Новые жаропрочные стали для котлов и паропроводов теплового энергооборудования А.В. Дуб, В.Н. Скоробогатых, И.А. Щенкова, П.А. Козлов Москва, 2013 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РФ – Открытое акционерное общество «Научно- производственное объединение «Центральный научно- исследовательский институт технологии машиностроения»

Современное состояние тепловой энергетики 2 2,5% 3% 2,5% 2% 4% Повышение параметров пара за счет развития материалов 16,7 МПа 538ºC 25,0 МПа ºC 28,5 МПа ºC 30,0 МПа ºC 30,0 МПа ºC Х20 / 15Х1М1Ф HCV 12/ NF 12 10Х9К3В2МФБР Super 304H, Ni-база Мировой уровень °С Повышение КПД РФ °C Е911/P92/ 10Х9В2МФБР Р91/ 10Х9МФБ 27, ºC Мировая энергетика направлена на повышение расчетных параметров пара до суперсверхкритических параметрах пара (от 580 º С до 650 º С, давление МПа) с целью повышения КПД до 47%. Отечественные энергоблоки рассчитаны на докритические параметры пара: давление 13 МПа, температуру °С мощностью до МВт и на сверхкритические параметры: давление 24 МПа, температуру °С мощностью от 300 до 800 МВт. КПД таких энергоблоков не превышает 38%. Наличие материалов, способных обеспечить безопасную эксплуатацию на протяжении всего ресурса, является ключевым вопросом при создании энергоблоков c супер сверхкритическими параметрами пара

Максимальные температуры применения жаропрочных сталей по критерию длительной прочности 100МПа за 100 тыс. часов 3 Параметры ССКП

Сталь 10Х9МФБ. Структура и свойства. 4 CMnCrMoVNbNNiAlPSSi не более 0,08 – 0,12 0,30 – 0,60 8,60 – 10,00 0,80 – 1,00 0,15 – 0,25 0,10 – 0,20 0,03 - 0,07 0,700,0500,0300,0150,50 40 μm X500 Физико-механические свойства стали Предел прочности, Н/мм 2, при 20ºС630 ÷ 830 Предел текучести, Н/мм 2, при 20ºС450 ÷ 560 Предел текучести, Н/мм 2, при 550ºС350 ÷ 450 Относительное удлинение, %, при 20ºС18 ÷ 24 Относительное сужение, %, при 20ºС70 ÷ 90 Ударная вязкость, KCV, Дж/см 2, при 20ºС120 ÷ 240 Критическая температура хрупкости, t k0, ºС-10 ÷ -40 Коэффициент теплопроводности при 550 ºС, кал/см.сек.град 0,068 Коэффициент линейного расширения, К -1 х10 6 при ºС 11,5

Термокинетическая диаграмма распада аустенита в стали 10Х9МФБ 5

Длительная прочность стали 10Х9МФБ 6

Подтверждение характеристик длительной прочности стали 10Х9МФБ 7

Коррозионная стойкость стали 10Х9МФБ в среде перегретого пара 8

Освоение стали марки 10Х9МФБ 9 В процессе освоения стали 10Х9МФБ в промышленных условиях выплавлено более 20 плавок и изготовлены для опытного ПГ БН 800 и аттестационных испытаний следующие полуфабрикаты: лист толщиной 6мм, 10мм, 15мм, 25мм, 30мм, 32мм, 40мм и 150мм; поковки толщиной 70 мм, 20 мм, 400 мм и 600 мм; трубная заготовка диаметром 105 мм, 190 мм и 230 мм; холоднодеформированные трубы размером 16×2,5 мм; 25×3,5 мм; 38×4,5 мм и 95×11 мм; горячедеформированные трубы размером 133×5-16 мм; 194×12 мм; 245×14мм.

Сварные соединения 10 Теплообменные трубы толщиной от 2,5 до 6 мм Паропроводные трубы толщиной мм Лист толщиной мм Ручная аргонно-дуговая сварка – Св10Х9НМФА, Ø 2 мм Thermanit MTS3, Ø 2 мм Ручная-дуговая сварка покрытыми электродами – ЦЛ57, Ø 3-4 мм Thermanit Chromo 9V, Ø 3,2 мм Автоматическая сварка под флюсом - Thermanit MTS3 Ø3,2 мм, Флюс Marathon 543 Предварительный подогрев °С, сопутствующий подогрев – °С, послесварочный отпуск – °С

