EP1985919B1 - Oberflächengestrahlte Dampferzeugerbauteile oder Kraftwerkskomponenten - Google Patents

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EP1985919B1
EP1985919B1 EP07150101.9A EP07150101A EP1985919B1 EP 1985919 B1 EP1985919 B1 EP 1985919B1 EP 07150101 A EP07150101 A EP 07150101A EP 1985919 B1 EP1985919 B1 EP 1985919B1
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EP
European Patent Office
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assembly
steam
component
power
treated
Prior art date
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EP07150101.9A
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Martin Becker
Friedrich Klauke
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Mitsubishi Power Europe GmbH
Original Assignee
Hitachi Power Europe GmbH
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Publication date
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Publication of EP1985919A3 publication Critical patent/EP1985919A3/de
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    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C1/00—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods
    • B24C1/10—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods for compacting surfaces, e.g. shot-peening
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    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D6/00—Heat treatment of ferrous alloys
    • C21D6/002—Heat treatment of ferrous alloys containing Cr
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21D7/06—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the surface by shot-peening or the like
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    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/08—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for tubular bodies or pipes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B37/00—Component parts or details of steam boilers
    • F22B37/02—Component parts or details of steam boilers applicable to more than one kind or type of steam boiler
    • F22B37/04—Component parts or details of steam boilers applicable to more than one kind or type of steam boiler and characterised by material, e.g. use of special steel alloy
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    • Y10T428/12—All metal or with adjacent metals
    • Y10T428/12993—Surface feature [e.g., rough, mirror]

Definitions

  • the invention is directed to a steam generator component or a steam generator assembly or a power plant component which at least substantially consists of an alloyed, in particular chromium-containing, material and at least partially, in particular essentially, treated by surface blasting (shot-peening / shot-blasting) is. Furthermore, the invention is directed to a method for producing a steam generator component or assembly or power plant component, which / essentially consists of an alloyed, in particular chromium-containing material in which a component or assembly surface or component surface, in particular a pipe inner surface by means of surface jets (shot -peening / shot-blasting).
  • chromium-rich austenitic steels used hitherto in the superheater and reheater zone with an average chromium content of ⁇ 18% by weight, a deformation of the treated inner pipe surface of the respective material structure is up to a depth of 100 by means of the shot-peening or shot-blasting method ⁇ m, which leads to the formation of a corresponding chromium-rich layer. From the depth of the microstructure (matrix), chromium diffuses into this treated layer and enriches it with chromium.
  • the invention is therefore based on the object to provide a solution with which materials are made available to steam generators with outlet temperatures of ⁇ 700 ° C in power plant components, in particular steam generator components, sufficient strength, especially creep rupture strength, and sufficient corrosion resistance and oxidation resistance exhibit.
  • the invention is based on the recognition that it is possible in the steam generators of new-generation power plants, the outlet temperatures of over 600 ° C, in particular ⁇ 700 ° C, have significantly reduced their chromium content compared to the steel grades used previously Use steels or steel materials when surface areas exposed to oxidizing conditions, since they are essentially pipelines, ie the inner surfaces of the corresponding tubes or tubular bodies, are treated by shot-peening / shot-blasting and then into the power plant, in particular the steam generator, to be installed.
  • This makes it possible to use steel grades that are on the one hand relatively inexpensive, but on the other hand also required for the now high temperatures, sufficient strength and the corresponding strength behavior and the necessary oxidation but also have corrosion resistance.
  • the enriched in the steam-side or treated layer chromium in the form of chromium oxides is diffused from the base matrix, ie the main body of the material in this layer. Since no chromium is supplied to the material from the outside, this diffusion leads to this chromium or these chrome particles no longer being present elsewhere in the material. It was now to be feared that this could lead to a reduced chromium content on the side of the respective component opposite the treated side, ie on the outside of the pipe for a pipe. There at Power plant components, the outside of these pipes is exposed to the corrosive and aggressive conditions flowing past the flue gas streams, they must have a sufficient corrosion behavior, ie a sufficient corrosion resistance.
  • the surfaces exposed to the flue gas must also have a certain chromium content. If the chromium content in these surfaces decreases, this reduces the corrosion resistance of the component. It was therefore feared that while treating the inner surface of the pipe by means of surface peening (shot-peening / shot-blasting), an increased or sufficient oxidation resistance could be achieved, but a reduced or reduced corrosion resistance would occur on the opposite outer surface.
  • the document JP 2005298878A shows accordingly a surface blasting method in which is dispensed with the diffusion effect of the material surface chromium from the outside.
  • the high temperature corrosion resistance ie the corrosion resistance on the flue gas side of a steam generator with chromium contents below 18 wt .-% shows an exponential worsening.
  • Investigations have shown that the material removal in the form of a weight loss in mg / cm 2 and thus the reduction of the corrosion resistance of the material at chromium contents below 20 wt .-%, especially below 18 wt .-%, increases very strong.
