Новые конструкционные материалы для угольных энергоблоков на суперсверхкритические параметры пара
1 Новые конструкционные материалы для угольных энергоблоков на суперсверхкритические параметры пара Заместитель генерального директора Директор института материаловедения ОАО НПО «ЦНИИТМАШ», В.Н. Скоробогатых 1
2 Температура пара, С Давление пара, МПа Повышение КПД цикла, % СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГЕТИКИ На современном этапе развития тепловой энергетики можно выделить два основных направления: создание угольных блоков с повышенной эффективностью сжигания топлива и переходом на ССКП (температура ºС, давление 30-35МПа); перевод газовой энергетики на парогазовые установки (ПГУ) температура высокотемпературной части котлов составляет ºС. Передовая современная станция ССКП , , , Типичная современная докритическая станция Типичная для России Станция СКД ,1 24, Докритические Сверхкритические Давление пара, бар ,6 20 Реализация программ по 16,5 разработке материалов для работы при 600 о С о С (COST501, EPRI и др.) Повышение рабочей температуры пара с 540ºС до 600ºС способствует увеличению КПД блока на 4%-6% и уменьшению вредных выбросов парниковых газов на 40%. 2
3 . Турбина Паропровод Котёл Наличие материалов, способных обеспечить безопасную эксплуатацию на протяжении всего ресурса, является ключевым вопросом при создании энергоблоков c суперсверхкритическими параметрами пара (ССКП) 3
4 ПРИНЦИПЫ РАЗРАБОТКИ И ОБЪЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ НОВЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ ХРОМИСТЫХ МАРТЕНСИТНЫХ СТАЛЕЙ Т max = 600 o C Т max = 620 o C Т max = 650 o C 10Х9М2ФБ трубы +Mo 10Х9МФБ трубы, поковки, лист Трубопроводы Супер ВВЭР Котлы, трубопроводы ТЭС и АЭС Турбины ТЭС +W +W Парогенератор ВТГР 10Х9В2МФБР трубы Трубопроводы ССКП 12Х10В1М1ФБР поковки +Co +Co -C 10Х9К3В2МФБР трубы 02Х9К3В2МФБР трубы 10Х11К4ВМФБР поковки, трубы Трубопроводы ССКП Трубопроводы ССКП +Si Роторы турбин ССКП 10Х9НСМФБ трубы, поковки Теплообменное оборудование и корпуса АЭУ «БРЕСТ» и СВБР Роторы турбин ССКП 4
5 МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ КОТЕЛЬНОГО И ПАРОПРОВОДНОГО ОБОРУДОВАНИЯ 12Х1МФ 550 (585*) 15Х1М1Ф 560 (575**) 10Х9МФ Б 590 (620*) 12Х11В2МФ 590 (620*) 12Х10М1В1ФБР Х9В2МФБР Х18Н12Т 620 (640*) Температура, С Максимальные температуры применения жаропрочных сталей для материалов паропроводов и поверхностей нагрева по критерию длительной прочности 100МПа за 100 тыс. часов (ПБ , ПБ ) 5
6 Этап 5 Этап 4 Этап 3 Этап 2 Этап 1 ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗРАБОТКИ И ОСВОЕНИЯ НОВЫХ ХРОМИСТЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ Исходные требования конструктора к свойствам материала Разработка системы легирования: - анализ литературы; - компьютерное моделирование Изготовление опытных плавок Разработка принципиальной технологии выплавки новых сталей Исследование служебных свойств сталей, включая жаропрочные. Исследование тонкой структуры. Изготовление опытных образцов полуфабрикатов (поковок, пластин, бесшовных труб) Определение требований к качеству промышленных полуфабрикатов Разработка ТИ на изготовление промышленных полуфабрикатов и ТУ на полуфабрикаты Исследование служебных свойств опытных полуфабрикатов Изготовление опытных образцов сварных соединений новых сталей Подготовка программ и методик контроля Разработка ТИ на сварку и ТО сварных соединений Исследование служебных свойств сварных соединений Освоение изготовления промышленных полуфабрикатов (слитки ЭШП, поковки, трубные заготовки и трубы) Определение требований к качеству промышленных полуфабрикатов. Разработка ТИ на гибку труб Освоение изготовления элементов энергетического оборудования (гибы, сварные соединения промышленных труб) Проведение аттестационных испытаний 6
