-
85
STALE AUSTENITYCZNE NOWEJ GENERACJI STOSOWANE NA URZDZENIA
ENERGETYKI
O PARAMETRACH NADKRYTYCZNYCH I ICH SPAWANIE
Jerzy Brzda Instytut Spawalnictwa Gliwice
Spalanie wgla kamiennego i brunatnego w kotach energetycznych
wprowadza do atmosfery du ilo zanieczyszcze. Przez zastosowanie
nadkrytycznych parametrw pary mona zmniejszy emisj zanieczyszcze i
zwikszy sprawno blokw energetycznych, co wymaga jednak stosowania
mate-riaw konstrukcyjnych nowej generacji, m. in. stali
austenitycznych. Przedstawiono rozwj w wiecie blokw na parametry
nadkrytyczne i ultra nadkrytyczne oraz stoso-wanych materiaw
konstrukcyjnych. Zamieszczono wykaz stali austenitycznych
stosowanych w bu-dowie kotw energetycznych. Podano podstawowe
charakterystyki stali austenitycznych nowej gene-racji i omwiono
zasady ich ksztatowania oraz spawania.
1. ZAKRES STOSOWANIA STALI AUSTENITYCZNYCH
Wytwarzanie energii elektrycznej w Polsce oparte jest na wglu
kamiennym i brunatnym, ktrego due zasoby bd stanowiy podstawowe rdo
energii przez kolejne dziesiciolecia. Spalanie wgla w kotach
energetycznych powoduje jednak emisj do atmosfery znacznych iloci
zanieczyszcze w postaci dwutlenku wgla (CO2), dwutlenku siarki
(SO2), tlenkw azotu (NOx) i rnego rodzaju py-w. Dyrektywa
Parlamentu Europejskiego i Rady 2001/80/WE z 23 padziernika 2001 r.
w sprawie Ograniczenia emisji niektrych rde zanieczyszcze do
powietrza z duych rde spalania paliw ustala graniczne wartoci
dopuszczalne dla tych zanieczyszcze [1]. Oznacza to, e wspomniana
dyrektywa dotyczy caej krajowej energetyki zawodowej, a take w duej
czci energetyki przemy-sowej i komunalnej, gdzie 97% (140,8 TWh)
cakowitej energii wytwarzanej jest z paliw staych (wgiel kamienny i
brunatny) [3]. rda energii elektrycznej i ciepa (elektrownie,
elektrociepownie i ciepownie) bd musiay ograniczy w cile okrelonym
harmonogramie emisje: SO2, NOx i pyu [2, 3].
Krajowy system elektroenergetyczny jest w duej mierze
przestarzay [4, 5]. 40 blokw o mocy 200 MW osigno w roku 2000. wiek
25-38 lat. Mimo prowadzenia przez wiele elektrowni i
elektrociepowni inwestycji proekologicznych, nadal spora liczba
jednostek jest mao efektywna i nie spenia norm dopuszczalnych
emisji zanieczyszcze NOx, SO2 i CO2 [1]. Obserwuje si, w wielu
przypadkach, obnienie, ju i tak niskiej, sprawnoci i dyspozycyjnoci
blokw oraz wzrost awaryj-noci i kosztw remontw. Jednoczenie krajowy
system energetyczny oceniany jest jako mao sprawny. Specjalici
brany energetycznej s zgodni, e obecne elektrownie bd w stanie
zaspokoi potrzeby energetyczne kraju tylko do 2007 08 roku, przy
zaoeniu cigej modernizacji blokw o cznej mocy do 2000 MW
rocznie.
Przez zwikszenie parametrw pary (temperatury i cinienia) do
wartoci nadkrytycznych mona zmniejszy emisj zanieczyszcze do
atmosfery i zwikszy sprawno blokw energetycz-nych (rys.1). Wymaga
to jednak zastosowanie materiaw konstrukcyjnych o wikszej
wytrzymaoci na pezanie i zwikszonej odpornoci na utlenianie. W
zalenoci od temperatury pracy stosuje si stale ferrytyczne, stale
austenityczne i stopy niklu.
-
86
Rys.1. Wpyw parametrw pary na: a) emisj zanieczyszcze oraz b)
przyrost sprawnoci blokw energetycz-nych.
Na rysunku 2 podano nadkrytyczne parametry blokw energetycznych
zbudowanych w r-nych krajach oraz zakresy temperatur pracy stali
ferrytycznych, austenitycznych i stopw niklu [8]. Grny zakres
temperatur stosowania stali ferrytycznych zwikszy si z 560oC do
630oC, a w przy-szoci osignie 650oC.
