Котельная сталь для работы при повышенных температурах

Котельная сталь для энергетики — характеристики и применение

Также известны как легированные и углеродистые стали для работы при повышенных температурах, или как сталь для энергетики, используемая в условиях рабочих температур до 600℃, где требуется сохранение прочностных характеристик, аналогичных свойствам при комнатной температуре. В металлургии температуры порядка 600℃ определяются как повышенные температуры.

В отличие от конструкционных сталей для закалки, пружинных сталей или сталей для цементации, котельные марки должны выполнять довольно ответственную задачу – прежде всего предотвращать или по возможности сокращать время прогрессирования деформаций и ухудшения свойств элемента, подверженного во время работы, среди прочего, воздействию рабочей температуры, среды эксплуатации, возникающих нагрузок во время работы, а также частоты и времени воздействия нагрузок на данный элемент.

Поэтому при выборе определенной марки из этой подгруппы необходимо проверить, будет ли данный материал в этой классе обладать достаточной стойкостью к разрушающему воздействию горячих газов, соответствующей пластичностью, свариваемостью, стойкостью к коррозии и релаксации, а также достаточными прочностными свойствами при рабочей температуре. Для соответствия вышеуказанным требованиям в котльных сталях определяются, прежде всего, такие свойства, как предел пластичности при данной рабочей температуре, сопротивление ползучести, предел ползучести, а также термостойкость.

Химический состав и применение котловой стали

Котельные стали используются в основном в традиционной или атомной энергетике, а также в химической промышленности, например, в виде листов для резервуаров высокого давления, работающих при повышенных температурах, котельных труб перегревателей, паровых коллекторов, направляющих дисков, трубопроводов, теплообменников, болтов, гаек и заклепок, подверженных сильным нагрузкам, стали для барабанов паровых котлов, распорок, сборных камер, элементов (например, лопаток) и арматуры водных, газовых и паровых турбин.

Одними из важнейших элементов, благодаря которым котельные стали выдерживают повышенные температуры и обладают соответствующими прочностными свойствами, являются хром (Cr), ванадий (V) и молибден (Mo). С увеличением содержания хрома в химическом составе изделия повышается коррозионная стойкость и возможность использования элемента при более высоких рабочих температурах. При содержании хрома в диапазоне 1,00-2,50% стали могут использоваться при температурах до 580℃. Содержание хрома выше 2,5% и даже до 13% уже не улучшает значительно сопротивление ползучести. В окисляющих средах углеродистые стали демонстрируют стойкость до температуры около 500℃.

Как можно заметить, содержание углерода в различных марках котловой стали сопоставимо, а значит, на такие прочностные свойства, как предел текучести или прочность на разрыв, уже существенного влияния не оказывает углерод, а остальные карбидообразующие элементы, такие как ванадий, молибден и даже добавки вольфрама – W, ниобия – Nb и титана – Ti, которые одновременно способствуют увеличению временной сопротивляемости ползучести.

Классификация котловой стали по структуре и химическому составу

Стали для работы при повышенных температурах делятся на две основные подгруппы:

• ферритные котловые стали, то есть
  • ферритно-перлитные котловые стали,
  • ферритно-бейнитные котловые стали,
  • ферритно-перлитно-бейнитные котловые стали,
  • а также бейнитные котловые стали
• и постоянно мартенситные:
  • стали бейнитно-мартенситные,
  • стали с высокоуглеродистой мартензитной структурой

Термическая обработка, состояние поставки и структура отдельных марок

Учитывая термическую обработку сталей, устойчивых к более высоким температурам, и структуру материала после обработки, низколегированные стали для угольных энергетических установок в виде котельных листов, котельных труб или прутков для энергетики поставляются в нормализованном состоянии после отпуска или в самом нормализованном состоянии, что в результате придает изделиям дробную смешанную ферритовую структуру и, следовательно, лишь небольшое увеличение прочности (ферритово-перлитово-бейнитовую, ферритово-перлитовую или ферритово-бейнитовую).

В свою очередь, большая группа легированных котловых сталей может быть закалена до получения мартенситной структуры, а затем отпущена до сорбитной структуры, как это происходит в случае легированных сталей для закалки. Поэтому, в зависимости от химического состава, можно столкнуться с противоречиями в наименовании некоторых марок — между котельной сталью и сталью для закалки (например, 25HM). Тепловой обработке подвергаются в основном легированные и высоколегированные стали, в частности высокохромистые, в виде изделий с гораздо большими сечениями, таких как поковки, валы или кованые прутки. Однако следует помнить, что в марках с низкой закаливаемостью необходимо упрочнять изделия с меньшими сечениями, чтобы получить соответствующие прочностные свойства.

Для ковки валов и дисков роторов турбин, а также ковки лопаток турбин используются стали с бейнитной структурой. Для достижения этой структуры используются стали, которые нельзя охлаждать после аустенитизации. Они характеризуются самыми высокими прочностными параметрами в этой группе.

