Charakterystyki materiałowe i metodologia oceny stanu wybranych stali nowej generacji elementów kotłów o nadkrytycznych parametrach pracy

Dobrzański, J.; Zieliński, A.; Purzyńska, H.; Mirecki, L.

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Charakterystyki materiałowe i metodologia oceny stanu wybranych stali nowej generacji elementów kotłów o nadkrytycznych parametrach pracy

Autorzy

Dobrzański J. , Zieliński A. , Purzyńska H. , Mirecki L.

Treść / Zawartość

Pełne teksty:

dobrzanski_zielinski_purzynska_charakterystyki_3_2014.pdf

Pobierz

Identyfikatory

Warianty tytułu

Material characteristics and methodology for condition assessment of selected new-generation steels for elements of boilers with supercritical working parameters

Języki publikacji

Abstrakty

Przedstawiono wybrane wyniki badań uzyskane w projekcie rozwojowym pt. „Ocena zachowania się i prognoza długotrwałej pracy stali nowej generacji na elementy kotłów eksploatowanych powyżej temperatury granicznej”, w zakresie oceny zachowania się pod wpływem działania temperatury i naprężenia w czasie i zaproponowania sposobu prognozowania trwałości eksploatacyjnej i stopnia wyczerpania stali nowej generacji dla energetyki. Publikacja jest pierwszą częścią opracowania, które zawiera charakterystyki materiałowe wybranych elementów krytycznych przegrzewaczy pary kotła o parametrach nadkrytycznych (ciśnienie do 28,5 MPa; temperatura do 620oC) przeznaczonych do pracy w warunkach pełzania wykonanych z wysokochromowych stali martenzytycznych o zawartości 9 i 12% Cr w gatunkach X10CrMoVNb9-1 (P91) i X12CrCoWVNb12-2-2 (VM12SHC) oraz austenitycznej stali chromowo-niklowej w gatunku X10CrNiCuNb18-9-3 (Super 304H). Opracowane charakterystyki materiałowe oraz metodologia oceny stanu materiału i stopnia jego wyczerpania posłużyły do budowy modeli zjawiska pełzania badanych stali. Zbudowane modele zjawiska pełzania wraz z zaproponowaną analizą numeryczną posłużyły do opracowania sposobu wyznaczania trwałości eksploatacyjnej elementów o zróżnicowanej geometrii przeznaczonych do pracy w części ciśnieniowej kotłów o parametrach nadkrytycznych. Uzyskane wyniki w obszarze tych zagadnień zostały omówione w oddzielnej publikacji [1]. W przedstawionej części opracowania, na podstawie wyników skróconych i długotrwałych prób pełzania o maks. czasie do ok. 25 tys. godzin, wyznaczono trwałość. Ponadto sporządzono parametryczne krzywe Larsona-Millera wytrzymałości na pełzanie. Wyznaczono prędkość pełzania w stanie ustalonym oraz określono czas do końca drugiego okresu pełzania dla wybranych parametrów temperaturowo-naprężeniowych. Zbudowano zależności udziału drugiego okresu pełzania w czasie do zerwania oraz prędkości pełzania od naprężenia w stałej temperaturze. Zweryfikowano przydatność oceny stopnia wyczerpania metodą wykorzystującą regułę ułamków trwałości. Przeprowadzono ocenę wpływu odstawień i uruchomień instalacji na trwałość eksploatacyjną materiału badanych elementów przegrzewacza pary na podstawie prób cyklicznego pełzania. Dokonano oceny wpływu zmian w mikrostrukturze i składzie fazowym wydzieleń na obniżanie się odporności na pełzania. W oparciu o opracowane charakterystyki materiałowe zaproponowano metodologię oceny stanu materiału i jego stopnia wyczerpania (zmiany obrazu mikrostruktury, zmiany składu fazowego wydzieleń, model ewolucji mikrostruktury, klasyfikacja mikrostruktury) oraz narzędzia do jego oceny.

