длительная прочность металла паропроводных труб из стали

ДЛИТЕЛЬНАЯ ПРОЧНОСТЬ МЕТАЛЛА ПАРОПРОВОДНЫХ ТРУБ ИЗ СТАЛИ
МАРКИ 10Х9В2МФБР-Ш ДЛЯ БЛОКОВ С СУПЕРКРИТИЧЕСКИМИ
ПАРАМЕТРАМИ ПАРА.
Руководитель: к.т.н. И.А. Щенкова, Докладчик: Д.А. Прудников
В настоящее время решается проблема создания тепловых энергоблоков с суперкритическими
параметрами (СКП): Т=620-650оС; Р=30-35МПа. Одним из базовых вопросов является наличие
материалов, имеющих требуемые расчетные характеристики: σ105 при рабочей температуре не менее
100 МПа.
В 2005-2006гг в ОАО «НПО ЦНИИТМАШ» для блоков СКП были разработаны материалы для
роторов высокого давления, трубных систем и паропроводов.
За основу разработки брались отечественные стали марок ЭИ756 и 10Х9МФБ и зарубежные стали
марок Е911 и Р92. На основании исследования сетки лабораторных плавок с применением
комплексного многокомпонентного легирования стали хромом(~9-10%), молибденом, вольфрамом,
ниобием, микролегирования азотом, бором и церием, с ограничением содержания цветных примесей:
алюминия, олова, свинца и мышьяка, разработаны и выбраны новые хромистые стали марок
10Х9В2МФБР для трубных и паропроводных систем, и 12Х10М1В1ФБР для роторов высокого
давления паровых турбин блоков СКП с уровнем рабочих температур металла до 620оС.
Из стали 10Х9В2МФБР на Челябинском трубопрокатном заводе были изготовлены опытнопромышленные трубы размером 377х50 мм и 465х75 мм.
Химический состав труб приведен в таблице 1. Полученный химический состав труб полностью
соответствует заданному.
Таблица 1
Химический состав стали марки 10Х9В2МФБР-Ш
C
Si
Mn
Cr
Ni
Mo
W
V
Nb
N
B
S
P
Cu
Заданный
0,10
0,12
0,15
0,20
0,45
0,60
8,5
9,0
не
более
0,2
0,4
0,6
1,5
1,75
0,18
0,23
0,05
0,08
0,03
0,07
по
расчету
0,005
не
более
0,01
не
более
0,01
не
более
0,05
Получен
ный
0,1
0,17
0,54
8,75
0,21
0,5
1,6
0,23
0,07
0,04
0,003
0,004
0,007
0,15
Металлографические исследования.
Микроструктуру металла образцов из стали 10Х9В2МФБР-Ш выявляли путем травления в
хлорном железе и исследовали на микроскопе НЕОФОТ.
После нормализации структура представляет собой мартенсит твердостью 345-370 НВ, Рис.1, а
после отпуска - продукты распада мартенсита, т.е. сорбит, сохранивший ориентацию по мартенситу,
Рис.2. Содержание структурно-свободного феррита не превышает 10%, он равномерно распределен в
структуре металла. В целом полученная структура характеризуется как: мелкозернистая, равноосная,
однородная. Неметаллические включения - оксиды, сульфиды, силикаты – 1 балл каждого по ГОСТ
1778.
х100
х500
Рис.1 – Структура металла образцов из стали 10Х9В2МФБР-Ш после нормализации.
х100
х500
Рис.2 – Структура металла образцов из стали 10Х9В2МФБР-Ш после нормализации и отпуска.
Кратковременные механические свойства и ударная вязкость.
Кратковременные свойства металла трубы 377х50мм определяли при температурах 20, 500, 550,
600, 650, 700оС; трубы 465х75мм при температуре 20оС по ГОСТ 10006-80 и ГОСТ 19040-81 на
образцах М12 с диаметром рабочей части 6мм. Ударную вязкость на образцах 10х10х55мм с надрезом
KCU и KCV по ГОСТ 9454-78. Результаты испытаний приведены в таблице 2 и полностью
соответствуют заданным техническим требованиям.
