การออกแบบวัสดุสำหรับท่อหม้อไอน้ำแรงดันสูง 700 ℃

การออกแบบวัสดุสำหรับ 700 ℃ท่อหม้อไอน้ำแรงดันสูงเป็นพิเศษ

มีความสำคัญเป็นพิเศษ (USC) แรงกดดันสูง ท่อหม้อไอน้ำ ออกแบบมาสำหรับการดำเนินงาน 700 ℃จะต้องทนต่ออุณหภูมิและแรงกดดันที่รุนแรง (โดยทั่วไปแล้วจะเกิน 27.5 MPA และถึง 700 ℃หรือสูงกว่า). วัสดุเหล่านี้ต้องการความพิเศษ ความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูง, ความต้านทานการเกิดออกซิเดชัน, การกร่อน ความต้านทาน, และ ความต้านทานการคืบคลาน. ด้านล่างนี้เป็นภาพรวมของวัสดุที่ใช้กันทั่วไปสำหรับการออกแบบท่อหม้อไอน้ำ 700 ℃ USC, คุณสมบัติของพวกเขา, และข้อควรพิจารณาที่สำคัญ.

1. วัสดุที่ใช้กันทั่วไป

โดยทั่วไปท่อหม้อไอน้ำ USC จะใช้ โลหะผสมที่ใช้นิกเกิลขั้นสูง, สแตนเลสสตีลออสเทนนิติก, หรือ เหล็ก Ferritic/Martensitic สูง. ตัวเลือกวัสดุขึ้นอยู่กับสภาพการทำงานของส่วนประกอบเช่น superheaters หรือนักอุ่นเครื่อง. ด้านล่างนี้เป็นวัสดุทั่วไปที่ใช้.

1.1 โลหะผสมนิกเกิล

โลหะผสมที่ใช้นิกเกิลเป็นตัวเลือกที่ต้องการสำหรับท่อหม้อไอน้ำ 700 ℃ USC เนื่องจากความแข็งแรงที่เหนือกว่าของพวกเขา, ความต้านทานการเกิดออกซิเดชัน, และความต้านทานการกัดกร่อนที่อุณหภูมิสูง.

เกรดทั่วไป:
- อินโคเนล 617 (US N06617): มีนิกเกิล, อาจมีองค์ประกอบอื่นในปริมาณที่น้อยเกินไปที่จะส่งผลต่อคุณสมบัติของมัน, โคบอลต์, และโมลิบดีนัม, เหมาะสำหรับ 700 ℃ขึ้นไป, ด้วยความต้านทานการคืบที่ยอดเยี่ยมและความต้านทานออกซิเดชัน.
- Inconel 740/740h: ออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับหม้อไอน้ำ USC, มีนิกเกิล, อาจมีองค์ประกอบอื่นในปริมาณที่น้อยเกินไปที่จะส่งผลต่อคุณสมบัติของมัน, โคบอลต์, และไทเทเนียม, ให้ความแข็งแรงและความต้านทานต่อการกัดกร่อนของเถ้าถ่านหินสูง.
- โลหะผสม 263: เหมาะสำหรับงานที่มีอุณหภูมิสูง, สภาพแวดล้อมที่มีแรงดันสูง, โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับโครงสร้างรอยเชื่อม.
องค์ประกอบทางเคมี (ตัวอย่างที่ไม่น่าอยู่ 740h):

ธาตุ	Ni	Cr	ร่วม	Mo	Nb	Ti	อัล	เฟ	คนอื่น ๆ
เนื้อหา (%)	สมดุล	24.0–26.0	19.0–21.0	0.1–0.5	1.5–2.5	1.4–2.0	1.2–1.8	≤2.0	รอง C, ศรี, ฯลฯ.

คุณสมบัติทางกล (ตัวอย่าง):
- ความแข็งแรง: ≥1000 MPa (อุณหภูมิห้อง); ≥600 MPa (700℃)
- ความแข็งแรงให้ผลผลิต: ≥700 MPa (อุณหภูมิห้อง); ≥400 MPa (700℃)
- ชีวิตคืบคลาน: ≥100,000ชั่วโมงที่ 700 ℃ภายใต้ 100 ความเครียด MPA
การใช้งาน: ใช้ใน superheaters และ ready ในเขตอุณหภูมิสูงสุด, สามารถทนต่อความร้อนและก๊าซที่มีฤทธิ์กัดกร่อนได้ (เช่น., กำมะถัน- หรือก๊าซไอเสียที่มีคลอรีน).

