ДЕТАЛЬ ПАРОГЕНЕРАТОРА ИЛИ КОМПОНЕНТ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ С ПОВЕРХНОСТЬЮ, ОБРАБОТАННОЙ ДРОБЕСТРУЙНЫМ СПОСОБОМ
PART OF STEAM GENERATOR OR COMPONENT OF POWER INSTALLATION WITH SURFACE TREATED BY SHOT-BLAST METHOD

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к детали парогенератора, или к блоку деталей парогенератора, или к компоненту силовой установки, который, по меньшей мере, в основном состоит из легированного, в частности - содержащего хром, материала, и, по меньшей мере - частично, в частности - в основном, обработан посредством дробеструйной обработки поверхности (дробеструйного упрочнения, дробеструйной нагартовки, обдувки дробью, которые в английском языке обозначаются терминами "shot-peening" и "shot-blasting"). Кроме того, изобретение относится к способу изготовления детали или блока деталей парогенератора или компонента силовой установки, в основном состоящего из легированного, в частности - содержащего хром, материала, в котором поверхность детали, блока или компонента, в частности - внутренняя поверхность трубы, обработана посредством дробеструйной обработки.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Детали парогенераторов или компоненты силовых установок, прежде всего - со стороны, обращенной к пару в парогенераторах и силовых установках, находятся в окислительных условиях, создаваемых паром, с которым они соприкасаются. Поэтому в настоящее время блоки с перегревом и/или с промежуточным перегревом в парогенераторах частично или даже в основном изготавливают из аустенитовых материалов, в частности - из аустенитовых сталей, с содержанием хрома до 18 массовых %, при этом аустенитовый материал для улучшения свойств и повышения устойчивости к окислению этого материала обрабатывают посредством дробеструйной обработки. В частности, обработанные таким образом материалы используют в японских силовых установках с температурами пара порядка 600°С (см., в частности, ЕР 1637785).
При использовании способа дробеструйной обработки или способа, включающего в себя дробеструйную обработку, поверхность, по которой ударяют частицы, используемые для обработки, или частицы, используемые для дробеструйной обработки, или материал, используемый для дробеструйной обработки, в случае трубопроводов - обычно внутренняя поверхность соответствующей трубы, преобразуется, что способствует переходу, то есть диффузии, хрома из основного материала, то есть матрикса, на обработанную поверхность, и обеспечивает этот переход. За счет этого на обработанной поверхности образуется тонкий обогащенный хромом слой, который препятствует образованию эпитактических и топотактических слоев. При дробеструйной обработке поверхности соответствующий абразивный материал со струей воздуха подается к поверхности, подлежащей обработке. Это способствует диффузии хрома из матрикса основного материала в этот слой и таким образом повышает устойчивость этого слоя к окислению.
В случае использовавшихся до сих пор в области перегрева или промежуточного перегрева обогащенных хромом аустенитовых сталей со средним содержанием хрома, большим или равным 18 массовых %, за счет использования способа, включающего в себя дробеструйную обработку, обеспечивается деформация обработанной внутренней поверхности трубы с соответствующей структурой материала на глубину до 100 мкм, что приводит к образованию соответствующего обогащенного хромом слоя. Хром диффундирует из глубины базовой структуры (матрикса) в этот обработанный слой и обогащает его хромом. На этом обогащенном хромом слое заметно медленнее происходит рост слоев шпинели и магнетита в условиях, преобладающих в соответствующих деталях силовых установок, по сравнению с необработанными поверхностями, и поэтому на стороне, обращенной к пару, к которой относятся эти поверхности, повышается устойчивость использованного и обработанного материала к окислению.
