Stale do budowy kotłów fluidalnych dla parametrów nadkrytycznych - charakterystyka i przykłady zastosowań

To właśnie z powyższych powodów, w ostatnich latach obserwuje się wyraźny wzrost sprawności elektrowni. Sprawność tę można zaobserwować poprzez widoczny wzrost stosunku energii elektrycznej wprowadzonej do sieci wysokiego napięcia, do ilości tzw. energii cieplnej, dostarczonej poprzez paliwo do kotła. Osiągane są wtedy korzyści ekonomiczne, które wynikają ze znacznego obniżenia zużycia paliw, jak również korzyści środowiskowe, czyli zmniejszenie emisji związków siarki, azotu i węgla do atmosfery. Następuje też obniżenie wysokości kosztów związanych w wytworzeniem energii. Obydwie korzyści są widoczne, jednak nie od razu, ponieważ jak nie trudno się domyślić, budowy takich obiektów (w zakresie materiałów i technologii) są bardzo kosztowne.

O tempie rozwoju przemysłu energetycznego decyduje zastosowanie najnowszych rozwiązań w zakresie materiałów użytych do produkcji elementów kotła i innych instalacji. Można śmiało stwierdzić, że obiekty energetyczne osiągają coraz to większą sprawność, obecnie wynosi ona ponad 45%. Dlaczego jest możliwe podnoszenie tej sprawności? Jest to możliwe przede wszystkim dzięki projektowaniu i wprowadzaniu instalacji o coraz wyższych parametrach pracy, a co za tym idzie użyciu gatunków stali o wysokich właściwościach wytrzymałościowych. Od doboru odpowiedniej gatunkowo stali, zależy bowiem poziom niezawodności eksploatowanego urządzenia.

Najważniejsze i najbardziej kapitałochłonne inwestycje elektrowni o parametrach nadkrytycznych to urządzenia kotłowe, turbina i instalacje wysokociśnieniowe i wysokotemperaturowe. To właśnie podwyższenie podstawowych parametrów opisujących pracę kotła (wydajność, ciśnienie i temperatura pary) jest wyznacznikiem wzrostu sprawności elektrowni. Poniżej przedstawiamy wygląd i opis przykładowego kotła fluidalnego.

rys. Kocioł fluidalny z naturalną cyrkulacją (parowy), źródło: www.rafako.com.pl

 

 

 rys. Budowa kotłów fluidalnych

Do wykonania kotłów fluidalnych już na etapie projektowania konieczne jest uwzględnienie materiałów charakteryzujących się wytrzymałością i granicą plastyczności w wysokich temperaturach, oraz wytrzymałością na pełzanie i zmęczenie cieplne. Wytrzymałość stali na pełzanie sprawdzana jest poprzez przeprowadzenie odpowiednich prób i badań. Wynik tych badań wykazuje poziom podatności na długofalowe zmiany kształtu i właściwości danego elementu ze stali w stanach podwyższonej temperatury.

Stale, które posiadają parametry mechaniczne w środowisku pracy w wysokich temperaturach i w wysokim ciśnieniu, można znaleźć w energetyce, w urządzeniach takich jak:

• Armatura kotła
• Kolektory wysokociśnieniowe
• Rurociągi wysokociśnieniowe
• Rury kotłowe przegrzewaczy
• Turbiny parowe
• Walczaki kotłów parowych

oraz inne elementy instalacji kotłowych

rys. Walczak kotła parowego, źródło: www.rafako.com.pl

Na rynku można znaleźć bardzo dużo materiałów stalowych z przeznaczeniem do pracy o podwyższonych parametrach temperaturowych i ciśnieniowych. Do właściwego wyboru konieczna jest dokładna analiza stali z uwzględnieniem konkretnego projektu. Nie mówimy tu tylko o parametrach mechanicznych, które są określone przez producenta stali, ale o tym, że należy zwrócić uwagę na zagadnienia związane z montażem urządzeń. Trzeba ocenić taki czynnik, jak spawalność stali, czy właściwości fizyczne złącza, co pozwoli na przenoszenie obciążenia określonego w danym projekcie. Trzeba sobie zdawać sprawę, że im mniej jest warunków koniecznych do spełnienia podczas określania technologii spawania (obróbka cieplna przed i po spawaniu, sposób przygotowania elementów spawanych, same parametry procesu spawalniczego), tym wyższa jest przydatność danej stali do spawania. Jeżeli nie zostaną dotrzymane wyżej wymienione warunki spawalnicze, trzeba się liczyć z konsekwencjami w postaci pęknięć, nieprawidłowej twardości złącza oraz SWC (strefy wpływu ciepła), pustek, porów bądź powstawanie uszkodzeń w późniejszym etapie samej eksploatacji urządzenia. Reasumując, każde niezgodności i nieprawidłowości na etapie procesu budowy instalacji kotłowych mogą mieć bardzo poważne konsekwencje w etapie eksploatacji.

