Werkstoffentwicklung für Hochtemperatur … · Einführung?Anforderungen an die Entwicklung?Werkstoffentwicklung und -einführung?Wirtschaftlichkeitsüberlegungen?Ausblick Gliederung

Werkstoffentwicklung für Hochtemperatur-Dampfkraftanlagen

Brendon Scarlin

23.November 200123.November 2001

? Einführung? Anforderungen an die Entwicklung? Werkstoffentwicklung und -einführung? Wirtschaftlichkeitsüberlegungen? Ausblick

Gliederung


? Erhöhung des Wirkungsgrades


Wirkungsgradsteigernde Massnahmen

HTGD S11 085 A / 1997-07

KWStaudinger 5

Rostock

Avedøre(Lippendorf)

%

%

%

Wirkungsgrad%

43

45

47

41

42

43

44

45

46

47

In Betrieb Im Bau Geplant

Speisewassertemp. (°C) 270 300 300Frischdampf (°C) 540 580 605Frischdampfdruck (bar) 250 275 275Zü-temp. (°C) 560 600 625Zü-Druck (bar) 40 50 50Vorwärmer 7 9 9


Gliederung


Hochtemperatur-Dampfturbinen

? Wichtigste Komponente– Schmiedestücke (Rotoren)– Gusstücke (Gehäuse)– Rohrleitungen

? Wichtigste Anforderungen– Hohe Zeitstandfestigkeit– Widerstand gegen Versprödung (Gefügestabilität)– Kleine Oxidationsgeschwindigkeit (keine Abplatzung der Schicht)– Einfache Fertigung von Schmiede- und Gussteile, sowie

Schweissungen, Biegungen, usw.

Komponente und Anforderungen

Längsschnitt durch eine Mitteldruckturbine

MD-InnengehäuseG-X 12 Cr Mo W V Nb N 10 11

MD-LäufereintrittX 12 Cr Mo W V Nb N 10 11

? Keine Auftragsschweissungen und kein Kühldampf

HTGD S11 077 A/1998-04

(400 MW, 358 bar/702 °C SH Outlet; 71 bar/720 °C RH Outlet)

022 105p

1 SH 2 Inlet (+ 76.507 m)

2 Eco Inlet (+ 74.464 m)

3 SH 1 Outlet (+ 72.960 m)

4 Eco Outlet (+ 71.617 m)

5 SH 3 Inlet (+ 62.536 m)

6 SH 3 Outlet (+ 55.425 m)

7 SH 4 Outlet (+ 49.066 m)

8 SH 4 Inlet (+ 44.525 m)

9 SH 2 Outlet (+ 42.375 m)

1 0 Evaporator Outlet (+ 42.025 m)

1 1 SH 1 Inlet (+ 40.625 m)

1 2 RH 2 Inlet (+ 48.332 m)

1 3 RH 2 Outlet (+ 56.160 m)

1 4 RH 1 Outlet (+ 61.982 m)

1 5 RH 1 Inlet (+ 71.920 m)

Eco

RH 1

SH 3

RH 2

SH 4SH 2

wall - SH 1evaporator

± 0,0 m

12

34

5

6

7

8910

1 1

1 2

13

14

15

Kesselkonstruktion


Gliederung


Internationale Projekte

Fortschrittliche Dampfkraftwerke

JAPAN USA EUROPE

Development and plantoperation : EPDC

Development: EPRI

Development: COST

EPRI project 1403 (USA, J, EU)• Thick-walled pipe steels• Standardisation achieved• Trial components in service

Power plant orders Power plant orders

• Turbine and boiler manufacturers,steelmakers, R&D organisations

• Materials development• Component manufacture• Pilot plant operation (50 MW)

• Basic studies (1978-1980)• Turbine & boiler man. (1986-1993)

• Turbine and boiler manufacturers,steelmakers, utilities, R&D

• Interaction with VGB, Brite-Euram,Marcko, ECCC etc.

