DE3101174C2 - Wärmetauscher, insbesondere Winderhitzer - Google Patents
Wärmetauscher, insbesondere WinderhitzerInfo
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Description
60
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere Winderhitzer, mit feuerfester Auskleidung,
Isolierschicht und Stahlmantel. In einem solchen Wärmetauscher soll Luft mit Spitzenerwärmungstemperaturen
über 1000°C transportiert werden. Im folgenden soll die Erfindung am Beispiel der Winderhitzer
exemplarisch dargestellt werden.
Im Innenraum von Winderhitzern wird auf maximal 4 bar komprimierte Luft beim Durchgang durch einen
feuerfesten Besatz, der auf Temperaturen von bis zu 1500° C aufgeheizt wurde, erwärmt Die Luft erreicht bei
diesem Vorgang annähernd die Temperatur der Feuerfestauskleidung. Der Stickstoffanteil der Luft setzt
sich bei Temperaturen oberhalb von 13000C merklich mit dem Sauerstoffanteil zu Stickoxiden um. Da es sich
bei Feuerfestauskleidung und Isolierschicht um gasdurchlässige Systeme handelt, gelangt die im Inneuraum
des Winderhitzers vorliegende Gasmischung von Wasserdampf, Stickoxiden und nicht umgesetzter Luft
bis hin zum Stahlmantel, an dem Temperaturen in der Nähe des Taupunktes des Gasgemisches vorliegen.
WiFd der Taupunkt der Gasmischung am Stahlmantel unterschritten, was im praktischen Einsatz an allen
Abschnitten des Winderhitzers auftreten kann, so bildet sich ein Kondensat, das hohe Anteile an Nitrat
und/oder Nitritionen aufweist
Aus der bisherigen Korrosionsforschung ist bekannt, daß zugspannungsbelastete Baustahlkonstruktionen bei
Anwesenheit von nitrathaltigen Elektrolyten zur Anfälligkeit
gegenüber Spannungsrißkorrosion neigen. Gerade großtechnische geschweißte Anlagen wie Winderhitzer
sind bei innenseitig vorhandenen Nitratkondensaten aufgrund der hohen Schweißeigenspannungen und der
zyklischen Betriebsart des Winderhitzers in Gas- und Heizphase durch die Spannungsrißkorrosion besonders
gefährdet
Die durch die Spannungsrißkorrosion verursachten Schäden sind nicht auf bestimmte Winderhitzerbauarten
beschränkt und der Schadensablauf ist in vielen Fällen dadurch charakterisiert, daß die Rißerscheinungen
nach den ersten Ortungen sehr schnell fortschreiten und Anzahl der Risse und Rißtiefe nach kurzer Zeit zum
Sanieren der Anlage zwingen. Auf eine lange Inkubationsperiode folgt in der Regel eine kurze Rißperiode.
Es wurden bereits eine Reihe von Maßnahmen zur Vermeidung der Schäden ergriffer, und am erfolgversprechendsten
erschienen bisher eint Außenisolierung zur Verhinderung der Taupunktunterschreitung am
Mantelblech oder das Einbringen von abdichtenden Folien oder Anstrichen an der Mantelinnenseite zu sein.
Die Außenisolierung als bisher wirksamstes Mittel gegen Spannungsrißkorrosion hatte jedoch zur Folge,
daß die Kondensation der nitrathaltigen Gasphase erst in Bereichen der nachgeschalteten Systeme erfolgte.
Die Spannungsrißkorrosion kann mit dieser Methode also nicht vermieden, sondern nur örtlich verlagert
werden.
