DE69106494T2 - COATING AND COATING METHOD FOR STEAM TURBINES AND NEIGHBORHOOD STEEL SURFACES. - Google Patents
COATING AND COATING METHOD FOR STEAM TURBINES AND NEIGHBORHOOD STEEL SURFACES.Info
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Beschichtung, die zum Schutz der Innenoberflächen einer Dampfturbine und der angrenzenden Leitungsrohre und Überhitzer vorgesehen ist, wobei die Beschichtung den durch Dampf verursachten erosiven und korrosiven Verschleiß verhindert. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Beschichten der Innenoberflächen einer Dampfturbine und der angrenzenden Leitungsrohre und Überhitzer.The invention relates to a coating intended to protect the inner surfaces of a steam turbine and the adjacent pipes and superheaters, the coating preventing erosive and corrosive wear caused by steam. The invention also relates to a method for coating the inner surfaces of a steam turbine and the adjacent pipes and superheaters.
Wie in den schwedischen Patenten/Patentanmeldungen Nr. 762 881 und 771 073 konstatiert wird, sind Stahloberflächen, die heißem Naßdampf bei hohen Drücken und Geschwindigkeiten ausgesetzt werden, schwerem erosiven und korrosiven Verschleiß unterworfen.As stated in Swedish patents/patent applications Nos. 762 881 and 771 073, steel surfaces exposed to hot wet steam at high pressures and velocities are subject to severe erosive and corrosive wear.
Der durch Verschleiß verursachte Schaden kann zu der Notwendigkeit führen, Schweißstellen auszufüllen und zu reparieren, was schwierig in der Durchführung ist, und kann sogar zum Ersetzen des Turbinengehäuses und der Rohrleitungen führen.The damage caused by wear can lead to the need to fill and repair welds, which is difficult to perform, and may even lead to replacement of the turbine casing and piping.
Solche Reparatur- und Ersetzungsarbeiten verursachen lange Stillstandzeiten und dadurch große finanzielle Verluste aufgrund der verringerten Produktion. Dies ist insbesondere in großen Kraftwerken wie Kernkraftwerken der Fall.Such repair and replacement work causes long downtimes and therefore large financial losses due to reduced production. This is particularly the case in large power plants such as nuclear power plants.
Beispielsweise sind die folgenden Beschichtungen zum Schutz von Turbinenrohrleitungen verwendet worden:For example, the following coatings have been used to protect turbine pipelines:
1. Keramikbeschichtung mit einer Nickel-Aluminium-Legierung in der Haftschicht. Die Dicke der Haftschicht beträgt 10 bis 25 um und die der Keramikbeschichtung 50 bis 250 um.1. Ceramic coating with a nickel-aluminum alloy in the adhesive layer. The thickness of the adhesive layer is 10 to 25 um and that of the ceramic coating is 50 to 250 um.
2. Metallische sogenannte Dreischichtenbeschichtung, in der die Haftschicht eine Nickel-Aluminium-Legierung ist (t = 50 bis 100 um), die Zwischenschicht eine Chromstahlschicht ist (ungefähr 13 Gew.% Cr, mit einer Schichtdicke von ungefähr 200 um) und die Oberflächenschicht eine Schicht aus rostfreiem oder säurebeständigem Stahl ist (Cr = ungefähr 18 %, Ni = 5 bis 8 % und Mn = ungefähr 8 %, mit einer Schichtdicke von ungefähr 200 um).2. Metallic so-called three-layer coating, in which the adhesion layer is a nickel-aluminium alloy (t = 50 to 100 um), the intermediate layer is a chromium steel layer (about 13 wt% Cr, with a layer thickness of about 200 µm) and the surface layer is a layer of stainless or acid-resistant steel (Cr = about 18%, Ni = 5 to 8% and Mn = about 8%, with a layer thickness of about 200 µm).
