraz z nielicznymi obszarami
ferrytu, o twardości od ok. 200 do 240 HV10. W strefie
wpływu ciepła i spoinie obserwowana struktura to najczęściej martenzyt z bainitem o twardości od. ok. 220
do 260 HV10, w spoinie twardość wzrasta w przypadku
stali P92 do ok. 300 HV10.
W przypadku mniejszych prędkości chłodzenia po
austenityzacji można oczekiwać struktury odpuszczonego martenzytu z dolnym bainitem oraz niewielką
ilością ferrytu G. Struktury badanych złączy obserwowane w skaningowym mikroskopie elektronowym
przy powiększeniu 1000× pokazano na rys. 7. Ponadto
w trakcie prowadzonych badań poprzedzających wdrożenie nowych gatunków stali dokonano oceny wpływu
długotrwałego wyżarzania na własności i strukturę badanych stali i obwodowych złączy spawanych dla czasów t = 1000, 3000 i 10000 h [2, 8].
5.3. OCENA JAKOŚCI ZŁĄCZY
CIENKOŚCIENNYCH RUR PRZEGRZEWACZY
PARY ORAZ KRÓĆCÓW
W trakcie podjętego programu wdrożenia nowych
stali austenitycznych SUPER304H i HR3C, w RAFAKO SA wykonano między innymi złącza spawane
elementów przegrzewaczy pary wylotowej I51×4,5
mm. Program obejmował złącza jednorodne i mieszane, w tym HR3C+HR3C, HR3C+T91, HR3C+ VM12,
T91-SUPER304H. Ocena technologii wykonania złączy
b)
Rys. 6. Wyniki badań twardości jednoimiennych obwodowych złączy spawanych elementów kolektorów po normalizowaniu
i odpuszczaniu oraz wyżarzaniu odprężającym ze stali: a) P24, b) VM12
Fig 6. Hardness test results of similar circumferential welded joint made of a) 7CrMoVTiB10-10 (P24) and b) X12CrCoWVNb12-2-2 (VM12) steels
56
Prace IMŻ 1 (2010)
Rys. 7. Porównanie mikrostruktury obserwowanej w SEM elementów jednoimiennych obwodowych złączy spawanych nowych stali o osnowie ferrytycznej na krytyczne elementy części ciśnieniowej kotłów
Fig. 7. Comparison of microstructure test results of similar circumferential welded joint made of new ferritic steels for components of boiler pressure parts (SEM)
spawanych dokonana została zgodnie z wymaganiami
EN-ISO 15614-1. Badania niszczące – wytrzymałościowe, technologiczne i strukturalne, poprzedzone zostały oględzinami zewnętrznymi, badaniami penetracyjnymi i radiograficznymi, stosownie do wymagań PN
EN 12952-6. Twardość spoin nie przekraczała 260HV,
a SWC 290 HV. Wykonane próby gięcia – zgodnie z wy-
maganiami PN-EN 910 dla dwóch próbek wykazały kąt
gięcia równy 180o, bez stwierdzenia wad na powierzchni rozciąganej. Wyniki tych badań były pozytywne.
Wybrane struktury materiału rodzimego, spoiny oraz
strefy wpływu ciepła uzyskane na mikroskopie świetlnym przedstawiono na rys. 8. Złącza były wolne od jakichkolwiek wad i nieprawidłowości strukturalnych.
Prace IMŻ 1 (2010)
57
Rys. 8. Przykładowe wyniki badań metalograficznych złącza ze stali HR3C
Fig. 8. An example of metallographic examination results of HR3C welding joints
Znaczącym osiągnięciem RAFAKO SA w okresie
wdrażania technologii spawania z nowych stali do budowy kotłów nadkrytycznych było opanowanie wykonawstwa tzw. czarno-białych, dość skomplikowanych
króćców I50×13 mm zaprojektowanych z materiałów
P92-Alloy 617 przeznaczonych na rynek niemiecki.