7 % NB ПРИМЕР РАСЧЕТА: ВЛИЯНИЕ ВАНАДИЯ И НИОБИЯ НА THERMO-CALC ( :17.04) : ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И СВОЙСТВА DATABASE:TCFE6 T=923.17, P= E5, N=1, W(CR)=9E-2, W(MO)=5E-3, W(W)=2E-2, W(C)=1E-3, W(N)=5E-4, W(CO)=3E-2; Nb (Wt.%) 0, , , , o C, hr T=650 C M 23 C 6 + MN + MC+ Laves + Ferrite 40 N/mm, 2 50 N/mm 2 60 N/mm 2 70 N/mm N/mm 2 90 N/mm 50 2 N/mm Ванадий и ниобий вносят значительный вклад в повышение сопротивления ползучести за счет образования ультрадисперсных частиц типа MX, не склонных к коагуляции; , ,05 0 M 23 C 6 + MX + M 2 X + Laves + Ferrite 0,00 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0, V (Wt.%) % V M 23 C 6 + MN + Laves + Ferrite Содержание ванадия и ниобия: 0.18% ( %V ) 0,25% 0.06% (%Nb) 0.08% 7
8 ОСВОЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛУФАБРИКАТОВ И ЭЛЕМЕНТОВ ЭНЕРГООБОРУДОВАНИЯ ИЗ НОВЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ Новые хромистые жаропрочные стали наряду с высоким уровнем характеристик жаропрочности, сопротивляемости высокотемпературному старению и хрупким разрушениям обеспечивают технологичность при выплавке, обработке давлением, сварке и термической обработке и создают материаловедческую базу для производства отечественного котельного и паропроводного оборудования с рабочей температурой до 600ºС-650ºС. Слитки ЭШП, трубные заготовки, поковки (ОАО «ЗМЗ», ОАО «МЗ «Электросталь», ОАО «УралКуз») Котельные трубы (ОАО «ПНТЗ») Паропроводные трубы (ОАО «ЧТПЗ») Ø42х6 мм Ø32х6 мм Ø325х34 мм Сварные соединения опытных элементов трубопроводов (ОАО «ТКЗ Красный котельщик», ОАО «ЗиО-Подольск») Гнутые элементы трубопроводов (ЗАО «Энергомаш (Белгород) БЗЭМ») Сварное соединение паропроводной трубы Элемент коллектора Гиб паропроводной трубы Гиб пароперегреветельной трубы Опытно-промышленные освоение изготовления элементов энергетического оборудования 8
9 Напряжение s, МПа ДЛИТЕЛЬНАЯ ПРОЧНОСТЬ СТАЛИ 10Х9В2МФБР 1000 Суммарная длительность испытаний более часов Максимальная длительность испытаний часов s 10 5 при Т=600 о С s 2*10 5 при Т=600 о С s 10 5 при Т=620 о С s 2*10 5 при Т=620 о С 100 I II I Средняя линия. II Допускаемое отклонение 20% ,000 33,000 34,000 35,000 36,000 37,000 38,000 Параметр P=T(Lgt+36)10-3 Прутки 20мм, лабораторная плавка (Данные ЦНИИТМАШ) Паропроводная труба 465х75 мм (Данные ЦКТИ) Паропроводная труба размером 377х50 мм (Данные ЦНИИТМАШ) Паропроводная труба 377х50 мм (Данные ВТИ) Гиб (R=1370 мм) с печного нагрева, труба 377х50 мм, растянутый участок гиба (Данные ЦНИИТМАШ) Паропроводная труба размером 465х75 мм (Данные ЦНИИТМАШ) Паропроводная труба 465х75 мм (Данные ВТИ) Гиб (R=1370 мм) с печного нагрева, труба 377х50 мм, прямой участок гиба (Данные ЦНИИТМАШ) Рисунок 11 - Параметрическая диаграмма длительной прочности стали марки 10Х9В2МФБР-Ш. 9
10 Предел длительной прочности (Н/мм 2 ) за 10 5 часов ДЛИТЕЛЬНАЯ ПРОЧНОСТЬ ХРОМИСТЫХ СТАЛЕЙ Х1МФ 15Х1М1Ф 10Х9МФБ X10CrMoVNb9-1 10Х9В2МФБР 10Х9К3В2МФБР ºC 620ºC 650ºC 12Х1МФ Х1М1Ф Х9МФБ X10CrMoVNb Х9В2МФБР Х9К3В2МФБР Температура испытания, С 10