В области строительства электростанций в настоящее время имеется тенденция к строительству силовых установок, которые могут эксплуатироваться при температурах пара, превышающих 600°С, и даже больших или равных 700°С. При таких высоких температурах пара в центр внимания исследователей во все возрастающей степени попадают проблемы, связанные с окислением компонентов силовых установок или деталей парогенераторов на стороне, обращенной к пару. В частности, существует также проблема, связанная с тем, что использовавшиеся до сих пор хромсодержащие стали обнаруживают мартенситную структуру или, в случае материала с поверхностью обработанной дробеструйным способом и содержанием хрома, большим или равным 18 массовым %, аустенитную структуру, и при эксплуатации силовых станций этого нового поколения они не обеспечивают достаточную устойчивость к окислению или приводят к использованию крайне дорогого материала.
Сущность изобретения
Поэтому в основу изобретения была положена задача найти решение, при помощи которого были бы получены материалы, которые в парогенераторах с температурами на выходе, большими или равными 700°С, обеспечивали бы достаточную прочность, в частности - длительную прочность и достаточную устойчивость к коррозии и окислению компонентов силовых установок, в частности - деталей парогенераторов.
В случае детали парогенератора, блока деталей парогенератора или компонента силовой установки вышеописанного типа эта задача согласно настоящему изобретению была решена настоящим изобретением, обладающим признаками, изложенными в пункте 1 прилагаемой формулы. В одном из способов изготовления детали или блока деталей парогенератора или компонента силовой установки, в основном состоящей/состоящего из легированного, в частности - хромсодержащего, материала, в котором поверхность детали или блока, или поверхность компонента, в частности - внутренняя поверхность трубы, обрабатывается посредством дробеструйной обработки (которая в английском языке обозначается терминами "shot-peening" и "shot-blasting"), эта задача согласно настоящему изобретению решена настоящим изобретением, обладающим признаками, изложенными в пункте 13 прилагаемой формулы. Предпочтительные формы осуществления очевидны из соответствующих зависимых пунктов формулы изобретения.
2
3
При этом изобретение основано на знании того, что в парогенераторах силовых установок нового поколения, где используются температуры пара на выходе, превышающие 600°С, в частности - большие или равные 700°С, можно использовать стали или стальные материалы с существенно сниженным содержанием хрома, по сравнению с ранее применявшимися сортами стали, если области поверхности, подвергающиеся воздействию окислительных условий, причем речь в основном идет о трубопроводах, а также о внутренних поверхностях соответствующих труб или трубчатых деталей, обработаны посредством дробеструйной обработки и встроены в силовую установку, в частности - в парогенератор. За счет этого можно использовать такие сорта стали, которые, с одной стороны, относительно дешевы, а с другой стороны - также обладают достаточной прочностью или соответствующими прочностными свойствами и необходимой устойчивостью к окислению и коррозии. Необходимую при этих температурах устойчивость к окислению можно получить за счет того, что сторона, соприкасающаяся с водой, жидкостью или паром - сторона прохождения пара - соответствующей детали, или соответствующего блока, или соответствующего компонента силовой установки, в частности - внутренняя поверхность трубчатых тел, обработана посредством дробеструйной обработки. При этом удается достичь обогащения хромом, содержащимся в матриксе соответствующего материала, в частности - стального материала, в частности - за счет образования слоя СrО на обработанной (наружной) поверхности материала. Полученные результаты показали, что посредством способа дробеструйной обработки возможно увеличение содержания хрома в соответствующим образом обработанном слое до примерно 50%. Поэтому с использованием способа согласно настоящему изобретению можно, например, предусмотреть использование сортов стали со средним содержанием хрома, равным 9 массовым %, в виде наружного слоя на материале, как правило - на внутренней поверхности трубы, который затем - после обработки - обнаруживает среднее содержание хрома, составляющее примерно 12 массовых %, и за счет этого проявляет достаточную устойчивость к окислению при условиях, существующих в силовых установках нового поколения, с температурами пара на выходе из установки не менее 700°С.
