SHARE
X

Problemy z wyborem stali przy inwestycjach w nowe bloki energetyczne

Autorzy: Artur Świątczak, Kierownik Sekcji Certyfikacji i Odbiorów TÜV Rheinland Polska Sp. z o.o.
Radosław Łoźny, Rzeczoznawca TÜV Rheinland Polska Sp. z o.o.
Źródło: wnp.pl/ luty 2012

Obecnie w Polsce mamy do czynienia z sytuacją, w której zły stan techniczny bloków, a zwłaszcza kotłów parowych powoduje, że różnica między sprawnością bloków energetycznych w naszym kraju (ok. 37%), a tą w Unii Europejskiej (ok. 46%) ciągle wzrasta. Rozpoczynające się właśnie inwestycje w nowe moce wytwórcze mają wpłynąć na poprawę tej sytuacji, niosą jednak ze sobą pewne ryzyka. Zarówno pod kątem organizacyjnym, technologicznym, jak i finansowym.

Najbardziej kapitałochłonnym elementem inwestycji jest urządzenie kotłowe i to właśnie ten element ma decydujący wpływ na podniesienie sprawności bloku energetycznego. Podstawowymi parametrami charakteryzującymi pracę kotła obok wydajności, są ciśnienie i temperatura pary. O kotłach o parametrach nadkrytycznych mówimy, gdy temperatura pary wynosi od 580-600oC, a ciśnienie 27-30 Mpa. Kotły supernadkrytyczne pozwalają osiągnąć temperaturę ok. 620oC i ciśnienie ok. 31,5 Mpa. Przy kotłach ultrasupernadkrytycznych mówimy o temperaturze powyżej 700oC i ciśnieniu ok. 35 Mpa.

Koszt inwestycyjny kotłów o parametrach nadkrytycznych jest nieco wyższy niż kotłów o parametrach podkrytycznych, jednak oszczędności paliwa i względy ekologiczne z nawiązką kompensują ten wydatek. W niedalekiej przyszłości przewiduje się podniesienie temperatury pary do wartości ponad 650oC, co pozwoli na przekroczenie sprawności ponad 50%. Konstrukcja tego typu kotłów jest konstrukcją przepływową, czyli woda i para przepływają przez kocioł tylko raz (brak walczaka). Bloków na parametry ultranadkrytyczne jeszcze się nie buduje, ale trwają prace nad technologiami, które to umożliwią.

Wytrzymałość materiałów

Problemem przy projektowaniu i budowie kotłów jest dobór odpowiednich rodzajów materiałów, które będą zdolne do pracy w wysokiej temperaturze, najważniejsze znaczenie ma tu wytrzymałość na pełzanie. Wytrzymałość materiałów jest szczególnie istotna w przypadku zespołów: kocioł – turbina - generator. Podlegają one znacznym obciążeniom mechanicznym i cieplnym, ze strony wody wysokotemperaturowej i pary, a od strony paleniska - gazów spalinowych.

Przy wykorzystaniu nowych stali (np.: T24, VM12) obiegi cieplne mogą uzyskać sprawność do 47,5%. Dalszy wzrost sprawności do 55% wymaga pokonania trudnej bariery materiałowej. Elementy kotłowe wykonane z nowych gatunków stali mogą być zastosowane do budowy kotłów o nadkrytycznych parametrach pary. Muszą one gwarantować trwałość obliczeniową elementów ciśnieniowych kotłów na min. 200 tys. godzin, co zwiększa ich trwałość o 100% w porównaniu do elementów obecnie eksploatowanych.

Do modernizacji pracujących kotłów stosuje się stal P91, natomiast do nowych rozwiązań kotłów o parametrach nadkrytycznych przewidziane są następujące gatunki stali: NF616, NF12, HCM12, HCM12A, VM12. Materiały te są kilkakrotnie droższe od aktualnie używanych w budowie kotłów i z tego powodu termin ich wykorzystania będzie uzależniony od rachunku ekonomicznego.