Standardowe nadkrytyczne
Niemcy
Japonia
Dania
USA
Projekt Vision 21
Projekt Thermie
Hls 1
Philo 6
20 25 30 35 40
550
600
650
700
750
Cinienie [MPa]
Tem
pere
tura
[oC
]
Eddystone 1
Avon 8
Drakelow C 3 & 4
Eddystone 2Philip Spom 5
Breed 1
Rys. 2. Parametry blokw energetycznych o nadkrytycznych i ultra
nadkrytycznych parametrach pary [8].
Ciekawa jest historia rozwoju blokw na parametry nadkrytyczne w
Stanach Zjednoczonych [9, 10]. W roku 1959 najwysze wwczas na
wiecie parametry pary (345 bar/649/566/566oC) zasto-sowano w bloku
325 MW (z podwjnym przegrzewem wtrnym) w elektrowni Eddystone I,
nale-cej do Philadelphia Electric Co. Poprzedzone to byo
uruchomieniem w roku 1957 w elektrowni Philo nalecej do AEP-Ohio
Power bloku 125 MW (314 bar, 621oC z podwjnym przegrzewem wtrnym
566/538oC). Tak wysokie parametry pary wieej wymagay zastosowania
do budowy przegrzewaczy stali austenitycznych. Dyspozycyjno tych
blokw bya jednak bardzo niska. Miay
Parametry pary
75
70
85
90
95
100
Em
isja
, %
16,7
MP
a 53
8/53
8 o C
CO2, NOx, SO2 i pyy
25 M
Pa
540/
560
oC
27 M
Pa
580/
600
oC
28,5
MP
a 60
0/62
0 o C
30 M
Pa
625/
640
oC
30 M
Pa
700/
720
oC
80
a) b)
-
87
na to wpyw nieodpowiednia jako stali oraz usterki montaowe.
Wysokie koszty inwestycyjne, problemy eksploatacyjne i
niewystarczajca trwao stali austenitycznej z jednej strony, oraz
niska cena paliwa, z drugiej strony, skoniy Amerykanw do wycofania
si ze stosowania ultra nadkry-tycznych parametrw pary. Przez duszy
czas budowano jednak w Stanach Zjednoczonych bloki na parametry
nadkrytyczne. W latach 1960 1990 zbudowano cznie 162 bloki, w tej
liczbie 121 blo-kw opalanych wglem, 40 na gaz ziemny a tylko 1 na
olej opaowy. W latach 90. praktycznie nie budowano w USA nowych
blokw wglowych [9].
W Danii pierwszy blok na parametry nadkrytyczne uruchomiono w
1984 r. [9]. Do roku 1998 w elektrowniach nalecych do ELSAM oddano
do eksploatacji 4 bloki na parametry nadkry-tyczne oraz dwa
bliniacze bloki na parametry ultra nadkrytyczne.
W ramach programu THERMIE, wspieranego przez Uni Europejsk,
wykonywany jest projekt bloku na niespotykane dotychczas parametry
pary wieej 375 bar/700oC z dwustopniowym przegrzewem wtrnym.
Rozpoczcie budowy przewidziane jest w roku 2007 [9].
W Niemczech wybudowano w ostatnich latach szereg blokw o
parametrach nadkrytycz-nych opalanych wglem brunatnym (Schwarze
Pumpe, Boxberg IV, Lippendorf i Niederauem). Do budowy kota K w
elektrowni Niederauem oprcz stali P/T91 i E911 zastosowano stal
austenityczn X3 CrNiMoN 17 13 [7].
W Japonii, ktra jest jednym z liderw wdraania ukadw o
parametrach nadkrytycznych, pracuje ok. 22 blokw o parametrach
24-25MPa/566-610oC w tym dwa bloki o parametrach 31MPa/566oC [8,
21].
Na rysunku 3 przedstawiono rozwj elektrowni parowych w Europie,
Japonii, Stanach Zjed-noczonych i w Chinach [14].
Rys. 3. Rozwj elektrowni z turbinami parowymi w Europie,
Japonii, Stanach Zjednoczonych i w Chinach [14].
W Polsce budowane s obecnie dwie jednostki na parametry
nadkrytyczne: w Elektrowni Ptnw II blok o mocy 460 MW(26,6
MPa/544oC) i w Elektrowni agisza w Bdzinie - blok CFB 460 MW z
kotem fluidalnym (27,5 MPa/560oC). W pracujcych starych typowych
blokach 200 MW parametry pary wynosz 13 MPa/540oC [13].