  • the high temperature corrosion increases with increasing temperature, ie increasing material temperature, so that the high temperature corrosion resistance, especially in the power plants of the next generation, which will work with significantly higher steam outlet temperatures, this problem is given particular weight. Measures that could bring about a reduction in the high-temperature corrosion behavior of a material are therefore not regarded as realistically feasible measures.
  • this application possibility arises when the corresponding components or surfaces by means of surface blasting with a material used for the same material or the same structure and / or material or a material is treated with respect to the material higher chromium content or what the invention provides in an embodiment.
  • the invention it is possible to equip steam generators with high steam parameters, in particular steam generators with steam outlet temperatures of ⁇ 700 ° C., with steam generator components or assemblies or power plant components which are sufficiently temperature-stable and, in addition, sufficiently resistant to corrosion and sufficiently resistant to oxidation.
  • the invention also steels with ferritic or martensitic structure can be used, which do not have a high chromium content.
  • martensitic steels with the material designation T91 / P91 or T92 / P92 are suitable steels which, in addition to their strength, have the necessary corrosion resistance and oxidation resistance to atmospheres and environments prevailing in steam generators with outlet temperatures of ⁇ 700 ° C. in addition to their strength.
  • steam generator components and power plant components can be produced, such as membrane walls, spiral wound steam generator walls, connecting lines, steam and water bottles, injection coolers, heating surfaces, collectors and Manifolds, support tube bulkheads, support tubes, transition pieces, etc.
  • highly stressed header and piping as well as membrane walls of new 700 ° C power plants with steam outlet temperatures of ⁇ 700 ° C can be produced with the steam generator components according to the invention.
  • the use of the shot-peening or shot-blasting method or surface blasting results in the growth of a spinel or magnetite layer on the correspondingly treated surface, ie, cold-worked and plastically deformed by surface blasting and due to the resulting as a result of the treatment, having a relation to the base material matrix increased chromium content having surface much slower compared to untreated surfaces.
  • Martensitic steels having an average chromium content of 9-12% by weight have proven to be particularly suitable materials.
  • the terms ferritic or martensitic refer to the respective formed material structure.
  • the surface blasting or shot peening / shot blasting is carried out in particular under such conditions or conditions are set such that the treated component or assembly surface or power plant component surface up to a material depth of 200 ⁇ m, preferably up to 100 ⁇ m, is or can be influenced in their microstructure and / or is or will be influenced.
  • this layer thickness As part of this layer thickness of up to 200 microns or up to 100 microns, the desired Chromanreich réelle forms. Due to the thin layer thickness of this structural layer exposed to the surface structure, the solidification resulting in this layer is negligible due to the small layer thickness in relation to the wall thickness of the respective component or component group or the respective component component, so that the strength of the treated component or the treated component group or Power plant component remains essentially unchanged.
  • the usually in the foreground strength-enhancing effect of shot peening plays in the surface rays (shot-peening / shot-blasting) according to the invention, not at all, he should rather play no role.
  • the only decisive factor is the possibility resulting from the use of this method of influencing the outer layer or an outer layer region of the respective workpiece or component (for example a pipe inner surface) such that an enrichment with chromium takes place in this region.
  • the conditions of the surface blasting or shot-peening / shot-blasting are adjusted so that in the treated surface or the treated layer an increase in strength in the range of +50 - +150 HV, in particular of about +100 HV based on Sets the original hardness of the material / material.
  • the surface blasting is not only irradiated with the same material or the same material or the same material as the treated material or with a material with a higher chromium content than the base material, but it can also ceramic blown materials, glass beads or the like can be used. In particular, however, is the same material or the same material or the same material material used. For this purpose, for example, a wire of the identical material chopped finely, optionally rounded off at its ends and then blown with the aid of a fluid jet on the material surface to be treated.
  • the surface blasting or shot-peening / shot-blasting is usually carried out with a jet pipe with an end-side 360 ° jet nozzle, so that on the inside blasting material passed through the pipe and then brought through the blasting nozzle to the inner surface of pipes or of the respectively treated pipe can be.
  • This works with a volume flow of up to 9 m 3 / min and a maximum blowing pressure of 0.7 MPa.
  • the jet nozzle is passed through the pipe to be treated at a nozzle feed rate of 100-800 mm / min.
  • the "shot-blasting" effect is to form on the treated side of the material a layer cold-formed by shot-blasting or surface blasting. Below this cold-formed layer is located in the matrix of the base material, a diffusion zone.
  • chromium diffuses through the cold-formed layer and forms on the outside, ie above the cold-formed layer, an oxide layer, in particular a Cr 2 O 3 layer, above which the topotactic and epitaxial layers are formed later in the operating state.
  • an oxide layer in particular a Cr 2 O 3 layer, above which the topotactic and epitaxial layers are formed later in the operating state.
  • the Cr 2 O 3 layer reduces Fe diffusion and reduces magnetite growth.