Keramikbeschichtungen haben beispielsweise die folgenden Nachteile:Ceramic coatings, for example, have the following disadvantages:
- schlechte Stoßfestigkeit, wenn beispielsweise Fremdkörper in die Turbine oder die Rohrleitungen eindringen, können sie die Beschichtung zerbrechen.- poor shock resistance, for example if foreign objects penetrate the turbine or the pipes, they can break the coating.
- der Wärmeausdehnungskoeffizient einer Keramikbeschichtung ist im Vergleich mit dem von Kohlenstoffstahl sehr niedrig, so daß große oder rasche Temperaturveränderungen zu Rißbildung in der Beschichtung führen können. Ein Riß in der Beschichtung kann wiederum zu rascher lokaler Beschädigung des Grundmaterials führen.- the coefficient of thermal expansion of a ceramic coating is very low compared to that of carbon steel, so that large or rapid temperature changes can lead to cracking in the coating. A crack in the coating can in turn lead to rapid local damage to the base material.
- Keramikbeschichtungen sind gute Isolatoren. Die Beschichtung eines Turbinengehäuses mit einem Keramikmaterial kann die Wärmeleitung innerhalb der Turbine stören und unerwartete Deformierung während des Betriebs verursachen.- Ceramic coatings are good insulators. Coating a turbine casing with a ceramic material can disrupt heat conduction within the turbine and cause unexpected deformation during operation.
- Es ist schwierig, mit einer Keramikbeschichtung Dichtungsflächen zu beschichten, die maschinell bearbeitet werden soll. Die Beschichtung kann eine Härte von mehr als 1000 HV aufweisen und ist daher schwierig maschinell zu bearbeiten, und außerdem neigt die Beschichtung zur Rißbildung.- It is difficult to coat a ceramic coating on sealing surfaces that are to be machined. The coating may have a hardness of more than 1000 HV and is therefore difficult to machine and also the coating is prone to cracking.
- Es ist schwierig, mit einer Keramikbeschichtung eine ausreichende Schichtdicke zu erreichen, wenn die Beschichtung zum Ausfüllen von Hohlräumen verwendet werden soll.- It is difficult to achieve a sufficient layer thickness with a ceramic coating if the coating is to be used to fill cavities.
Sogenannte Dreischichtenbeschichtung hat befriedigend in Rohrleitungssystemen funktioniert. Diese Beschichtung hat allerdings die folgenden Nachteile:So-called three-layer coating has worked satisfactorily in piping systems. However, this coating has the following disadvantages:
- In einer Dreischichtenbeschichtung bildet jede Grenzfläche zwischen den unterschiedlichen Beschichtungen eine starke Wärmeleitungsbarriere, und so können ähnliche Probleme wie jene, die bei Keramikbeschichtungen vorkommen, bei der Wärmeleitung in dem Turbinengehäuse auftreten.- In a three-layer coating, each interface between the different coatings forms a strong thermal conduction barrier and so similar problems to those encountered with ceramic coatings can occur with thermal conduction in the turbine casing.
- falls es notwendig ist, in maschinell zu bearbeitenden Beschichtungsoberflächen Hohlräume auszufüllen, besteht das Risiko, daß die maschinell bearbeitete Oberfläche durch unterschiedliche Schichten führt.- if it is necessary to fill voids in machined coating surfaces, there is a risk that the machined surface will pass through different layers.
- Wenn die Dreischichtenbeschichtung während des Betriebs beschädigt wird, beispielsweise auf Grund von starker lokaler Erosion, muß sie repariert werden, indem zuerst die alte Beschichtung vollständig entfernt wird und die Oberfläche dann Schicht für Schicht erneut beschichtet wird.- If the three-layer coating is damaged during operation, for example due to severe local erosion, it must be repaired by first completely removing the old coating and then recoating the surface layer by layer.