1.2 สแตนเลสสตีลออสเทนนิติกขั้นสูง

สแตนเลสสแตนเลสออสเทนนิติกเหมาะสำหรับช่วงอุณหภูมิที่ต่ำกว่าเล็กน้อย (600–700 ℃), นำเสนอความต้านทานการกัดกร่อนที่ดีและความสามารถในการประมวลผล, แม้ว่าการต้านทานคืบของพวกเขาจะด้อยกว่าโลหะผสมนิกเกิล.

เกรดทั่วไป:
- Super 304h (US S30432): มี 18cr-8ni พร้อม Cu เพิ่มเติม, Nb, และ n สำหรับความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูงและความต้านทานออกซิเดชันสูง.
- HR3C (25CR-20NI-NB-N): เหล็กออสเทนนิติกโครโมโซมสูงที่มีการออกซิเดชั่นที่ยอดเยี่ยมและความต้านทานการกัดกร่อนของไอน้ำ.
- TP347HFG: TP347H เวอร์ชันละเอียด, ด้วยความต้านทานการคืบที่ดีขึ้น.
องค์ประกอบทางเคมี (ตัวอย่างสุดยอด 304H):

ธาตุ	C	Cr	Ni	Cu	Nb	N	Mn	ศรี	P	S
เนื้อหา (%)	0.07–0.13	17.0–19.0	7.5–10.5	2.5–3.5	0.3–0.6	0.05–0.12	≤1.0	≤0.3	≤0.04	≤0.01

คุณสมบัติทางกล (ตัวอย่าง):
- ความแข็งแรง: ≥590 MPa (อุณหภูมิห้อง); ≥300 MPa (700℃)
- ความแข็งแรงให้ผลผลิต: ≥235 MPa (อุณหภูมิห้อง); ≥150 MPa (700℃)
- ชีวิตคืบคลาน: 10,000–100,000 ชั่วโมงที่ 700 ℃ภายใต้ 100 ความเครียด MPA
การใช้งาน: ใช้ในโซนอุณหภูมิสูงรองสำหรับ superheaters, เครื่องอุ่น, และท่อไอน้ำ.

1.3 เหล็ก Ferritic/Martensitic สูง

เหล็กเหล่านี้ใช้ในพื้นที่ที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า 650 ℃, เสนอต้นทุนที่ต่ำกว่าโลหะผสมนิกเกิลหรือเหล็กออสเทนนิติก, แต่ประสิทธิภาพของพวกเขาที่ 700 ℃มี จำกัด, ทำให้เหมาะสำหรับโซนเฉพาะกาล.

เกรดทั่วไป:
- P91 (มาตรฐาน ASTM A335 P91): 9Cr-1mo Steel, เหมาะสำหรับสภาพแวดล้อม 600–650 ℃.
- P92 (ASTM A335 P92): ปรับปรุงเหล็ก 9cr-2W พร้อมเพิ่ม W, Nb, และ B, ให้ความต้านทานการคืบที่ดีกว่า p91.
- มาร์บน์: เหล็กโครเมียมมาร์เทนซิติกสูงใหม่ที่มี 9–12cr และเพิ่ม B, N, ใกล้ขีด จำกัด 700 ℃.
องค์ประกอบทางเคมี (p92 ตัวอย่าง):

ธาตุ	C	Cr	Mo	W	V	Nb	B	N	Mn	ศรี
เนื้อหา (%)	0.07–0.13	8.5–9.5	0.3–0.6	1.5–2.0	0.15–0.25	0.04–0.09	0.001–0.006	0.03–0.07	0.3–0.6	≤0.5

คุณสมบัติทางกล (ตัวอย่าง):
- ความแข็งแรง: ≥620 MPa (อุณหภูมิห้อง); ≥350 MPa (650℃)
- ความแข็งแรงให้ผลผลิต: ≥440 MPa (อุณหภูมิห้อง); ≥200 MPa (650℃)
- ชีวิตคืบคลาน: ~ 100,000 ชั่วโมงที่ 650 ℃ภายใต้ 100 ความเครียด MPA
การใช้งาน: ใช้ในท่อไอน้ำหลัก, ผู้ขับขี่อุณหภูมิต่ำกว่า, หรือนักอุ่นเครื่อง.