Stale do budowy kotłów fluidalnych dla parametrów nadkrytycznych muszą spełniać normy branżowe, które określają zawartość pierwiastków stopowych w stali. Głównymi składnikami stali są żelazo i węgiel, natomiast do stali z przeznaczeniem do pracy w podwyższonych temperaturach dodaje się chrom, molibden, nikiel i mangan (pierwiastki pozytywnie wpływające na właściwości stali). Niepożądane są pierwiastki takie jak siarka i fosfor, które osłabiają właściwości wytrzymałościowe i nazywane są pospolicie zanieczyszczeniami materiałów stalowych. Zamiana zawartości któregokolwiek z pierwiastków, lub występowanie wysokiej zawartości zanieczyszczeń powoduje konsekwencje mechaniczne, metalurgiczne lub technologiczne, szczególnie w zakresie procesu spawania i eksploatacji całego urządzenia.

Czynnikiem określającym właściwości mechaniczne stali podczas eksploatacji jest tzw. mikrostruktura. Spośród struktur wyróżnia się:

• Austenit
• Bainit
• Ferryt
• Ledeburyt
• Martenzyt
• Perlit

Powstają one w wyniku przemian strukturalnych stali i różnią się od siebie tempem przemian, temperaturą i składem chemicznym stali. Do pracy w warunkach wysokiej temperatury i ciśnieniu używane są stale oparte na strukturach martenzytycznych, czyli o dużej twardości i wytrzymałości na pełzanie.

Kotły, wymienniki ciepła, przegrzewacze i reaktory wykonane są ze stali z mikrododatkami stopowymi, ponieważ elementy te powinny być wykonane z materiałów o większej grubości i o większej wytrzymałości i udarności. Dzięki podwyższonym właściwościom mechanicznym stali stopowych możliwe jest zmniejszenie grubości ścianek poszczególnych elementów i tym samym ograniczenie kosztów produkcji i instalacji ciężkiego sprzętu do określonych procesów produkcyjnych i montażowych. Należy jednak pamiętać, że przy łączeniu stali zawierających pierwiastki podwyższające właściwości mechaniczne ( chrom, molibden, wanad, wolfram) wymagane jest zastosowanie ściśle dopasowanych materiałów spawalniczych. Wiąże się to z koniecznością zapewnienia w spoinach parametrów chemicznych i mechanicznych najbardziej zbliżonych do parametrów łączonych elementów.

Chrom, który jest podstawowym składnikiem stali martenzytycznych, spełnia też kluczowe funkcje i działania. Polepsza on żaroodporność i odporność na korozję, jak również podwyższa parametry stali takie jak: wytrzymałość, hartowność, twardość i ciągliwość. Dzięki temu stal jest odporna na ścieranie i zużycie, co jest szalenie ważne przy instalacjach kotłowych. W tego typu stalach ważna jest też zawartość molibdenu, który również zwiększa wytrzymałość, głównie na pełzanie i podwyższa odporność na kruche pękanie. Dodatkowo zwiększa odporność na korozję i zwiększa hartowność. Wybierając stal martenzytyczną nie należy zapomnieć o zawartości w niej również pierwiastków takich jak wanad czy wolfram, które również poprawiają wytrzymałość stali.

Jak już wcześniej zostało zaznaczone, materiały spawalnicze czyli spoiny (w postaci drutu spawalniczego lub elektrod) koniecznie muszą spełniać te same wymagania co materiały łączone. Mało tego, częstokroć wymagania te są jeszcze dodatkowo zaostrzane ze względu na zwiększenie ilości dodatkowych stopów. Z tego powodu technologie spawania konkretnych materiałów są opracowane z uwzględnieniem dokładnego sprawdzenia i skontrolowania parametrów spawania jak też obróbki cieplnej. Stal chromowo-molibdenowa, jej właściwości mechaniczne ulegają modyfikacji również dzięki wprowadzeniu kolejnych dodatków stopowych, takich jak wanad, nikiel, tytan czy niob. Powstają w ten sposób gatunki stali, które cieszą się powodzeniem w energetyce.