Rozwj energetyki cieplnej w kierunku stosowania wyszych
temperatur pary, a tym samym osigania wikszej sprawnoci, jest
uwarunkowany dostpnoci odpowiednich materiaw kon-strukcyjnych. W
czci kotowej bloku energetycznego kluczowymi elementami s szczelne
ciany wykonane z cienkociennych rurek, przegrzewacze i
przegrzewacze wtrne pary oraz grubocienne
Europa Japonia
USA
Chiny
-
88
rury pary wieej i komory. Wymagania stawiane kademu spord tych
elementw obejmuj: a-two ksztatowania, spawania i obrbki cieplnej.
Poza tym stosowane stale powinny charakteryzo-wa si [7]:
wystarczajc odpornoci na utlenianie, tak aby narastanie warstewki
tlenkw wewntrz rurek i
rur nie powodowao nadmiernego wzrostu temperatury ich cianki;
odpowiedni odpornoci na korozj, aby zapewni jak najmniejsze ubytki
materiau od strony
paleniska; takimi wasnociami mechanicznymi, aby zapewni dugotrwa
prac w wysokiej temperaturze
(wytrzymao na pezanie) uwzgldniajc cykliczno obcie (odporno na
niskocyklowe zmczenie cieplne).
W wyniku szeroko prowadzonych bada w skali midzynarodowej w
ostatnich dwch dzie-sicioleciach opracowano i wprowadzono do
energetyki szereg nowych stali i stopw na elementy kotw parowych i
turbin. Obecnie mona zbudowa opalany wglem blok energetyczny o
ultra nadkrytycznych parametrach pary 325 barw i 610oC [15].
Materiay te obejmuj:
stale ferrytyczne - stosowane do 650oC stale austenityczne -
stosowane do 700oC stopy na bazie niklu - stosowane do 750oC.
Przy czym grupa stali ferrytycznych obejmuje stale
ferrytyczno-perlityczne, bainityczne i marten-zytyczne. Podany
zakres zastosowania tych materiaw wynika z ich wytrzymaoci na
pezania w poszczeglnych temperaturach (rys. 4 [16]) i ich odpornoci
na utlenianie.
Inco 740
In 617
Haynes 230
HR 3C
HR 6W
800 HT
T 23
T 91
Super 304H
347HFG
T122
T 92
E911
400 500 600 700 800 900
Temperatura oC
210
140
70
0Mak
sym
alne
dop
uszc
zaln
e na
pren
ie
[MP
a]
Rys. 4. Maksymalne naprenia dla materiaw stosowanych w budowie
blokw energetycznych o parametrach
nadkrytycznych [16] stale ferrytyczne, stale austenityczne,
stopy niklu
Wraz z temperatur pracy wzrasta rwnie cena stali stosowanych na
urzdzenia pracujce w tych warunkach, co ilustruj dane zamieszczone
na rysunku 5.
-
89
Wzg
ldn
y ko
szt m
ater
iau
Dopuszczalna temperatura pracy przy napreniu 49 MPa [oC]
Stal wglowa
Stal niskostopowa CrMo
Stal 9-12%Cr
Stal 18%Cr-8%Ni
Stal 15%Cr-15%Ni
Stal o duej zawartoci Cr i Ni
Stal austenityczna 20-25%Cr
Rys. 5. Zaleno wzgldnego kosztu materiau od dopuszczalnej
temperatury metalu przy napreniu 49 Mpa.
2. ROZWJ STALI AUSTENITYCZNYCH Rozwj stali austenitycznych wg
publikacji [16] przedstawiono na rysunku 6, a w tablicy 1 podano
skad chemiczny stali nowej generacji stosowanych w budowie kotw
energetycz-nych.
Zestawione w tablicy 1 stale austenityczne o wysokiej
wytrzymaoci stosowane s na rury przegrzewaczy i przegrzewaczy
wtrnych i mona je podzieli na cztery grupy w zalenoci od za-wartoci
chromu: 15Cr, 18Cr, 20-25Cr i wyszej [16]. W pocztkowym stadium
rozwoju tych stali dodawano Ti i Nb w celu ich stabilizacji dla
podniesienia odpornoci korozyjnej, nastpnie obniono zawartoci tych
pierwiastkw stabilizujcych, aby zwikszy wytrzymao na pezanie, z
kolei do-dano Cu dla uzyskania umocnienia przez drobne wydzielenia
fazy bogatej w mied i zmodyfikowano obrbk ciepln. Dalsze trendy
polegay na stabilizacji austenitu przez wprowadzenie 0,2 % azotu i
dodaniu wolframu w celu umocnienia roztworowego. Najwysz wytrzymao
na pezanie ma stal SAVE 25, lecz jej odporno na korozj
wysokotemperaturow w rodowisku spalin nie jest zadawa-lajca [16,
17, 18].
-
90
Obrbka cieplna
Optymalizacja skadu chem.