Króćce przeznaczone były do komory wykonanej ze stali P92 (rys. 9).
a)
b)
c)
d)
Rys. 9. a) Widok ogólny komory wylotowej przegrzewacza pary, b) przekrój spawanego króćca, c) jasna strefa wzbogacona
w Cr w obszarze tzw. konkurencji wzrostu kryształów po stronie P92, d) mikrostruktura w strefie wtopienia po stronie Alloy
617
Fig. 9 a) General view of steam superheater outlet chamber, b) cross-section of the welded connector pipe, c) bright zone
enriched with Cr in the areaa of the so called crystal growth competitiveness on the side of P92, d) microstructure in the
fusion area in on the side of Alloy 617
58
5.4. DOŚWIADCZENIA ZE SPAWANIA ŚCIAN
MEMBRANOWYCH ZE STALI T24
Oczekiwana temperatura pracy ścian szczelnych
w nowoczesnych konstrukcjach kotłów ma wynosić
o
około 550 C przy ciśnieniu 29,0 MPa. Lansowanym gatunkiem na te elementy (rys. 10a) jest bainityczna stal
T24, która wg charakterystyk producentów i zaleceń
spawalniczych powinna być stosunkowo łatwą technologicznie, pozwalającą na niestosowanie obróbki cieplnej po spawaniu elementów rur i płetw o grubości do
10 mm. Złącza spawane wykonywane są z reguły z rur
o średnicy 44,5 mm i grubości ścianki 7,1 mm oraz płaskownika o wymiarach g (6,0–8,0) mm × 75,9 mm.
Dotychczasowe doświadczenia czołowych wytwórców
ścian szczelnych wskazują na liczne problemy technologiczne związane z niską udarnością i pękaniem
złączy. Pomimo atestowego spełnienia wymagań dla
stali 7CrMoVTiB 10-10 wg EN 10216:2002/PR A2:2006
oraz poprawnej, zgodnie z WPS, technologii spawania
w złączu występują np. pęknięcia gorące lub wodorowe,
a także mikrostruktury ze znacznym udziałem martenzytu sprzyjające pękaniu. Stwierdza się, że jeżeli materiał w stanie dostawy wykazuje prawidłową strukturę
bainityczną (rys. 10b) wówczas tych problemów przy
ścisłym dotrzymaniu parametrów spawania praktycznie nie doświadcza się. Natomiast obecność martenzytu np. w płaskowniku przed spawaniem jest kodowana
Prace IMŻ 1 (2010)
w materiale po spawania i łącznie z niedotrzymaniem
rygorów odpowiedniego spawania (np. szybkości spawania >0,7 m/min) i zbyt szybkiego chłodzenia po spawaniu, w złączu tworzą się dominujące struktury płytkowe (rys. 10c,d) znacznie obniżające pracę łamania
i sprzyjające pękaniu złącza.
5.5. CZASOWA WYTRZYMAŁOŚĆ NA PEŁZANIE
MATERIAŁU PODSTAWOWEGO ORAZ ZŁĄCZY
SPAWANYCH
Znajomość czasowej wytrzymałości na pełzanie limituje stosowanie materiału na elementy części ciśnieniowej kotłów pracujące powyżej temperatury granicznej.
Dotyczy to zarówno wyrobów hutniczych jak i materiału
oraz złączy spawanych wykonanych z nich elementów
instalacji ciśnieniowej kotłów. Przykład przeprowadzonych badań sprawdzających czasowej wytrzymałości
na pełzanie materiału rodzimego oraz jednoimiennego obwodowego złącza spawanego ze stali P23 i stali
VM12 w postaci zależności log σb = f(log tr) przy Tb =
const przedstawiono na rys. 11. Porównanie wyników
dla materiału płaszcza i złącza spawanego wskazuje,
że wytrzymałość na pełzanie złącza spawanego mieści
się w dolnym paśmie rozrzutu wyników uzyskanych
dla materiału rur. Podobne badania wykonano również
dla stali P24, P91 i P92.