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Description

  • Die Erfindung richtet sich auf ein Dampferzeugerbauteil oder eine Dampferzeugerbaugruppe oder eine Kraftwerkskomponente, das/die zumindest im Wesentlichen aus einem legierten, insbesondere chromhaltigen, Werkstoff besteht und zumindest zum Teil, insbesondere im Wesentlichen, mittels Oberflächenstrahlen (shot-peening/shot-blasting) behandelt ist. Weiterhin richtet sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines Dampferzeugerbauteils oder -baugruppe oder Kraftwerkskomponente, das/die im Wesentlichen aus einem legierten, insbesondere chromhaltigen Werkstoff besteht, bei welchem eine Bauteil- oder Baugruppenfläche oder Komponentenfläche, insbesondere eine Rohrinnenfläche, mittels Oberflächenstrahlen (shot-peening/shot-blasting) behandelt wird.
  • Dampferzeugerbauteile oder Kraftwerkskomponenten sind insbesondere auf der Dampfseite von Dampferzeugern von Kraftwerksanlagen den oxidierenden Bedingungen des Dampfes ausgesetzt, mit dem sie in Berührung kommen. Überhitzer-und/oder Zwischenüberhitzerstufen von Dampferzeugern werden daher heutzutage bereits zum Teil oder auch im Wesentlichen aus austenitischen Materialien, insbesondere austenitischen Stählen, mit einem Chromanteil von 18 Gew.-% hergestellt, wobei das austenitische Material zur Verbesserung und des Oxidationsverhaltens dieser Materialien mittels Oberflächenstrahlen (shot-peening/shot-blasting) behandelt wird. Insbesondere in japanischen Kraftwerken mit Dampftemperaturen um 600 °C werden derartig behandelte Materialien eingesetzt.
  • Beim Oberflächenstrahlen oder shot-peening/shot-blasting-Verfahren wird die mit Behandlungspartikeln bzw. Strahlpartikeln bzw. Strahlgut beaufschlagte Fläche, bei Rohrleitungen üblicherweise die innere Oberfläche des jeweiligen Rohres, verformt, wodurch ein Wandern, d.h. die Diffusion, von Chrom aus dem Grundwerkstoff, d.h. der Matrix, an die behandelte Oberfläche begünstigt wird und erfolgt. Hierdurch bildet sich an der behandelten Oberfläche eine dünne, chromreiche Schicht aus, die dem Wachsen von epitaktischen und topotaktischen Schichten entgegenwirkt. Beim Oberflächenstrahlen (shot-peening/shot-blasting) wird artgleiches Strahlgut gegen die zu behandelnde Oberfläche geblasen. Dies fördert die Diffusion von Chrom aus der Matrix des Grundwerkstoffes in diese Schicht und damit die Oxidationsbeständigkeit dieser Schicht.
  • Bei den bisher im Überhitzer- und Zwischenüberhitzerbereich eingesetzten chromreichen austenitischen Stählen mit einem mittleren Chromgehalt von ≥ 18 Gew.-% wird mittels des shot-peening- oder shot-blasting-Verfahrens eine Deformation der behandelten Rohrinnenfläche des jeweiligen Materialgefüges bis zu einer Tiefe von 100 µm erreicht, was zur Ausbildung einer entsprechenden chromreichen Schicht führt. Aus der Tiefe der Gefügestruktur (Matrix) diffundiert Chrom in diese behandelte Schicht und reichert diese mit Chrom an. Auf dieser chromreichen Schicht ist das Wachstum von Spinell- und Magnetitschichten unter den in den jeweiligen Kraftwerksbauteilen herrschenden Bedingungen im Vergleich zu unbehandelten Oberflächen deutlich langsamer und somit auf der Dampfseite, mit der diese Flächen in Verbindung stehen, das Oxidationsverhalten des eingesetzten und behandelten Werkstoffes verbessert.
  • Im Kraftwerksbau geht die Tendenz nun dahin, Kraftwerke zu errichten, die mit Dampftemperaturen von über 600 °C und sogar ≥ 700 °C betrieben werden. Bei diesen hohen Dampftemperaturen gerät zunehmend die Problematik der dampfseitigen Oxidation von Kraftwerkskomponenten oder Dampferzeugerbauteilen in den Fokus der Betrachtungen. Insbesondere besteht dort auch die Problematik, dass die bisher verwendeten chromhaltigen Stähle ein martensitisches oder bei oberflächenstrahlbehandelten Chromgehalten mit ≥ 18 Gew.-% ein austenitisches Gefüge aufweisen und bei den beim Betrieb der Kraftwerke dieser neuen Generation erwarteten Dampftemperaturen nicht mehr ausreichend oxidationsbeständig sind oder einen extrem teuren Werkstoffeinsatz mit sich bringen.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen, mit welcher Materialien zur Verfügung gestellt werden, die bei Dampferzeugern mit Austrittstemperaturen von ≥ 700 °C in Kraftwerkskomponenten, insbesondere Dampferzeugerbauteilen, eine ausreichende Festigkeit, insbesondere Zeitstandfestigkeit, und eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit sowie Oxidationsbeständigkeit aufweisen.
