1. Materiali comunemente usati

I tubi della caldaia USC in genere impiegano Leghe a base di nichel avanzate, acciai inossidabili austenitici, o acciai ferritici/martensitici di alto livello. La scelta del materiale dipende dalle condizioni operative di componenti come surriscaldari o reseater. Di seguito sono riportati i materiali tipici utilizzati.

1.1 Leghe a base di nichel

Le leghe a base di nichel sono la scelta preferita per 700 ℃ tubi della caldaia USC a causa della loro resistenza superiore, resistenza all'ossidazione, e resistenza alla corrosione ad alte temperature.

• Gradi tipici:
  • Inconel 617 (US N06617): Contiene nichel, cromo, cobalto, e molibdeno, Adatto per 700 ℃ e oltre, con eccellente resistenza al creep e resistenza all'ossidazione.
  • Inconel 740/740h: Progettato specificamente per le caldaie USC, contenente nichel, cromo, cobalto, e titanio, Offrire un'elevata forza di creep e resistenza alla corrosione del carbone.
  • Lega 263: Adatto per alte temperature, ambienti ad alta pressione, in particolare per le strutture saldate.
• Composizione chimica (Esempio di Inconel 740h):

• Proprietà meccaniche (Esempio):
  • Resistenza alla trazione: ≥1000 MPa (temperatura ambiente); ≥600 MPa (700℃)
  • Resistenza allo snervamento: ≥700 MPa (temperatura ambiente); ≥400 MPa (700℃)
  • VITA SCREENSI: ≥100.000 ore a 700 ℃ sotto 100 Stress MPA
• applicazioni: Utilizzato in surheater e reheater nelle zone di temperatura più alte, in grado di resistere al calore estremo e ai gas corrosivi (per esempio., zolfo- o gas di combustione contenenti cloro).

1.2 Acciai inossidabili austenitici avanzati

Gli acciai inossidabili austenitici sono adatti per intervalli di temperatura leggermente più bassi (600–700 ℃), Offrire una buona resistenza alla corrosione e processibilità, Sebbene la loro resistenza al creep sia inferiore alle leghe a base di nichel.

• Gradi tipici:
  • Super 304h (US S30432): Contiene 18cr-8NI con Cu aggiunto, NB, e n per una resistenza e resistenza all'ossidazione migliorate ad alta temperatura.
  • HR3C (25CR-20NI-NB-N): Acciaio austenitico ad alto contenuto di cromium con ossidazione e resistenza alla corrosione del vapore.
  • TP347HFG: Versione a grana fine di TP347H, con una migliore resistenza al creep.
• Composizione chimica (Esempio Super 304h):

• Proprietà meccaniche (Esempio):
  • Resistenza alla trazione: ≥590 MPa (temperatura ambiente); ≥300 MPa (700℃)
  • Resistenza allo snervamento: ≥235 MPa (temperatura ambiente); ≥150 MPa (700℃)
  • VITA SCREENSI: 10,000–100.000 ore a 700 ℃ sotto 100 Stress MPA
• applicazioni: Utilizzato nelle zone secondarie ad alta temperatura per i superheatri, REFEATER, e condutture a vapore.

1.3 Acciai ferritici/martensitici di alto livello

Questi acciai sono utilizzati in aree con temperature inferiori a 650 ℃, Offrire costi inferiori rispetto a leghe a base di nichel o acciai austenitici, Ma la loro prestazione a 700 ℃ è limitata, rendendoli adatti alle zone di transizione.

• Gradi tipici:
  • P91 (ASTM A335 P91): 9Acciaio CR-1MO, Adatto per 600–650 ℃ ambienti.
  • P92 (ASTM A335 P92): Acciaio migliorato da 9cr-2W con WAT W, NB, e b, Offrendo una migliore resistenza al creep di P91.
  • Marbn: Un nuovo acciaio martensitico ad alto cromo con 9-12cr e ha aggiunto b, N, avvicinandosi al limite di 700 ℃.
• Composizione chimica (Esempio P92):

• Proprietà meccaniche (Esempio):
  • Resistenza alla trazione: ≥620 MPa (temperatura ambiente); ≥350 MPa (650℃)
  • Resistenza allo snervamento: ≥440 MPa (temperatura ambiente); ≥200 MPa (650℃)
  • VITA SCREENSI: ~ 100.000 ore a 650 ℃ sotto 100 Stress MPA
• applicazioni: Utilizzato nelle condutture a vapore principale, Superheater a basso temperatura, o riserve.