a)
b)
c)
d)
Rys. 10. a) Makroskopowy szczegół ściany szczelnej, b) mikrostruktura bainityczna, c) i d) płytkowa struktura martenzytu
SEM, d) cienka folia, TEM
Fig. 10 a) Macroscopic detail of leakproof wall, b) bainitic microstructure, c) and d) lamellar structure of martensite SEM,
d) thin foil, TEM
Prace IMŻ 1 (2010)
59
a)
b)
Rys. 11. Porównanie wyników prób pełzania do zerwania materiału a) badanej rury oraz jednoimiennego obwodowego złącza
o
o
spawanego ze stali P23 w temperaturze badania Tb = 500 C i 550 C; b)materiału komory wylotowej przegrzewacza pary i obo
o
wodowego jednorodnego złącza spawanego ze stali VM12 w temperaturze badania Tb = 600 C i 650 C
o
Fig.11. Comparison of creep resistance test results in form of function log Vb = f(log tr): a) at Tb = 500 and 550 C of base material
and similar circumferential welded joint of steam collectors made of 7CrWVNb9-6 (P23) steel, b) at Tb = 600 and 650oC of base
material and similar circumferential welded joint of steam collectors made of X12CrCoWVNb12-2-2 (VM12) steel, in relation
to the average creep resistance curve according to the requirements
6. PODSUMOWANIE
Przeprowadzone badania materiału płaszczy i jednoimiennych obwodowych złączy spawanych komór wylotowych wykonanych w warunkach dużego wytwórcy
kotłów z niskostopowych stali P23 i P24 oraz wysokochromowych P91, P92 i VM12 pozwalają stwierdzić,
że:
1. Własności wytrzymałościowe w temperaturze pokojowej i podwyższonej do 550oC wycinków komór z badanych materiałów spełniają wymagania stawiane
materiałom hutniczym.
2. Praca łamania badanych materiałów wycinków komór spełnia wymagania i w temperaturze pokojowej
znacznie przekracza wymaganą minimalną wartość
27J. Wyznaczona temperatura przejścia w stan kruchy dla materiału komory ze stali P23 wynosi; -30oC,
a dla stali P24; -10oC. Natomiast temperatura przejścia w stan kruchy dla materiału komory ze stali
P91 wynosi; -100oC, a dla wykonanej ze stali VM12;
-20oC. Dla materiału komory ze stali X10CrWMoVNb9-2 (P92) temperatura ta jest pośrednią w stosunku do uzyskanych dla pozostałych stali wysokochromowych. Należy nadmienić, że odpowiednio wysoki poziom pracy łamania próbek ze stali wysokochromowych uzyskuje się przede wszystkim wskutek
odpowiednio przeprowadzonego wyżarzania odprężającego/odpuszczania po spawaniu.
3. Spawanie stali T24 nastręcza wielu problemów z dotrzymaniem odpowiedniej udarności skutkującej
dużą skłonnością do pękania. Technologia spawania
wymaga dużej dyscypliny i staranności dotrzymywania parametrów i warunków spawania. Przewaga
struktury martenzytycznej w złączu skutkuje dużą
skłonnością do pękania złączy.
4. Długotrwałe wyżarzanie niskostopowych stali P23
i P24 w temperaturze 550 i 600oC w czasie do 10 000
godzin nie powoduje istotnych zmian własności wytrzymałościowych w temperaturze pokojowej i podwyższonej zbliżonej do przewidywanej eksploatacyjnej. Spadek poziomu pracy łamania próbek z karbem
V zanotowano po 10 000 godzin dla materiału spoin
z badanych stali. Uzyskane wartości są jednak znacznie wyższe od minimalnych wymaganych. Próby
długotrwałego wyżarzania są kontynuowane i będą
realizowane do co najmniej kilkudziesięciu tysięcy
godzin aby stwierdzone tendencje potwierdzić.
5. Badane stale martenzytyczne wykazują dużą stabilność struktury i własności w warunkach długotrwałego wyżarzanie w temperaturze 600 i 650oC w czasie
do 10 000 godzin.