В противоположность тому, что мог ожидать специалист в данной области, неожиданно обнаружилось, что это повышение устойчивости к окислению или достижение достаточной устойчивости к окислению со стороны прохождения пара не связано с одновременным ухудшением высокотемпературной коррозионной стойкости соответствующим образом обработанной детали парогенератора, или соответствующим образом обработанного блока парогенератора, или соответствующего компонента силовой установки на стороне прохождения дымовых газов. Возможность применения дробеструйной обработки к стальным материалам с более низким содержанием хрома, то есть к сталям с содержанием хрома не более 18 массовых %, противоречила общим опасениям специалистов относительно того, что применение этого способа может привести к неблагоприятному распределению хрома в обработанном материале. Хром, содержание которого, в форме оксидов хрома, увеличено в слое, обращенном к стороне прохождения пара, или в обработанном слое, диффундирует в этот слой из основного матрикса, то есть из основной массы материала. Так как снаружи к материалу не поступает хром, эта диффузия приводит к тому, что этот хром или эти частицы хрома не могут присутствовать в других частях материала. Можно было опасаться, что это может привести к тому, что на стороне соответствующей детали, противоположной обработанной стороне, в случае трубы - на наружной стороне трубы, может возникнуть сниженное содержание хрома. Так как в случае компонентов силовых установок наружные стороны этих труб подвергаются воздействию коррозионных и агрессивных условий протекающих вдоль них потоков дымовых газов, эти трубы должны обладать достаточными антикоррозионными свойствами, то есть обладать достаточной устойчивостью к коррозии. Поэтому поверхности, подвергающиеся воздействию дымовых газов, также должны иметь определенное содержание хрома. Если содержание хрома в этих поверхностях снизится, за счет этого снизится и коррозионная стойкость детали. Поэтому существовало опасение, что, хотя при обработке внутренней поверхности трубы посредством дробеструйной обработки и можно добиться повышенной или достаточной устойчивости к окислению, на противолежащей поверхности может возникнуть сниженная или ухудшенная коррозионная стойкость.
Кроме того, существовали опасения относительно того, что из-за искусственно вызванного неравномерного распределения содержания хрома могут сформироваться различные свойства материала в отношении сварки на его наружной и внутренней поверхностях, то есть на его необработанной посредством струйной обработки и обработанной поверхностях, так что при сварке этой детали можно будет встретиться с трудностями.
Хотя эти проблемы имеют меньшее значение при использовании сталей с содержанием хрома не менее 18 массовых %, так как в этом случае, благодаря относительно высокому содержанию хрома, имеется достаточное количество хрома для того, чтобы и в проблемных случаях обеспечить необходимую устойчивость к окислению стороны, обращенной к пару, и коррозионную стойкость стороны, обращенной к дымовому газу, у специалистов возникали опасения относительно того, что эти свойства невозможно обеспечить в случае низколегированных сталей, то есть сталей с заметно меньшим содержанием хрома. В частности, следует учесть также аспект, состоящий в том, что в качестве дополнительного требования должна быть обеспечена также достаточная прочность материала в течение длительного времени.
В частности, высокотемпературная коррозионная стойкость и коррозионная стойкость стороны парогенератора, обращенной к дымовым газам, при содержании хрома менее 18 массовых % проявляют экспоненциальное ухудшение.
2
Исследования показали, что повреждение материала в форме потери массы (в мг/см) и, соответственно, снижение коррозионной стойкости материала очень сильно увеличиваются при содержании хрома менее 20 массовых %, в частности - менее 18 массовых %. Особенно возрастает высокотемпературная коррозия с повышением температуры, то есть с повышением температуры материала, так что проблема высокотемпературной коррозионной стойкости приобретает особое значение именно для силовых установок следующего поколения, которые работают при значительно более высоких выходных температурах пара. Поэтому меры, которые могли бы обеспечить снижение высокотемпературной коррозии материала, не рассматриваются в качестве мер, которые можно было бы реализовать практически.