This paper presents selected investigation results obtained in the development project “The assessment of behaviour and forecast about long-term operation of new-generation steel for components of boilers operated above limit temperature” with regard to assessment of its behaviour under the influence of temperature and stress in time and proposal of the method for forecasting about life time and exhaustion extent of new-generation steels for the power industry. The publication is the first part of the study, which includes material characteristics for selected critical elements of steam superheaters of boiler with supercritical parameters (pressure up to 28.5 MPa; temperature up to 620oC) designed for operation under creep conditions, made from high-chromium martensitic steels containing 9 and 12% of Cr – grades X10CrMoVNb9-1 (P91) and X12CrCoWVNb12-2-2 (VM12SHC), and austenitic chromium-nickel steel – grade X10CrNiCuNb18-9-3 (Super 304H). The developed material characteristics and methodology for the assessment of material condition and its exhaustion extent were used to build creep effect models for the examined steels. These models along with proposed numerical analysis were used to develop the method for determination of life time of elements with different geometry intended for operation in the pressure part of boilers with supercritical parameters. The obtained results in the area of these issues were discussed in a separate publication [1]. In this part of the study, the life time was determined based on the results of abridged and long-term creep tests of max 25 thousand hours. In addition, the Larson-Miller parametric creep strength curves were plotted. The steadystate creep rate and time to the end of the secondary creep were determined for selected temperature and stress parameters. The relationships of the share of secondary creep in the time to rupture and creep rate to stress at constant temperature were built. The suitability of the exhaustion extent assessment using the life-time fractures rule was verified. The assessment of the influence of shut-downs and start-ups of the plant on life time of the material of examined steam superheater elements based on cyclic creep tests was made. The assessment of the impact of changes in the microstructure and phase composition of precipitates on reduction in creep resistance was made. Based on the developed material characteristics, the methodology for the assessment of material condition and exhaustion extent (changes in the image of microstructure, changes in phase composition of precipitates, microstructure evolution model, microstructure classification) and the assessment tools were proposed.

Słowa kluczowe

stal energetyka pełzanie pełzanie cykliczne reguła ułamek trwałość stopień wyczerpanie mikrostruktura

steel power industry creep cyclic creep life-time fractures rule exhaustion degree microstructure

Wydawca

Instytut Metalurgii Żelaza im. Stanisława Staszica

Czasopismo

Prace Instytutu Metalurgii Żelaza

Rocznik

2014

Tom

T. 66, nr 3

Strony

13--28

Opis fizyczny

Bibliogr. 55 poz., tab., wykr., zdj.

Twórcy

autor

Dobrzański J.

Instytut Metalurgii Żelaza

autor

Zieliński A.

Instytut Metalurgii Żelaza

autor

Purzyńska H.

Instytut Metalurgii Żelaza

autor

Mirecki L.

Rafako S.A.