6. Dłuższe czasy wyżarzania powodują znaczący spadek twardości o ok. 50 HV10 oraz obniżenie poziomu pracy łamania próbek z karbem V do wartości
minimalnych, wymaganych dla stanu wyjściowego.
Próby długotrwałego wyżarzania są kontynuowane
celem określenia przyczyn niekorzystnych tendencji
zmian struktury i własności w temperaturze rzędu
(600–650)oC
7. Stal VM12, która miała być pomostem pomiędzy
stalami martenzytycznymi a austenitycznymi nie
spełnia tych oczekiwań. Wykazuje co prawda bardzo
dobrą odporność na utlenianie jednakże w próbach
pełzania przy temperaturze ponad 600oC po czasie
ok. 20 000 godz wykazuje wytrzymałość na pełzanie
niższą od stali z grupy 9%Cr. Spowodowane to jest
60
małą stabilnością mikrostruktury, w której zachodzą
procesy rozpadu martenzytu, w tym głównie wydzielania fazy Lavesa oraz Z-Cr(V, Nb)N.
8. Dotychczas uzyskane wyniki badań czasowej wytrzymałości na pełzanie badanych materiałów oraz jednoimiennych obwodowych złączy spawanych wskazują,
że wytrzymałość na pełzanie złączy spawanych mieści się w dolnym paśmie rozrzutu wyników uzyskanych dla materiałów rodzimych i spełnia wymagania
w tym zakresie dla wyrobów hutniczych.
9. Współpraca naukowo-badawcza Instytutu Metalurgii Żelaza i Politechniki Śląskiej z RAFAKO SA
przynosi trójstronne efekty. Sprzyja rozwojowi kadry
i wzbogaca wiedzę na temat nowych materiałów dla
energetyki oraz pozwala na doskonalenie technologii
Prace IMŻ 1 (2010)
spawania i zdobywania własnego know-how poprzez
weryfikacje i ustalanie związków przyczynowo-skutkowych.
Autorzy wyrażają podziękowanie Ministerstwu
Nauki i Szkolnictwa Wyższego za dofinansowanie projektu SPB/COST/96/2005, którego wyniki
badań przedstawiono powyższej. Specjalne podziękowania autorzy składają firmie Valourec
& Mannesmann za udostępnienie wycinków rur
i Thyssen Welding za dostarczenie niezbędnych
materiałów spawalniczych oraz konsultacje w zakresie technologii spawania, co zostało wykorzystane w realizacji projektu. Część wyników jest
efektem realizacji projektu PBZ-MEiN-4/2/2006.
LITERATURA
1. Praca zbiorowa pod red. A. Hernasa: Materiały i technologie
do budowy kotłów nadkrytycznych i spalarni odpadów. Wyd.