Dodatek Cu
Wysoki Cr i Ni
( ) oznacza wytrzymao na pezanie w temp. 600 oC dla 10 000 h
Rys. 6. Rozwj stali austenitycznych na urzdzenia w energetyce
[16].
-
Tablica 1. Nominalny skad chemiczny stali austenitycznych
stosowanych w budowie kotw energetycznych [16]
Gatunek stali (JIS)
Grupa stali ASME JIS
C Si Mn Ni Cr Mo W V Nb Ti B Inne
TP304H SUS304HTB 0,08 0,4 1,6 8,0 18,0 - - - - - - - Super 304H
SUS304J1HTB 0,10 0,2 0,8 9,0 18,0 - - - 0,40 - - 3,0 Cu, 0,10 N
TP321H 321HTB 0,08 0,6 1,6 10,0 18,0 - - - - 0,5 - - Tempaloy A-1
SUS321J1HTB 0,12 0,6 1,6 10,0 18,0 - - - 0,10 0,08 - - TP316H
SUS316HTB 0,08 0,6 1,6 12,0 16,0 2,5 - - - - - - TP347H TP347HTB
0,08 0,6 1,6 10,0 18,0 - - - 0,8 - - -
18Cr 8 Ni
TP347 HFG 0,08 0,6 1,6 10,0 18,0 - - - 0,8 - - -
17-14CuMo 0,12 0,5 0,7 14,0 16,0 2,0 - - 0,4 0,3 0,006 3,0 Cu
15Cr 15Ni
Esshete 1250 0,12 0,5 6,0 10,0 15,0 1,0 - 0,2 1,0 0,06 -
TP310 SUS310TB 0,08 0,6 1,6 20,0 25,0 - - - - - - - TP310NbN
(HR3C) 310J1TB 0,06 0,4 1,2 20,0 25,0 - - - 0,45 - - 0,2 N Alloy
800H NCF800HTB 0,08 0,5 1,2 32,0 21,0 - - - - 0,5 - 0,4 Al
Tampalloy A-3 SUS309J4HTB 0,05 0,4 1,5 15,0 22,0 - - - 0,7 - 0,002
0,15 N NF709 SUS310J2TB 0,15 0,5 1,0 25,0 20,0 1,5 - - 0,2 0,1 -
-
20 25Cr
SAVE25 0,10 0,1 1,0 18,0 23,0 - 1,5 - 0,45 - - 3,0 Cu, 0,2 N
CR30A 0,06 0,3 0,2 50,0 30,0 2,0 - - - 0,2 - 0,03 Zr HR6W 0,08
0,4 1,2 43,0 23,0 - 6,0 - 0,18 0,08 0,003 -
Wysoki Cr i Ni
Inconel 617 0,4 0,4 54,0 22,0 8,5 - - - - - 12,5 Co, 1,2 Al
-
92
3. CHARAKTERYSTYKA STALI AUSTENITYCZNYCH NOWEJ GENE RACJI
I ZAKRES ICH STOSOWANIA
Zestawione w tablicy 1 stale austenityczne podzielone zostay na
cztery grupy: 18Cr-8Ni, 15Cr-15Ni, 20-25Cr i stopy o wysokiej
zawartoci Cr i Ni. Na rysunku 7 podano dopuszczalne naprenia dla
stali 18Cr-8Ni i 15Cr-15Ni, a na rysunku 8 dopuszczalne naprenia
dla stali zawierajcych wicej ni 20% Cr [19].
Temperatura [ oC]
Dop
uszc
zaln
e na
pren
ie
rozc
iga
jce
[MP
a]
Rys. 7. Porwnanie dopuszczalnych napre dla stali austenitycznych
18Cr-8Ni oraz 15Cr-15Ni [19].
Temperatura [ oC]
Dop
uszc
zaln
e na
pren
ie
rozc
i ga
jce
[MP
a]
Rys. 8. Porwnanie dopuszczalnych napre dla stali austenitycznych
o zawartoci powyej 20% Cr [19].
-
93
Oparte na stalach grupy 18Cr-8Ni zmodyfikowane stale
austenityczne, takie jak: TP304H, TP316H, TP347H i Tempaloy A-1
oraz stale o mniejszej zawartoci chromu i podwyszonej zawar-toci
niklu, takie jak: 17-14CuMo i Esshete 1250, zaliczaj si do grupy
stali o zawartoci Cr poniej 20% (patrz tablica 1). Dopuszczalne
naprenia rozcigajce dla tej grupy stali mieszcz si midzy
dopuszczalnymi napreniami dla stali ferrytycznych a stali
austenitycznych o wysokiej zawartoci chromu. Opracowano szereg
stali austenitycznych o zawartoci chromu powyej 20%,
charakteryzu-jcych si wysok wytrzymaoci na pezanie, do ktrych
zalicza si stale: NF709, HR3C, SAVE 25. Stalami wiodcymi w zakresie
zastosowa w najwyszych temperaturach s: SAVE 25, NF709, HR3C i
Super 304H. Dla temperatur wyszych od 675oC stosuje si stopy na
bazie niklu.
