8. fejezet: Erőművek szerkezeti acéljai és ötvözetei

Átírás

1 8. Erőművek szerkezeti acéljai és ötvözetei Ebben a fejezetben a villamosenergia-ipar és a vegyipar azon szerkezeti anyagait ismerhetik meg, amelyek igénybevétele elsősorban a növelt hőmérséklet (100 C < 600 C), ill. a nagy hőmérséklet (> 600 C) és a mechanikai terhelések különféle típusai, de ezek mellett gyakran kell számolni a nedves, ill. a száraz korrózió hatásaival is, továbbá az ingadozó hőmérséklet okozta termikus fáradással A melegszilárd acélok A melegszilárd acélok ( erőművi acélok, gyengén ötvözött acélok, kazánacélok ) rendeltetése alapvetően a hőerőművek kazánjainak, nyomástartó berendezéseinek, csővezetékeinek stb. alapanyagaként való felhasználás, jellemzően 300 C-ig, ritkábban 600 C-ig. A legfontosabb elvárás velük szemben a melegszilárdság és a kúszással szembeni ellenállás, technológiai oldalról pedig a hegeszthe őség. t A melegszilárdság és a kúszásállóság A melegszilárdság egy olyan mechanikai tulajdonság, amely az R eh vagy az R p0,2 folyáshatárnak valamely értékét egy adott hőmérsékleten garantálja. Pl. az EN 10028/2: szabvány szerinti 16Mo3 típusú acélra (rövid jele: ) a folyáshatár nemesített állapotban 270 MPa, 300 C-on 200 MPa, 500 C-on pedig 140 MPa. A kúszással szembeni ellenállás ismérveit a szakasz ismerteti. A szóban forgó acélra a órás időszilárdság 450 C-on 239 MPa, viszont ha a hőmérséklet 500 C-ra növekedik, akkor a megengedhető terhelés 101 MPa lehet A melegszilárd acélok főbb csoportjai A tananyagban a csoportosítás alapját ennél az acélcsaládnál is az ötvözők fajtáihoz és azok mennyiségéhez kötjük, bár a szabványosítás nem ezt a módszert követi. A hatályos és fontosabb melegszilárdacél-szabványok: MSZ EN :2004 Lapos acéltermékek nyomástartó berendezésekhez. 2. rész: Ötvözetlen és ötvözött acélok növelt hőmérsékleten, szavatolt tulajdonságokkal MSZ EN 10269:2002 Melegszilárd és/vagy hidegszívós acélok és nikkelötvözetek kötőelemekhez MSZ EN 10273:2000 Melegszilárd, hegeszthető acélból melegen hengerelt rudak nyomástartó berendezésekhez MSZ EN 10302:2002 Melegszilárd acélok, nikkel- és kobaltötvözetek A melegszilárd acéloknál a Cr és a Mo a két alapvető ötvöző, de nélkülözhetetlen ötvözőnek az utóbbi számít, mivel már kb. 0,3% Mo hatására is erőteljesen csökkenti a kúszást (113. ábra). A harmadik alapvető ötvöző a vanádium, és természetesen kifejlesztettek különleges típusokat is. Az említett három ötvöző alapvető szerepét ki kell emelni: erős karbidképzők, diszperz karbidokat képezve hatásosan képesek fékezni a kúszás alakváltozási mikromechanizmusait, amelyek a diszlokációcsúszáson és a szemcsehatárok egymáson való elcsúszásán alapulnak. Kúszási határterhelés (ε=1%, t=10 5 óra) [MPa] ,2C-1,2Mn 1,3Cr-1,1Mo-0,3V 5Cr-0,5Mo 2,25Cr-1Mo 0,4Mo 1Cr-0,25Mo Hőmérséklet 113. ábra Különféle melegszilárd acélok kúszáshatára Ötvözetlen és mikroötvözött melegszilárd acélok (lásd a szakaszt) Az összes felhasználásnak kb. a bő 40%-át ezek az acélok teszik ki, mégpedig főleg a költségtakarékossági megfontolásokból. Gyengén ötvözött melegszilárd acélok Csak Mo-nel ötvözött acélok; C 0,16%, Mo 0,3%, pl. 16Mo3 (1.5415). Cr-Mo ötvözésű acélok; C 0,12%, Cr 0,7 2,5%, Mo 0,5 1,1% pl. 12CrMo9-10 (1.7383) vagy a legelterjedtebb típus, a 13CrMo4-5 (1.7335). Cr-Mo-V ötvözésű acélok, amelyek C- tartalma az igen erős karbidképző V megjelenése miatt jóval nagyobb az előző típusokénál; C 0,2-04%, Cr 2,7 3,3%, Mo 0,3 0,6%, V 0,1 0,85%, pl. 40CrMoV4-6 (1.7711). Módosított melegszilárd acélok További ötvözőket, főleg karbidképzőket (W, Ti, B, Nb Ni, Mn), és/vagy 9 12% Cr-ot tartalmazó acélok, pl. 20CrMoVTiB4-10 (1.7729). 55.

