Stal kotłowa do pracy w podwyższonych temperaturach

Stal kotłowa dla energetyki - charakterystyka i zastosowanie

Inaczej zwane - stalami stopowymi i węglowymi do pracy w podwyższonej temperaturze, czy również jako stal dla energetyki, stosowana w środowisku występujących temperatur pracy do ok. 600℃, gdzie warunkiem jest zachowanie zbliżonych własności wytrzymałościowych co przy temperaturze pokojowej. W metalurgii temperatury rzędu 600℃, są określane jako temperatury podwyższone.

W odróżnieniu do stali konstrukcyjnych do ulepszania, stali sprężynowych, czy też stali do nawęglania, kotłowe gatunki muszą sprostać dość odpowiedzialnemu zadaniu – przede wszystkim zapobiec lub możliwie skrócić czas postępu powstawania odkształceń i zmęczenia elementu narażonego podczas pracy m. in. na temperaturę pracy, środowisko pracy, występujących obciążen podczas pracy, oraz częstotliwości i czasu nacisku obciążeń na dany element.

Dlatego podczas wyboru określonego gatunku z tej podgrupy należy sprawdzić, czy aby dany materiał w tej klasie będzie miał dostateczną odporność na niszczące działanie gorących gazów, odpowiednią ciągliwość, spawalność, odporność na korozję i relaksację, oraz wystarczające własności wytrzymałościowe przy temperaturze pracy. Do spełnienia wyżej wymienionych wymagań w stalach kotłowych określa się przede wszystkim takie własności jak granicę plastyczności w danej temperaturze pracy, wytrzymałość na pełzanie, granicę pełzania, i prócz tego żaroodporność.

Skład chemiczny i zastosowanie stali kotłowych

Stale kotłowe stosowane są głownie w energetyce konwencjonalnej lub jądrowej oraz w przemyśle chemicznym np. w postaci blach na zbiorniki ciśnieniowe pracujące w podwyższonych temperaturach, rury kotłowe przegrzewaczowe, kolektory pary, tarcze kierownicze, rury przewodowe, wymienniki ciepła, śruby, nakrętki oraz nity silnie obciążone, stale na walczaki kotłów parowych, rozpórki, komory zbiorcze, na elementy (np. łopatki) oraz armaturę turbin wodnych, gazowych i parowych.

Jednym z ważniejszych pierwiastków, dzięki którym stale kotłowe mogą pracować w podwyższonych temperaturach, oraz wykazywać odpowiednie własności wytrzymałościowe jest jest Chrom – Cr. Wanad – V, oraz Molibden – Mo. Wraz ze wzrostem zawartości chromu w składzie chemicznym wyrobu, rośnie odporność na korozję oraz możliwość stosowania elementu w wyższych temperaturach pracy. Przy zawartości Chromu rzędu 1,00-2,50% stale mogą być stosowane do temperatur ok. 580℃. Zawartość Chromu powyżej 2,5% nawet do 13% nie poprawia już znacząco wytrzymałości na pełzanie. W atmosferach utleniających stale węglowe wykazują odporność do około 500℃.

Jak można zauważyć, zawartość węgla w różnych gatunkach stali kotłowych jest porównywalna, a co za tym idzie, na własności wytrzymałościowe takie jak granica plastyczności czy wytrzymałość na rozciąganie, nie wpływa już znacząco węgiel, lecz pozostałe pierwiastki węglikotwórcze takie jak Wanad, Molibden a nawet dodatek Wolframu – W, Niobu – Nb, oraz Tytanu – Ti, które jednocześnie przyczyniają się do wzrostu czasowej wytrzymałości na pełzanie.