Na rysunku 9 porwnano wartoci dopuszczalnych napre dla rur
wykonanych z austeni-tycznych stali konwencjonalnych i stali nowej
generacji. Nowe stale, jak stal SUS304J1HTB (SUPER304H) -
opracowana przez Sumitomo Metal i stal SUS310J2TB (NF709) -
opracowana przez Nippon Steel, maj bardzo wysok wytrzymao na
pezanie, a dopuszczalne naprenia w tempera-turze 650oC s dwukrotnie
wysze od napre dopuszczalnych dla stali SUS321HTB (TP321H). Stale
te s stosowane na rury przegrzewaczy pracujcych w wysokich
temperaturach. W przypadku duego naraenia na korozj naley stosowa
stal SUS310J1TB (HR3C) o wikszej zawartoci chromu (25 %) [20].
Temperatura [oC]
Dop
uszc
zaln
e na
pren
ie [M
Pa]
550 600 700 750 650
150
100
50
0
Tempaloy A-1
TP321H
NF709
Super 304H
HR3C
Rys. 9. Porwnanie dopuszczalnych napre dla rur z
konwencjonalnych stali austenitycznych i ze stali auste-nitycznych
nowej generacji [20].
Drug wan charakterystyk stali do pracy w wysokich temperaturach
jest ich aroodpor-no w rodowisku, w ktrym si znajduj. Korozja w
rodowisku spalin jest wynikiem obecnoci stopionych trjsiarczkw
sodu, potasu i elaza [19]. Poniewa odporno na korozj w tym
rodowi-sku wzrasta wraz ze zwikszaniem zawartoci chromu w stali,
stale ferrytyczne grupy 9 12 % Cr s bardziej odporne od powszechnie
stosowanych stali 2 Cr-1Mo. Znaczny wzrost odpornoci wyst-puje w
przypadku stosowania stali austenitycznych. Zaleno odpornoci na
korozj wysokotempe-raturow w rodowisku popiou i gazu rnych stali
austenitycznych i stopw niklu, wyraon przez ubytek masy,
przedstawiono na rysunku 10. Z danych zamieszczonych na tym rysunku
wynika, e w warunkach naraenia na korozj czynienie rnic midzy
zachowaniem si stali ferrytycznych jest bezprzedmiotowe i zachodzi
wwczas potrzeba zastosowania stali austenitycznych o zawartoci
powyej 20 % chromu. Jak wida z rysunku 10, zwikszanie zawartoci
chromu powyej 30 % w niewielkim ju tylko stopniu podnosi odporno na
korozj.
-
94
Uby
tek
mas
y [m
g/cm
2 ]
Zawarto Cr [%]
Warunki bada : 650 oC/5 h
Popi: 1,5 MK2SO4 1,5MNa2SO4 1
MFe2O3 Gaz: 1% SO2 5% O2 15% CO2 reszta N 2
Rys. 10. Zaleno ubytku masy metalu w wyniku korozji
wysokotemperaturowej od zawartoci. chromu w
rnych stopach [16].
Na rysunku 11 przedstawiono wyniki przypieszonych bada
laboratoryjnych rnych sto-pw austenitycznych w rodowisku
trjsiarczkw, przeprowadzonych przez Ohtamo i in., a zamiesz-czonych
w publikacji [19]. W temperaturze poniej 600oC maa prdko korozji
jest prawdopodob-nie wynikiem tego, e trjsiarczek znajduje si w
postaci staej. Powyej temperatury 750oC procesy korozji rwnie
zachodz wolniej, poniewa trjsiarczki przechodz w stan lotny.
Najwiksze ubytki korozyjne stwierdzono w zakresie temperatury
600750oC. Wyniki bada wskazuj, e stal austeni-tyczna TP 310 i stop
niklu Incoloy 800H s bardziej odporne na korozj w atmosferze spalin
od in-nych stali i stopw. Najwiksz odporno na korozj wykaza stop
niklu Inconel 671 (Ni-50Cr). Stale o mniejszej zawartoci chromu,
jak 316H, 321H i Esshete 1250, wykazuj duo wiksze ubytki korozyjne,
przy czym najmniejsz odporno ma stal 17-14CuMo.