11 ИЗГОТОВЛЕНИЕ ГИБА ИЗ ТРУБЫ 377Х50ММ Изготовитель ПК «Завод энергетического оборудования» ЧАО «ТММ-Энергострой» (Стан гибочный ТВЧ производства AWS Schäfer ) 11
12 ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ГИБОВ (Печь газовая «ТермоГаз ДО /1100-И4-Н» производства КЕРАМАШ - Украина) Изготовитель ПК «Завод энергетического оборудования» ЧАО «ТММ-Энергострой» 12
13 ВИД ГИБА ПОСЛЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ И ОЧИСТКИ Гиб прямошовной электросварной трубы 630x28мм из стали Gr. 91 Изготовитель ПК «Завод энергетического оборудования» ЧАО «ТММ-Энергострой» 13
14 ГИБ ИЗ ТРУБЫ 720Х40 СТАЛЬ 15Х1М1Ф РАДИУСОМ 740 ММ И УГЛОМ ЗАГИБА 90º Выполнено на гибочном ТВЧ стане SRBMI 1200 производства AWS Schäfer. Изготовитель ПК «Завод энергетического оборудования» ЧАО «ТММ-Энергострой» 14
15 ГРАНИЦЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ РАЗНЫХ КЛАССОВ СТАЛЕЙ 15
16 ТЕХНОЛОГИЯ ЗАВОДСКОЙ И МОНТАЖНОЙ СВАРКИ ЭЛЕМЕНТОВ ТРУБОПРОВОДОВ ИЗ ХРОМИСТЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ 16
17 СВАРОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ХРОМИСТЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ Материал Полуфабрикат Сварочные материалы 10Х9МФБ Поковки и трубы толщиной от 3 до 150 мм сварочные электроды Thermanit MTS 3диаметром 3мм и 4 мм Сварочная проволока BOHLER C 9 MV-UP диаметром 3мм Сварочный флюс BOHLER BB Х9В2МФБР Поковки и трубы толщиной от 3 до 80 мм сварочные электроды Thermanit MTS 3диаметром 3мм и 4 мм Сварочная проволока BOHLER C 9 MV-UP диаметром 3мм Сварочный флюс BOHLER BB Х9К3В2МФБР Трубы толщиной до 34 мм сварочные проволока Thermanit MTS 616 диам.2,0 мм Проволока Thermanit MTS 5 COT диам.2,0 мм Электроды Thermanit MTS 5 COT диам.3,2 мм х 350 мм Флюс Marathon
18 РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ НА ДЛИТЕЛЬНУЮ ПРОЧНОСТЬ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ИЗ СТАЛИ 10Х9МФБ 18
19 ТРУБЫ ИЗ СТАЛИ МАРКИ 15NICUMONB5 (WB 36) Основное назначение - трубопроводы питательной воды с рабочей температурой от 280 до 360 о С. Трубы из стали 15NiCuMoNb5 (WB 36) применяются начиная с 1970-х годов в Европе, Южной Африке, Австралии, Китае и т.д. Многие станции беспроблемно отработали уже более часов. На сегодняшний день функционирует электростанция «Hermann Wenzel» в составе которой трубопровод питательной воды из стали марки 15NiCuMoNb5(WB 36) отработал уже более часов. Основные преимущества перед углеродистыми марками стали: - высокие прочностные характеристики до температуры 450 о С; - повышенная стойкость к термической усталости; - повышенные теплопроводящие свойства. Применение труб из стали марки 15NiCuMoNb5 (WB 36) вместо труб из углеродистых марок стали позволяет уменьшить толщину стенки на 15-35% и, как следствие, заметно уменьшить вес трубопровода. 19
20 ТРУБЫ ИЗ СТАЛИ МАРКИ 15NICUMONB5 (WB 36) Кратковременные механические свойства. Ударная вязкость. Материал исследования Трубы размером 355,6х40мм из стали марки 15NiCuMoNb5 производства Vallourec & Mannesmann Tubes Т исп С σ 0,2 МПа σ в МПа δ % 18,0 18,0 17,0 18,5 17,0 18,5 14,5 16,0 14,0 14,5 13,5 13,5 18,5 18,5 16,9 18,5 17,5 16,5 ψ % 67,5 65,5 65,5 66,5 65,5 69,5 63,0 67,0 59,0 56,5 58,5 54,0 61,0 58,5 70,5 72,5 73,0 74,5 Располож ение образца вдоль поперек Материал исследования Трубы размером 355,6х40мм из стали марки 15NiCuMoNb5 производства Vallourec & Mannesmann Tubes Т исп С 20 KCU Дж/см Требования EN Допускаемые напряжения. Состояние поставки KCV Дж/см не менее 50 не менее 30 Допускаемые напряжения, МПа, при температуре о С Примечани е вдоль поперек вдоль поперек ,0 17,5 76,0 74,5 Нормализация + отпуск Требования EN не менее не менее 19 не менее 17 - вдоль поперек Аустенизация-Закалка + отпуск