  • Bei einem Dampferzeugerbauteil oder einer Dampferzeugerbaugruppe oder einer Kraftwerkskomponente der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Dampferzeugerbauteils oder - baugruppe oder Kraftwerkskomponente, das/die im Wesentlichen aus einem legierten, insbesondere chromhaltigen Werkstoff besteht, bei welchem eine Bauteil- oder Baugruppenfläche oder Komponentenfläche, insbesondere eine Rohrinnenfläche, mittels Oberflächenstrahlen (shot-peening/shot-blasting) behandelt wird, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.
  • Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass es möglich ist, bei den Dampferzeugern der Kraftwerksanlagen der neuen Generation, die Austrittstemperaturen von über 600 °C, insbesondere ≥ 700 °C, aufweisen werden, in ihrem Chromgehalt gegenüber den bisher verwendeten Stahlqualitäten deutlich verminderte Stähle oder Stahlmaterialien dann einzusetzen, wenn oxidierenden Bedingungen ausgesetzte Oberflächenbereiche, da es sich im Wesentlichen um Rohrleitungen handelt also die Innenoberflächen der entsprechenden Rohre oder rohrförmigen Körper, mittels Oberflächenstrahlen (shot-peening/shot-blasting) behandelt werden und dann in die Kraftwerksanlage, insbesondere den Dampferzeuger, eingebaut werden. Hierdurch wird es möglich, Stahlqualitäten zu verwenden, die auf der einen Seite relativ kostengünstig sind, auf der anderen Seite aber auch die für die nun hohen Temperaturen benötigte, ausreichende Festigkeit bzw. das entsprechende Festigkeitsverhalten sowie die notwendige Oxidations- aber auch Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Die bei diesen Temperaturen notwendige Oxidationsbeständigkeit lässt sich nun dadurch erreichen, dass die Wasser; Flüssigkeit oder Dampf führende Seite - die Dampfseite - des jeweiligen Bauteiles oder der jeweiligen Baugruppe oder der jeweiligen Kraftwerkskomponente, insbesondere die Innenfläche von rohrförmigen Körpern, mittels Oberflächenstrahlen (shot-peening/shot-blasting) behandelt wird. Hierbei reichert sich dann das in der Matrix des jeweiligen Materials, insbesondere Stahlwerkstoffs, vorhandene Chrom, insbesondere durch Ausbildung einer Cr2O3-Schicht auf der behandelten (Außen-)Fläche des Werkstoffes an. Erfahrungen haben gezeigt, dass mittels des Oberflächenstrahlenverfahrens (shot-peening/shot-blasting) eine Chromanreicherung in der entsprechend behandelten Schicht um ca. 50 % möglich ist. Es ist mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens somit möglich, beispielsweise Stahlqualitäten, die einen durchschnittlichen Chromgehalt von 9 Gew.-% aufweisen mit einer außenseitigen Schicht auf dem Werkstoff, in der Regel auf der Innenoberfläche eines Rohres, zu versehen, die dann - nach der Behandlung - einen durchschnittlichen Chromgehalt von ca. 12 Gew.-% aufweist und damit auch unter den Bedingungen der neuen Kraftwerksgenerationen bei Dampfaustrittstemperaturen von ≥ 700 °C ausreichend oxidationsstabil ausgebildet ist.
  • Überraschenderweise hat sich - entgegen anderweitigen fachmännischen Erwartungen - herausgestellt, dass diese Verbesserung des Oxidationsverhaltens oder die Erreichung einer dampfseitigen ausreichenden Oxidationsbeständigkeit nicht verbunden ist mit einer gleichzeitigen Verschlechterung des Hochtemperaturkorrosionsverhaltens des jeweils behandelten Dampferzeugerbauteils oder der jeweils behandelten Dampferzeugerbauteilgruppe oder der jeweiligen Kraftwerkskomponente auf der Rauchgasseite. Der Anwendung des Oberflächenstrahlens bzw. shot-peening/shot-blasting bei Stahlwerkstoffen mit niedrigerem Chromgehalt, d.h. Stähle mit einem Chromgehalt von ≤ 18 Gew.-%, stand nämlich die allgemeine Befürchtung der Fachwelt gegenüber, dass die Anwendung dieses Verfahrens zu einer ungünstigen Chromverteilung in dem behandelten Werkstoff führen könnte. Das sich in der dampfseitigen bzw. behandelten Schicht anreichernde Chrom in Form von Chromoxiden ist aus der Grundmatrix, d.h. dem Grundkörper des Werkstoffes, in diese Schicht diffundiert. Da von außen kein Chrom dem Werkstoff zugeführt wird, führt diese Diffusion dazu, dass dieses Chrom bzw. diese Chrompartikel nun an anderer Stelle des Werkstoffes nicht mehr vorhanden sind. Es stand nun zu befürchten, dass dies dazu führen könnte, dass auf der der behandelten Seite gegenüber liegenden Seite des jeweiligen Bauteils, bei einem Rohr somit auf der Außenseite des Rohres, sich ein verringerter Chromgehalt einstellen könnte. Da bei Kraftwerkskomponenten die Außenseite dieser Rohre den korrosiven und aggressiven Bedingungen der daran vorbei strömenden Rauchgasströme ausgesetzt ist, müssen diese ein ausreichendes Korrosionsverhalten, d.h. eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Hierzu müssen die dem Rauchgas ausgesetzten Oberflächen ebenfalls einen bestimmten Chromgehalt aufweisen. Vermindert sich der Chromgehalt in diesen Flächen, so wird dadurch die Korrosionsbeständigkeit des Bauteils vermindert. Es bestand somit die Befürchtung, dass bei Behandeln der Rohrinnenfläche mittels des Oberflächenstrahlens (shot-peening/shot-blasting) zwar eine erhöhte oder ausreichende Oxidationsbeständigkeit erreicht werden konnte, dafür aber auf der gegenüber liegenden Außenfläche sich eine verminderte oder verschlechterte Korrosionsbeständigkeit einstellen würde.