Temperatura [ oC]
Uby
tek
mas
y [m
g/cm
2 ]
17-CrCuMo chromowana
Rys. 11. Wpyw temperatury na ubytek masy rnych stali i stopw w
wyniku korozji w atmosferze spalin [16].
Zastosowanie poszczeglnych materiaw konstrukcyjnych w
instalacjach energetycznych o rnych nadkrytycznych parametrach pary
podano w tablicy 2.
-
95
Tablica 2. Przykad zastosowania poszczeglnych materiaw w
nadkrytycznych blokach energe-tycznych o rnych parametrach pary
[19]
Element konstrukcji
31 MPa 365/565/565 oC
31 MPa 593/593/593 oC
31 MPa 620/620/620 oC
34,5 MPa 650/650/650 oC
Komory Rurocigi pary
P22, P23 P91, P92, P122
P91, P92, P122 E911
P92, P122 E911, NF12,
SAVE 12
SAVE 12 NF12
Kocowy stopie prze-grzewacza rodowisko niekorozyjne
T91, 304H, 347 TP347 HFG Super 304H
NF 709 Super 304H
NF 709 Inconel 617
rodowisko korozyjne HR3C HR3C
SS347/IN721) HR3C
Super 304H/IN721) CR30A
NF 709/IN721)
Kocowy stopie prze-grzewacza wtrnego
jak dla przegrzewacza
jak dla przegrzewacza
jak dla przegrzewacza
jak dla przegrzewacza
ciana szczelna Cz dolna Cz grna
Stal wglowa T11, T12, T22
T11, T12, T22
T23
T11, T12, T22
T23
1) Napawanie stopem IN72 (44Cr, reszta Ni) dla ochrony przed
korozj
4. KSZTATOWANIE STALI AUSTENITYCZNYCH
4.1. Ksztatowanie na gorco Przed ksztatowaniem na gorco lub
obrbk ciepln powierzchni stali austenitycznych naley oczy-ci ze
smarw, oleju i innych substancji. Mog one wtopi si w powierzchni i
w istotny sposb pogorszy wygld wyrobw, przez powstanie plam i
szorstkich obszarw. Moe rwnie wystpi nawglenie powierzchni, ktre
obniy odporno stali na korozj i podatno na ksztatowanie. Gdy
konieczne jest ksztatowanie na gorco, naley je prowadzi w zakresie
temperatur 8001150oC [21].
4.2. Ksztatowanie na zimno
Niska granica plastycznoci i wysoka cigliwo stali
austenitycznych stwarza bardzo dobre warunki do ksztatowania na
zimno. Duy stopie przerbki powoduje znaczne utwardzenie przez
zgniot, ktre naley usun przez obrbk cieplna i przypieszone
chodzenie.
Po przesycaniu materia naley ochodzi w wodzie lub w powietrzu. W
przypadku rur o maej gruboci cianki, chodzenie odbywa si w
powietrzu lub w atmosferze ochronnej [21]. Po ksztatowaniu na zimno
o stopniu przerbki wikszym ni 15 % naley zawsze elementy podda
obrbce cieplnej przesycaniu.
-
96
5. SPAWANIE STALI AUSTENITYCZNYCH NOWEJ GENERACJI Stale
austenityczne maj ok. 45 % wikszy wspczynnik rozszerzalnoci
cieplnej, prawie o poow nisz przewodno ciepln i rwnie nieco nisz
temperatur topliwoci od stali niskowglowych. Wiksza rozszerzalno
cieplna wymaga stosowania specjalnych rodkw ostronoci, aby unikn
nadmiernych odksztace spawanych elementw i zbyt duych napre
pozostajcych. Odstpy midzy spoinami sczepnymi powinny by dwukrotnie
mniejsze ni podczas spawania zwykych stali. Naley rwnie stosowa
znane sposoby zapobiegania nadmiernym odksztaceniom, jak spawanie
ciegiem krokowym, przerywane spawanie odcinkami i spawanie z
ukadaniem ciegw na przemian [22, 23]. Jeziorko spawalnicze stali
austenitycznych jest bardziej gstopynne, co utrudnia rozpywa-nie si
ciekego metalu i sprzyja powstawaniu przykleje.
Poza oglnymi zasadami spawania stali austenitycznych, podanymi w
publikacji [24], nale-y jeszcze zwrci uwag na skonno tych stali do
powstawanie pkni gorcych typu krystaliza-cyjnego i likwacyjnego
[22]. Pknicia krystalizacyjne mog powsta w osi spoiny, mog by
usytu-owane w kierunku poprzecznym lub wystpowa jako mikropknicia.
Pknicia likwacyjne zlokali-zowane s w przyspoinowym obszarze SWC.