2. ข้อควรพิจารณาในการออกแบบสำหรับการเลือกวัสดุ

เมื่อออกแบบท่อหม้อไอน้ำ 700 ℃ USC, การเลือกวัสดุจะต้องสร้างความสมดุลให้กับปัจจัยต่อไปนี้:

อุณหภูมิและความดันในการทำงาน:
- โซนที่ 700 ℃ขึ้นไป (เช่น., superheaters, เครื่องอุ่น) จัดลำดับความสำคัญของโลหะผสมนิกเกิล (เช่น., Inconel 740h).
- 600–700 ℃โซนสามารถใช้สแตนเลสสตีลออสเทนนิติกขั้นสูง (เช่น., Super 304h, HR3C).
- โซนต่ำกว่า 650 ℃สามารถใช้ p91, P92, หรือ marbn.
ความต้านทานคืบ:
- Creep เป็นโหมดความล้มเหลวหลักที่ 700 ℃. โลหะผสมนิกเกิลและเหล็กออสเทนนิติกขั้นสูงให้ชีวิตคืบคลานยาวกว่าเหล็กเฟอร์ริติกอย่างมีนัยสำคัญ.
ความต้านทานต่อการเกิดออกซิเดชันและการกัดกร่อน:
- ก๊าซไอเสียอุณหภูมิสูงที่มีซัลเฟอร์หรือคลอรีนทำให้เกิดการกัดกร่อนภายนอก, ในขณะที่ออกซิเดชันด้านไอน้ำเป็นเรื่องที่น่ากังวล. โลหะผสมนิกเกิลและเหล็กออสเทนนิติกสูง (เช่น., HR3C) ยอดเยี่ยมในการต่อต้านการกัดกร่อนของเถ้าถ่านหินและการออกซิเดชั่นไอน้ำ.
ต้นทุนและความสามารถในการประมวลผล:
- โลหะผสมที่ใช้นิกเกิลมีราคาแพงและท้าทายในการประมวลผลและเชื่อม, เหมาะสำหรับส่วนประกอบอุณหภูมิสูงที่สำคัญ.
- สแตนเลสสตีลออสเทนนิติกและ P91/P92 นั้นมีประสิทธิภาพมากขึ้นและง่ายต่อการเชื่อมและดำเนินการ, เหมาะสำหรับแอปพลิเคชันที่กว้างขึ้น.
ความสามารถในการเชื่อม:
- โลหะผสมที่มีนิกเกิลเป็นส่วนประกอบหลัก (เช่น., Inconel 740h) ต้องการกระบวนการเชื่อมแบบพิเศษและวัสดุฟิลเลอร์.
- เหล็กสเตน (เช่น., Super 304h) มีความสามารถในการเชื่อมที่ดี แต่ต้องมีการควบคุมโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน.
- P91/P92 ต้องการความร้อนที่เข้มงวดและการรักษาความร้อนหลังการทำงานเพื่อป้องกันการแตกร้าว.
เสถียรภาพระยะยาว:
- วัสดุจะต้องรักษาเสถียรภาพของโครงสร้างจุลภาคในระหว่างการดำเนินงานอุณหภูมิสูงในระยะยาว, หลีกเลี่ยงการสร้างเฟสที่เปราะ (เช่น., σเฟส) หรือการเจริญเติบโตของธัญพืช.