2 A melegszilárd acélok alkalmazása A melegszilárd acélok kiválasztásnak legfontosabb szempontja az üzemi hőmérséklet. Minél nagyobb ennek értéke, annál inkább növekedik a termikus igénybevétel, mégpedig: 370 C felett a kúszás, 450 C felett a grafitosodás, amely a ferritperlites acél perlitjében a vas-karbid (cementit) elbomlása ferritté + grafittá; ettől erősen leromlanak a szilárdsági és a szívóssági mutatók, a diszperz karbidok durvulása, és az ezzel járó szemcsedurvulás, termikus fáradás (hőfáradás) stb. Az üzemi hőmérséklet növekedésével jellemzően egyre nagyobb ötvözőtartalmú acéltípusokat választanak, és külön is figyelembe veszik egyik oldalról azt, hogy milyen korróziós igénybevétel várható: víz, nedves gőz, száraz gőz, füstgáz, hidrogéntartalmú közeg stb., másrészről pedig a méreteket, és a gyártástechnológia sajátosságait, pl. azt, hogy elvégezhető-e hőkezelés a kész szerkezeten, gyártmányon. A jellegzetes gyártmányok: nyomástartó edények, tartályok, varrat nélküli hőcserélőcsövek, csőszerelvények, kazánalkatrészek, turbinaházak, turbinafőtengelyek, hőcserélők, atomerőművi reaktortartályok stb. ( ábra). a) b) c) d) e) 115. ábra Kompresszorház (a), tartályok (b), hőcserélők (c-d) és csavarok (e) melegszilárd acélból 114. ábra Csővezetéki kompenzátor és csőszerelvények A melegszilárd acélokból készített berendezések gyártásában kitüntetett szerepet játszik a hegesztés. Mivel ezeknek az acéloknak a karbonegyenértéke (lásd a szakaszt) jóval meghaladhatja a CE = 0,45 értéket, hidegrepedési hajlamuk miatt a hegesztésükre kitüntetett figyelmet kell fordítani. 56.

