METAL 2007 22.-24.5.2007, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________
ŽÁRUPEVNOST ZÁKLADNÍHO MATERIÁLU A SVAROVÝCH SPOJŮ OCELI P23 CREEP RESISTANCE OF STEEL P23 AND WELDMENTS
1
Tomáš Vlasák1, Jan Hakl1, Jozef Pecha2 SVUM a.s., Areál VÚ Běchovice, 190 11 Praha, ČR,
2 SES a.s., Továrenská 310, 935 28 Tlmače, SR, <[email protected]>
Abstrakt Nízkolegovaná ocel 2,25%Cr-1,6%W-0,25%V označovaná P23 je používaná na potrubní systémy v energetice. Na základě zkoušek tečení v rozsahu teplot 500 až 600°C a napětí 105 – 320 MPa bylo provedeno vyhodnocení pevnosti při tečení. Pokračování této práce bylo stanovení podmínek svařování a sledování žárupevnosti svarových spojů P23-P23. Abstract Low-alloy steel 2,25%Cr-1,6%W-0,25%V marked P23 is used for pipe lines in power engineering. From creep tests, in temperature range 500 - 600°C and stress range 105 – 320 MPa, rupture strength was evaluated. Determination of welding condition was continuing of this work. Creep properties of P23-P23 were determined. 1.
ÚVOD
Snižování exhalace emisí a růst účinnosti uhelných tepelných elektráren jsou hnací silou vývoje nových žárupevných ocelí. Pro současnou energetiku byla charakteristická teplota páry na vstupu do turbiny 540-565°C. V posledních letech však dochází k růstu teplot až okolo 600°C. Při srovnání dosavadních parametrů páry 540°C/18 MPa lze v případě páry superkritických parametrů (610°C/30 MPa) dosáhnout zvýšení účinnosti asi o 8% při snížení emisí CO2 o zhruba 20% [1,2]. Pro části provozované v creepové oblasti jsou klíčovými užitnými vlastnostmi odolnost proti tečení a odolnost proti vysokoteplotní korozi (oxidaci) v prostředí vodní páry. V průmyslově vyspělých zemích (zejména USA, Japonsko, země EU, ale i Indie a Čína) se věnuje velká pozornost vývoji a technologickému osvojení nových značek martenzitických ocelí na bázi (9-12) %Cr, modifikovaných dalšími prvky (Mo, W, Co, N, B, V). V EU probíhá tento vývoj v rámci projektů COST a je předpoklad, že tato skupina ocelí umožní aplikace při provozních teplotách až do 650°C [3-6]. Kromě toho existuje pokrok i v oblasti nízkolegovaných ocelí, kde je návaznost na původně vodíkuvzdorné ocele typu 3Cr-0,5Mo. Výsledkem japonského a německého výzkumu jsou trubkové ocele T23 (2,25Cr-0,18Mo0,25V-1,6W,Nb, B) a T24 (2,4Cr-1Mo-0,25V,Ti,B), určené pro vodní stěny a přehříváky. Užitné vlastnosti materiálu tenkostěnných trubek z T23 a T24 jsou již dobře známy. Pokračující výzkum je zaměřen na vlastnosti silnostěnných trubek z P23 [8,9,13]. Na tuto problematiku je zaměřena předkládaná práce.
1
METAL 2007 22.-24.5.2007, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ 2.
ŽÁRUPEVNOST ZÁKLADNÍHO MATERIÁLU
Zkušební materiál P23 byl vyroben hutí Vallourec and Mannesmann Tubes a dodán pod tavbovým označením 73 220 ve formě bezešvé trubky ∅219x30 mm ve stavu tepelně zpracovaném postupem 1060°C/voda+760°C/2 h. Podle atestu [10] je chemické složení uvedeno v tab.I a základní mechanické charakteristiky v tab.II. Tab.I. Chemické složení tavby 73 220 (hm %) Tab.I Chemical composition of heat 73 200 (wt %) Prvek Tavba Prvek Tavba 73 220 73 220 C 0,07 V 0,22 Mn 0,54 W 1,65 P 0,008 Nb 0,03 S 0,004 B 0,002 Si 0,28 N 0,011 Cr 2,08 Al 0,018 Mo 0,08 Fe Zákl.