Устойчивость к ползучести, релаксации и усталости элементов из котловой стали

Прочностные свойства котловой стали можно было четко определить при рабочих температурах до 20 °C, однако применение и наименование — сталь для повышенных температур — решительно побуждало к ориентации испытаний на прочность при рабочих температурах 500-600 °C. От котловой стали требуется, чтобы конструкционный элемент, работающий при более высоких температурах, имел максимально возможный параметр предела ползучести или сопротивления ползучести, то есть максимально длительное время воздействия постоянной нагрузки под воздействием высокой температуры на данный элемент, при котором наблюдается наименьшая степень деформации. Исследования и испытания на ползучесть проводились в соответствии с нормой PN-75/H-04330 / GOST 3248-81, а требования – в соответствии с PN-75/H-84024 / GOST 5632-2014.

Усталость стальных элементов лопастей и роторов турбин в энергетике – это процесс, происходящий при комнатной и повышенной температуре. В результате высоких перепадов температур (то есть частых нагревов и охлаждений) или работы только при высоких температурах, изменений напряжений, давлений, нагрузок, связанных с вращением элементов, сталь подвержена деформациям, релаксации и явлению зазубрин. Основным фактором исследования усталости является рабочий цикл нагрузок и время работы элемента. Процесс усталости стали и определение названий согласно PN-64/H-04325 / GOST 9454-78.

Третьим свойством, достаточно важным для определения пригодности сталей для энергетики, является явление релаксации, то есть постоянное снижение или исчезновение упругих напряжений в частях машин под воздействием работы при более высокой температуре в течение длительного периода времени, что приводит к потере герметичности котельных трубопроводов, исчезновение свойств пружинных элементов, в винтах и гайках из котловой стали возникающие необратимые «зазоры». Это свойство исследуется и используется в элементах из стали для фланцев паропроводов, элементах из стали для болтов корпусов турбин, узлах из стали для усадочных и впрессованных соединений, а также элементах из стали для резервуаров и оборудования под давлением.

Котельная сталь — условия эксплуатации и назначение

Наиболее распространенными газовыми средами в энергетических устройствах являются воздух, пар и выхлопные газы. Термостойкость зависит от типа и состава газа, присутствующего во время работы компонента. Воздух, выхлопные газы, перегретый водяной пар и высокая температура, а также сочетание этих факторов оказывают окисляющее воздействие на сталь.

Образующиеся оксиды на поверхности котловой стали для энергетики накапливаются с повышением температуры. В углеродистой котельной стали слои оксидов быстро растрескиваются и одновременно открывают доступ «сложной» атмосфере к дальнейшим слоям для образования оксидов, что приводит к разрушению материала (например, Gat. St36K, St44K, K18, K20 – макс. ок. 400-500℃) GOST 5520-2017. Элементом, предотвращающим развитие этого явления, является хром – Cr, легирующий примесь, которая в составе более 0,5% уже защищает деталь, подверженную дальнейшему развитию явления окисления в сталях для энергетического оборудования до температуры около 550℃ (например, 10CrMo9-10 / 10Х2М – макс. 580℃). Оксиды хрома, быстро и плотно покрывающие поверхности стержней и котловых листов, а также поковок из котловой стали, нарастают с повышением рабочей температуры. После полного покрытия процесс останавливается, поверхность оксидов хрома практически не поддается воздействию и устойчива к дальнейшему разрушению материала. Хром также проявляет устойчивость к различным соединениям серы в выхлопных газах, и вместе с его содержанием в химическом составе повышается и его рабочая температура. Другой примерный сорт 12Ni19 / X12Ni5 / 1.5680.

Трубы, листы и стержни для котлов, работающих при повышенных температурах

Вышеописанные котельные стали, стали для оборудования, работающего под давлением, и стали для работы при повышенных температурах определяются нормами PN-75/H-84024, PN-75/H-84019, PN-75/H-84030, BN-65/0631-06 и евронорма EN 10269, PN-EN 10302, PN-EN 10088-1, в соответствии с которыми поставляются:

• Бесшовные котельные трубы по  PN-98/H-74252, BN-67/0648-02, BN-66/0648-06, BN-68/0648-12, BN-68/0648-11, EN 10216-2, EN 2017-2, EN 2016-1, EN 10217-5, EN 10216-4, GOST 8732-78, GOST 8731-74б 
• Прокатные котельные листы по PN-81/H-92123, PN-93/H-92132, PN-64/H-92148, PN-58/H-92137, PN-57/H-92205, EN 10028-2, GOST14959-79, GOST1050-2013, GOST19904-90, GOST5520-2017,
• Поковки и свободно кованые прутки из котельной стали по PN-92/H-94009, PN-98/H-93238, BN-69/0661-02, BN-67/0663-01, EN 10222-2, GOST 26131-84, GOST8479-70, 
• Холоднокатаные ленты из котельной стали GOST 2283-79
• Стальные прутки для котлов, прокатные горячей деформации по PN-80/H-93015, PN-98/H-93238, EN 10269, EN 10273, EN 10028-2, PN-53/H-93239, EN 10028-4, GOST1050-2013, GOST4543-71, GOST5632, GOST 20072, 
• Прутки из котельной стали со светлой поверхностью по PN-80/H-93016, EN 10277, GOST7417-75, GOST103-2006, 
• Протянутые проволоки из котельной стали по EN 10263-4, GOST17305-91, GOST30136.