• All major power plant components• Targets: 300 bar, 600°C / 600°C

300 bar, 600°C / 620°C

1981 - 1993 COST 501: 1983 - 1997

1000 MW, 241 bar, 593°C, 593°C com. 971050 MW, 250 bar, 600°C, 610°C ordered

1994 - 2000• Target: 300 bar, 630°C / 630°C

400 MW, 285 bar, 580°C, 580°C, 580°C com. 97530 MW, 300 bar, 580°C, 600°C ordered

COST 522: 1998 - 2003• Target: 300 bar, 620°C / 650°C

2000-06/Parsons/STDH/B. Scarlin/Page 15

Merkmale der neuen 9-12% Cr StähleMikrogefüge: Vollmartensitisches Grundgefüge mit Karbidenverteilung, erreicht durch Vergütung

Vorzugsweise mit kleinen Lamellen, hoher Verstzungsdichte und feine Teilchen

Vorteilhaft Nachteilig

Cr 9-12% Zeitstandfestigkeit/Oxidation ? -Ferritbildner (Co, Cu, Mn Zusatz)

C 0.1-0.2% Karbidbildner (Cr) Schweissrisse bei hoher C-Gehalt

teilweise durch N ersetzt

Mo 0.5-1.5% Stabile Karbide Laves Phase Bildung, DuktilitätMischkristallhärtung

W 1-2% Mischkristallhärtung Laves Phase Bildung, Duktilität Zeitstandfestigkeit

Nb 0.06% Sehr stabile Karbide / NitrideUnterdruckt Kornwachstum

V 0.2-0.3% Sehr stabile Nitride (MX)Zeitstandfestigkeit

B 100ppm Reduziert Karbidvergröberung Seigerung, erschwert Schweissen


Erwünschtes Gefüge

Materialwahl für Hauptkomponente: Schmiedeteile (Rotoren), Guss (Gehäuse) und Rohrleitungen

HTGD Parson 9 A / 1997-10

500 550 600 650

200

100

0

Temperatur in °C

Zeits

tand

fest

igke

it(1

05h)

in M

Pa

ca. 30°C ca. 25°C

“X20” Stahl(11 bis 12 % Cr) für:

? Rotoren

? Gehäuse

? Schaufeln

? Rohrleitungen

COST 501 Werkstoffe (bis 600 °C)? Schmiede- und Gusslegierungen

? Zulegierung mit 1 % W? Reduktion von Cr auf 9 %

? Schaufeln austenitisch? Rohrleitungen 9 % Cr

? + 0W (P91)? + 1W (E911)? + 2W (P92)

COST 522 Werkstoffe(bis ca. 620 °C)? Werkstoffe mit Co (bis 3 %)

und B ( bis 0.01 %)? Zeitstandfestigkeit

? Erhöhte Cr (bis 11 %)? Oxidationsbeständigkeit

Hochtemperatur-Dampfkraftwerke

? Bis Anfang der ‘90er– Seit vielen Jahren “X20” Stahl (11 bis 12%Cr) für Rotoren, Gehäuse und

Rohrleitungen– Maximale Zü-Temperatur bis 565°C (100MPa Zeitstandfestigkeit bei 105 h)

? Seit den ‘90ern (bis 600°C)– Neue Wekstoffe aus dem COST 501 Programm– Schmiede- und Gusslegierungen

• Zeitstandfestigkeit erhöht durch Zulegieren von W (auch Reduktion des Cr-Gehaltes auf 9%)

– Rohrleitungen• Zeitstandfestigkeit erhöht durch Zulegieren von W (bei 9%Cr): (P91-->

0%, E911 --> 1%, P92 --> 2%)– Schaufeln: Bei Temperatur > ca.550°C austenitischer Stahl (StT17/13W)– Heutige Stand der Technik 580/600°C (100MPa Zeitstandfestigkeit 105 h)

Entwicklungsschritte 1 (typischerweise 20-30°C)

