DE3101174C2

DE3101174C2 - Wärmetauscher, insbesondere Winderhitzer

Info

Publication number: DE3101174C2
Application number: DE3101174A
Authority: DE
Inventors: Hans-Eugen Prof. Dr.-Ing. 6240 Königstein Bühler; Horst Dipl.-Ing. 6000 Frankfurt Kalfa
Original assignee: BROHLTAL-DEUMAG AG fur FEUERFESTE ERZEUGNISSE 5401 URMITZ DE
Current assignee: BROHLTAL-DEUMAG AG fur FEUERFESTE ERZEUGNISSE 5401 URMITZ DE
Priority date: 1981-01-16
Filing date: 1981-01-16
Publication date: 1983-02-10
Also published as: ES8401529A1; ES508772A0; CA1167257A; US4435157A; EP0056603A1; JPS57137406A; BR8200206A; KR830009232A; DE3101174A1

Description

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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

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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

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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.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

31 Ol Patentansprüche;

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++).