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