Освоенные полуфабрикаты из стали 10Х9МФБ и перечень нормативных документов 11 Вид полуфабрикатаТехнические условияЗавод-изготовитель Лист толщиной 3,5-32мм ТУ ЗАО «ВМЗ «Красный Октябрь» Лист толщиной мм Поковки толщиной до 600мм ТУ ЗАО «КМЗ «Ижора-металл» Заготовка трубная диаметром мм Заготовка трубная диаметром мм ТУ ТУ ПАО «Днепроспецсталь» (Украина) ЗАО «ВМЗ «Красный октябрь», ЧФ ОАО «Уралкуз», ОАО «ЗМЗ» Заготовка трубная диаметром до 540мм ТУ ТУ ЧФ ОАО «Уралкуз» ОАО «ЗМЗ» Трубы холодно- и горячедеформированные диаметром мм ТУ 14-3Р ОАО «ПНТЗ» ОАО «ЧТПЗ» ООО «ИНТЕРПАЙП НИКО ТЬЮБ» (Украина) Трубы горячедеформированные диаметром мм ТУ ЗАО «ВМЗ «Красный Октябрь»

Перечень базовых нормативных документов на применение стали 10Х9МФБ 12 Расчетные характеристики (РД «Нормы расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды»); Допускаемые напряжения (ГСССД «Сталь жаропрочная хромистая 10Х9МФБ (ДИ 82-Ш) условный предел длительной прочности в диапазоне температур 500…610°С»); Условия применения (ПБ «Правила устройства и безопасной эксплуатации трубопроводов пара и горячей воды»; ПБ «Правила устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов», РД «Сварка, термообработка и контроль трубных систем котлов и трубопроводов при монтаже и ремонте энергетического оборудования (РТМ-1с)»); Технологические инструкции на сварку, гибку, термообработку и пр.

Сталь 10Х9В2МФБР-Ш. Структура и свойства. 13 CMnCrWMoVNbN B (по расчету) NiAlPSSi не более 0,10- 0,12 0,15- 0,20 8,5 – 9,0 1,50 – 1,75 0,4 – 0,6 0,18 – 0,23 0,05 – 0,08 0,03 – 0,07 0,0050,700,0500,0300,0150,50 Физико-механические свойства стали Предел прочности, Н/мм 2, при 20ºС710 ÷ 810 Предел текучести, Н/мм 2, при 20ºС520 ÷ 620 Предел текучести, Н/мм 2, при 550ºС400 ÷ 420 Относительное удлинение, %, при 20ºС19,0 ÷ 23,0 Относительное сужение, %, при 20ºС72,0 ÷ 74,0 Ударная вязкость, KCV, Дж/см 2, при 20ºС106 ÷ 160 Х500

Термокинетическая диаграмма распада аустенита в стали 10Х9В2МФБР-Ш 14

Длительная прочность стали 10Х9В2МФБР 15

Разработка жаропрочных сталей мартенситного класса для элементов оборудования ТЭС, работающего при температурах пара до 650ºС 16 10Х9МФБ трубы, поковки, лист 10Х9М2ФБ трубы 12Х10В1М1ФБР поковки Т max = 600 o CТ max = 620 o C Паро- генератор ВТГР Роторы турбин ССКП +Mo +Si +W+W +W+W Трубо- проводы ССКП 10Х9В2МФБР трубы Т max = 650 o C +Co Роторы турбин ССКП 10Х11К4ВМФБР поковки, трубы 10Х9К3В2МФБР трубы 02Х9К3В2МФБР трубы Трубо- проводы ССКП +Co -C-C Котлы, трубопроводы ТЭС Турбины ТЭС Трубопроводы Супер ВВЭР Теплообменное оборудование и корпуса АЭУ «БРЕСТ» и СВБР 10Х9НСМФБ трубы, поковки

Структура высокохромистых сталей 17 МЕХАНИЗМЫ УПРОЧНЕНИЯ МЕХАНИЗМЫ УПРОЧНЕНИЯ: 1.Упрочнение твердого раствора 2.Дисперсионное упрочнение σ or = 0.8MGb/λ p (λ p - среднее расстояние между частицами) 3. Дислокационное упрочнениеσ r = 0.5MGb(ρ f ) 1/2 4. Упрочнение субграниц зерен σ sg = 10Gb/λ sg (λ sg – размер субзерен) Реечная структура мартенсита обеспечивает высокие механические свойства стали Дисперсные выделения вторичных фаз сдерживают рекристаллизацию и обеспечивают необходимый уровень жаропрочности до температур 620°С Термическая обработка: Нормализация с °С; Отпуск °С, не менее 3 часов. Повышение температуры эксплуатации стали выше 620°C требует повышения стабильности мартенситной структуры в области температур до 650°С. Основное условие высокого сопротивления ползучести – формирование в структуре мартенсита устойчивых к коагуляции вторичных фаз, что требует детального изучения влияния содержания легирующих элементов на фазовый состав стали.