Przyczyn powstawania pkni gorcych s obecne na granicach ziarn fazy
cieke o niszej temperaturze topliwoci, wzdu ktrych nastpuje
dekohezja metalu w wyniku napre skurczowych podczas krystalizacji i
stygnicia spoiny. Sposb przygoto-wania brzegw do spawania stali
austenitycznych podano w tablicy 3.
Stale austenityczne spawa si: rcznie elektrodami otulonymi,
elektrod nietopliw w osonie argonu (TIG), elektrod topliw w osonie
gazw aktywnych (MAG) i obojtnych (MIG), ukiem krytym pod
topnikiem.
Z uwagi na wymienione wczeniej wasnoci fizyczne, stale
austenityczne naley spawa stosujc ograniczon energi liniow, a
temperatura midzyciegowa nie powinna przekracza 150oC. Przy
spawaniu rcznym naley utrzymywa krtki uk i stosowa moliwie mae
natenie prdu. Spoiny wykonuje si ciegami prostymi, przy czym
szeroko ruchw wahadowych nie po-winna przekracza dwukrotnej rednicy
elektrody.
Do spawania stali austenitycznych stosuje si w zasadzie spoiwa o
skadzie chemicznym materiau rodzimego. Mae odstpstwa od tej zasady
mog wynika z rnych zastosowa spawa-nych elementw ze stali
austenitycznych. Dla uniknicia pkni gorcych w spoinie stosuje si
np. spoiwa o nieco wikszej zawartoci chromu w celu uzyskania metalu
spoiny z pewn iloci ferrytu, ktry zmniejsza skonno do pkni
krystalizacyjnych. W tablicy 4 podano materiay dodatkowe do
spawania stali austenitycznych serii 300 stosowanych w urzdzeniach
dla energetyki.
-
97
Tablica 3. Przygotowanie brzegw do rcznego spawania ukowego
stali austenitycznych [25].
Grubo czonych elementw
[mm] Przygotowanie brzegw
do 1,5
1,5 5,0
5,0 + 13,0
13,0 20,0
powyej 20
Tablica 4. Materiay dodatkowe do spawania stali austenitycznych
[25, 26, 27]
Gatunek stali austenitycznej Materiay dodatkowe do spawania
ASME PN-EN 10088 Nr
materiau
Materia stopiwa
wg ASME
Elektrody otulone
Drut do spawania metod TIG
TP304H - 1.4948 308H EN 1600 E 19 9 H AWS A5.4 E308H
EN 12072 19 9 H AWS A5.9 ER308H
TP321H X6CrNiTi 18-10 1.4541 347 EN 1600 E 19 9 Nb AWS A5.4 E
347
EN 12072 19 9 NbSi AWS A5.9 ER347Si
TP316H - 1.4919 316H EN 1600 E 19 12 2 AWS A5.4 E 316H
EN 12072 19 12 3 AWS A5.9 ER316
TP347H X6CrNiNb 18-10 1.4550 347 EN 1600 E 19 9 Nb AWS A5.4 E
347
EN 12072 19 9 NbSi AWS A5.9 ER347Si
t
t/2
1,5 1,5
R- 5,0
3,0 3,0
max 1,5
R- 5,0
3
3
12 - 150
-
98
6. PODSUMOWANIE Stojce przed krajow energetyk, opart o wgiel
kamienny i brunatny, powane zadania budowy blokw o parametrach
nadkrytycznych, a w dalszej przyszoci o parametrach ultra
nadkrytycz-nych, stawiaj przed projektantami i wykonawcami problem
zastosowania stali austenitycznych na niektre elementy
przegrzewaczy i przegrzewaczy wtrnych naraonych na intensywne
utlenianie. Celem niniejszego opracowania jest wstpne zapoznanie
wymienionych grup osb z gatunkami mate-riaw wykorzystywanych
obecnie w wiatowej energetyce i zakresem ich stosowania. Podano
pod-stawowe charakterystyki stali austenitycznych nowej generacji i
oglne warunki ich ksztatowania i spawania. Literatura [1] Dyrektywa
Nr 2001/80/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 23 padziernika
2001 r. w sprawie
ograniczenia emisji niektrych zanieczyszcze do powietrza z duych
obiektw energetycznego spalania.
http://www2.ukie.gov.pl/HLP/files.nsf/0/96C037F531B60E16C1256F8D0040A125/
$file/32001L0080-PL.doc
[2] Najgebauer E., Patrycy A: Zobowizania polskiej energetyki
wobec UE.
http://www.geoland.pl/dodatki/energia-xxxv/energ.belch.html
[3] Wstpna ocena wykonalnoci traktatu akcesyjnego w zakresie
dyrektywy 2001/80/WE przez due rda spalania.
http://www.geoland.pl/dodatki/energia-xxxv/energoprojekt.html
[4] Studium rozwoju podsystemu wytwarzania energii elektrycznej
do 2020 roku. Polskie sieci energetyczne S.A. Warszawa 1994 r.