Неожиданно было обнаружено, что способ согласно настоящему изобретению обеспечивает достаточную устойчивость деталей/блоков/компонентов к окислению, не ухудшая при этом коррозионную стойкость.
При этом неожиданным оказалось то, что материалы, которые имеют ферритную структуру со средним содержанием хрома не более 8 массовых %, или мартенситную структуру со средним содержанием хрома не более 14 массовых %, особенно в диапазоне от 9 до 12 массовых %, или аустенитную структуру со средним содержанием хрома не более 18 массовых %, прошедшие дробеструйную обработку, могут быть использованы в качестве детали парогенератора, или блока деталей парогенератора, или компонента силовой установки даже при нагрузках, возникающих при выходных температурах не менее 600°С, в частности - не менее 700°С. Следовательно, структуры такого рода можно выбрать для дробеструйной обработки поверхности.
В частности, возможность такого использования возникает в том случае, если соответствующие детали или поверхности обрабатывают посредством дробеструйной обработки поверхности с использованием материала, родственного или близкого по структуре и/или одинакового с материалом, использованным для изготовления детали, или материала с более высоким содержанием хрома, чем в материале детали, что предусматривает одна из форм осуществления настоящего изобретения.
Согласно настоящему изобретению можно обеспечить парогенератор с жесткими параметрами пара, в частности - парогенератор с выходными температурами пара не менее 700°С, содержащий детали или блоки деталей парогенератора, или компоненты силовой установки, которые обладают достаточной температурной стабильностью, а также достаточной коррозионной стойкостью и достаточной устойчивостью к окислению. В частности, согласно настоящему изобретению можно также использовать стали с ферритной, мартенситной или аустенитной структурой, не обладающие высоким содержанием хрома. Например, подходящими сталями являются мартенситные стали с кодом материала Т91/Р91 или Т92/Р82 или аустенитные стали, например - X3CrNiMoBN17-13-3 (№ материала 1.4910), которые после струйной обработки поверхности проявляют, кроме прочности, также необходимую коррозионную стойкость и устойчивость к окислению при воздействии атмосферных условий и условий окружающей среды, которые преобладают в парогенераторах с выходными температурами не менее 700°С. Из этих материалов можно изготовить самые разнообразные детали парогенераторов и компоненты силовых установок, например - мембранные стенки, спиральные стенки парогенераторов, соединительные трубы, пароотделители и резервуары для воды, впрыскивающие пароохладители, нагревательные поверхности, сборники и распределители, диафрагмы подвесных труб, подвесные трубы, переходники и т.п. Прежде всего из деталей парогенераторов согласно настоящему изобретению можно изготавливать испытывающие высокие нагрузки коллекторные линии и трубопроводы, а также мембранные стенки новых силовых установок, работающих при температурах порядка 700°С, с выходными температурами пара не менее 700°С. Как и в случае сталей, использовавшихся ранее при более низких выходных температурах пара, применение способа дробеструйной обработки поверхности приводит к тому, что значительно замедляется нарастание слоя шпинели или магнетита на соответствующим образом обработанной поверхности, то есть на поверхности, упрочненной и пластически деформированной посредством струйной обработки и вследствие этой обработки, проявляющей повышенное содержание хрома, по сравнению с необработанными поверхностями. При этом необходимо лишь выбирать для этого типа силовых установок нового поколения соответствующие высокожаропрочные стали, которым затем можно придать соответствующую устойчивость к окислению посредством дробеструйной обработки поверхности, обращенной к пару.
Было обнаружено и определено, что особенно подходящими материалами являются мартенситные стали со средним содержанием хрома, составляющим от 9 до 12 массовых %, и аустенитные стали с содержанием хрома не более 18 массовых %. Названия «ферритный», «мартенситный» или «аустенитный» относятся к соответствующей структуре материала.