Podział stali kotłowych na podstawie struktury i składu chemicznego

Stale do pracy przy podwyższonych temperaturach dzielimy na dwie podstawowe podgrupy:

• stale kotłowe ferrytyczne, czyli
  • stale kotłowe ferrytyczno – perlityczne,
  • stale kotłowe ferrytyczno – bainityczne,
  • stale kotłowe ferrytyczno – perlityczno – bainityczne,
  • oraz stale kotłowe bainityczne
• oraz stale martenzytyczne:
  • stale bainityczno – martenzytyczne,
  • stale o strukturze martenzytu wysokoodpuszczonego

Obróbka cieplna, stan dostawy i struktura poszczególnych gatunków

Mając na uwadze obróbkę cieplną stali odpornych na wyższe temperatury, oraz strukturę materiału po obróbce, stale na urządzenia energetyczne węglowe niskostopowe w postaci blach kotłowych, rur kotłowych czy prętów dla energetyki są dostarczane w stanie normalizowanym po odprężaniu lub samym stanie normalizowanym, co w rezultacie nadaje wyrobom rozdrobnioną strukturę ferrytyczną mieszaną, a co za tym idzie, tylko niewielki wzrost wytrzymałości (ferrytyczno-perlityczno-bainityczną, ferrytyczno-perlityczną, bądź ferrytyczno-bainityczną).

Z kolei dużą grupę stali stopowych kotłowych można hartować do osiągnięcia struktury martenzytycznej, a następnie odpuścić do struktury sorbitu, jak ma to miejsce w gatunkach stopowych stali do ulepszania. Dlatego też w zależności od składu chemicznego, można napotkać się na sprzeczności w nazewnictwie pewnych gatunków - pomiędzy stalami kotłowymi a stalami do ulepszania (np. 25HM). Ulepszane cieplnie najczęściej są stale stopowe i wysokostopowe, a w szczególności wysokochromowe w postaci wyrobów o dużo większych przekrojach, jak odkuwki, wały czy też pręty kute. Należy jednak pamiętać, że w gatunkach o małej hartowności, należy ulepszać wyroby o mniejszych przekrojach, aby otrzymać odpowiednie własności wytrzymałościowe.

Na odkuwki wałów i tarczy wirnikowych turbin, oraz odkuwki łopatek turbinowych stosowane są stale o strukturze bainitycznej. Do osiagnięcia tej struktury stosowane są stale, których nie można studzić po austenityzwoaniu. Cechują się najwyższymi parametrami wytrzymałościowymi tej grupy.

Odporność na pełzanie, relaksacja i zmęczenie elementów ze stali kotłowych

Własności wytrzymałościowe stali kotłowych można było jasno określić przy temperaturach pracy do 20℃, jednak zastosowanie i nazewnictwo - stal do podwyższonych temperatur, stanowczo nakłaniało do ukierunkowania badań wytrzymałościowych przy temperaturach pracy 500-600℃. Wymagane jest od stali kotłowych, aby element konstrukcyjny pracujący przy temperaturach wyższych, miał możliwie największy parametr granicy pełzania czy też wytrzymałości na pełzanie - czyli najdłuższego czasu trwania nacisku stałego obciążenia pod wpływem wysokiej temperatury na dany element, w którym występuje najmniejszy stopień odkształcenia. Badania i próby pełzania przeprowadzane były wg normy PN-75/H-04330, a wymagania wg PN-75/H-84024.

Zmęczenie elementów ze stali na części łopatek, wirników turbin w energetyce jest procesem występującym przy temperaturach pracy pokojowej a zarazem podwyższonej. W wyniki wysokich różnic temperatur (czyli częstych nagrzań i ochładzania), bądź pracy tylko w wysokich temperaturach , zmian naprężeń, ciśnień, nacisków obciążeń związanych z obrotem elementów, stal jest podatna na występowanie odkształceń, relaksacji oraz zjawiska karbu. Podstawowym czynnikiem badania zmęczenia jest roboczy cykl obciążeń oraz czas pracy elementu. Proces zmęczenia stali oraz określenia, nazw wg PN-64/H-04325

Trzecią własnością dość istotną w określeniu przydatności w stalach dla energetyki jest zjawisko relaksacji, czyli spadek lub zanik naprężeń sprężystych na stałe w częściach maszyn, pod wpływem pracy w wyższej temperaturze przez dłuższy okres czasu, co powoduje ubytek szczelności rurociągów kotłowych, zanik własności elementów sprężynujących, w śrubach i nakrętkach ze stali kotłowych występujące nieodwracalne "luzy" . Własność tą bada się i wykorzystuje w elementach ze stali na kołnierze od rurociągów przewodów parowych, elementach ze stali na śruby kadłubów turbin, podzespołach ze stali na połączenia skurczowe i wtłaczane, oraz elementach ze stali na zbiorniki i urządzenia ciśnieniowe.