We wcześniejszym fragmencie tego artykułu wskazywaliśmy na właściwość stali jakim jest wytrzymałość na pełzanie. Czym zatem ono jest? Stale wytrzymałe na pełzanie wytrzymują określone naprężenia w założonej temperaturze pracy i nie przekraczają wydłużenia w założonym czasie. Oznacza to, że element wykonany ze stali chromowo-molibdenowej powinien zachować swoje parametry wytrzymałościowe i geometryczne w okresie, na jaki został zaprojektowany w środowisku z wysoką temperaturą i ciśnieniem. Taka wytrzymałość uzyskiwana jest w procesie tworzenia się stabilnej mikrostruktury zapewniającej zachowanie swoich właściwości w określonej temperaturze i ciśnieniu pracy.

Poniżej zostaną opisane gatunki stali wykorzystywane do budowy kotłów i innych instalacji w energetyce, takie jak:

• Stal P91 (X10CrMoVNb9-1)
• Stal P92 (X10CrWMoVNb9-2)
• Stal T/P24 (7CrMoVTiB10)

Powszechnie znaną i wykorzystywaną w przemyśle energetycznym jest stal P91. Jest ona stosowana przy wytwarzaniu m.in. przegrzewaczy, rurociągów wysokociśnieniowych i innych urządzeń o temperaturze pracy do 650°C. Podczas doboru stali, dla określonych wymogów projektowych, brane są pod uwagę następujące cechy tej stali:

• Wysoka wytrzymałość na pełzanie
• Duża wytrzymałość na zmęczenie cieplne
• Dobra odporność na korozję i odporność na pękanie
• Dobra spawalność przy ścisłym zachowaniu warunków technologicznych spawania

Stale tego typu, czyli stale martenzytyczne, oprócz żelaza i chromu, zawierają również dodatki stopowe wanadu, molibdenu, niobu i niklu. Mają one również zawartość krzemu i manganu, ale jest ona niewielka. Ilość węgla w tych stalach jest zmienna (w zależności od rodzaju stopu) i ma on właściwości, które podwyższają wytrzymałość i twardość stali ale również ilość węgla w stali, obniża jej ciągliwość, udarność i spawalność stali. Dlatego też w stalach, które mają być wykorzystywane w kotłach fluidalnych w parametrach nadkrytycznych, zawartość węgla jest ograniczana, a do takich stali wprowadzane są dodatki stopowe.

Podobne właściwości do stali P91 ma stal P92. Do pracy w podwyższonej temperaturze wymaga podgrzewania wstępnego przed spawaniem i utrzymania wymaganej przez zastosowaną technologię temperatury międzyściegowej. Obie stale po wykonaniu złącza, trzeba poddać obróbce cieplnej. Złącza spawane tych stali martenzytycznych wykonywane są za pomocą metody: TIG (Tungsten Inert GAS), elektrodą otuloną lub czasami metodą MAG (Metal Active Gas). Metoda spawania elektrodą otuloną jest dość pracochłonna i problemowa, ponieważ przy jej zastosowaniu powstają szkodliwe dymy i gazy, jak również powstaje żużel, który jest trudny do usunięcia. W przypadku metod TIG i MAG nie występują tego rodzaju negatywne skutki. Reasumując stale martenzytyczne powinny być spawane z zachowaniem najwyższych standardów nadzoru i kontroli parametrów procesu łączenia (spajania).