SITPH, Katowice, 2009
2. Dobrzański J., Hernas A., Zieliński A.: Rozdział pt. Struktura i własności nowych stali żarowytrzymałych o osnowie
ferrytycznej, Materiały i technologie do budowy kotłów nadkrytycznych i spalarni odpadów, w [1],Wydawnictwo SITPH,
Katowice, 2009, s. 47-101
3. Gabrel J., Bendick W., Vanderberghe B., Lefabrre B.: „Status
of development of the VM12 steel for tubular applications in
advanced power plants”. 8th Int. Conf. on Materials for Advanced Power Engineering 2006, Liege, Belgium. ISBN 389336436-6, Forschungszentrum Jülich 2006, p. 1065
4. Masuyama F.: Alloy Development and Material Issues with
Increasing Steam Temperature. Proc of the 4th Int. Conf. on
Adv. in Mater. Technol. for Fosil Power Plants. Hilton Head
Island, USA, 2004
5. Haarmann K., Vaillant J.C., Vanderberge B., Arab A., Bendick W.: The T91/P91 Book, 2002, Vallourec&Mannesmann
Tubes
6. Richardot D., Vaillant J.C., Arab A., Bendick W.: The T92/P92
Book, 2000, Vallourec&Mannesmann Tubes
7. Zielińska-Lipiec A.: Analiza stabilności mikrostruktury modyfikowanych stali martenzytycznych 9%Cr w procesie wyżarzania i pełzania. AGH Uczelniane Wyd. N-T, Rozprawy – Monografie nr 146, Kraków, 2005
8. Dobrzański J., Pasternak J.: Krajowe doświadczenia w zakresie możliwości zastosowania wysokochromowych stali martenzytycznych na elementy krytyczne kotłów o parametrach
nadkrytycznych, Prace IMiUE, Zeszyt 23 T1, s. 153-186, październik 2009
9. F. Deshayes, W. Bendick, K. Haarmann, Vaillant J.C.: Vallourec Research Center, Manesmann Research Institute,
Vallourec-Manesmann Tubes – New 2÷3%Cr Steel Grades
for Waterwall Panels and Superheaters, Raport COST 501
–Liege, Oct. 1998
10. Vaillant J.C., Vandenberghe B., Zakine Z., Gabrel J., Bendick
W., Deshayes F.: The T23/P23 Book, Vallourec&Mannesmann
Tubes 2006
11. Husemann R.U.-Babcock-Eu., Materials for AD700 Boilers,
Edv. PF Power Plant CESI Auditorium, Milano, 2005
12. Dobrzański J., Pasternak J.: Możliwości stosowania nowych
niskostopowych stali bainitycznych na ściany membranowe
kotłów o parametrach nadkrytycznych w warunkach dużego
krajowego wytwórcy, Prace IMiUE, Zeszyt 23, T1, s. 127-152,
październik 2009
13. Dobrzański J., Zieliński A., Sroka M.: Microstructure, properties investigation and methodology of the state evaluations
of T23(2,25Cr-0,3Mo-1,6W-V-Nb) steel in boilers application,
Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering. Vol. 32, Issue 2, p. 142-153, February 2009
14. Dobrzański J., Zieliński A.: Properties and structure of the
new martensitic12% Cr steel with tungsten and cobalt for
use in ultra supercritical coal fired power plants. Inżynieria
Materiałowa nr 3-4 (157-158), str. 134-137, maj-sierpień
2007
15. Viswanathan R., Sarver J., Tanzosh J.M.: Boiler materials for
Ultra-Supercritical Coal Power Plants – Steamside Oxidation, JMEPEG, 2006
16. Wala T., Hernas A.: Dobór materiałów na przegrzewacze referencyjnego kotła nadkrytycznego. Prace IMiUE Politechniki
Śląskiej, Z.23, T.III, 2009
17. Dobrzański J., Pasternak J., Zieliński A.: Properties of Welded
Joints of Martensitic Creep Resistance Steels Applied in Polish Power Plants. 3rd Int. Conf. on Integrity of High Temperature Welds, April 2007, London, United Kingdom
18. Heuser, Jochum C., Bendick W., Hahn B.: Welding of new
pipe steels in modern high efficienty power stations with high
steam parameter. Safety and Reliability of Welded Components in Energy and Processing Industry. 10-11 Graz,
Austria. July 2008
19. Dobrzański J., Pasternak J.: Reliability and safety of the power equipment in respect of properties evaluation of welded
joints made from new generation creep-resisting steels, Proceedings of ASME Pressure Vessels & Piping Division Conference PVP2009-77044, July 26-30, 2009, Prague, Czech Republic
20. Dobrzański J., Hernas A., Pasternak J.: Properties and evaluation of welded joints made of new generation creep-resisting
steels, European Congress on Advanced Materials and Processes, Euromat 2009 Glasgow UK
Recenzent: Prof. dr hab. Józef Paduch

doświadczenia z zastosowania nowych stali do wytwarzania

Transkrypt

Podobne dokumenty

Osadzak półautomatyczny LV400

Szeroka oferta rozwiązań ze stali dla budownictwa