Bei allen bisher getroffenen Maßnahmen zur Vermeidung der Spannungsrißkorrosion ging man von
der einseitigen Beeinflussung des Mechanismus der Spannungsrißkorrosion aus. Zum einen wurde versucht,
den Elektrolyten aus dem Korrosionssystem zu entfernen (Abdichten durch Folien oder Anstriche und
Außenisolierung zur Verhinderung der Taupunktunterschreitung), zum anderen wurde versucht, Baustähle zu
entwickeln, die aufgrund ihrer Legierungszusammensetzung eine genügende Beständigkeit gegenüber Span·
nungsrißkorrosion aufweisen. Der zuletzt beschriebene
Weg wurde in der DE-OS 29 07 152 eingeschlagen. Durch die Erhöhung von Chrom- und Molybdängehalten
und gleichzeitiger Absenkung des Kohlenstoffgehaltes unter Werte von 0,05% wurde hierbei versucht, die
Beständigkeit von Baustählen gegenüber Spannungsrißkorrosion zu erhöhen. Die labortechnische Überprüfung
31 Ol 174
dieser Speziallegknsngen auf ihre Spannungsrißkorrosionsanfälligkeit
wurde nach dem damaligen Stand der Technik in einer 60%igen Calcium-NHrat-Lösung mit
Zusatz von Ammoniumnitrat in einem statischen Korrosionsversuch durchgeführt. Heutige Erkenntnisse
in der Korrosionsprüfung zeigen jedoch, daß weder das
Korrosionsmedium noch die eingesetzte mechanische Prüfmethode dem praktischen Belastungsfall im betrieblichen
Einsatz entsprechen, so daß bei der Prüfung der im Patent aufgeführten Legierungen keine für die Praxis
brauchbaren Ergebnisse erzielt wurden. In der DE-OS 29 07152 sind Standzeiten bis zum Eintreten der
Spannungsrißkorrosion von zweieinhalb Jahren für die Konstruktion aus diesen SpeziaUegierungen angegeben,
was jedoch für die Betreiber von Winderhitzeranlagen auf keinen Fall akzeptable Zeiten sind. In diesem
Bereich rechnet man vielmehr mit einer mittleren Lebensdauer der Aggregate von mindestens 10 bis
15 Jahren.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, durch einen komplexen Eingriff in alle drei Einflußgrößen der
Spannungsrißkorrosion (Spannung, Werkstoff und Korrosionsmedium) die Anfälligkeit des Wärmetauschers
gegenüber Spannungsrißkorrosion zu senken. Dies wird gemäß der Erfindung auf vorteilhafte Weise dadurch
erreicht, daß die Isolierung so bemessen ist, daß eine
Manteltemperatur von 30 bis 500C auftritt und daß als Mantelbleche chromfreier Baustahl mit Molybdänzusatz
von 0,01 bis 2 Gewichtsprozent Verwendung findet, der unter schwingender, niederfrequenter Wechselbelastung eine hohe Beständigkeit gegenüber interkristalliner
Spannungsrißkorrosion aufweist.
Da hohe Mantelblechtemperaturen zu einem beschleunigten Ablauf der Spannungsrißkorrosion führen,
wenn es in bestimmten Bereichen des Winderhitzers zur Unterschreitung der Taupunkttemperatur gekommen
ist, wird gemäß der Erfindung ein sinnvoller Einfluß auf den Parameter Korrosionsmedium ausgeübt. Versuche
haben gezeigt, daß eine Temperaturabsenkung des Korrosionsmediums im dynamischen Korrosionsversuch
auf 40°C die Beständigkeit der Mantelblechwerkstoffe
erheblich erhöht. Deshalb soll die Mantelblechtemperatur durch eine zusätzliche Innenisolierung von
den bisher üblichen 80 bis über 1600C auf 400C gesenkt
werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß je nach Anweidungszweck zwei
unterschiedliche Stahlgruppen für die Mantelbleche des Winderhitzers verwendet werden, die sich im wesentlichen
durch den Legierungsgehalt an Kohlenstoff, Molybdän und durch tl'ie. mechanischen Eigenschaften
unterscheiden. Die eine Stahlgruppe enthält folgende Bestandteile: 0.005 bis 0.7% Kohlenstoff, 0,1 bis 1,5%
Silizium, 0,1 bis 2,0% Mangan, höchstens 0,025% Phosphor, höchstens 0,025% Schwefel, 0,1 bis 2,0%
Molybdän und de·.1 Rest aus Eisen und unvermeidlichen Verunreinigungen. Diese Stähle besitzen eine Bruchvürlängerung
von etwa 30% und sollten speziell für den Aufbau und die Konstruktion neuer Anlagen oder
selbsttragender Doppelmäntel herangezogen werden. Als Beispiele für Stähle dieser Gruppe seien die Stähle
15Mo3 und 16Mo5 genannt. Die andere Stahlgruppe enthält folgende Bestandteile und zeichnet sich durch
eine Bruchverlängerung von >40% aus: 0,005 bis 0,1% Kohlenstoff, Spuren Silizium, höchstens 0,4% Mangan,
höchstens 0,15% Molybdän, höchstens 0,025% Phosphor, höchstens 0,025% Schwefel, höchstens 0,007%
Stickstoff, höchstens 0,?% Titan und der Rest aus Eisen und unvermeidlichen Verunreinigungen, Diese Legierung
ist vorzugsweise for Reparaturen geeignet, bei denen der alte Stahlmantel die Tragkonstruktion
übernimmt und höhere Festigkeiten des Repara-tur-Werkstoffes
nicht erforderlich sind.