Stal kotłowa - środowisko pracy i przeznaczenie

Najczęściej spotykanymi ośrodkami gazowymi w urządzeniach energetycznych jest powietrze, para, oraz gazy spalinowe. Żaroodporność zależy od rodzaju i składu gazu występującego podczas pracy podzespołu. Powietrze, gazy spalinowe, przegrzana para wodna oraz wysoka temperatura, i połączenie tych czynników działa na stal utleniająco.

Powstające tlenki na powierzchni stali kotłowych dla energetyki nawarstwiają się wraz ze wzrostem temperatury. W stalach kotłowych węglowych warstwy tlenków szybko pękają i udostępniają zarazem "trudnej" atmosferze dalsze warstwy do powstawania tlenków co prowadzi do zniszczenia materiału (np. Gat. St36K, St44K, K18, K20 – max ok. 400-500℃). Pierwiastkiem zapobiegającym postępowaniu tego zjawiska jest Chrom – Cr, dodatek stopowy który powyżej 0,5% w składzie już zabezpiecza podzespół narażony na dalszy postęp zjawiska utleniania w stalach dla urządzeń energetycznych do temperatury ok. 550℃ (np. 10CrMo9-10 – maks. 580℃). Tlenki chromu szybko i ściśle pokrywające powierzchnie prętów i blach kotłowych, oraz odkuwek ze stali kotłowych narastają wraz ze wzrostem temperatury pracy. Proces po całkowitym pokryciu zostaje zahamowany, powierzchnia tlenków chromu jest praktycznie nie do ruszenia, i odporna na dalsze niszczenie materiału. Chrom wykazuje również odporność na różne związki siarki w spalinach, a wraz z jego zawartością w składzie chemicznym, wzrasta również jego temperatura pracy. Inny przykładowy gatunek 12Ni19 / X12Ni5 / 1.5680.

Rury, blachy i pręty kotłowe do pracy w podwyższonych temperaturach

Powyżej opisane stale kotłowe, stale na urządzenia ciśnieniowe i stale do pracy w podwyższonych temperaturach określają normy PN-75/H-84024, PN-75/H-84019, PN-75/H-84030, BN-65/0631-06 oraz euronorma PN-EN 10269, PN-EN 10302, PN-EN 10088-1, wg których dostarczane są:

• Rury kotłowe bezszwowe wg PN-98/H-74252, BN-67/0648-02, BN-66/0648-06, BN-68/0648-12, BN-68/0648-11, PN-EN 10216-2, PN-EN 2017-2, PN-EN 2016-1, PN-EN 10217-5, PN-EN 10216-4,
• Blachy kotłowe walcowane wg PN-81/H-92123, PN-93/H-92132, PN-64/H-92148, PN-58/H-92137, PN- PN-57/H-92205, PN-EN 10028-2
• Odkuwki i pręty swobodnie kute ze stali kotłowych wg PN-92/H-94009, PN-98/H-93238, BN-69/0661-02, BN-67/0663-01, PN-EN 10222-2
• Taśmy zimnowalcowane ze stali kotłowych
• Pręty stalowe kotłowe walcowane na gorąco wg PN-80/H-93015, PN-98/H-93238, PN-EN 10269, PN-EN 10273, PN-EN 10028-2, PN-53/H-93239, EN 10028-4,
• Pręty ze stali kotłowych o powierzchni jasnej wg PN-80/H-93016, EN 10277
• Druty ciągnione ze stali kotłowych wg EN 10263-4