Схема модификации фазового состава в программе Thermo-calc 18 При разработке новых сталей широко применялись методы термодинамического моделирования с использованием современного программного обеспечения – программ Thermo-Calc TCW 5.0 и Dictra25, а также термодинамических баз данных TCFE 6.0 и MOB2

Подход при моделировании влияния содержания легирующих элементов на фазовый состав и свойства стали 19 Система: Fe-Cr-Co-W-Mo-V-Nb-C-N-B Базовое состояние (начальные условия): 0.1C-9Cr-0Co-2W-0.5Mo-0.21V-0.06Nb-0.05N B Область поиска: Температура: 650°С – максимальная рабочая температура Расчет по фазам: α-феррит, δ-феррит, аустенит, карбиды M 23 C 6, карбонитриды MX (VN, NbN, VC, NbC), нитриды M 2 X (Cr 2 N) и BN, фаза Лавеса. Инструментарий: Thermo-calc for Windows v5, DTB TCFE6 Dictra 25, DTB MOB2 Массовая доля элементов, % CCrCoMoWVNbBN 0,00 – 0,15 7,0 – 11,0 0,0 – 5,0 0,0 – 2,0 0,0 – 4,0 0,0 – 0,3 0,00 – 0,01 0,0 – 0,1 ФазаВлияние M 23 C 6 участвует в дисперсионном упрочнении MX участвует в дисперсионном упрочнении M2XM2Xснижает пластичность стали BNснижает пластичность стали Фаза Лавеса на ранних стадиях ползучести участвует в дисперсионном упрочнении снижает пластичность стали δ-феррит приводит к снижению пластичности стали

Пример расчета: влияние ванадия и ниобия на фазовый состав и свойства Ванадий и ниобий вносят значительный вклад в повышение сопротивления ползучести за счет образования ультрадисперсных частиц типа MX, не склонных к коагуляции; Содержание ванадия и ниобия: 0.18% ( %V ) 0,25% 0.06% (%Nb) 0.08% Содержание ванадия и ниобия: 0.18% ( %V ) 0,25% 0.06% (%Nb) 0.08% 20

Сталь 10Х9К3В2МФБР 21 Массовая доля элементов, % СSiMnCrNiMoWVNbCoNB 10Х9К3В2МФБР 0,08 0,12 0,10 0,2 0,4 8,5 9,5 0,1 0,4 0,6 1,8 2,2 0,18 0,25 0,06 0,08 2,5 3,5 0,04 0,06 0,005 Лабораторная плавка Опытно- промышленная труба

Освоение производства полуфабрикатов и элементов энергетического оборудования из новых жаропрочных сталей 22 Опытно-промышленные освоение изготовления элементов энергетического оборудования Ø42х6 mm and Ø32х6 mmØ325х34 mm Сварное соединение паропроводной трубы Гиб пароперегре- ветельной трубы Элемент коллектора Гиб паропроводной трубы 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.

Длительная прочность стали 10Х9К3В2МФБР 23 Марка стали Условный предел длительной прочности, Н/мм 2 при температуре испытания, °С, и продолжительности испытания ч Условный предел ползучести, Н/мм 2 при температуре испытания, °С, при деформации в 1% за часов Х9К3В2МФБР Х9В2МФБР Х9МФБ90--- X10CrWMoVNb

Заключение 24 В тесном сотрудничестве со специалистами металлургических (ОАО «ЗМЗ», ЧФ ОАО «УралКуз» и ЗАО «ВМЗ «Красный Октябрь») и трубных заводов (ОАО «ЧТПЗ» и ОАО «ПНТЗ») разработаны и освоены в металлургическом, трубном и котельном производстве ряд хромистых жаропрочных сталей нового поколения, превосходящие более чем на 30% традиционные перлитные стали, применяемые сейчас в тепловой энергетике. Сталь 10Х9МФБ для применения в элементах паропроводного оборудования с рабочей температурой до 600ºС и элементах котельного оборудования с рабочей температурой до 620ºС. Сталь 10Х9В2МФБР для применения в элементах паропроводного оборудования с рабочей температурой пара до 620ºС. Сталь 10Х9К3В2МФБР для применения в элементах паропроводного и котельного оборудования с рабочей температурой пара до 650ºС. Хромистые жаропрочные стали Турбина Котёл Паропровод 10Х9МФБ 10Х9К3В2МФБР 10Х9В2МФБР, 10Х9К3В2МФБР 12Х10В1М1ФБР

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ! ОАО НПО «ЦНИИТМАШ» - Институт материаловедения г. Москва, ул. Шарикоподшипниковская, д.4 Tel: +7 (495) Fax: +7 (495)