[5] Agencja Rynku Energii S.A: Zaoenia polityki energetycznej
Polski do 2020r. Projekt roboczy - wersja 2. Warszawa, lipiec 1999
r.
[6] Ingo P.: A technology successfully developed in developing
countries.
http://www.worldbank.org/html/fpd/em/supercritical/supercritical.htm
[7] Scarlin B., Stamatelopoulos G.N.: New boiler materials for
advanced steam conditions. Materials for Advanced Power Engineering
2002. Proceedings of the 7th Lige Confe rence. European Commission,
University de Lige, Vol. 21, str. 1091-1108 (Part II).
[8] Masuyama F.: Alloy development and material issues with
increasing steam temperatures. Proceedings of the Fourth
International Conference on Advances in Material Technology for
Fossil Power Plants. Hil-ton Head Island, USA, October 2004.
[9] Rakowski J.: Problemy wytwarzania energii przy wykorzystaniu
nowych technologii. Polskie Sieci Elektroenergetyczne S.A.
Elektroenergetyka Nr 1/2002 (40), str. 9-27.
[10] Smith J.W.: Supercritical (once through) boiler technology.
Publikacja Babcock & Wilcox Company nr BR-1658, maj 1998.
[11] Brzda J.: Studium spawalnoci nowej generacji materiaw
aroodpornych, odpornych na korozj i mate-riaw konstrukcyjnych o
wysokiej wytrzymaoci. Sprawozdanie z pracy badawczej Instytutu
Spawalnic-twa nr De-2 9SPUBBB 3,9/ZB/03). Gliwice, 2005.
[12] Olszowiec P.: Po przeniesieniu radzieckich technologii na
Zachd. Bloki ultranadkrytyczne.
http://www.gigawat.net.pl/article/articleview/220/1/28/
[13] Macura T.: Bloki nadkrytyczne.
http://info.ellaz.pl/GazetaEl.nsf/0/5a3883b755009da9c1256d8800347df9?
OpenDocument
[14] Kern T., Wieghardt K., Kirchner H.: Material and design
solutions for advanced steam power plants. Mate-riay konferencyjne
jak w [8].
-
99
[15] Blum R., Hald.: Benefit of advanced steam power plants.
Materiay na konferencj jak w [7], str. 1009-1016 (Part II).
[16] Viswanathan R., Purgert R., Rao U.: Materials technology
for advanced coal power plants. Proceedings of the 1st
International Conference Super-High Stregth Steels. Rome, Italy,
November 2005.
[17] Natesan K., Purohit K., Rink D.L: Fireside corrosion of
alloys for combustion power plants.
http://www.ornl.gov/sci/fossil/Publications/RECENT%20PUBS/anl-4.pdf
[18] McDonald D.K.: Update on coal ash corrosion-resistant
materials testing program.
http://www.netl.doe.gov/publications/proceedings/02/materials/McDonald0402rev1.pdf
[19] Viswanathan R., Bakker W.T: Materials for boilers in
supercritical power plants. Proceedings of Joint Power Generation
Conference. Miami Beach, Florida, USA, July, 2000.
[20] Kimura H., Matsuda J., Sakai K.: Latest experience of coal
fired supercritical sliding pressure operation boiler and
application for overseas utility.
http://www.bhk.co.jp/english/4technical/contents/pge2003paper_blr.pdf
[21] Materiay informacyjne firmy DMV- stainless: High alloy
materials for boiler tubes.
http://www.dmv-stainless.com/fileadmin/media/pdf_brosch%FCren/Boiler_brochure.pdf
[22] Materiay informacyjne firmy American Metallurgical
Consultants: Stainless steel.
http://www.weldingengineer.com/Stainless%20Steel.htm
[23] Key to Metals Task Force & INI International: Welding
of stainless steels.
http://www.key-to-steel.com/Articles/Art97.htm
[24] Poradnik Inyniera tom 1 Spawalnictwo, WNT 2003, str.
230232.
[25] Materiay informacyjne firmy CIGWELD: Welding of stainless
steel.
http://www.cigweld.com.au/pdf/pocketguide/213-400.pdf
[26] Materiay informacyjne firmy AvestaPolarit Welding AB,
covered electrodes.
http://www.outokumpu.com/upload/documents/technical/datasheets/272001GB.pdf
[27] Materiay informacyjne firmy AvestaPolarit Welding AB,
welding wire.
http://www.outokumpu.com/upload/documents/technical/datasheets/272101GB.pdf
-
100