  • Weiterhin stand zu befürchten, dass sich aufgrund der bewirkten Ungleichverteilung des Chromgehaltes das Schweißverhalten des Werkstoffes an seiner Außenfläche und seiner Innenfläche bzw. seiner nicht oberflächenstrahlbehandelten und seiner oberflächenstrahlbehandelten Seite unterschiedlich gestalten würde, so dass beim Verschweißen dieser Bauteile mit Schwierigkeiten gerechnet wurde.
  • Das Dokument JP 2005298878A zeigt dementsprechend ein Oberflächenstrahlverfahren, in dem unter Verzicht auf die Diffusionswirkung der Werkstoffoberfläche Chrom von Außen zugeführt wird.
  • Während diese Probleme bei Stahlqualitäten mit einem Chromgehalt von ≥ 18 Gew.-% weniger ins Gewicht fallen, da dort aufgrund des relativ hohen Chromanteils eine ausreichende Menge an Chrom, um auch in problematischen Fällen die notwendige dampfseitige Oxidationsbeständigkeit und rauchgasseitige Korrosionsbeständigkeit sicherzustellen, vorhanden ist, bestanden in der Fachwelt Befürchtungen, dass dies bei niedrig legierten, d.h. Stähle mit einem deutlich geringeren Chromgehalt, nicht mehr gewährleistet sein könnte. Insbesondere kommt hierbei der Aspekt noch zum Tragen, dass als weitere Komponente auch die ausreichende Zeitstandfestigkeit des Werkstoffsgewährleistet sein muss.
  • Insbesondere zeigt die Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit, also die Korrosionsbeständigkeit auf der Rauchgasseite eines Dampferzeugers bei Chromgehalten unter 18 Gew.-% eine exponentiell verlaufende Verschlechterung. Untersuchungen haben gezeigt, dass der Materialabtrag in Form eines Gewichtsverlustes in mg/cm2 und damit die Verminderung der Korrosionsbeständigkeit des Werkstoffes bei Chromgehalten unterhalb 20 Gew.-%, speziell unterhalb 18 Gew.-%, sehr stark zunimmt. Insbesondere nimmt die Hochtemperaturkorrosion mit steigender Temperatur, d.h. steigender Materialtemperatur zu, so dass der Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit gerade bei den Kraftwerken der nächsten Generation, die mit deutlich höheren Dampfaustrittstemperaturen arbeiten werden, dieser Problematik besonderes Gewicht gewidmet wird. Maßnahmen, die eine Minderung des Hochtemperaturkorrosionsverhaltens eines Werkstoffes mit sich bringen könnten, werden daher nicht als realistischer Weise realisierbare Maßnahmen betrachtet.
  • Überraschenderweise wurde nun aber gefunden, dass das erfindungsgemäße Verfahren zu einer ausreichenden Oxidationsbeständigkeit der Bauteile/Baugruppen/Komponenten führt, ohne die Korrosionsbeständigkeit zu verschlechtern.
  • Überraschenderweise hat sich dabei herausgestellt, dass insbesondere Werkstoffe, die ein ferritisches Gefüge mit einem mittleren Chromgehalt von ≤ 8 Gew.-% oder ein martensitisches Gefüge mit einem mittleren Chromgehalt von ≤ 14 Gew.-%, insbesondere im Bereich von 9 - 12 Gew.-% aufweisen, oberflächengestrahlt für den Einsatz als Dampferzeugerbauteil oder Dampferzeugerbaugruppe oder Kraftwerkskomponente auch bei den Belastungen, die bei Austritttemperaturen von ≥ 600 °C, insbesondere ≥ 700 °C auftreten, einsetzbar sind bzw. derartige Gefüge für das Oberflächenstrahlen ausgewählt werden können.
