DOŚWIADCZENIA Z ZASTOSOWANIA NOWYCH STALI DO WYTWARZANIA ELEMENTÓW KOTŁÓW NA PARAMETRY NADKRYTYCZNE

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 SO 2 i NO x, ograniczenia emisji CO 2, ograniczenia zasolenia wód powierzchniowych wodami kopalnianymi i do zagospodarowania odpadów wytwarzanych w sektorze energetycznym.

52 Janusz Dobrzański, Adam Zieliński, Jerzy Pasternak, Adam Hernas Prace IMŻ 1 (2010) Budowa kotłów na parametry nadkrytyczne o temperaturze pary 565 650 o C 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. 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 R z/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 R z/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 p obl = 30,9 MPa, (przy ciśnieniu roboczym 28,5 MPa) temperatura obliczeniowa 635 o C (przy temperaturze pary 600 o C) 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... 53 wewnętrzna średnica rur (d w ), 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 216 28 mm ze stali 7CrWVNb9-6(P23), kolektora pary o 406 32 mm ze stali 7CrMo- VTiB10-10 (P24), kolektora wylotowego przegrzewacza pary o wymiarach: 355,6 50 mm ze stali P91, 160 40 mm ze stali P92 oraz 355,6 35 mm ze stali VM12), złącza cienkościenne 50 4,5 mm oraz 44,5 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 pierwotnej 625 o C/28,6 MPa oraz wtórnej 635 o C/5,5 MPa, ściany membranowe ze stali T24. 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 M 23 C 6 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) 7CrMoVTiB10-10 (T/P24) W-1.7378 X10CrMoVNb9-1 (T/P91); W-1.4903 X10CrWMoVNb9-2 (T/P92) X12CrCoWVNb12-2-2 (VM12) Zawartość pierwiastków, % C Si Mn Cr Ni Mo V W Nb pozostałe 0,04-0,10 0,05-0,095 0,08-0,12 0,07-0,13 0,11-0,14 do 0,50 0,15-0,45 0,50 < 0,5 0,40-0,60 0,30-0,60 0,30-0,70 0,30-0,60 0,30-0,60 0,15-0,45 1,90-2,60 2,20-2,60 8,0-9,5 8,5-9,5 11,0-12,0 - - < 0,40 < 0,40 0,40 do 0,30 0,90-1,10 0,85-1,05 0,30-0,60 0,40 0,30 0,30 0,18-0,25 0,15-0,25 0,30 1,45-1,75 0,02-0,08 - - - 1,5-2,0 1,30-1,70 0,06-0,10 0,04-0,09 0,03-0,08 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 Janusz Dobrzański, Adam Zieliński, Jerzy Pasternak, Adam Hernas Prace IMŻ 1 (2010) 7CrWVNb9-6 (P23) 7CrMoVTiB10-10 (P24) Rys. 3. Porównanie wyników badań wytrzymałości na rozciąganie R t m 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 T b = 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 T b = 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 a) b) Rys. 5. Porównanie własności mechanicznych materiału podstawowego oraz obwodowego złącza spawanego kolektora przegrzewacza pary ze stali P91, w zależności od temperatury badania T b : a) wytrzymałości na rozciąganie R m (R m t ), b) granicy plastyczności R e (R e t ) Fig. 5. Tensile strength R m (R m t ) and yield point R e (R e t ) in relation to test temperature T b 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) Doświadczenia z zastosowania nowych stali... 55 technologicznych oraz badaniom struktury materiałów podstawowych oraz złączy spawanych. Przeprowadzono badania wytrzymałości na rozciąganie oraz granicy plastyczności w temperaturze od 20 do 550 o C, 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 216 28 mm ze stali P23 oraz 406 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 obserwuje 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. 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 RA- FAKO SA wykonano między innymi złącza spawane elementów przegrzewaczy pary wylotowej 51 4,5 mm. Program obejmował złącza jednorodne i mieszane, w tym HR3C+HR3C, HR3C+T91, HR3C+ VM12, T91-SUPER304H. Ocena technologii wykonania złączy a) 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) X12CrCo- WVNb12-2-2 (VM12) steels

56 Janusz Dobrzański, Adam Zieliński, Jerzy Pasternak, Adam Hernas 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 wymaganiami PN-EN 910 dla dwóch próbek wykazały kąt gięcia równy 180 o, 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) Doświadczenia z zastosowania nowych stali... 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 Janusz Dobrzański, Adam Zieliński, Jerzy Pasternak, Adam Hernas Prace IMŻ 1 (2010) 5.4. DOŚWIADCZENIA ZE SPAWANIA ŚCIAN MEMBRANOWYCH ZE STALI T24 Oczekiwana temperatura pracy ścian szczelnych w nowoczesnych konstrukcjach kotłów ma wynosić około 550 o 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 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 σ b = f(log t r ) przy T b = 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) a) Doświadczenia z zastosowania nowych stali... 59 b) Rys. 11. Porównanie wyników prób pełzania do zerwania materiału a) badanej rury oraz jednoimiennego obwodowego złącza spawanego ze stali P23 w temperaturze badania T b = 500 o C i 550 o C; b)materiału komory wylotowej przegrzewacza pary i obwodowego jednorodnego złącza spawanego ze stali VM12 w temperaturze badania T b = 600 o C i 650 o C Fig.11. Comparison of creep resistance test results in form of function log b = f(log t r ): a) at T b = 500 and 550 o C of base material and similar circumferential welded joint of steam collectors made of 7CrWVNb9-6 (P23) steel, b) at T b = 600 and 650 o C 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 550 o C 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; -30 o C, a dla stali P24; -10 o C. Natomiast temperatura przejścia w stan kruchy dla materiału komory ze stali P91 wynosi; -100 o C, a dla wykonanej ze stali VM12; -20 o C. Dla materiału komory ze stali X10CrWMo- VNb9-2 (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 600 o C 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 650 o C 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) o C 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 600 o C po czasie ok. 20 000 godz wykazuje wytrzymałość na pełzanie niższą od stali z grupy 9%Cr. Spowodowane to jest

60 Janusz Dobrzański, Adam Zieliński, Jerzy Pasternak, Adam Hernas Prace IMŻ 1 (2010) 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 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. 8 th Int. Conf. on Materials for Advanced Power Engineering 2006, Liege, Belgium. ISBN 389336-436-6, Forschungszentrum Jülich 2006, p. 1065 4. Masuyama F.: Alloy Development and Material Issues with Increasing Steam Temperature. Proc of the 4 th 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