Hochtemperatur- Dampfkraftwerke

? Der nächste Schritt (COST 522: bis 625°C)– Anforderung bezüglich Zeitstandfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit– Trend zu höherer Cr-Gehalt (11%) zeigt viel höhere Beständigkeit (Bild)– Gleichzeitige Zeitstandfestigkeit erhöht durch Zulegieren

• mit Co (bis 3%)• mit B (bis 0.01%)

– Die Wahl: • Werkstoffe mit 9%Cr sofort einsetzbar (Beschichtungen notwendig ?)• Werkstoffe mit 11%Cr brauchen längere Prüfzeit (Beschichtungen kaum

notwendig)– Das Ergebnis

• Zeitstandfestigkeit von 100MPa bei 105 h und 620 bis 625°C• Oxidationsbeständigkeit gleich gut wie bei 580°C

Entwicklungsschritte 2 (typischerweise 20-30°C)

Hochtemperatur- Dampfkraftwerke

? Der übernächste Schritt (700/725°C Thermie)– EU finanziertes Programm unter Führung von ELSAM– Anwendung von Nickelbasislegierungen für Rotoren, Gehäuse,

Rohrleitungen und Schafeln– Wirkungsgrad >>50%– Demonstrationsanlage in 2010– Erhöhte Anlagenkosten aber tiefere Stromgestehungskosten (vom

Brennstoffpreis abhängig)

Entwicklungsschritte 3 (+100°C)

Dampfturbinenentwicklung: Einführung neuer Werkstoffe

4. Auslegungsdaten: Kurzzeit5. Auslegungsdaten: Langzeit6. Betriebserfahrung

Thermie

Entwicklungschritt

2000 2010

630°C bis650°C

2004

COST 522

625°C 700°C

Schritte: 1. Legierungsentwicklung (F & E) mit kleinen Schmelzen2. Weitere kleine Schmelzen und Komponente 3. Fertigungstechnologien (Schweissen, Biegen, ZfP,…)

Gleichzeitige Schritte

2002 2006 2008

Bestellung und Betrieb

Fertigungstechnologien

Grössere Schmelzen /Komponenten

Erste kleine Schmelzen

Weitere kleine Schmelzen

ca. 30°C

Stahl C Cr Mo W V Nb N B (gew. %)a) 0.28 1.0 0.9 - 0.30 - - -b) 0.21 12.0 1.0 - 0.30 - - -c) 0.12 10.0 1.5 - 0.20 0.05 0.05 -d) 0.12 10.0 1.0 1.0 0.20 0.05 0.05 -e) 0.18 9.0 1.5 - 0.25 0.05 0.02 0.010

100 000 h Zeitstandfestigkeit für geschmiedete Turbinenstähle

500 550 600 650

200

100

0

Temperatur in °C

100

000

h Z

eits

tand

fest

igke

it

ca. 70°C

c/d: X12CrMo(W)VNbN101(1)

e: X18CrMoVNbB91a: 1%CrMoV

b: 12%CrMoV


500 550 600 650

200

100’

000

h Z

eits

tand

fest

igke

it

Temperatur in °C

100

0

c)10 % CrMo(W)VNbN

b)12 % CrMoV

a)1 % CrMoV

Ziel für neue Werkstoffe

540 593

MPa

Gussstahl C Cr Mo W V Nb N (Gew. %)

a) GS-17CrMoV 5 11 0.17 1.25 1.1 - 0.30 - -b) G-X22CrMoV 12 1 0.22 12.0 1.0 - 0.30 - -c) G-X 10 CrMo(W)VNbN 10 11 0.12 10.0 1.0 (1) 0.20 0.05 0.05

563


100 000 h Zeitstandfestigkeit für gegossene Turbinenstähle


500 550 600 650

200

100

0

Temperatur in °C

100

000

h Z

eits

tand

fest

igke

it

T23

P92; E911

P91

T24

T22

Stahl C Cr Mo W Andere (gew. %)BezeichnungT22 0.1 2.25 1.0 - -T23 0.1 2.25 0.2 1.6 -T24 0.1 2.40 1.0 - Ti, BP91 0.1 9.00 1.0 - -E911 0.1 9.00 1.0 1.0 -P92 0.1 9.00 0.5 1.8 BCOST 522 0.1 11-12 1.5 0/0.5 Co, B (Cu)