Tab.II Atestační hodnoty materiálových vlastností při pokojové teplotě. Tab.II Attest values of material properties at room temperature. Materiálová Rp0,2 Rm A KCV* (MPa) (MPa) (%) (J) vlastnost Atest 496 597 23,3 185 Požadavek 400 510 20 * Střední hodnota ze 3 měření ; vzorky orientovány ve směru podélné osy trubky
Zkoušky žárupevnosti byly provedeny na vzduchu na tyčích s měrným průměrem a délkou ∅5x50 mm pro teploty 500, 550 a 600°C a napětí 320-105 MPa. Celkem bylo provedeno 19 zkoušek orientovaných ve směru podélné osy trubky. Pevnost při tečení byla vyhodnocována standardním postupem s použitím regresní závislosti [11,12] 1 1 1 1 log t = A1 + A2 ⋅ log − + C 3 ⋅ log[sinh (A 6 ⋅ σ ⋅ T )] + A4 ⋅ log − ⋅ log[sinh (A 6 ⋅ σ ⋅ T )] (1) T A5 T A5 σ T t A1-A6
kde
je napětí, je teplota, je čas do lomu, jsou materiálové konstanty, uvedené v tab.III.
Podrobnosti o této problematice lze nalézt v práci [13].
Doba do lomu [h]
100000
Tab.III Materiálové parametry modelu (1). Tab.III Material contants of model (1). Konst. Hodnota Konst. Hodnota A1 1,427049E+02 A4 -2,968353E-01 A2 4,590793E+01 A5 1,612838E+04 A3 -7,919716E-02 A6 9,898552E-04 platné pro σ[MPa], T[K], tr[h]
10000
1000 500°C 550°C
100
600°C
10 50
100
150
200 Napětí [MPa]
250
300
350
Obr. 1 Pevnost při tečení oceli P23 Fig.1 Creep strength evaluation of P23 steel
2
METAL 2007 22.-24.5.2007, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ 3.
VÝROBA SVAROVÝCH SPOJŮ
Svarové spoje byly zhotoveny ze stejného materiálu jako v předchozím případě, a to kombinací metod GTAW (kořen svaru) a SMAW (zbývající svarové housenky). Svary byly provedeny v SES a.s., Tlmače, Slovensko. Geometrie svaru (viz obr.2) byla zvolena s ohledem na konstrukční řešení obvodových svarových spojů ve smyslu EN ISO 9692-1. Vytváří optimální předpoklady pro vyplnění úkosu svarovým kovem, hlavně v oblasti kořene svaru. To je nevyhnutelnou podmínkou pevnostní únosnosti svarů. Po mechanickém opracování úkosů byly svarové plochy kontrolovány práškovou magnetickou zkouškou na přítomnost eventuelních defektů v základním materiálu. Defekty nebyly nalezeny. Kombinace metod GTAW a SMAW pro svařování potrubí tlakových částí je v praxi osvědčená. Svařování metodou TIG (GTAW) umožňuje dobrou tvorbu kořene svaru a tím minimalizovat povrchové a vnitřní defekty svaru. Výplň úkosu je možno z prostorových důvodů provést obalenou elektrodou. Dále se svařovalo s malým rozkyvem elektrod. Účelem této techniky bylo dosáhnout na jedné straně určité přežíhání vrstev a na druhé pak tvorbu co nejužšího hrubozrnného pásma tepelně ovlivněné zóny. Uplatňovaná technika spolu s precizním tepelným režimem svařování mají rozhodující vliv na velikost primárního zrna, které kontroluje houževnatost svaru. Předehřev před svařováním je potřebný bez ohledu a tloušťku materiálu a metodu svařování, protože se jedná o bainitický typ struktury. Teplota předehřevu při stehování svarových spojů byla 180-250°C. Předehřev byl udržován po dobu 30 min před začátkem svařování pro rovnoměrné rozložení teplot v celém průřezu. V průběhu svařování byl udržován předehřev v rozmezí 200-250°C, přičemž teplota mezivrstvy nepřekročila 300°C. Po svaření byly svary ochlazené na teplotu okolí. Tvorba svaru po jednotlivých vrstvách je zřejmé z obr.2 Proces
Přídavný materiál
141 (GTAW) 111 (SMAW) 111 (SMAW) 111 (SMAW)
WZ CrWV22 Thermanit P23 Thermanit P23 Thermanit P23
Vrstva 1 2-3 4-6 7
Průměr [mm]
Proud [A]
Napětí [V]
Tepelný příkon [KJ/mm]
2,5
125-140
15-22
0,8-1,1
2,5
75-90
20-25
0,9-1,3
3.2
110-135
20-25
1,1-1,5
4,0
150-180
20-25
1,2-1,7
Obr.2 Detaily svařování oceli P23 Fig.2 Details of steel P23 welding Postupem doby byly touto technologií zhotoveny tři partie vzorků. Lišily se teplotou žíhání po svaření: - I alternativa – žíhání 750-760°C/2h - II alternativa – žíhání 740-750°C/2h - III alternativa – žíhání 730-740°C/2h Přesné měření a registrace teplot tepelného zpracování se uskutečnilo prostřednictvím špičkové registrační a regulační techniky firem Yakogawa a Honywell. Metodiku měření vypracoval a realizoval Výzkumný ústav energetický Levice [14]. Ukázalo se, že ocel typu P23 je náročná na technologii svařování. Zvládnutí svařitelnosti vyžaduje striktní dodržování technologických zásad, zejména tepelného režimu po svaření. 3
METAL 2007 22.-24.5.2007, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ 4.