Таблица 2
Кратковременные механические свойства и ударная вязкость металла
исследуемых труб из стали марки 10Х9В2МФБР
Материал
исследования
Номер
пробы
Тисп,
о
С
σ0,2
σB,
Мпа
Мпа
1
20
530
710
22,5
68,0
20
661
661
784
784
19,5
19,0
68,0
68,0
480
490
470
387
387
416
289
274
215
200
672
670
530
525
534
529
494
411
411
421
308
298
245
230
792
810
716
705
16,5
17,0
19,5
19,5
17,5
18,5
22,0
23,0
22,5
24,0
19,0
18,0
24,0
22,5
76,5
75,0
81,5
86,5
85,0
88,5
88,5
89,0
89,0
89,0
67,0
64,0
-
500
Труба 377х50
2
550
600
650
700
1а
20
2а
20
Труба 465х75
δ, %
ψ,
%
KСU,
Дж/см2
KCV,
Дж/см2
HB
227
223
140
92
177
-
207
145
72
101
228255
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
83
120
93
78
241
255
-
-
213
217255
Из труб 377х50 мм на ЗАО «Энергомаш (Белгород)» были изготовлены опытные гибы и сварные
соединения.
Длительная прочность.
Испытания на длительную прочность проводились на металле лабораторных плавок
изготовленных в ОАО НПО «ЦНИИТМАШ», на металле труб размером 377х50 мм и 465х75 мм, на
металле растянутого и прямого участка гиба, а так же однородных сварных соединений при
температурах 600°С, 650°С и 670оС. Максимальная длительность испытания исследуемого металла
составила 29300 часов, испытания продолжаются.
На рисунке 3 приведены результаты испытаний на длительную прочность в виде графика в
координатах σ - P, где Р – параметр Ларсена-Миллера равный Т.(lgτ+А).10-3, а коэффициент «А» взят
равным 36, по данным зарубежных источников для стали аналога – Р92.
Длительная прочность металла исследованных труб σ105 при 620оС составляет 110 МПа, при
требовании 100МПа.
Длительная прочность металла гибов (зона растяжения) находятся на уровне основного металла.
Коэффициент снижения длительной прочности сварных соединений равен 0,7-0,8, при требовании
РД 10-249-98 0,6-0,7
В настоящее время ведутся проектные работы по созданию энергоблоков мощностью 600 МВт с
параметрами Т=620оС и Р=30МПа. Проведенные исследования показали, что новая сталь
10Х9В2МФБР-Ш обладает требуемой (σ105>100МПа) длительной прочностью при температуре 620оС и
может быть использована для изготовления трубопроводов данных блоков.
Технические требования
20
>400
>588
>17
>50
>60
-
Напряжение σ, МПа
σ 105 при Т=650оС
σ 105 при Т=620оС
σ 105 при Т=600оС
σ 105 при Т=580оС
σ 105 при Т=550оС
1000
100
ΙΙ
Ι
10
32
33
I
II
34
Средняя линия для стали марки Р92 (данные ЕССС).
35
Параметр P=T(Lgτ +36)10-3
36
37
38
Средняя линия для стали 10Х9В2МФБР-Ш.
Тисп=600С, лабораторная плавка, прутки
20мм
Тисп=650С, лабораторная плавка, прутки
20мм
Тисп=600С, металл паропроводной трубы размером 377х50мм
Тисп=650С, металл паропроводной трубы размером 377х50мм
Тисп=670С, металл паропроводной трубы размером 465х75мм
Прямой участок гиба
Растянутый участок гиба
Однородные сварные соединения
Рис. 3 - Параметрическая диаграмма длительной прочности стали марки 10Х9В2МФБР-Ш в сопоставлении с данными
для стали аналога - Р92.