3 8.2. A hidrogénnyomás-álló acélok A hidrogénnyomás-álló acélok olyan berendezések alapanyagaként szolgálnak, amelyekben a nagy nyomású és nagy hőmérsékletű közegből atomos hidrogén juthat a szerkezeti anyagba. A hidrogén nem okoz korróziót a felületeken, de egyes fémeket, pl. az edzett acélt súlyosan károsíthatja. Nagy hőmérsékleten és nagy parciális nyomású H hatására lép fel a hidrogén okozta elridegedés. Az acél oldott C-jávnal reagálva grafitosodást, dekarbonizálódást (116. ábra), ill. a keletkező metán mikrorepedéseket, a H 2 -gáz pelyhesedést okoz főleg a szemcsehatárokon: végső soron lerontja a szívósságot is és a szilárdságot is. E kettős veszély főként a 300 és 500 C között jellemző. A hidrogén okozta károsodásokat csak az érdekességük miatt, de nem a tananyag részeként részletezzük. A vegyipar, kőolajipar, gyógyszeripar számos területére érvényesek az említett üzemi feltételek, így ezeken a területeken a hidrogénnyomás-álló acélok alkalmazása elterjedt. Mivel az imént ismertetett melegszilárd acélokkal olyan fokú rokonságot mutatnak, hogy az már szinte azonosságszámba megy, külön nem tárgyaljuk ezeket. Annak megemlítésén túl, hogy a 0,1 0,25% C mellett a legfontosabb ötvözők a Cr, a Mo, a V és a W, csak azt a megjegyzést fűzzük hozzá, hogy a hidrogénnyomás-álló acélokból készített szerkezeti elemeket, miként a melegszilárd acél anyagú kötőelemeket (csavarok) is, mindig nemesítve kell beépíteni. A nagy nyomáson tárolt, ill. keletkező hidrogén jelenti a legnagyobb veszélyt: az acélok szövetelemei közül a martenzit érzékenyebb, mint a perlit.. Ausztenites acélokban a hidrogén okozta elridegedés ritkán figyelhető meg. A másik fajta hidrogénes elridegedés a korróziós folyamatok miatt felszabaduló hidrogén következménye. A károsodás a feszültségkorrózióhoz áll közel, és szinte csak a MPa folyáshatárú, nagy szilárdságú acélok körében gyakori. A jelenség az atomerőművek reaktortartályánál is előfordul. A vízhűtéses reaktorokban az 1,3% Mn, 0,5% Mo ötvözésű acél általában megfelelően ellenálló. Ennek az acélnak a szakítószilárdsága csak 550 MPa körüli, s ennek üzemi feszültségszintjén ritkán következik be hidrogén okozta elridegedés. Bár a gyengén ötvözött acélok esetében kicsi a valószínűsége annak, hogy a molekulárissá váló H2 gáz nyomása miatt kialakuló pelyhesedés bekövetkezzen, ugyanakkor a közönséges ötvözetlen acélok esetében mindig számíthatunk erre, ha a korrózió sebessége eléri a 0,025 mm/évet. A közönséges ötvözetlen acélok 200 C fölött általában nem eléggé ellenállóak. Az acélba diffundálódó hidrogén az acél oldott karbonjával reakcióba lép, metánt és egyéb termékeket hozva létre. Mivel bizonyos zónákban, az amúgy is dekarbonizálódott szövetben az így keletkezett nagy nyomású gáz fölhalmozódik, helyi károsodás következik be. A nagy hőmérsékletű hidrogén okozta károsodással szemben a leghatásosabb ötvözők általában a karbidképző elemek.. Az acélok hidrogénnel szembeni ellenálló képessége a Nelson-diagram segítségével becsülhető meg. A molibdén kb. négyszer olyan hatásos, mint a króm. Legalább 0,25% Motartalom célszerű azokban a határesetekben, amikor a leginkább ötvözetlen acélból készített nyomástartó edények a hidrogén okozta kárododásnak ki lehetnek téve. A 0,5% Mo-tartalmú acélokat az olajipar alkalmazza, de csak kb. 470 C-ig, mert e hőmérséklet fölött grafitosodás következhet be. 470 C-nál nagyobb hőmérsékleten általában Cr-Mo acélokat kell alkalmazni ábra Ferrit-perlites szövetszerkezetű hidrogénnyomás-álló acél károsodása (fent), perlites acél dekarbonizálódása (lent) A hidrogénnyomás-álló acélokat jelenleg nem sorolják külön szabványba, hanem az egyik osztályát képezik a nyomástartó berendezések acéljainak. Alaptípusnak számít a 10CrMo9-10 (1.7380) minőség amely csak alig különbözik a szakaszban említett 12CrMo9-10 (1.7383) acéltól valamint a 24CrMo10 (1.7273) acél. MSZ EN :2004 Lapos acéltermékek nyomástartó berendezésekhez. 2. rész: Ötvözetlen és ötvözött acélok növelt hőmérsékleten, szavatolt tulajdonságokkal 57.