Es ist die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Beschichtung zu liefern, die zur Beschichtung des Gehäuses, der Trennebenen, der Rohrleitungen, der Überhitzer und anderer Stahlteile einer Dampfturbine verwendet werden kann, so daß unter den vorkommenden Bedingungen geeigneter, zuverlässiger und lange Zeit wirksamer Schutz der Stahloberflächen erhalten wird. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, daß die Beschichtungsarbeit rasch und wirtschaftlich am Ort durchgeführt werden kann und daß die Beschichtung auch zum Beschichten von maschinell zu bearbeitenden Oberflächen geeignet ist.It is the main object of the present invention to provide a coating which can be used for coating the casing, the parting planes, the pipes, the superheaters and other steel parts of a steam turbine so that under the conditions encountered, suitable, reliable and long-term effective protection of the steel surfaces is obtained. It is a further object of the invention that the coating work can be carried out quickly and economically on site and that the coating is also suitable for coating surfaces to be machined.
Die erfindungsgemäße Beschichtung auf einem Stahlteil ist dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung eine Beschichtungsschicht umfaßt, die erhältlich ist, indem ein mit Chrom und Aluminium in den unten angegebenen Mengen legierter Stahl thermisch aufgespritzt wird, wobei das Chrom und Aluminium während des Beschichtungsverfahrens in der Spritzmasse (dem Spray) oxidieren, wodurch Chrom- und Aluminiumoxide gebildet werden, die von einer Stahlmatrix umgeben im Inneren der Beschichtung verbleiben, und die nach dem Beschichtungsverfahren unter der Oxidationswirkung der Luft einen dichten Chrom- und Aluminiumoxidfilm bilden.The coating according to the invention on a steel part is characterized in that the coating comprises a coating layer which is obtainable by thermally spraying a steel alloyed with chromium and aluminium in the amounts given below, the chromium and aluminium oxidizing in the spray mass (the spray) during the coating process, thereby forming chromium and aluminium oxides which remain surrounded by a steel matrix inside the coating and which, after the coating process, form a dense chromium and aluminium oxide film under the oxidizing effect of the air.
Das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Beschichtungsmaterial aus mit Chrom und Aluminium in den unten angegebenen Mengen legiertem Stahl thermisch auf die zu beschichtende Oberfläche gespritzt wird, und dieses Beschichtungsmaterial in der Spritzmasse (dem Spray) während des Beschichtungsverfahrens oxidiert, wodurch Chrom- und Aluminiumoxide gebildet werden, die von einer Stahlmatrix umgeben im Inneren der Beschichtung verbleiben, und daß nach dem Beschichtungsverfahren die gebildete Beschichtung der Oxidationswirkung der Luft ausgesetzt wird, wodurch auf der Oberfläche der Beschichtung ein dichter Chrom- und Aluminiumoxidfilm gebildet wird.The coating process according to the invention is characterized in that a coating material made of steel alloyed with chromium and aluminum in the amounts specified below is thermally sprayed onto the surface to be coated, and this coating material in the spray oxidizes during the coating process, whereby chromium and aluminum oxides are formed, which remain surrounded by a steel matrix inside the coating, and that after the coating process the coating formed is exposed to the oxidizing effect of the air, whereby a dense chromium and aluminum oxide film is formed on the surface of the coating.
Erfindungsgemäß ist das verwendete Beschichtungsmaterial ein Stahl, der 20 bis 45 Gew.% Chrom, 5 bis 15 Gew.% Aluminium und 0 bis 5 Gew.% Molybdän enthält, und besonders bevorzugt 22 bis 30 Gew.% Chrom, 5 bis 8 Gew.% Aluminium und 0 bis 3 Gew.% Molybdän enthält. Das Beschichtungsmaterial kann fadenartig oder pulverf örmig sein.According to the invention, the coating material used is a steel which contains 20 to 45 wt.% chromium, 5 to 15 wt.% aluminum and 0 to 5 wt.% molybdenum, and particularly preferably contains 22 to 30 wt.% chromium, 5 to 8 wt.% aluminum and 0 to 3 wt.% molybdenum. The coating material can be thread-like or powder-like.