VLIV TEPELNÉHO ZPRACOVÁNÍ NA CREEPOVÉ CHOVÁNÍ
Ø9
Ø16-0,05
Ø6
Ze svarů, zhotovených 60 popsaným způsobem, byly vyrobeny zkušební tyče podle obr.3. Tyče pak byly použity ke zkouškám žárupevnosti. Pro porovnání vlivu R2 9 4 tepelného zpracování byl použit (101) diagram žárupevnosti základního materiálu P23. Tento diagram je charakterizován na obr. 4-5 Obr.3 Zkušební tyč svaru čarami žárupevnosti při teplotách Fig 3 Weld metal test 500, 550 a 600°C. Výsledky zkoušek svarů jednotlivých alternativ jsou pak zobrazeny experimentálními body.
4
9
a) alternativa I Je hodnoceno šest stavů, po dvou při každé teplotě. Z obr.4 je zřejmé, že doby do lomu představují zhruba 20% životnosti základního materiálu.
100000
600°C
550°C
Alternativa I
500°C
500°C 550°C 600°C
Doba do lomu [h]
10000 1982
1661
1000
744
1557 697 563
475,25
375,75 183,25
181,75
100
95,75
94,25
10 50
100
150
200 Napětí [MPa]
250
300
350
Obr.4 Žárupevnost svarových spojů – alternativa I Fig. 4 Creep resistence of weldments – alternative I
b) alternativa II Je testováno šest stavů. Z obr.5 je patrné, že v tomto případě jsou výsledky mírně lepší, avšak opět jsou nevyhovující. Doby do lomu představují asi 30% životnosti základního materiálu.
4
METAL 2007 22.-24.5.2007, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________
100000
600°C
550°C
Alternativa II 500°C 550°C 600°C
500°C
Doba do lomu [h]
10000 1661
1000
1982 744 660,75
737,5
1557 697 563 226
197,75 135,5
100
135
10 50
100
150
200 Napětí [MPa]
250
300
350
Obr.5 Žárupevnost svarových spojů – alternativa II Fig. 5 Creep resistence of weldments – alternative II
100000
600°C
550°C
500°C
Alternativa III 500°C
Doba do lomu [h]
10000
550°C 600°C
1000
100
10 50 Obr.6 Fig. 6
100
150
200 Napětí [MPa]
250
Žárupevnost svarových spojů – alternativa III Creep resistence of weldments – alternative III
5
300
350
METAL 2007 22.-24.5.2007, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ c) alternativa III Zdá se, že tato alternativa tepelného zpracování dává nejlepší výsledky. V obr.6 jsou uvedeny výsledky 11 vzorků, které jsou testovány v rozmezí teplot 500 až 600°C a napětí 90-270MPa. Nejdelší zkoušky zatím pokračují a jsou aktuální v době přípravy referátu.
Na obr.7 je porovnána žárupevnost základního materiálu a svarových spojů v zavislosti na Larson-Millerově parametru. Je patrné, že žárupevnost svaru pro hodnotu LMP=20 800, která při teplotě 570°C (což je maximální teplota dlouhodobého použití [7]) odpovídá času 47 000h, je o cca 12% nižší než žárupevnost základního materiálu.