Neue COST 52211-12 % Cr Stähle (Ziel)


100 000 h Zeitstandfestigkeit für Rohrleitungsstähle


Wandstärke für Werkstoffe mit äquivalenter Festigkeit

Gr 22

Gr 91

Gr 122

Gr 23/24


Oxidschichtdicke für den Stahl T 92

121 095

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000Zeit in h

Ges

amto

xids

chic

htdi

cke

in µ

m

Betriebsversuche

Laborversuche

Mittelwerte

Gleichung von Naoi et al. [4] (8,84 Cr + 0,21 Si)

600°C


Labormessungen der Oxyddicke (2.25 und 9 % Cr Stähle)

300

250

200

150

100

50

00 1000 2000 3000 4000 5000 6000

9%Cr-1%Mo-0.4%Mn (T91), 550°C

9%Cr-1%Mo-0.4%Mn (T91), 600°C

2.25%Cr-1%Mo, 550°C

2.25%Cr-1%Mo, 600°C

Oxy

ddic

ke[?

m]

Zeit [h]

2.25 %

9 %

2.25 %

9 %

550 °C

600 °C??????


Dampfoxidation

? COST Legierungen FB5-FB9

FB5 - FB9 at 650 °C

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

time in h

wei

gh

t in

crea

se in

mg

/cm

2

FB5FB7FB6FB8FB9

ALLOY Cr Mn Ni Co W Mo V Nb N C SiFB5 10 0.1 0.16 2.9 0 1.5 0.2 0.07 0.02 0.14 0.07FB6 11 0.1 0.15 3 0 1.5 0.2 0.07 0.02 0.15 0.13FB7 10 0.08 0.14 3 0 1.5 0.2 0.08 0.02 0.17 0.12FB8 11 0.1 0.1 3 0 1.5 0.2 0.07 0.02 0.18 0.1FB9 11 0.1 0.13 6 0 1.5 0.2 0.07 0.02 0.19 0.08


Dampfoxidation

? Einfluss des Cr-Gehaltes von ferritischen Legierungen auf die Oxidationsgeschwindigkeit (FB-alloys, P92, T22)

Oxidation in steam after 2650 h at 650 °C

0.1

1

10

100

0 2 4 6 8 10 12wt.-% Cr

mg

/cm

2

1 mg/cm2 corresponds to about 10 µm oxide thickness

–OXIDATIONSVERSUCHE

? Laborversuche, COST 522? Auslagerungen im Kraftwerk, KOMET 650

– Westfalen bypass – 620, 650C, bis 24,000h– breite Auswahl neuer Werkstoffe– Modellierung des Abplatverhaltens, NPL

? Untersuchungen von Schutzschichten– COST 522, KOMET 650


? Feldversuche


Auslagerung in Dampf

613 °C / 4000 h

642°C / 4000 h

COST Material FB2 Ref. Material X20

Beschichtungen für Dampfkraftanlagen bis 650°C

? Abplatzen von Oxydschicht beschädigt Turbinenschaufeln? Oxydschichtverschlechtert Wärmübergang

12% Cr-Stahl nach 4000 h at 650 °C QuerschnittB

ase

allo

y


Mögliche Schutzschichten

? Al-Lösung (pinzeln, sprühen,….) + Wärmebehandlung (z.B. Sermetel)

? Electroless Ni (+12% P) + Diffusionswärmebehandlung

? HVOF Plasmaspritzen (z.B. NiCrAlY)

? Inchromieren

? Hybrid coatings ( = e.g. Ni electroless + Al-slurry)