Wärmetauscher, insbesondere Winderhitzer, sind im Betrieb einer zyklischen Belastung ausgesetzt Die vom
System einerseits und von der Verarbeitung des Werkstoffes andererseits im Bauwerk herrschenden
Spannungen sind dadurch gekennzeichnet, daß das System bei Druckbelastung bzw. Druckentlastung eine
Spannungs- bzw. Dehnungsänderung erfährt, wobei die Größe der Dehngeschwindigkeit von entscheidender
Bedeutung für den Mechanismus des Korrosionsprozesses ist. So werden in Hochtemperatur-Winderhitzern,
die mit maximal 4 bar Druck gefahren werden. Dehngeschwindigkeiten in der Größenordnung von
10-6 bis 10~8 s-' gemessen. Diese Dehngeschwindigkeiten
sind vom System vorgegeben, eine Änderung von außen ist nicht möglich, sieht man davon ab. daß die
Druckschwankungen und damit die Dehnungsamplituden verringert werden können. Diese zyklische
Belastung überlagert im Bauteil eine üatische Grundeigenspannung, die als wesentliche Ursache die im
Schweißnahtbereich auftretenden Eigenspannungen hat Erfindungsgemäß wird daher angestrebt die
Schwcjjßeigenspannungen im Werkstoff so niedrig wie
möglich zu halten, indem bei artgleicher Schweißung eine Mehrlagen-Vergütungsschweißung dergestalt
durchgeführt wird, daß das nach dem Schweißen entstehende Gefüge keine großen Härteunterschiede
zwischen Grundwerkstoff und Schweißnahtbereich aufweist und damit eigenspannungsarm ist
Die notwendige und sinnvolle Kombination von j5 Belastung, Werkstoff und Elektrolyt wird erfindungsgemäß
weiterhin dadurch gelöst daß das Feuerfestmaterial so angeordnet und bemessen wird, daß die
Temperaturen des Mantelbleches höchstens 400C bei beliebiger Kuppeltemperatur und beliebiger Bauform
des Kessels oder des Hochtemperatur-Winderhitzers beträgt Zur Aufrechterhaltung der vorgegebenen
Temperatur des Mantelbleches von höchstens 400C bei höherer Umgebungstemperatur kann eine Wasserberieselungsanlage
am Wärmetauscher vorgesehen sein. Zur Verminderung der Wärmeeinwirkung durch Sonneneinstrahlung
kann das Mantelblech erfinriungsgemäß mit
einer reflektierenden Schicht versehen sein.
Weiterhin wird erfindungsgemäß angestrebt die Isolierschicht zwischen Feuerfestmaterial und Mantelblech
so auszuführen, daß das durch die Isolierschicht diffundierende Gas oder der kondensierte Elektrolyt
nicht in der Lage find. Ionen aus dem Isolierwerkstoff herauszulösen, die eine anodische Polarisation des
Mantelbleches durch Lösung im Elektrolyten bewirken. Zu ueiinen wären hier die Elemente Calcium oder
Natrium, die eine Potentialverschiebung zu anodischeren Potentialen des Systems bewirken.
In der Zeichnung sind Ausfuhrungsbeispiele gemäß der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt
F i g. 1 den Aufbau einer Schweißnaht und eine Tabelle mit Schweißdaten,
Fig.2 eine graphische Darstellung des Härteprofüs
im Schweißbereich,
Fig.3 eine graphische Darstellung des Spannungs-Verlaufes
im Mantelblech bei Druckänderungen im Winderhitzer,
F i g. 4 eine graphische Darstellung des Einflusses des Molybdängehaltes der Mantelbleche auf die Standzeit
31 Ol
F i g. 5 eine graphische Darstellung des Einflusses der
Temperatur des Korrosionsmediums auf die Standzeit.
F i g. 1 enthält Beispiele für gute und schlechte Schweißungen, die gegenüber interkristalliner Span- s
nungsrißkorrosion zu schnellen Schäden führen können bzw. andererseits eine hohe Standzeit aufweisen. Im
Falle des StE 36 mit einem Härteunterschied zwischen Grundwerkstoff und Schweißnaht von 120MV trat
deutlich interkristalline Spannungsrißkorrosion im Sciiwcißnahtbereich auf.
Bei geschweißten Proben aus 15Mo3 und einer Vergleichsprobe aus Stahl ASt 41 werden maximal
Härteunterschiede von 50 bis 60 MV gemessen, wie dies aus Fig.2 hervorgeht. Es wird erfindungsgemäß
angestrebt, die Schweißung so auszuführen, daß ein Härteunterschied zwischen Grundwerkstoff und
Schweißnahtbereich von 50 bis 60 MV nicht überschritten wird.
Der Belastungsablauf nach K i g. 3 ist derart, daü einer
statischen Eigenspannungsgrundlast, die variabel ist, eine dynamische Oberlast überlagert wird. Diese
Belastung ist vom System vorgegeben und kann nicht verändert werden. Für die erfindungsgemäße System-Auswahl
ist wesentlich, daß die Dehnrate des Systems beim Umschalten von Druck auf Entlastung bzw.
umgekehrt in der Größenordnung zwischen 10~6 und
10-8 s-i liegt Bei einem zyklischen Belastungsvorgang
mit kritischen Dehngeschwindigkeiten wurde ein deutlicher Einfluß des Molybdängehaltes auf die
Empfindlichkeit gegenüber interkristalliner Spannungsrißkorrosion des Mantelbleches unter Bedingungen der
dynamischen Belastung gefunden.