1000
Napětí [MPa]
Základní materiál
100
LMP=20800 570°C 47000h
Alternativa III Ukončené zkoušky
Běžící zkoušky
500°C
500°C
550°C
550°C
600°C 600°C 10 17000 17500 18000 18500 19000 19500 20000 20500 21000 PLM=T.(log(tr)+20), (T[K], tr[h]) Obr.7 Fig. 7
Porovnání žárupevnosti svarových spojů a základního materiálu Creep properties comparison of weldments and base material
ZÁVĚR Provedené práce a jejich výsledky lze shrnout takto: a) Byla stanovena pevnost při tečení základního materiálu P23. b) Byla předběžně stanovena žárupevnost svarových spojů oceli P23. c) Provedenými experimenty byla zjištěna optimální alternativa tepelného zpracování po svaření. d) Pro optimalizovanou alternativu probíhají dlouhodobé experimenty za účelem stanovení poklesu pevnosti při tečení svarových spojů.
6
METAL 2007 22.-24.5.2007, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ 5. [1]
[2]
[3]
[4] [5] [6] [7]
[8] [9]
[10] [11]
[12]
[13]
[14]
LITERATURA MARLOW,B.A.: Advanced Steam Turbines. Proc.conf. Advances in Turbine Materials, Design and Manufacturing. p.36. Newcastle upon Tyne, 1997, Eds. A.Strang et al., IOM and IME, London 1997. KEHLHOFER,R.: Power engineering, status and trends. Proc.conf. Materials for Advanced Power Engineering 1998. p.3. Eds. J.Lecomte-Becker et al., Forschungszentrum Jülich GmbH, 1998. STAUBLI,M.E.-MAYER,K.H.-KERN,T.V.-VANSTONE,R.W.: COST 501/COST 522. The European Collaboration in advanced steam turbine materials for ultra efficient, low emission power plants. Proc.conf. PARSON 2000: Advanced materials for 21st Century Turbines and power plants. p.98. Eds. A.Strang et al. IOM, London 2000. VODÁREK,V.: Fyzikální metalurgie modifikovaných (9-12)%Cr ocelí. VŠB Technická univerzita Ostrava. Ostrava 2003. KERN,T.V.-SCARLIN,B.-VANSTONE,R.W.-MAYER,K.H.: High temperature forged components for advanced steam power plants. See /2/, p.53. MAYER, K.H.-HANUS,R.-KERN,T.-STAUBLI,M.-THORTON,D.V.: High temperature cast components for advanced steam power plants. See /2/, p.71. ARNDT,J.-HAARMANN,K.-KOTTMANN,G.-VAILLANT,J.CJ.-BENDICK,W.KUBLA,G.-ARBAB,A.-DESHAYES,F.: The T23/T23 Book. New Grades for Waterwalls and Superheaters. Vallourec and Mannesmann Tubes. 2nd Edition, October 2000. STAUBLI,M.: Final summary report of turbine group. COST 522 – steam power plant. Alstom Switzerland, Baden, 2003. VAILLANT,J.C.-VANDENBERGHE,B.-HAHN,B.-HEUSER,H.-JOCHUM,C.: T/P23, 24,911 and 92: New Grades for Advanced Coal-Fired Power Plants-Properties and Experience. Creep and Fracture in High Temperature Components-Design and Life Assessment Issues, p.87. Ed. I.A.Shibli, S.R.Holdworth, G.Merckling, ECCC Creep Conference, Sept. 12-14,2005, London. Vallourec and Mannesmann Tubes. Inspection Certificate No.RO2392/02. PECH,R.-KOUCKÝ,J.-BÍNA,V.: Matematizace hodnot pevnosti při tečení československých žáropevných ocelí pro výrobu trub. Strojírenství 29 (1979), č.7,s.389 BÍNA,V.-HAKL,J.: Relation between creep strength and strength for specific creep strain at temperatures up to 1200°C, Materials Science and Engineering A234-236 (1997), pp.583-586. HAKL,J.-VLASÁK,T.-BRZIAK,P.-ZIFČÁK,P.: Contribution to the Investigation of Advanced low-alloy P23 Steel Creep Behaviour Materials for Advanced Power Engineering, pp. 985-996, Liege, 2006, Belgie. MACKO, M. et al: Modernozácia merania teplôt v žíhacích peciach, Technická správa 03/2006, Výskumný ústav energetických zariadení, Levice, 2006.
Tato práce vznikla za podpory Ministerstva vzdělavání, mládeže a tělovýchovy České republiky – COST 536 (1P05 OC020).
7