Problemy z wyborem stali

Problem, który występuje przy budowie kotłów to użyte technologie spawalnicze, zwłaszcza jeśli chodzi o kotły z wysokimi parametrami pary, gdzie wykorzystuje się nowe gatunki stali. Przez ostatnie dwie dekady efektywnie wprowadzano do stosowania w energetyce stale z zawartością 9% Cr - P91/P92 oraz E911. Stale T23 - wprowadzona w Japonii i T24 - produkowana w Europie są modyfikacjami stali P22 i stanowią bardzo atrakcyjną kosztowo alternatywę dla stali P91/P92 i E911. Posiadają jednocześnie wysokie własności wytrzymałościowe i odporność na pełzanie w wysokich temperaturach.

Podstawowe różnice składu chemicznego stali P22, T23 i T24 polegają na tym, że w stali T24 dodano niewielkie ilości składników stopowych Ti, V, B oraz N. Zawartość Cr i Mo jest podobna jak w P22, a zawartość węgla (C) jest nieco niższa. Natomiast w T23 dodano wolfram (W) oraz niewielkie ilości V, Nb, B i N, a zawartość C i Mo została obniżona. Te niewielkie ilości dodatków stopowych bardzo znacznie wpływają na własności mechaniczne. Tak zmodyfikowana stal o nominalnym składzie 2.25Cr-1Mo posiada znaczcie wyższą od stali P22 granicę plastyczności w podwyższonych temperaturach. Wytrzymałość na pełzanie jest znacznie wyższa niż stali P22 i zbliżona do drogiej stali o nominalnym składzie 9%Cr - P91.

Niewątpliwymi zaletami wyboru stali T23/T24 są dużo mniejsze grubości ścianek, w porównaniu dostali P22, bez stosowania drogich materiałów (P91), co obniża koszty zarówno samego materiału jak i robocizny (spawanie); a także lepsze zachowanie w obecności gorącego wodoru. Dodatki mikroskopowe w stalach T23 i T24 powodują zwiększoną odporność na atak wodorowy (Nelsona).

Jest jednak kilka niepewności. T23 i T24 mają zmieniony skład chemiczny (w porównaniu do P22) i może to wpływać na zachowanie stali już po zakończeniu procesu produkcyjnego kotła i podczas eksploatacji. Ponad to T23 i T24 są przeznaczone do stosowania bez obróbki cieplnej po spawaniu (do pewnych grubości) co jest kolejnym czynnikiem zmniejszającym koszty produkcji kotłów, lecz doświadczenia produkcyjne zebrane do tej pory oraz badania spoin pokazują, że własności metalu stopiwa odbiegają od materiału podstawowego.

Ostatnio pojawiły się opinie kwestionujące spawanie tych stali bez obróbki cieplnej po spawaniu. Kryteria twardości wymagające, aby metal spoiny i strefy wpływu ciepła posiadały twardość <380HV nie wydaje się wystarczająca dla zapewnienia odpowiedniej plastyczności.

Zarówno w Polsce jak i w Niemczech środowiska biznesowe i naukowe są zaangażowane w opracowanie rozwiązań, które pozwolą jednoznacznie rozstrzygnąć te wątpliwości. Być może istnieje potrzeba zastosowania nowych materiałów spawalniczych do spawania materiałów podstawowych ze stali TP24.

TÜV Rheinland Polska jest w czołówce firm certyfikacyjnych i badawczych w Polsce. Spółka jest częścią międzynarodowego koncernu TÜV Rheinland Group, działającego w Niemczech od ponad 140 lat. Polski oddział w trakcie kilkunastu lat działalności zdobył pozycję eksperta w dziedzinie certyfikacji wyrobów, technologii, systemów zarządzania i personelu na krajowym rynku. Wśród klientów TÜV Rheinland Polska znajdują się obecnie największe przedsiębiorstwa m. in. z branży spożywczej, budowlanej, energetycznej i medycznej. Więcej informacji: www.tuv.pl

Kontakt dla mediów:
Agata Tynka
Specjalista ds. Public Relations
TÜV Rheinland Polska Sp. z o.o.
tel.: +48 32 271 64 89 w. 105
email: agata.tynka@pl.tuv.com
www.tuv.pl