Дробеструйную обработку поверхности (shot-peening/shot-blasting) осуществляют, прежде всего, при таких условиях, или для нее создают такие условия, чтобы на структуру материала обработанной поверхности деталей, или блоков деталей, или компонентов силовых установок можно было повлиять до глубины, равной 200 мкм, предпочтительно - до 100 мкм, и/или на структуру металла влияют до такой глубины. В пределах такой толщины слоя, достигающей 200 мкм или 100 мкм, происходит желаемое обогащение хромом. При этом происходящее в этом слое упрочнение незначительно вследствие малой толщины этого подвергнутого поверхностной струйной обработке объема материала и незначительной толщины этого слоя по сравнению с толщиной стенки соответствующей детали, соответствующего блока или соответствующего компонента силовой установки, так что прочность обработанной детали, обработанного блока или обработанного компонента силовой установки в целом остается неизменной. Обычно находящийся на переднем плане эффект повышения прочности при дробеструйной обработке вообще не играет никакой роли при дробеструйной обработке поверхности согласно настоящему изобретению; более того, он и не должен играть никакой роли. Решающее значение имеет исключительно появляющаяся при использовании данного способа возможность так повлиять на наружный слой или на область наружного слоя соответствующей детали или конструкции (например - на внутреннюю поверхность трубы), чтобы в этой области произошло повышение содержания хрома.
Условия дробеструйной обработки поверхности при этом задают такими, чтобы произошло повышение твердости обработанной поверхности или обработанного слоя на +50-+150 единиц Виккерса (HV), в частности - примерно на +100 единиц Виккерса, относительно исходной твердости материала/заготовки. При этом струйную обработку поверхности можно осуществлять не только материалом, имеющим аналогичную или сходную структуру или одинаковым с материалом обрабатываемой заготовки, или материалом с более высоким содержанием хрома, чем в материале заготовки, но можно использовать и керамические материалы, предназначенные для струйной обработки, стеклянные шарики и т.п. Однако прежде всего используют материал, имеющий аналогичную или сходную структуру или одинаковый с материалом заготовки. Для этого, например, проволоку из идентичного материала разрубают на мелкие кусочки, при необходимости закругляют края этих кусочков, после чего с потоком текучей среды подают их на поверхность, подлежащую обработке.
3
2
3
2
3
Дробеструйную обработку (дробеструйное упрочнение, дробеструйную нагартовку, обдувку дробью) поверхности обычно осуществляют с использованием стальной трубы с находящимся на ее торце 360-градусным реактивным соплом, так что материал, используемый для струйной обработки, перемещается внутри трубы, а затем может быть подан через реактивное сопло на внутреннюю поверхность труб соответственно конкретной трубы, подлежащей обработке. При этом используют объемную скорость до 9 м/мин и максимальное давление дутья, равное 0,7 МПа. При этом реактивное сопло продвигается через трубу, подлежащую обработке, со скоростью, лежащей в диапазоне от 100 до 800 мм/мин. Эффект «дробеструйной обработки» состоит в том, что на обработанной стороне материала в результате дробеструйной обработки образуется холоднодеформированный слой. Под этим холоднодеформированным слоем в матриксе основного материала находится зона диффузии. Из зоны диффузии хром диффундирует наружу через холоднодеформированный слой и образует на наружной поверхности, то есть поверх холоднодеформированного слоя, слой оксида, в частности - слой СrО, на котором впоследствии в условиях эксплуатации образуются топотактический и эпитактический слои. Однако диффузия Fe через слой СrO снижена, что препятствует нарастанию магнетита.
Таким образом, объектом изобретения является компонент силовой установки, используемый в окислительных условиях, создаваемых паром парогенераторов силовых установок, который, по меньшей мере, в основном состоит из легированного хромсодержащего материала и, по меньшей мере, частично, в частности - в основном, состоит из материала, поверхность которого обработана посредством дробеструйной обработки, отличающийся тем, что он, по меньшей мере, в основном состоит из материала с ферритной структурой со средним содержанием хрома не более 8 массовых %, или с мартенситной структурой со средним содержанием хрома не более 14 массовых %, и, по меньшей мере, поверхность компонента, по меньшей мере, частично обработана посредством дробеструйной обработки.