4 8.3. A hőálló acélok A hőállóság fogalmának meghatározása a szakaszból már ismert, amint az is, hogy a hagyományosan korrózióállónak tekintett acélok pontosabban az ausztenites és a ferrites szövetszerkezetűek amellett, hogy az elektrokémiai korróziónak ( nedves korrózió ) jól ellenállnak, egyidejűleg hőállók is. Természetesen a nagy hőmérsékleten fellépő száraz korrózió körülményeire kifejlesztettek kifejezetten erre a célra rendelt hőálló acéltípusokat. A nagy hőmérsékleten oxigén jelenlétében keletkező vas-oxidok könnyen leválnak a felületről revésedés és reveleválás, így a szerkezeti anyag teherviselő keresztmetszete folyamatosan csökken. A reveképződés sebességét az egységnyi fémtömeg időegységre jutó csökkenésével, a fajlagos tömegveszteséggel szokás jellemezni A hőálló acélok főcsoportjai Ferrites hőálló acélok Az MSZ EN 10095:2000 Hőálló acélok és nikkelötvözetek című szabvány ferrites szerkezetű acéljainak C-tartalma jellemzően 0,12-0,20%, mindössze egy típus sorolható az LC (low carbon, azaz C < 0,05%) kategóriába. A hőállóság növekedését elsősorban a Crtartalom növelése biztosítja: Cr ötvözésű típusokat választhatók. A Si-tartalom kb. 1%, és a csak erre az acélcsoportra jellemző 0,7 2,0% Al-tartalom fokozza a revésedésállóságot. Alkalmazási hőmérséklet-tartományuk C. Kemencék, kazánok, fém- és sóolvasztó tégelyek, hőkezelő kemencék alkatrészei készülnek a ferrites hőálló acélokból (117. ábra). Hajlamosak a szemcsedurvulásra, és rosszul bírják a N-tartalmú gázokat. Ausztenites hőálló acélok Az említett szabvány ausztenites típusai jóval számosabbak, mint a ferritesek. Alcsoportjaik a Cr és a Ni mennyisége szerint különülnek el, Sitartalmuk egyaránt 1 2%, ugyanakkor alumíniumot csak egyetlen típusukba ötvöznek. A C- tartalmuk 0,1-0,2%, és a karbon mellett még gyakran N-nel is ötvözöttek. 1. csoport: 17 20% Cr, 9 12% Ni. 2. csoport: 22 26% Cr, 19 22% Ni. 3. csoport: 20 28% Cr, 30 37% Ni. Az első két csoportba tartozó típusok kiküszöbölik a ferrites hőálló acélok hátrányait, viszont FeCr-vegyület (szigma-fázis) képződésére hajlamosak, s ennek folytán rideggé válhatnak. A 3. csoport acéljaiban ez a vegyületfázis nem tud létrejönni, ezért ezt a szuperhőálló ötvözetet a napi akár többszöri beindítással-leállással működő, ezért nagy hőingadozásnak kitett gázturbinákban alkalmazzák elterjedten (118. ábra). a) b) c) 117. ábra Fémolvasztó üst burkolata és tégelyfogó ferrites hőálló acélból d) 118. ábra Ausztenites hőálló acélok alkalmazási példái: a) szelep X15CrNiSi25 20 anyagból; b) szivattyúház (GGL- NiCr20.2), c) szelepfedél (GGL-340Mo8), d) szivattyú 58.