Bibliografia

1. Dobrzański J., Duda P., Mirecki L.: Modelowanie zjawiska pełzania oraz symulacja pracy wybranych elementów przegrzewacza pary części ciśnieniowej kotła o nadkrytycznych parametrach pracy, Prace IMŻ, t. 66, nr 3, 2014, s. 29-41
2. Viswanathan R., Bakker W.: Materials for Ultrasupercritical Coal Power Plants - Boiler Materials: Part 1. Journal of Materials Engineering and Performance 10, 2001, s. 81-95.
3. ASTM A213/A213M-99A: Standard Specification for Seamless Ferritic and Austenitic Alloy – Steel Boiler, Superheater, and Heat-Exchanger Tubes.
4. ASME Case 2199: Cases of ASME Boiler and Pressure Vessel Code – Seamless 2,25Cr-1,6W-V-Nb Material Section 1, June 1995.
5. Dobrzański J., Zieliński A., Maciosowski A.: Characteristics of changes in structure and mechanical properties of news steel for power plants (2,5÷12%Cr). Report IMŻ nr S0-0438/2003, (unpublished), 2003
6. Materials from Sumitomo Metal Industries Ltd No 903F-2666, 906F-3220, 908F-3403 Development of High Strength 2,25Cr-1,6W-V-Nb Steel Tube (HCM2S) for Boiler Application. Oct.1993, May 1998.
7. Deshayes F., Bendick W., Haarmann K., 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.
8. Kosman G., Rusin A., Taler J., Pawlik M.: Zagadnienia projektowania i eksploatacji kotłów i turbin do nadkrytycznych bloków węglowych, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2010.
9. Masuyama F.: Steam Plant Material Developments in Japan. 6th Int. Conf. on Materials for Advanced Power Engineering 1998, Liege, Belgium. ISBN 389336, Forschungszentrum Jülich 1998, p.1087.
10. Data Package for NF616 Ferritic Steel (9Cr-0,5Mo-1,8W-Nb-V), Nippon Steel.
11. NIMS Creep date sheet No 43. Data Sheets on the elevated temperature properties of 9Cr-1Mo-V-Nb steel for power boilers. (ASME SA-213/SA-213M Grade T91). NIMS, Japan 1996.
12. NIMS Creep date sheet No 48. Data Sheets on the elevated temperature properties of 9Cr-0,5Mo-1,8W-V-Nb steel tube for power boilers. (ASME SA-213/SA-213M Grade T92). NIMS, Japan 2002.
13. Vaillant J.C., Vandenberghe B., Zakine Z., Gabrel J., Bendick W., Deshayes F.: The T23/P23 Book, Vallourec&Mannesmann Tubes 2006.
14. Deshayes F., Bendick W., Haarmann K., 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.
15. Sklenicka V., Kucharova K., Svoboda M., Kloc L., Kudrman J., Effect of nonsteady loading on creep behaviour of advanced 9-12% fossil power plant steel, 8th Int. Conf. on Materials for Advanced Power Engineering 2006, Liege, Belgium. ISBN 389336-436-6, Forschungszentrum Jülich 2006, 1127-1136.
16. Abe F., Horiuchi M.T., Taneike M., Sawada K., Stabilization of martensitic microstructure in advanced 9Cr steel during creep at high temperature, Mat. Sci. Eng. A,378, 2004, 299
17. Dobrzański J., Zieliński A.: Dobór i zbadanie materiałów, opracowanie unowocześnionej konstrukcji oraz wykonanie nowych elementów przegrzewaczy pary dla kotłów w blokach 360 i 500 MW. Raport PC7 T08B 254 2000 C/5153 2003. Gliwice, niepublikowane
18. Dobrzański J. i inni: Opracowanie charakterystyk użytkowych nowej generacji stali do budowy elementów ciśnieniowych kotłów nadkrytycznych /opracowanie danych dla konstruktorów, wytwórców i użytkowników urządzeń energetycznych. Sprawozdanie IMŻ Nr PZ-00003/3/BM/2001- niepublikowane.
19. Hernas A. i inni, Materiały i Technologie do budowy kotłów nadkrytycznych i spalarni odpadów, Praca zbiorowa pod redakcją A. Hernasa, Katowice 2009,
20. Hernas A. i inni, Materiały i technologie stosowane w budowie kotłów o parametrach nadkrytycznych o temperaturze pary do 700 o C, Praca zbiorowa pod redakcją A. Hernasa, Gliwice 2013
21. European project “Advanced 700°C PF Power Plant” (AD700)
22. European project “Component Test Facility for a 700 °C Power Plant installed in Scholven Power Plan” (COMTES700)
23. COST 538 Forecasting of life and residual life of material and welded joints of power boiler pressure section components after long-term service at creep conditions
24. Dobrzński J., Hernas A., Moskal G.: Microstructural degradation in power plant steels, Chapter No. 9 in book: J.E. Oakey (ed.), Power plant life management and performance improvement, Woodhead Publishing Limited, Sawston, UK, 2011 ISBN 978-1-84569-726-6 str. 222-271
25. Dobrzański J.: Materiałoznawcza interpretacja trwałości stali dla energetyki, Wyd. Open Access Library, Volume 3, 2011
26. Zieliński A., Dobrzański J., Renowicz D., Hernas A.: The estimation of residual life of low-alloy cast steel Cr-Mo-V type after long-term creep service, Fifth International Conference on Advances in Material Technology for Fossil Power Plants, Marco Island, Florida USA. EPRI, 2007, 34
27. Hernas A., Dobrzański J.: Trwałość i niszczenie elementów kotłów i turbin parowych, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice, 2003
28. Dobrzański J.: Charakterystyki materiałowe stali 14MoV63 (13HMF) po długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania jako niezbędne składowe oceny stanu i przydatności do dalszej eksploatacji poza obliczeniowy czas pracy elementów części ciśnieniowej kotłów energetycznych, Energetyka; Zeszyt tematyczny nr XIX, p. 33-39. Listopad 2009