Al-Beschichtung auf E911 in Dampfbypass : 4000 h, 650 °C

Sermetel coating on E911 (17ALUP), 4000 h, 650 °C

Al-oxide

26 at.-% Al, 6% Cr,rest Fe, no oxygen

base material E911

15 at.-% Al, 10% Cr,rest Fe, no oxygen

E911

Ohne Beschichtung Mit Beschichtung


Nickelbeschichtungen auf E911

? 60 µm Elektroless Nickel (DEGUSSA NIMUDEN 858) auf E911 nach4350 h bei 600 °C in Dampf

BoilerE911

Ni

Ohne Beschichtung(4000 h bei 613 °C in Dampf):


für Probe Nr. 16.3/T92 nach einer Belastung von 23.000 StundenBerechnung des Temperaturprofils

003 394

???

???

??

??

???

MetallMagnetitiDampfOberfläche

sx1QTT

Q sMetall

?

?

Q xMagnetit

?

?

567°C

595°C

603°C

609°C606°C

Rohr

Mag

netit

Dampf

Qi?

Q = Wärmestrom (26 kW/m2)? i = Wärmeübergangszahl (1,370 W/m2/K)? Magnetit= Wärmeleitfähigkeit Magnetit (1 W/m/K)? Metall = Wärmeleitfähigkeit Metall (28 W/m/K)


10

100

1000

100 1000 10000 100000

Time to rupture (h)

Cre

ep r

up

ture

str

eng

th (

MP

a)

broken

ongoing

EPRI 1403-15/23Cast P91 GradePilot Valve Body


Zeitstandprüfung bei 600°C (VGB)8 Fertigungs-Gussstücke aus G-X12CrMoVNbN10 1

Fertigung eines P92-Sammlers

075 103p

Sammler mit Anschlussrohren


Automatische SchweissungenFertigung eines P92-Sammlers

075 104p


Umfangsnaht in P 92 - Mikrogefüge der Schweissnaht

Schweissverfahren - Qualifikationsprüfungen

075 099p

Makro2 : 1

Schweissnaht 200 : 1

Zusatzmaterial 200 : 1



Resultate der Zeitstandversuche an E911Grundmaterial und Schweissverbindungen

50

100

200

300

1 10 100 1000 10000 100000Bruchzeit (h)

Spa

nnun

g(M

Pa)

GrundmaterialSchweissverbindung

50

100

200

300

1 10 100 1000 10000 100000Bruchzeit (h)

Spa

nnun

g(M

Pa)

600 °C 650 °C

40

30

40

30


GrundmaterialSchweissverbindung

Aufbau des Testüberhitzers

121 055


Chemische Zusammensetzung der ausgewählten Werkstoffe

121 102

C Si Mn P S Cr Ni Mo V N b N Sonstige

X 20CrMoV121

0,17

bis

0,23

max.

0,50

max.

1,00

max.

0,025

max.

0,020

10,0

bis

12,5

0,30

bis

0,80

0,80

bis

1,20

0,25

bis

0,35

T 910,08

bis0,12

0,20

bis0,50

0,30

bis0,60

max.0,020

max.0,010

8,0

bis9,5

max.0,40

0,85

bis1,05

0,18

bis0,25

0,06

bis0,10

0,030

bis0,070

Al:max. 0,040

T 92 (NF 616) 0,09 0,21 0,46 0,015 0,002 8,84 0,26 0,47 0,21 0,066 0,040Al: 0,009Ti: 0,003

W: 1,720

HCM 12max.

0,14

max.

0,50

0,30

bis

0,70

max.

0,030

max.

0,030

11,0

bis

13,0

0,80

bis

1,20

0,20

bis

0,30

max.

0,20

W:

0,80 bis 1,20

1.4988

0,04

bis0,10

0,30

bis0,60

max.1,50

max.0,035

max.0,015

15,5

bis17,5

12,5

bis14,5

1,10

bis1,50

0,60

bis0,85

0,060

bis0,140

(Nb+Ta):? 10 x %C

bis max. 1,2

TP347H FG0,04

bis0,10

max.0,75

max.2,00

max.0,040

max.0,030

17,0

bis20,0

9,0

bis13,0

(Cb+Ta):0,80 bis 1,00

NF 709

0,04

bis

0,12

max.