5 8.4. A nikkel és ötvözetei A tiszta nikkel fizikai tulajdonságai: Olvadáspont: 1440 C. Kristályszerkezet: LKK (a=0,352 nm). Sűrűség 20 C-on: 8890 kg/m 3. Vill. vezetőkép. 20 C-on: 74 W.m -1.K -1 Villamos ellenállás 20 C-on: 9,2 µω.cm. A Ni-ötvözetek címszó alatt mindazon ötvözeteket áttekintjük, amelyek kiváló kúszás-, korrózió- és hőállóságuk miatt a villamosenergia-ipar, a vegyipar és a légiközlekedési eszközök hajtóműveinek terén óriási karriert futottak be. Adott esetben nem csak nikkelötvözetekről amelyekben tehát a Ni a fő komponens, hanem vasötvözetekről, ill. kobaltalapú szuperötvözetekről is szó eshet. Tökéletesen ellenáll a lúgoknak és a nemoxidáló savaknak, viszont a HNO 3 salétromsav megtámadja. Oxidáló (kénmentes) atmoszférában 1050 C-ig alkalmazható Nikkel-réz ötvözetek A Ni-Cu ötvözetek kereskedelemben elterjedt elnevezése monel, amelyek alaptípusában 28-34% a Cu. A monelek legjellemzőbb alkalmazásai: nagynyomású gőz, víz és tengervíz szállítására, elpárologtatására szolgáló vezetékek, tartályok, rézfúvós hangszerek dugattyúi (119. ábra) A nikkelötvözetek főcsoportjai A nedves korróziónak ellenálló ötvözetek. Hőálló és kúszásálló szuperötvözetek. Különleges fizikai tulajdonságú ötvözetek. A nedves korróziónak ellenálló ötvözetek Az ötvözetlen Ni-típusok és a Ni-Cu ötvözetek maximális ötvözőtartalma (tömeg-%): Típusjel C Mn Fe Si Cu Nickel 200 0,15 0,3 0,4 0,3 0,2 Nickel 201 0,02 0,3 0,4 0,3 0,2 Monel 400 0,3 2 2,5 0,5 30 Az ötvözetlen v. ipari nikkel A C-tartalom szerint két típus van jelen a piacon. Azt is meg kell jegyezni, hogy a táblázatban fel nem tüntetett Co-tartalom általában 0,5%, de azt összevonva értendő a Ni-tartalommal (Ni+Co> 99%). Lágyított állapotban a szakítószilárdság R m = 380 MPa, a folyáshatár R p0,2 = 100 MPa, mely utóbbit a hidegalakítás akár a duplájára is növelhet, miközben a nyúlás az ötödére (A= 5%- ra) csökken. A szívóssága lévén a Ni LKK kristályszerkezetű igen kis hőmérsékleteken is kiváló, tehát nem fenyeget a ridegtörés veszélye. Alkalmazási területét alapvetően a korrózióállósága jelöli ki, mivel jól ellenáll a nedves korróziónak redukáló, ill. enyhén oxidáló közegekben, környezetekben. Ez annak köszönhető, hogy a felületén egy ellenálló és jól tapadó oxidréteg alakul ki, mely megvédi a további károsodástól ábra Ni-Cu ötvözetek alkalmazási példái Fe-Ni-Cr ötvözetek (valójában vasötvözet!) A hagyományos ausztenites korrózióálló acéloknál lényegesen jobb korróziós ellenállás jellemzi a szóban forgó ötvözeteket, amelyek két alaptípusa az Incoloy 800 (Fe-Ni32Cr22) és a kereskedelemi nevén 904L jelű ötvözet. Az alapalkotó Fe melletti ötvözők mennyisége világosan kiolvasható az európai szabványos jelből: X1 NiCrMoCu (C<0,02%, 120. ábra) ábra Erőművi elpárologtató (904L ötvözetből) 59.

6 Ni-Cr-Fe és Ni-Mo alapú ötvözetek: A legnagyobb gyártók (Inco, Haynes, Creusot Loire) jelölési rendszerét vette át a kereskedelem és a felhasználói kör, mivel a szabványos jelölések kissé komplikáltak, és ezért előszeretettel emlegetik ezeket az ötvözeteket mint inkonelek és hasztellojok. Mindegyik ötvözet sajátos korróziós ellenállással bír, ezért szinte testre szabott alapanyagként kell őket tekintenünk a különféle korróziós feltételekre. Az Al- és/vagy Ti-ötvözés kiválásosan keményíthetővé teszi az adott ötvözetet. a) Ni-Cr-Fe alapú ötvözetek: A két fő típus a Hastelloy G (Cr22Mo6Fe20) és