29. Dobrzański J.: Charakterystyki materiałowe stali 10CrMo910 (10H2M) po długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania niezbędne w ocenie stanu i przydatności do dalszej eksploatacji materiału elementów ciśnieniowych kotłów energetycznych, Energetyka, Zeszyt tematyczny XIX (2009) 27-33
30. Dobrzański J., Zieliński A., Krztoń H.: Mechanical properties and structure of the Cr-Mo-V low-alloyed steel after long-term service in creep condition, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering 23/1 (2007) 39-42
31. Dobrzański J., Krztoń H., Zieliński A.: Development of the precipitation processes in low-alloy Cr-Mo type steel for evolution of the material state after exceeding the assessed lifetime, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering 23/2 (2007) 19-22
32. Dobrzański J., Zieliński A., Paszkowska H.: Wyznaczanie trwałości resztkowej i czasu dalszej bezpiecznej pracy na przykładzie materiału rodzimego i złącza spawanego, Prace IMŻ 61/1 (2009) 9-25
33. Paszkowska H., Hernas A., Zieliński A., Dobrzański J.: Microstructural and mechanical properties changes of T321H steel after long time creep service, J. of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, Vol. 58, 1 May 2012, p.16- 23
34. Dobrzański J., Cieśla M.: Wpływ długotrwałej eksploatacji na zmiany właściwości użytkowych materiału komór przegrzewaczy pary pracujących w warunkach pełzania wykonanych z martenzytycznej stali X20CrMoV11-1, Prace IMŻ, T 65, nr 4,2013, s.23-38
35. Zielińska-Lipiec A.: The Analysis of Microstructural Stability of Modified Martensitic Deformation, AGH 2005 Kraków ISSN 0867-8631, Poland
36. Gabrel J., Bendick W., Vanderberghe B., Lefabrre B: Status of development of the VM12 steel for tubular applications in advanced power plants. 8th Int. Conf. on Materials for Advanced Power Engineering 2006, Liege, Belgium. ISBN 389336-436-6, Forschungszentrum Jülich 2006, p.1065
37. Dobrzański J.: Nowej generacji martenzytyczne stale 9-12% Cr do pracy w warunkach pełzania na elementy krytyczne części ciśnieniowej kotłów energetycznych o nadkrytycznych parametrach pracy, Prace IMŻ T 63 ,2011, s 1-13
38. Zielińska-Lipiec A., Kozieł T., Czyrska-Filemonowicz A.: Quantitative characterisation of the microstructure high chromium steel with boron for advanced steam power plants, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering 43/1, 2010, s. 200-204
39. Dobrzański J.: Nowe niskostopowe stale na element komór parownika kotłów energetycznych o nadkrytycznych parametrach pracy, Prace IMŻ, T 63, nr 4, 2011, s.14-31
40. 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, 2007
41. Kouichi Maruyama, Kota Sawada, Junichi Koike: Strengthening Mechanisms of Creep Resistant Tempered Martensitic Steel. ISIJ International, Vol. 41 (2001), No. 6, p. 641–653
42. Vaillant J.C., Vandenberghe B.,Zakine Z., Gabrel J., Bendick W., Deshayes F.: The T23/P23 Book, Vallourec&Mannesmann Tubes 2006
43. Dobrzański J., Zieliński A., Hernas A.: Struktura i własności nowych stali żarowytrzymałych o osnowie ferrytycznej, Materiały i Technologie do budowy kotłów nadkrytycznych i spalarni odpadów, Praca zbiorowa pod redakcją A. Hernasa, Katowice 2009, s. 48-49
44. Golański G., Zieliński A.: “VM12 – nowa stal z kobaltem dla energetyki” Hutnik Wiadomości Hutnicze nr 3, str. 228-233. 2011
45. COST 522, Power generation in the 21st century : ultra-efficient , low-emission plant
46. COST 536, Alloy Development for Critical Components of Environmentally Friendly Steam Power Plant
47. Dobrzański J., Zieliński A.: Ocena trwałości eksploatacyjnej stali energetycznych pracujących powyżej temperatury granicznej w oparciu o skrócone próby pełzania, Materiały IX Seminarium naukowo-technicznego nt. Badania materiałowe na potrzeby elektrowni i przemysłu energetycznego, Zakopane, 2002, s. 97-108
48. Dobrzański J., Zieliński A., Paszkowska H.: Sposób oceny trwałości resztkowej na przykładzie materiału rodzimego i złącza spawanego po długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania znacznie poza czas obliczeniowy eksploatacji. Prace IMŻ 61/3 (2009) s. 34-37
49. Larson F.R., Milller J.: Trans ASME, 74, 1952, 765
50. Monkman F.C., Grant N.J.: Proc. ASTM, 56 1956, 593
51. ECCC DATA SHEETS 2005, The European Creep Collaborative Committee
52. Cane B.J.: Mat. Forum 9, 1986, 5
53. Robinson L.E.: Trans ASME, 74, 1952, 777
54. Dobrzański J., Duda P., Purzyńska H., Mirecki L., Zieliński A.: Projekt rozwojowy NR 15 0060 10, Ocena zachowania się i prognoza długotrwałej pracy stali nowej generacji na elementy kotłów eksploatowanych powyżej temperatury granicznej; Sprawozdanie merytoryczne z wykonanych badań przemysłowych (stosowanych) i prac rozwojowych, Gliwice 2013, niepublikowane
55. Hernas A., Augustyniak B., Moskal G., Chmielewski W.: Degradacja austenitycznej stali 321H podczas długotrwałej eksploatacji, Energetyka, Zeszyt Tematyczny nr XIX, 2009, Projektowanie i Innowacje remontowe w Energetyce, 2009, s. 65-68

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-a2f5fa1d-a107-4b38-9010-dc9adf0816c2