Den günstigen Einfluß von Molybdän auf die Standzeit der erfindungsgemäßen Stähle bei konstanten
Dehnraten von 3,3 · 10-' s->
für die Stähle H II, X67, 15Mo3 und 16Mo5 läßt F i g. 4 erkennen. Dabei wird die
erfindungsgemäße Erhöhung der Standzeit mit steigendem Molybdängehalt deutlich sichtbar.
Die Entstehung stabiler passiver Schichten bei Stählen steht in enger Beziehung zu der Stahlzusammensetzung,
insbesondere dem Gehalt an Molybdän. Aus diesem Grund ist Molybdän der wesentliche
Bestandteil des erfindungsgemäßen Stahlblechs. Im Gegensatz zu dem Stahlblech nach der DE-OS
29 07 152, bei dem Chrom als wesentlicher Bestandteil
angesehen wird, muß unter den vorgegebenen Bedingungen des Verfahrens durch dynamische und niederfrequente
Belastung und konstanter Dehngeschwindigkeit festgestellt werden, daß die Anwesenheit von
Chrom negative Folgen für die Anfälligkeit gegenüber interkristalliner Spannungsrißkorrosion hat. Derartige
Stahlbleche weisen in SchwcißriShtbcreichsn eine
Chromverarmung auf, die durch Zusatz von Kohlenstoff und Stickstoff abbindenden Elementen wie Niob
verhindert werden kann. Diese Maßnahme der Chromabbindung und damit der Vermeidung einer Chromverarmung
entfällt bei rein molybdänhaltigen Stählen.
Der Einfluß der Temperatur wird aus F i g. 5 deutlich. Hier zeigt sich, daß bei Absenkung der Mantelblechtemperaturen
auf Werte unter 500C bei ebenfalls dynamischer Beanspruchung Standzeiten erreicht werden, wie
sie in neutralem Medium mit Glycerin ebenfalls auftreten. Es liegt also in diesem Fall ein fast rein
mechanisches Verhalten vor.
Claims (8)
1. Wärmetauscher, insbesondere Winderhitzer, mit feuerfester Auskleidung, Isolierschicht und
Stahlmantel, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierung so bemessen ist, daß eine
Manteltemperatur von 30 bis 500C auftritt und daß als Mantelbleche chromfreier Baustahl mit Molybdänzusatz von 0,01 bis 2 Gewichtsprozent Verwendung
findet, der unter schwingender, niederfrequenter Wechselbelastung eine hohe Beständigkeit
gegenüber interkristalliner Spannungsrißkorrosion aufweist
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelblech aus 0,005 bis
0,2% Kohlenstoff, 0,1 bis 1,5% Silizium, 0,1 bis 2,0%
Mangan, höchstens 0,025% Phosphor, höchstens 0,025% Schwefel, 0,1 bis 2,0% Molybdän und der
Rest aus Eisen und unvermeidlichen Verunreinigungen besteht.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelblech aus 0,005 bis
0,1% Kohlenstoff, Spuren Silizium, höchstens 0,4% Mangan, höchstens 0,025% Phosphor, höchstens
0,025% Schwefel, höchstens 0,15% Molybdän, höchstens 0,007% Stickstoff, höchstens 0,2% Titan
und der Rest aus Eisen und unvermeidlichen Verunreinigungen besteht.
4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelblech
bei artgleicher Schweißung im Schweißnahtbereich ohne spannungsfreies Glühen nach dem Schweißen
nicht zu Spannungsrißkorrosion neigt
5. Wärmetauscher nach einen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß das Feuerfestmaterial
so angeordnet und bems-sen ist daß die
Temperaturen des Mantelbleches höchstens 400C bei beliebigen Kuppeltemperaturen und beliebiger
Bauform des Kessels oder des Hochtemperatur-Winderhitzers sind.
6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufrechterhaltung
der vorgegebenen Temperatur des Mantelbleches von höchstens 400C bei höherer Umgebungstemperatur
eine Wasserberieselungsanlage am Wärmetauscher vorgesehen ist
7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verminderung
von Sonneneinstrahlung das Mantelblech mit einer reflektierenden Schicht versehen ist
8. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet daß die Isolierschichten
zur Einhaltung der Mantelblechtemperaturen von höchstens 500C so zusammengesetzt sind, daß
durch Kontakt mit dem Nitratelektrolyten keine Ionen gebildet werden, die eine anodische Polarisation
der Mantelblechwand bewirken (z. B. Na+ oder
Ca++).
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