  • Insbesondere ergibt sich diese Einsatzmöglichkeit dann, wenn die entsprechenden Bauteile bzw. Flächen mittels Oberflächenstrahlen mit einem zum eingesetzten Werkstoff artgleichen oder gefügegleichen und/oder materialgleichen Material oder einem Material mit gegenüber dem Werkstoff höheren Chromgehalt behandelt ist oder wird, was die Erfindung in Ausgestaltung vorsieht.
  • Mit der Erfindung ist es möglich, Dampferzeuger mit hohen Dampfparametern, insbesondere Dampferzeuger mit Dampfaustrittstemperaturen von ≥ 700 °C mit Dampferzeugerbauteilen oder -baugruppen oder Kraftwerkskomponenten auszustatten, die ausreichend temperaturstabil und darüber hinaus auch ausreichend korrosionsbeständig und ausreichend oxidationsbeständig sind. Insbesondere sind mit der Erfindung auch Stähle mit ferritischem oder martensitischem Gefüge nutzbar, die keinen hohen Chromgehalt aufweisen. Beispielsweise sind martensitische Stähle mit der Werkstoffbezeichnung T91/P91 oder T92/P92 geeignete Stähle, die durch die Oberflächenstrahlbehandlung neben ihrer Festigkeit auch die notwendige Korrosionsbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit gegenüber Atmosphären und Umgebungen aufweisen, die in Dampferzeugern mit Austrittstemperaturen von ≥ 700 °C herrschen. Aus diesen Materialien lassen sich die verschiedensten Dampferzeugerbauteile und Kraftwerkskomponenten herstellen, wie Membranwände, spiralgewickelte Dampferzeugerwände, Verbindungsleitungen, Dampfabscheider und Wasserflaschen, Einspritzkühler, Heizflächen, Sammler und Verteiler, Tragrohrschotte, Tragrohre, Übergangsstücke etc. Insbesondere hochbelastete Sammler- und Rohrleitungen sowie Membranwände der neuen 700 °C-Kraftwerke mit Dampfaustrittstemperaturen von ≥ 700 °C lassen sich mit den erfindungsgemäßen Dampferzeugerbauteilen herstellen. Wie auch bei den bisher bei geringeren Dampfaustritttemperaturen eingesetzten Stählen führt die Anwendung des shot-peening-oder shot-blasting-Verfahrens oder Oberflächenstrahlens dazu, dass das Wachstum einer Spinell- oder Magnetitschicht auf der entsprechend behandelten Oberfläche, d.h. der durch Oberflächenstrahlen kaltverfestigten und plastisch verformten und aufgrund der sich als Folge der Behandlung ergebenden, einen gegenüber der Grundwerkstoffmatrix erhöhten Chromgehalt aufweisenden Oberfläche im Vergleich zu unbehandelten Oberflächen wesentlich langsamer erfolgt. Es ist somit lediglich notwendig, für diesen Kraftwerkstyp der neueren Generation entsprechend hochwarmfeste Stähle auszuwählen, die dann durch die Behandlung mittels Oberflächenstrahlen oder shot-peening/shot-blasting auf der dampfseitigen Oberfläche entsprechend oxidationsbeständig gemacht werden.
  • Als besonders geeignete Werkstoffe haben sich martensitische Stähle mit einem mittleren Chromgehalt von 9-12 Gew.-% erwiesen/herausgestellt. Die Bezeichnungen ferritisch oder martensitisch beziehen sich auf das jeweils ausgebildete Materialgefüge.
  • Das Oberflächenstrahlen oder shot-peening oder shot-peening/shot-blasting wird insbesondere unter derartigen Bedingungen durchgeführt bzw. es werden derartige Bedingungen eingestellt, dass die behandelte Bauteils- oder Baugruppenfläche oder Kraftwerkskomponentenfläche bis zu einer Materialtiefe von 200 µm, vorzugsweise bis 100 µm, in ihrer Gefügestruktur beeinflussbar ist oder wird und/oder beeinflusst ist oder wird. Im Rahmen dieser Schichtstärke von bis zum 200 µm oder bis zu 100 µm bildet sich die gewünschte Chromanreicherung aus. Dabei ist die sich in dieser Schicht ergebende Verfestigung aufgrund der dünnen Schichtstärke dieses dem Oberflächenstrahlen ausgesetzten Gefügevolumens aufgrund der im Verhältnis zur Wandstärke des jeweiligen Bauteils oder jeweiligen Bauteilgruppe oder der jeweiligen Werkstoffkomponente geringen Schichtdicke unerheblich, so dass die Festigkeit des behandelten Bauteils oder der behandelten Bauteilgruppe oder Kraftwerkskomponente im Wesentlichen unverändert bleibt. Der üblicherweise im Vordergrund stehende festigkeitssteigernde Effekt des Kugelstrahlens spielt bei dem Oberflächenstrahlen (shot-peening/shot-blasting) gemäß der Erfindung überhaupt keine Rolle, er soll vielmehr auch keine Rolle spielen. Ausschlaggebend ist allein die sich durch Anwendung dieses Verfahrens ergebende Möglichkeit, die äußere Schicht oder einen äußeren Schichtbereich des jeweiligen Werkstückes oder Bauteils (beispielsweise einer Rohrinnenfläche) derart zu beeinflussen, dass eine Anreicherung mit Chrom in diesem Bereich stattfindet.