21 СВЕДЕНИЯ О ПРОИЗВОДИТЕЛЯХ КОТЕЛЬНЫХ ТРУБ Страна Фирма Сортамент Марки стали Германия, Франция Vallourec&Mannesmann 21,3-711х 3-100мм X10CrMOVNb9-1 Германия 406,4-1118,0- EBK Grade91(P91) 10,0-35,0мм 70,0-244,5х X10CrMoVNb9-1, Р91, Т91 ESW Rohrenwerke GmbH 7,1-60,0 мм США Wyman Gordon 219,1-1219х 12,7-177,8мм Р91 Япония JFE Steel Corporation 25,4-89,0х 2,3-13,0 мм Т x 2,3-65 мм X10CrMoVNb9-1, Р91 Чешская республика Z-Group Steel Holding, divize Válcovny trub Chomutov х 18-55мм X10CrMoVNb9-1, Р91. Украина Италия, Румыния Испания Россия ООО «ИНТЕРПАЙП НИКО ТЬЮБ» Tenaris Tubos Reunidos Industrial ОАО «ЧТПЗ» ОАО «ПНТЗ» ЗАО «ВМЗ «Красный Октябрь» ПП «Баррикады» х 6-34мм х 6-50мм х 2-44 мм 26,7-180х 2,6-19мм мм х 17-50мм 10Х9МФБ X10CrMoVNb9-1, T91 P265GH, 9CrMo9-10, X10CrMoVNb9-1, T/P 91, T22 20, 12Х1МФ, 10Х9МФБ, X10CrMoVNb9-1, Р91 20, 15ГС, 15ХМ, 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 10Х9МФБ, 10Х9В2МФБР 12Х18Н12Т 20, 12Х1МФ,, 10Х9МФБ, 12Х18Н12Т. 10Х9МФБ 21
22 Требуемый базовый уровень жаропрочности для материалов оборудования ТЭС, работающего при повышенных температурах Технологические параметры ТЭС за рубежом Освоенная технология СКП Рыночное освоение технологии ССКП Проведение НИОКР по технологии УСКП в Европе и Японии Проведение НИОКР по технологии УСКП в США 22
23 СЛУЖЕБНЫЕ СВОЙСТВА ЖАРОПРОЧНЫХ ХРОМИСТЫХ СТАЛЕЙ ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ ТУРБИН. Марка стали 15Х11МФБЛ (1Х11МФБЛ, Х11ЛА) Назначение, стандарт Отливки 1,2), ОСТ Кратковременные механические свойства при 20 С. σ 0,2, МПа σ В, МПа δ, % ψ, % Ударная вязкость KCU, Дж/см Длительная прочность, МПа, при температурах С Х12ВНМФЛ (15Х12ВНМФЛ, Х11ЛБ, ЭИ802Л) Отливки 1), ГОСТ Х11МФБЛmod Отливки 3), ТТ ,0 19,5 15,5 20,5 65,0 62,0 54,0 67, ) X10CrMoVNb9-1 Трубы 4), EN не менее не менее 19,0 - не менее 50 11) X10CrMoVNb9-1 Поковки 5), EN не менее не менее 19,0 - не менее 50 11) GX12CrMoVNbN9-1 Отливки 6), ЕССС Х9МФБ Трубы 7), ТУ 14-3Р не менее 400 не менее 600 не менее 19,0 не менее 55,0 не менее Х9МФБ Поковки 8,9), ТТ не менее не менее 17,0 не менее 50, Х10М1В1ФБР Опытный Ротор 10) ,0 21,5 63,0 67, )
24 ЖАРОПРОЧНАЯ СТАЛЬ МАРКИ 12Х10М1В1ФБР ДЛЯ РОТОРОВ ПАРОВЫХ ТУРБИН БЛОКОВ ССКП Опытно-промышленная поковка ротора ВД Марка стали, страна Х12CrMoWVN6N (Европа) * HR 1100 (Япония) * 12Х10В1М1ФБР (Россия) Содержание легирующих элементов, вес.% C Si Mn S P Cr Ni Mo W V Nb B N 0,12 0,1 0,50 0,01 0,01 10,0 0,80 1,0 1,0 0,20 0,05-0,05 0,14 0,15 0,50 0,01 0,01 10,0 0,60 1,2 0,8 0,20 0,05-0,05 0,10-0,14 <0,1 0,20-0,40 0,01 0, ,5 0,3-0,5 0,9-1,1 0,9-1,1 0,18-0,25 0,04-0,06 0,003-0,005 0,03-0,05
25 Kq, МПа м1/2 ВЯЗКОСТЬ РАЗРУШЕНИЯ И КРИТИЧЕСКАЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ХРУПКОСТИ ПО МЕТОДУ МАСТЕР-КРИВОЙ МЕТАЛЛА ПОКОВКИ РОТОРА ИЗ СТАЛИ 12Х10В1М1ФБР CТ-1Т - 5% кривая - мастер-кривая % кривая температура Т, С