az Incoloy 825 (Fe-Ni41Cr21Mo3) márkanevű Ni-ötvözet. Alkalmazásuk: kénsavas, foszforsavas, tengervizes és klóros környezetben üzemelő berendezések anyagaként (121. ábra). b) Ni-Mo alapú ötvözetek: A főötvözőként csak Mo-t tartalmazó Hastelloy B2 (Ni69Mo28) ötvözet tartozik ide. Alkalmazása: elsősorban sósavas és folysavas környezetben üzemelő berendezések anyaga. c) Ni-Cr-Mo ötvözetek A legismertebb 3 típus a Hastelloy C4 (Ni65- Cr16Mo16), a Hastelloy C276 (Ni65Cr16Mo16- Fe6W4), valamint az Inconel 625 (Ni-Cr21Mo9- Fe5Nb4). Alkalmazási területük rendkívül széles a kiváló korrózióállóságuk, különös tekintettel a nagy hőmérsékleten is mutatott lyukkorróziós és réskorróziós ellenállásuk miatt (122. ábra). A már említett Ni-ötvözetek némelyikének korrózióállóságára vonatkozóan mutat be néhány jellemző adatot a 6. táblázat, megadva az alkalmazás határhőmérsékletét is. Közeg Nickel 201 Monel Inconel 600 Levegő 1050 C 550 C 1100 C CO C 820 C 1150 C Hidrogén 1100 C 1150 C Klór 550 C 450 C 550 C Fluor 490 C 400 C Sósav (HCl) 520 C 250 C 500 C Folysav (HF) 650 C 650 C Nátrium 600 C 900 C Vízgőz 425 C 800 C 6. táblázat 121. ábra Fent: vegyipari reaktor (Inconel 625), lent: tengeralattjáró-motoralkatrészek (Inconel 725) 122. ábra Fűtőtekercs és állótartály (Hastelloy C276), gázégőfej és vasalófűtőlap (Incoloy 800), vegyipari reaktor (Hastelloy C276) 60.

7 Anyagismeret Hőálló ötvözetek és kúszásálló szuperötvözetek Ni-Cr és Ni-Cr-Fe hőálló ötvözetek Ebben a csoportban a klasszikus típus a Ni-Cr20, amelyet elsőként alkalmaztak kiváló melegszilárdsága és hőállósága miatt, mégpedig fűtőellenállások anyagaként. A hőálló nikkelötvözetek legelterjedtebb típusa jelenleg az Inconel 600 (Cr16Fe9AlTi) és 601 (Cr23Fe14Al1,5Ti). A Ni-, ill. Co-bázisú szuperötvözetek A nagy hőállóságú és nagy kúszásállóságú szuperötvözeteket a gázturbinák elterjedése és azok teljesítménye fokozásának igénye hívta életre (123. ábra). A mai legkorszerűbb sugárhajtóművek 1300 C körüli hőmérsékleten üzemelnek, s bár a gázturbinák számos alkatrészét belülről hűtik, a szerkezeti anyagokra rendkívüli hőterhelés és mechanikai terhelés hat, amelyekkel szemben azoknak ellenállónak kell lenniük. Inconel Tömegveszteség [ % ] -5 Inconel-600 Incoloy Cr12Ni Cr20Ni Cr8Ni A hőterhelés ideje 980 C-on 123. ábra Hőálló ötvözetek revésedése forró levegőn A legintenzívebben igénybe vett szerkezeti elemek a turbinalapátok, amelyek az említett terheléseknek csak úgy tudnak megfelelni, hogy a szilárdságnövelési módszerek számos hatásmechanizmusát kiaknázó technológiával állítják őket elő. A felhasznált, akár ötvöző (C, Cr, Co, Ni, Mo, W, Ti, Al, Nb, Fe, B, Zr, Ta, V, Re, Hf, La, Y) mindegyike sajátos szerepet tölt be az irányított egykristályként növesztett és kiválásosan keményített szerkezeti elemben. A szuperötvözetek az anyagok fejlesztésének egyik csúcspontját jelentik amiatt, hogy különleges tulajdonságaikat az anyagtudományi eszközök együttes és tudatos alkalmazása hozta létre. Néhány típusuk: Inconel 718, Hastelloy X, Waspaloy, Inconel 713, HS 25, MP35N stb ábra Turbinalapátok, hővédő pajzs, cső- és tartályszerelvények, szivattyúk, járókerekek, hőcserélőlemezek, vegyipari készülékek szuperötvözetekből Különleges fizikai tulajdonságú ötvözetek Ezeket a Ni-ötvözeteket a jegyzet 13. fejezete mutatja be, mivel azok nem kimondottan erőművi alkalmazásokra szolgálnak. 61.