  • Die Bedingungen des Oberflächenstrahlens bzw. shot-peening/shot-blasting werden dabei so eingestellt, dass sich in der behandelten Fläche bzw. der behandelten Schicht eine Festigkeitssteigerung im Bereich von +50 - +150 HV, insbesondere von ca. +100 HV bezogen auf die Ursprungshärte des Materials/Werkstoffes einstellt. Dabei wird das Oberflächenstrahlen nicht nur mit zum behandelten Werkstoff artgleichem oder gefügegleichem oder materialgleichem Material oder mit einem Material mit höherem Chromgehalt als der Grundwerkstoff bestrahlt, sondern es können auch keramische Blaswerkstoffe, Glaskugeln oder Ähnliches Verwendung finden. Insbesondere wird aber das artgleiche oder gefügegleiche oder materialgleiche Werkstoffmaterial verwendet. Hierzu wird beispielsweise ein Draht aus dem identischen Material kleingehackt, gegebenenfalls an seinen Enden abgerundet und dann mithilfe eines Fluidstrahles auf die zu behandelnde Werkstofffläche geblasen.
  • Das Oberflächenstrahlen oder shot-peening/shot-blasting wird üblicherweise mit einem Strahlrohr mit einer endseitigen 360°-Strahldüse durchgeführt, so dass innenseitig durch das Rohr Strahlgut geführt und dann durch die Strahldüse hindurch an die Innenoberfläche von Rohren bzw. des jeweils behandelten Rohres gebracht werden kann. Hierbei wird mit einem Volumenstrom von bis zum 9 m3/min und einem maximalen Blasdruck von 0,7 MPa gearbeitet. Hierbei wird die Strahldüse mit einer Düsenvorschubsgeschwindigkeit von 100-800 mm/min durch das zu behandelnde Rohr hindurch geführt. Der "shot-blasting"-Effekt besteht darin, dass sich auf der behandelten Seite des Materials eine durch das shot-blasting oder Oberflächenstrahlen kaltverformte Schicht ausbildet. Unterhalb dieser kaltverformten Schicht befindet sich in der Matrix des Grundwerkstoffes eine Diffusionszone. Aus der Diffusionszone diffundiert Chrom durch die kaltverformte Schicht hindurch und bildet auf der Außenseite, d.h. oberhalb der kaltverformten Schicht eine Oxidschicht, insbesondere einer Cr2O3-Schicht aus, oberhalb welcher sich dann später im Betriebszustand die topotaktische und die epitaktische Schicht ausbildet. Durch die Cr2O3-Schicht wird aber die Fe-Diffusion reduziert und das Magnetitwachstum vermindert.

Claims (15)

  1. Dampferzeugerbauteil oder -baugruppe oder Kraftwerkskomponente, das/die zumindest im Wesentlichen aus einem legierten, chromhaltigen, Werkstoff besteht, der zumindest zum Teil, insbesondere im Wesentlichen, aus einem Werkstoff besteht, der mittels Oberflächenstrahlen behandelt ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass es/sie zumindest im Wesentlichen aus einem Werkstoff mit ferritischem Gefüge mit einem mittleren Chromgehalt ≤ 8 Gew.-% oder einem martensitischen Gefüge mit einem mittleren Chromgehalt ≤ 14 Gew.-% besteht und zumindest eine ein solches Gefüge aufweisende Bauteils- oder Baugruppenfläche oder Komponentenfläche zumindest teilweise mittels Oberflächenstrahlen behandelt ist, wobei die Bedingungen des Oberflächenstrahlens derart eingestellt sind, dass die behandelte Bauteils- oder Baugruppenfläche oder Komponentenfläche bis zu einer Materialtiefe von 200 µm, vorzugsweise bis 100 µm, in ihrer Gefügestruktur beeinflusst ist und eine kaltverfestigte oder kaltverformte Schicht sowie eine in der Matrix unterhalb der kaltverfestigten oder kaltverformten Schicht ausgebildete Diffusionszone vorliegen.
  2. Dampferzeugerbauteil oder -baugruppe oder Kraftwerkskomponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteils- oder Baugruppenfläche oder Komponentenfläche mittels Oberflächenstrahlen mit einem zum Werkstoff artgleichen oder gefügegleichen und/oder materialgleichen Material oder einem Material mit gegenüber dem Werkstoff höherem Chromgehalt behandelt ist.