2. Considerazioni sulla progettazione per la selezione dei materiali

Durante la progettazione di tubi caldaie USC da 700 ℃, La selezione del materiale deve bilanciare i seguenti fattori:

1. Temperatura e pressione di funzionamento:
   • Zone a 700 ℃ e sopra (per esempio., surriscaldatori, REFEATER) Dai la priorità alle leghe a base di nichel (per esempio., Inconel 740h).
   • 600–700 ℃ Le zone possono utilizzare acciai inossidabili austenitici avanzati (per esempio., Super 304h, HR3C).
   • Le zone inferiori a 650 ℃ possono utilizzare P91, P92, o Marbn.
2. Resistenza al creep:
   • Il creep è la modalità di errore primario a 700 ℃. Leghe a base di nichel e acciai austenitici avanzati offrono una vita creep significativamente più lunga degli acciai ferritici.
3. Resistenza all'ossidazione e corrosione:
   • I gas di combustione ad alta temperatura contenenti zolfo o cloro causano corrosione esterna, Mentre l'ossidazione sul lato del vapore è una preoccupazione. Leghe a base di nichel e acciai austenitici ad alto cromo (per esempio., HR3C) Excel nel resistere alla corrosione del carbone e all'ossidazione del vapore.
4. Costo e processabilità:
   • Le leghe a base di nichel sono costose e difficili da elaborare e saldare, Adatto a componenti critici ad alta temperatura.
   • Gli acciai inossidabili austenitici e P91/P92 sono più convenienti e più facili da saldare ed elaborare, Ideale per applicazioni più ampie.
5. Saldabilità:
   • Leghe a base di nichel (per esempio., Inconel 740h) richiedono processi di saldatura specializzati e materiali di riempimento.
   • austenitici (per esempio., Super 304h) avere una buona saldabilità ma richiedono il controllo della zona colpita dal calore.
   • P91/P92 richiedono un preriscaldamento rigoroso e un trattamento termico post-salvataggio per prevenire il cracking.
6. Stabilità a lungo termine:
   • I materiali devono mantenere la stabilità microstrutturale durante il funzionamento ad alta temperatura a lungo termine, Evitare la formazione di fase fragile (per esempio., σ fase) o crescita del grano.

3. Processo di fabbricazione

Il processo di produzione per 700 ℃ tubi della caldaia USC è fondamentale per garantire le prestazioni del materiale. I passaggi chiave includono:

• Produzione senza soluzione di continuità: Il disegno a caldo o a freddo garantisce tubi senza difetti senza imperfezioni di saldatura.
• Trattamento termico:
  • Leghe a base di nichel: Soluzioni ricottura (1100–1200 ℃) seguito dall'invecchiamento per ottimizzare le fasi precipitate (per esempio., C’ fase).
  • Acciai inossidabili austenitici: Trattamento della soluzione (1050–1150 ℃) per prevenire la corrosione intergranulare.
  • Acciai ferritici/martensitici: Normalizzante (1050–1100 ℃) e tempera (750–800 ℃) Per stabilizzare la struttura martensitica.
• Trattamento di superficie: Scatto o sottaceto per rimuovere la scala di ossido e migliorare la resistenza alla corrosione.
• Controllo di qualità:
  • Analisi della composizione chimica: Garantisce il rispetto di CR, NI, Mo, e altre specifiche degli elementi.
  • Prove meccaniche: Include trazione ad alta temperatura, strisciamento, e test di fatica.
  • Controlli non distruttivi (NDT): Test ultrasonici e radiografici per rilevare difetti interni.
  • Test di corrosione ad alta temperatura: Simula gli ambienti di cenere di carbone e vapore per verificare la resistenza alla corrosione.

4. Casi di applicazione tipici

• Progetto europeo AD700: Utilizzato Inconel 617 e Inconel 740h per surheater e reheater in 700 ℃ caldaie USC, Dimostrare stabilità a lungo termine.
• Programma A-USC Giappone: Impiegato HR3C e Super 304h per i superheater, combinato con p92 per zone a basso temperatura, Raggiungere un'elevata efficienza e basse emissioni.
• Cina centrali elettriche USC: Alcune piante usano HR3C e P92, con leghe a base di nichel (per esempio., Inconel 740h) essere gradualmente adottato.

5. Conclusione

Il design di 700 ℃ tubi a caldaie ad alta pressione ultra-supercritica si basa principalmente sui seguenti materiali:

• Leghe a base di nichel (per esempio., Inconel 740h, 617): Ideale per le zone di temperatura più alte (≥700 ℃), Offrire la migliore resistenza alla corrosione e alla corrosione ma ad un costo elevato.
• Acciai inossidabili austenitici avanzati (per esempio., Super 304h, HR3C): Adatto per 600–700 ℃ zone, Fornire un equilibrio economico con una buona resistenza all'ossidazione.
• Acciai ferritici/martensitici di alto livello (per esempio., P91, P92): Utilizzato in zone inferiori a 650 ℃, economico ma limitato in prestazioni ad alta temperatura.

La selezione del materiale dovrebbe considerare la temperatura specifica, pressione, ambiente corrosivo, e vincoli di costo. Processi di produzione rigorosi e controllo di qualità sono essenziali per garantire le prestazioni del tubo. Le leghe a base di nichel sono la tendenza futura per 700 ℃ e al di sopra delle caldaie USC, Mentre gli acciai inossidabili austenitici e gli acciai martesitici migliorati rimangono fondamentali per le zone di transizione.