Поверхность указанного компонента может быть обработана посредством дробеструйной обработки с использованием материала того же типа, или той же структуры, или того же состава, что и материал компонента силовой установки, или материала с более высоким содержанием хрома, чем в обработанном материале компонента силовой установки.
Поверхность компонента силовой установки может являться составной частью компонента силовой установки, которая расположена на обращенной к пару стороне парогенератора, температура пара на выходе из которого не менее 600°С, в частности - не менее 700°С.
Компонент силовой установки согласно изобретению может являться составной частью нагревательной поверхности, мембранной стенки, спиральной стенки парогенератора, соединительного трубопровода, пароотделителя, резервуара для воды, пароохладителя с впрыском, сборника, распределителя, диафрагмы несущей трубы, несущей трубы, переходника или парогенератора силовой установки или образует такую поверхность.
Материал, из которого изготавливают компонент силовой установки согласно изобретению, может являться ферритной или мартенситной сталью.
Указанный материал может являться материалом со средним содержанием хрома не более 8 массовых %.
Указанный материал может иметь мартенситную структуру со средним содержанием хрома в диапазоне от 9 до 12 массовых %.
Указанный материал может являться мартенситным материалом марок Т91, или Р91, или Т92, или Р92.
Условия дробеструйной обработки поверхности могут быть установлены такими, что на структуру материала обрабатываемой поверхности компонента можно воздействовать и/или воздействуют до глубины, равной 200 мкм, предпочтительно - до 100 мкм.
Условия дробеструйной обработки поверхности могут быть установлены такими, что обработанная поверхность компонента обладает твердостью, повышенной на от +50 до +150 единиц Виккерса (HV), в частности, на от +90 до +110 единиц Виккерса, по сравнению с исходным материалом.
Условия дробеструйной обработки поверхности могут быть установлены такими, что прочность обработанного компонента силовой установки по существу остается неизменной.
Поверхность компонента, обработанная посредством дробеструйной обработки, может являться внутренней поверхностью трубы.
Другим объектом изобретения является способ изготовления компонента силовой установки, используемого в окислительных условиях, создаваемых паром парогенераторов силовых установок, который, по меньшей мере, в основном состоит из хромсодержащего материала, в котором поверхность компонента, в частности - внутреннюю поверхность трубы, обрабатывают посредством дробеструйной обработки, отличающийся тем, что компонент силовой установки изготавливают из материала с ферритной структурой со средним содержанием хрома не более 8 массовых %, или с мартенситной структурой со средним содержанием хрома не более 14 массовых %, причем поверхности компонента силовой установки придают устойчивость к окислению посредством дробеструйной обработки этой поверхности.
Дробеструйную обработку поверхности согласно указанному способу могут осуществлять с использованием материала того же типа, или той же структуры, что и материал поверхности, и/или материала, одинакового с материалом поверхности, или с использованием материала с содержанием хрома, превышающим содержание хрома в материале поверхности.
Для обработки предпочтительно выбирают поверхность компонента, обладающую мартенситной структурой со средним содержанием хрома в диапазоне от 9 до 12 массовых %.
Условия дробеструйной обработки поверхности согласно указанному способу могут быть установлены такими, что обработанная поверхность компонента обладает твердостью, повышенной на от +50 до +150 единиц Виккерса (HV), в частности, на от +90 до +110 единиц Виккерса, по сравнению с исходным материалом.
Условия дробеструйной обработки поверхности согласно указанному способу могут быть установлены такими, что на структуру материала обрабатываемой поверхности компонента оказывают воздействие до глубины, равной 200 мкм, предпочтительно - до 100 мкм.