W ostatnich latach wiodące na rynku polskim i europejskim firmy energetyczne użyły do produkcji kotłów nadkrytycznych stali T/P24. Jest to stal o wyższej wytrzymałości na pełzanie, niż dotychczas stosowane stale. Ta stal bainityczna zawiera mniejsze ilości węgla niż pozostałe stosowane powszechnie stale , co znacząco wpływa na jej spawalność. Kiedy zaczęto wykorzystywać do produkcji stal T/P24, zakładano, że obróbka cieplna w zakresie spawania tej stali nie jest wymagana, a co za tym idzie sądzono, że dzięki temu jest to materiał atrakcyjny pod względem ekonomicznym. W praktyce jednak, okazało się inaczej, tzn. po zakończeniu spawania, w trakcie czynności logistycznych i montażowych ścian kotłów zaczęły się pojawiać prostopadłe do osi spoiny pęknięcia. Badania pęknięć wykazały, że powodem ich powstania była zbyt wysoka wytrzymałość spoiny (względem wytrzymałości materiałów połączonych) uniemożliwiająca relokację naprężeń spawalniczych, negatywny wpływ wodoru dyfundującego, oraz brak obróbki cieplnej. Konsekwencją przedstawionych powyżej problemów był obowiązek przeprowadzenia działań naprawczych, co w przypadku montażu ścian kotłów jest bardzo kosztowne. Dlatego też przez ostatnie lata problem ten był komentowany przez środowiska wykonawców, jak również projektantów i naukowców.

W artykule tym opisane zostały tylko trzy rodzaje stali używane w budowie kotłów i innych urządzeń ciśnieniowych. Wszystkie te opisy i przypadki wskazują na konieczność dokładnej analizy kwestii wykonawczych przy budowach kotłów fluidalnych o parametrach nadkrytycznych.

Przykład pierwszy, czyli stal P91 wskazuje możliwość opanowania technologii spawania w sposób, który pozwala na produkcję elementów ciśnieniowych zgodnych jakościowo z założeniami projektowymi. Udało się to dzięki zdobywanemu przez lata doświadczeniu i wiedzy naukowców, projektantów, działu montażowego i spawalniczego. Natomiast przykład ostatni, czyli stal T/P24 wykazała przed kilku laty problemy, które dokładnie pokazują jak ważne znaczenie dla instalacji pracujących przy parametrach nadkrytycznych ma właściwy dobór materiałów już podczas prac projektowych, następnie rzetelny nadzór i przestrzeganie założeń technologii łączenia na etapie wykonania.

Do produkcji kotłów i urządzeń ciśnieniowych wykorzystywana jest również stal 1.4912 / 1.4550, oznaczana odpowiednio w innych normach jako: AISI: 347H / DIN: X6CrNiNb18-10 / PN: OH18N12Nb.

Ten gatunek stali jest stosowany przede wszystkim w produkcji przegrzewaczy w elektrowniach parowych. Często stosowany do chłodzenia rur w konwertorach amoniaku, ze względu na dobrą odporność na absorpcję azotu i odporność na korozję.

Dzięki jednoczesnej dobrej wytrzymałości na gorąco i odporności na siarkowodór oraz korozję międzykrystaliczną jest odpowiednim materiałem na rury kotłowe 347H w rafineriach. Rury kotłowe stosowane w produkcji chlorku winylu to kolejny przykład zastosowań, w których ta stal jest często wykorzystywana.

Gatunek jest stabilizowany dodatkiem niobu co daje dobrą odporność na korozję międzykrystaliczną.

Jako stal austenityczna jest podatny na pękanie korozyjne: naprężeniowe. Może to nastąpić w temperaturach powyżej 60°C (140°F), gdy występują naprężenia rozciągające i jednocześnie dochodzi do kontaktu z roztworami zawierającymi chlorki. Dlatego należy unikać takich warunków eksploatacji.

Gatunek 1.4912 / 1.4550 może być stosowany w:

-Powietrze do 850°C (1560°F)

-Para do 750 ° C (1380 ° F)

-Gaz syntezowy (synteza amoniaku) do ok. 550°C (1020°F)

W spalinach zawierających siarkę zmniejsza się odporność tego gatunku na korozję. W takim środowisku stal ta może być stosowana w temperaturach do 600-750°C (1110-1380°F) w zależności od warunków eksploatacji. Czynniki, które należy wziąć również pod uwagę, to czy atmosfera utlenia się czy redukuje, tj. zawartość tlenu i czy obecne są zanieczyszczenia, takie jak sód i wanad.

Wymienione stale dostępne są dla klientów w sklepie internetowym stalesia.

Autorzy artykułu dziękują RAFAKO SA za zgodę na wykorzystanie w poniższej treści utworów w postaci sylwetki kotła fluidalnego OFZ 450 A i zdjęcia jego walczaka.