3. กระบวนการผลิต

กระบวนการผลิตท่อหม้อไอน้ำ 700 ℃ USC มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการสร้างความมั่นใจในประสิทธิภาพของวัสดุ. ขั้นตอนสำคัญรวมถึง:

การผลิตที่ไร้รอยต่อ: การกลิ้งร้อนหรือการวาดแบบเย็นช่วยให้มั่นใจได้ว่าท่อปราศจากข้อบกพร่องโดยไม่ต้องเชื่อมต่อความไม่สมบูรณ์.
การรักษาความร้อน:
- โลหะผสมนิกเกิล: การหลอมโซลูชัน (1100–1200 ℃) ตามด้วยอายุเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพขั้นตอนการตกตะกอน (เช่น., C’ ขั้นตอน).
- เหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติก: การรักษาด้วยสารละลาย (1050–1150 ℃) เพื่อป้องกันการกัดกร่อนระหว่างเกรน.
- เหล็ก Ferritic/Martensitic: Normalizing (1050–1100 ℃) และอารมณ์ (750–800 ℃) เพื่อทำให้โครงสร้าง Martensitic เสถียร.
การรักษาพื้นผิว: ยิงระเบิดหรือดองเพื่อลบระดับออกไซด์และเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อน.
ท่อฉนวน:
- การวิเคราะห์องค์ประกอบทางเคมี: รับรองการปฏิบัติตาม CR, Ni, Mo, และข้อกำหนดองค์ประกอบอื่น ๆ.
- การทดสอบทางกล: รวมถึงแรงดึงอุณหภูมิสูง, คืบคลาน, และการทดสอบความเหนื่อยล้า.
- การทดสอบแบบไม่ทำลาย (NDT): การทดสอบอัลตราโซนิกและรังสีเพื่อตรวจจับข้อบกพร่องภายใน.
- การทดสอบการกัดกร่อนอุณหภูมิสูง: จำลองสภาพแวดล้อมของเถ้าถ่านหินและไอน้ำเพื่อตรวจสอบความต้านทานการกัดกร่อน.

4. กรณีแอปพลิเคชันทั่วไป

โครงการ AD700 ยุโรป: ใช้งาน Inconel 617 และ Inconel 740h สำหรับ superheaters และนักอุ่นเครื่องใน 700 ℃ USC Boilers, แสดงให้เห็นถึงความมั่นคงในระยะยาว.
โปรแกรม A-USC ของญี่ปุ่น: จ้าง HR3C และ Super 304H สำหรับ superheaters, รวมกับ p92 สำหรับโซนอุณหภูมิต่ำ, บรรลุประสิทธิภาพสูงและการปล่อยมลพิษต่ำ.
โรงไฟฟ้าพลังงาน USC ของจีน: พืชบางชนิดใช้ HR3C และ P92, ด้วยโลหะผสมที่ใช้นิกเกิล (เช่น., Inconel 740h) ค่อยๆถูกนำมาใช้.

5. ข้อสรุป

การออกแบบท่อหม้อไอน้ำแรงดันสูง 700 ℃จะขึ้นอยู่กับวัสดุต่อไปนี้เป็นหลัก:

โลหะผสมนิกเกิล (เช่น., Inconel 740h, 617): เหมาะสำหรับเขตอุณหภูมิสูงสุด (≥700℃), เสนอการคืบและการกัดกร่อนที่ดีที่สุด แต่ในราคาที่สูง.
สแตนเลสสตีลออสเทนนิติกขั้นสูง (เช่น., Super 304h, HR3C): เหมาะสำหรับ 600–700 ℃โซน, ให้ความสมดุลที่ประหยัดต้นทุนด้วยความต้านทานออกซิเดชันที่ดี.
เหล็ก Ferritic/Martensitic สูง (เช่น., P91, P92): ใช้ในโซนต่ำกว่า 650 ℃, ประหยัดต้นทุน แต่ จำกัด ในประสิทธิภาพอุณหภูมิสูง.

การเลือกวัสดุควรพิจารณาอุณหภูมิเฉพาะ, ความดัน, สภาพแวดล้อมการกัดกร่อน, และข้อ จำกัด ด้านต้นทุน. กระบวนการผลิตที่เข้มงวดและการควบคุมคุณภาพเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพของท่อ. โลหะผสมที่ใช้นิกเกิลเป็นเทรนด์ในอนาคตสำหรับ 700 ℃และสูงกว่าหม้อไอน้ำ USC, ในขณะที่สแตนเลสสตีลออสเทนนิติกและเหล็กกล้ามาร์เทนซิติกที่เพิ่มขึ้นยังคงมีความสำคัญต่อโซนเฉพาะกาล.