1,00

max.

1,50

max.

0,030

max.

0,010

18,0

bis

22,0

22,0

bis

28,0

1,00

bis

2,00

0,10

bis

0,40

0,050

bis

0,200

Ti: 0,02-0,2

B:

0,002-0,01

TP310N 0,06 0,40 1,20 0,012 0,004 24,7 21,0 0,45 0,210 Cu: 0,02

HR3C

0,04

bis

0,10

max.

0,75

max.

2,00

max.

0,030

max.

0,030

24,0

bis

26,0

17,0

bis

23,0

0,20

bis

0,60

0,150

bis

0,350

Versuchsüberhitzer für 620 °C Dampftemperatur

021 147


Testüberhitzer

021 188

vor dem Ausbau nach dem Ausbau


Temperaturprofil des ersten Testüberhitzers

003 393

490

510

530

550

570

590

610

630

650

670

0 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000

Länge in mm

Tem

pera

tur

in °

C

Dampftemperatur

Metal l temperatur

Thermoelement

CT003

CT005

CT001

Austritt

CT002

C T 0 0 6

Dampfoxidation

? Zusammenfassung

– Feldversuche (in Komet650 Projekt und in Kraftwerksanlagen) stimmen für kurze Prüfzeiten gut mit Laborergebnissen überein (für P92).

– Oxydabplatzungen bei längeren Zeiten

– Mehr Abplatzung in Feldversuchen als im Labor wegen Temperaturwechseln

– Vielversprechende Legierungen mit 11% Cr

– Beschichtungen (Al and Ni) können 9% Cr Stähle auch schützen


S t e a mPlan t

F u e l O u t p u tM W

LiveSteam

bar / °C

R e h e a tS t e a m

°C

ThermalEff iciency

%

Skaerbaek

Nord iy land

Avedoere

Skopau A, B

Schwarze Pumpe A , B

Boxberg Q, R

Lippendor f R, S

Niederaussem

West fa len

Gas

Coa l

B iomass, Oi l

Lignite

Lignite

Lignite

Lignite

Lignite

Coa l

400

400

530

450

800

818

900

950

350

290 / 582

290 / 582

300 / 580

285 / 545

268 / 545

268 / 545

268 / 554

268 / 580

283 / 597

580 / 580

580 / 580

600

560

565

583

583

600

618

49

48

47

40

40.6

41.7

41.7

42.3

Europäische Fortschrittliche Dampfkraftwerke

Einsatz der neuen Werkstoffen


Gliederung



Wirtschaftliche Aspekte• Werkstoffe bis an ihre Grenze einsetzen (Festigkeit, Oxidationsbeständigkeit, …)

? “Gleitende” Werkstoffübergänge? Gesamtoptimierung des Kraftwerkes

? Viele Werkstoffe ? Kleinere Mengen von teueren Werkstoffen? Wenige Werkstoffe ? Grössere Volumen? Auslegungsflexibilität

(Wanddicke kompensiert Festigkeit, aber nicht Oxidationsbeständigkeit)

Rel

ativ

e K

oste

n

Relative Temperatur / Druck

Gehäuse (Innen/Aussen, Ventile)

Rotoren

Schaufeln

Rotormischnähte (Rotorschweissnaht oder Auftragschweissung)



Gliederung


? Marktentwicklung– Brennstoffpreise– Brennstoffangebot– Brennstoffmix

? Politische Entwicklungen– CO2 Steuer– Eigene Industrien

Ausblick


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Werkstoffentwicklung für Hochtemperatur … · Einführung?Anforderungen an die Entwicklung?Werkstoffentwicklung und -einführung?Wirtschaftlichkeitsüberlegungen?Ausblick Gliederung