Der Chrom- und Aluminiumoxidfilm in der erfindungsgemäßen Beschichtung, der unter Einwirkung der Oxidation nach dem Beschichtungsverfahren gebildet wird, ist strapazierfähig und dicht und verhindert durch Naßdampf verursachten erosiven und korrosiven Verschleiß.The chromium and aluminum oxide film in the coating according to the invention, which is formed under the action of oxidation after the coating process, is durable and dense and prevents erosive and corrosive wear caused by wet steam.
Die erfindungsgemäße Beschichtung kann durch thermisches Spritzen unter Verwendung von Flammen-, Lichtbogen-, Plasma- und/oder Ultraschallspritzen hergestellt werden, aber hauptsächlich werden Lichtbogen-, Plasma- und/oder Ultraschallspritzen verwendet, um eine gute Adhäsion der Beschichtung an dem Grundmaterial zu erhalten.The coating according to the invention can be produced by thermal spraying using flame, arc, plasma and/or ultrasonic spraying, but mainly arc, plasma and/or ultrasonic spraying are used to obtain good adhesion of the coating to the base material.
So wird in der erfindungsgemäßen Beschichtung eine Schicht mit guter Adhäsion an dem Basismaterial, eine Stahlschicht, die eine große Menge an Oxiden enthält, und eine Oberflächenschicht, die aus einem dichten Oxidfilm besteht, gebildet.Thus, in the coating according to the invention, a layer with good adhesion to the base material, a steel layer containing a large amount of oxides and a surface layer consisting of a dense oxide film are formed.
Damit keine galvanische Korrosion an der Grenzfläche zwischen dem Grundmaterial und der Beschichtung auftritt, soll die Dicke der Beschichtung mindestens 0,3 mm, vorzugsweise allerdings 0,5 mm betragen. Die Dicke der Beschichtung kann bis zu 2,5 mm betragen, ohne daß sie aufgrund des inneren Schrumpfens der Beschichtung abschält.To prevent galvanic corrosion at the interface between the base material and the coating, the thickness of the coating should be at least 0.3 mm, but preferably 0.5 mm. The thickness of the coating can be up to 2.5 mm without peeling off due to internal shrinkage of the coating.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Beschichtung im Vergleich mit den vorhergehenden Beschichtungen sind wie folgt:The advantages of the coating according to the invention in comparison with the previous coatings are as follows:
1. Der auf der Oberfläche der Beschichtung gebildete sehr dichte Chrom- und Aluminiumoxidfilm sorgt für hervorragenden Schutz gegen Korrosion und Erosion. Dennoch ist die Beschichtung sehr zäh.1. The very dense chromium and aluminum oxide film formed on the surface of the coating provides excellent protection against corrosion and erosion. Nevertheless, the coating is very tough.
Wenn die beschichtete Oberfläche beschädigt wird, beispielsweise unter Einwirkung eines Fremdkörpers, der in die Turbine eingedrungen ist, verhindern die Oxide im Inneren der Beschichtung eine Ausbreitung des Schadens.If the coated surface is damaged, for example due to the impact of a foreign body that has entered the Turbine, the oxides inside the coating prevent the damage from spreading.
So liefert die Beschichtung die Schutzwirkung einer Keramikbeschichtung, hat aber die Zähigkeit und Festigkeit einer Metallbeschichtung.The coating provides the protective effect of a ceramic coating, but has the toughness and strength of a metal coating.
2. Die Adhäsion der Beschichtung an dem Grundmaterial ist sehr gut. Wenn Lichtbogen- oder Plasmaspritzen verwendet werden, wird eine Adhäsionsfestigkeit von mehr als 60 N/mm² erhalten, was ungefähr das Doppelte der Adhäsionsfestigkeit einer flammengespritzten Nickel- und Aluminiumlegierung ist.2. The adhesion of the coating to the base material is very good. When arc or plasma spraying is used, an adhesion strength of more than 60 N/mm2 is obtained, which is approximately twice the adhesion strength of a flame-sprayed nickel and aluminum alloy.