26 Напряжение, МПа РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ НА ДЛИТЕЛЬНУЮ ПРОЧНОСТЬ МЕТАЛЛА ОТЛИВОК ИЗ СТАЛИ 15Х11МФБЛ-MOD 1000 Суммарная длительность испытаний более часов Максимальная длительность испытаний часов s 10 5 при Т=550 о С s 10 5 при Т=570 о С s 10 5 при Т=580 о С s 10 5 при Т=590 о С s 10 5 при Т=600 о С s 10 5 при Т=610 о С 100 I I II Параметрическая кривая длительной прочности стали марки Т/Р91 (X10CrMpVNb9-1) (данные ЕN ) Допускаемое отклонение 20% Результаты испытаний образцов пробы в состоянии поставки Результаты испытаний образцов пробы в состоянии поставки Результаты испытаний образцов пробы послесварочного отпуска при Т=730С, 6ч. Результаты испытания образцов пробы в состоянии поставки КП 48 Результаты испытаний образцов пробы в состоянии поставки Результаты испытаний образцов пробы в состоянии поставки , , , , ,5 31 Р=T(30+Lgt)10-3 Марка стали 15Х11МФБЛmod. 0,11 0,14 Содержание легирующих элементов, вес.% C Si Mn S P Cr Ni Mo V Nb Cu N 0,2 0,5 0,3 0,8 не более 0,01 не более 0,02 8,0 9,5 не более 0,4 0,85 1,05 0,18 0,25 0,06 0,10 - II 0,03 0,07
27 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Для высокотемпературного котельного и паропроводного оборудования с рабочей температурой пара от 570 о С до 650 о С разработаны и освоены в промышленном производстве жаропрочные стали марок 10Х9МФБ, 10Х9В2МФБР-Ш и 10Х9К3В2МФБР-Ш. Марка стали 10Х9МФБ (10Х9МФБ-Ш) 10Х9В2МФБР-Ш Рекомендованная область применения Максимальная допускаемая температура применения, ºС Элементы поверхностей нагрева котлов 620 Элементы коллекторов и трубопроводов, работающих под давлением Элементы коллекторов и трубопроводов, работающих под давлением 10Х9К3В2МФБР-Ш Элементы коллекторов, трубопроводов и поверхностей нагрева 650 Для отечественной стали 10Х9МФБ в полном объеме завершено создание материаловедческой, технологической и нормативной базы, обеспечивающей все стадии проектирования, в т.ч. обоснование прочности и расчета ресурса, изготовления, монтажа, эксплуатации и ремонта паропроводов блоков ССКП с температурой металла до 600 о С и поверхностей нагрева котлов с рабочей температурой до 620 о С. С учетом того, что в период разработки сталей марок 10Х9В2МФБР-Ш и 10Х9К3В2МФБР- Ш основное внимание уделялось достижению необходимого уровня жаропрочных характеристик: с целью определения эксплуатационных прибавок к толщине стенки элементов оборудования (на ресурс до 200 тыс. часов) должны быть проведены испытания на коррозию в пароводяной среде и в газовой среде продуктов сгорания топлив. с целью обоснования параметров эксплуатации, ресурса и прогнозирования повреждаемости металла в результате воздействия циклических нагрузок и ползучести при повышенных температурах должны быть проведены исследования структурных механизмов и изменения служебных свойств жаропрочных сталей
28 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 2. Для роторов паровых турбин блоков ССКП с рабочей температурой пара до 620 о С разработана и освоена в опытно-промышленном производстве хромистая жаропрочная сталь мартенситного класса марки 12Х10В1М1ФБР. 3. Новые хромистые жаропрочные стали наряду с высоким уровнем характеристик жаропрочности, сопротивляемости высокотемпературному старению и хрупким разрушениям показали высокую технологичность при выплавке, обработке давлением, сварке и термической обработке. 4. Отмечено технологическое отставание в производстве котельных труб по сравнению с ведущими зарубежными предприятиями, как по освоению новых марок жаропрочной стали, так и по эффективности производственного процесса, что приводит к расширению импортной составляющей в обеспечении котельного производства. 28