  3. Dampferzeugerbauteil, oder -baugruppe oder Kraftwerkskomponente nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteils- oder Baugruppenfläche oder Komponentenfläche Bestandteil eines Bauteils oder einer Baugruppe oder einer Kraftwerkskomponente ist, die auf der Dampfseite eines Dampferzeugers eingebaut ist, dessen Dampfaustrittstemperatur ≥ 600 °C, insbesondere ≥ 700 °C, beträgt.
  4. Dampferzeugerbauteil oder -baugruppe oder Kraftwerkskomponente nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es/sie Bestandteil einer Heizfläche, einer Membranwand, einer spiralgewickelten Dampferzeugerwand, einer Verbindungsleitung, eines Dampfabscheiders, einer Wasserflasche, eines Einspritzkühlers, einer Heizfläche, eines Sammlers, eines Verteilers, eines Tragrohrschotts, eines Tragrohres, eines Übergangsstückes oder eines Dampferzeugers einer Kraftwerksanlage ist oder solche ausbildet.
  5. Dampferzeugerbauteil oder -baugruppe oder Kraftwerkskomponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff ein ferritischer oder ein martensitischer Stahl ist.
  6. Dampferzeugerbauteil oder -baugruppe oder Kraftwerkskomponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff ein Material mit einem mittleren Chromgehalt von ≤ 9 Gew.-%, ist.
  7. Dampferzeugerbauteil oder -baugruppe oder Kraftwerkskomponente nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff ein martensitisches Gefüge mit einem mittleren Chromgehalt im Bereich von 9 bis 12 Gew.-% aufweist.
  8. Dampferzeugerbauteil oder -baugruppe oder Kraftwerkskomponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff ein martensitisches Material mit der Bezeichnung T91 oder P91 oder T92 oder P92 ist.
  9. Dampferzeugerbauteil oder -baugruppe oder Kraftwerkskomponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bedingungen des Oberflächenstrahlens derart eingestellt sind, dass die behandelte Bauteils- oder Baugruppenfläche oder Komponentenfläche eine gegenüber der Matrix des Werkstoffes erhöhte Härte von +50 - +150 HV, insbesondere +90 - +110 HV.
  10. Dampferzeugerbauteil oder -baugruppe oder Kraftwerkskomponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bedingungen des Oberflächenstrahlens derart eingestellt sind, dass die Festigkeit des behandelte Bauteils oder der behandelten Bauteilgruppe oder Kraftwerkskomponente im Wesentlichen unverändert bleibt.
  11. Dampferzeugerbauteil oder -baugruppe oder Kraftwerkskomponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mittels Oberflächenstrahlens behandelte Bauteils- oder Baugruppenfläche oder Komponentenfläche die Innenfläche eines Rohres ist.
  12. Verfahren zur Herstellung eines Dampferzeugerbauteils oder -baugruppe oder Kraftwerkskomponente, das/die im Wesentlichen aus einem legierten chromhaltigen Werkstoff besteht, bei welchem eine Bauteil- oder Baugruppenfläche oder Komponentenfläche, insbesondere eine Rohrinnenfläche, mittels Oberflächenstrahlen behandelt wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zur Ausführung des Oberflächenstrahlens eine ein ferritisches Gefüge mit einem mittleren Chromgehalt von ≤ 8 Gew.-% oder ein martensitisches Gefüge mit einem mittleren Chromgehalt von ≤ 14 Gew.-% aufweisende Bauteils- oder Baugruppenfläche oder Komponentenfläche ausgewählt wird und die Bedingungen des Oberflächenstrahlens derart eingestellt werden, dass die behandelte Bauteils- oder Baugruppenfläche oder Komponentenfläche bis zu einer Materialtiefe von 200 µm, vorzugsweise bis 100 µm, in ihrer Gefügestruktur beeinflusst wird und eine kaltverfestigte oder kaltverformte Schicht mit einer Chromanreicherung sowie eine in der Matrix unterhalb der kaltverfestigten und kaltverformten Schicht ausgebildeten Diffusionszone vorliegen.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberflächenstrahlen mit einem zum Gefüge der oberflächengestrahlten Fläche artgleichen oder gefügegleichen und/oder materialgleichen Material oder mit einem Material mit dem Flächenmaterial gegenüber höherem Chromgehalt durchgeführt wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine ein ferritisches Gefüge mit einem mittleren Chromgehalt im Bereich von 9 - 12 Gew.-%, aufweisende Bauteils- oder Baugruppenfläche oder Komponentenfläche ausgewählt wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Bedingungen des Oberflächenstrahlens derart eingestellt werden, dass die Härte der behandelten Bauteils- oder Baugruppenfläche oder Komponentenfläche gegenüber der Matrix des Werkstoffes um eine Härte von +50 - +150 HV, insbesondere +90 - +110 HV, erhöht wird.
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