Eine gute Adhäsion garantiert, daß die Beschichtung sich nicht durch geringfügige Stoßwirkung löst, und daß es auch möglich ist, enge Kanten zu beschichten. Außerdem läßt eine gute Adhäsion die Maschinenbearbeitung der Oberfläche zu.Good adhesion ensures that the coating will not come off due to minor impact and that it is also possible to coat tight edges. Good adhesion also allows the surface to be machined.
3. Der Wärmeausdehnungskoeffizient der Beschichtung liegt nahe bei dem Wärmeausdehnungskoeffizienten von Kohlenstoffstahl, so daß Deformierung aufgrund von Wärmestoß und Wärmeausdehnung die Beschichtung nicht beschädigen.3. The thermal expansion coefficient of the coating is close to that of carbon steel, so deformation due to thermal shock and thermal expansion will not damage the coating.
4. Da die Beschichtung aus einer einzigen Schicht gemacht ist und ungefähr 2 mm dick gespritzt werden kann, ist die Beschichtung zum Schutz von sehr großen Dichtungsflächen geeignet, die maschinell bearbeitet werden sollen.4. Since the coating is made of a single layer and can be sprayed to a thickness of approximately 2 mm, the coating is suitable for protecting very large sealing surfaces that are to be machined.
5. Obwohl die Beschichtung große Mengen an harten Oxiden enthält, beträgt ihre Makrohärte nur 250 bis 350 HV-Einheiten, so daß die Beschichtung leicht maschinell bearbeitbar ist.5. Although the coating contains large amounts of hard oxides, its macrohardness is only 250 to 350 HV units, so the coating is easily machined.
6. Die Wärmeleitung verursacht keine Probleme, da die einzige Grenzfläche, die die Wärmeleitung hindert, die Grenzfläche zwischen der Beschichtung und dem Grundmaterial ist.6. Thermal conduction does not cause any problems because the only interface that prevents thermal conduction is the interface between the coating and the base material.
7. Das Reparieren (Flicken) der Beschichtung kann leicht lokal durchgeführt werden, ohne die gesamte alte Beschichtung zu entfernen.7. Repairing (patching) the coating can easily be done locally without removing the entire old coating.
8. Der Kobaltgehalt der Beschichtung ist sehr niedrig (ungefähr 0,02 %), und daher ist die Beschichtung zur Verwendung in Kernkraftwerken in hohem Maße geeignet, auch auf Oberflächen auf der aktiven Seite.8. The cobalt content of the coating is very low (approximately 0.02%) and therefore the coating is suitable for use highly suitable for use in nuclear power plants, including on surfaces on the active side.
In einem Kernkraftwerk wurden die Trennebenen und ein Teil des Turbinengehäuses oberhalb und unterhalb der Trennebenen durch Lichtbogenspritzen init einer erfindungsgemäßen Beschichtung beschichtet, deren Analyse 22 % Chrom und 5 % Al ergab.In a nuclear power plant, the parting planes and a part of the turbine casing above and below the parting planes were coated by arc spraying with a coating according to the invention, the analysis of which showed 22% chromium and 5% Al.
Nach achtjährigem Gebrauch wurde die Turbine geöffnet, woraufhin beobachtet wurde, daß die Trennebenen vollständig fehlerfrei waren und daß die Beschichtung oberhalb und unterhalb der Trennebene sehr gut ausgehalten hatte. Andererseits war das Grundmaterial in dem den Rändern der Beschichtung benachbarten Bereich um mehr als 10 mm abgenutzt.After eight years of use, the turbine was opened and it was observed that the parting planes were completely free of defects and that the coating above and below the parting plane had held up very well. On the other hand, the base material in the area adjacent to the edges of the coating had worn down by more than 10 mm.
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