JP6364992B2 - Fin tube - Google Patents
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Description
本発明は、フィンチューブに関する。 The present invention relates to a fin tube.
従来、高効率の発電プラントとして、コンバインドサイクル発電プラントが実用化されている。コンバインドサイクル発電プラントでは、ガスタービンと蒸気タービンとを組み合わせて発電を行う。具体的には、まず、天然ガスの燃焼によって得られる高温ガスを利用してガスタービンを回し、発電を行う。ガスタービンから排出された排ガスの熱は、排熱回収ボイラ(以下、HRSG(Heat Recovery Steam Generator)と記載する。)によって回収される。HRSGは、回収した排ガスの熱を利用して蒸気を発生し、蒸気タービンへ供給する。この蒸気を利用して蒸気タービンが回され、蒸気タービンにおいても発電が行われる。このように、コンバインドサイクル発電プラントでは、ガスタービンおよび蒸気タービンにおいて発電を行うことによって、発電効率を高くすることができる。 Conventionally, a combined cycle power plant has been put to practical use as a highly efficient power plant. In a combined cycle power plant, power is generated by combining a gas turbine and a steam turbine. Specifically, first, the gas turbine is rotated using high-temperature gas obtained by burning natural gas to generate power. The heat of the exhaust gas discharged from the gas turbine is recovered by an exhaust heat recovery boiler (hereinafter referred to as HRSG (Heat Recovery Steam Generator)). HRSG generates steam using the heat of the collected exhaust gas and supplies it to the steam turbine. A steam turbine is turned using this steam, and power is also generated in the steam turbine. Thus, in a combined cycle power plant, power generation efficiency can be increased by generating power in a gas turbine and a steam turbine.
HRSGでは、排ガスを伝熱管の外側に流し、排ガスから得られる熱を利用して伝熱管内に蒸気を発生させる。HRSGの伝熱管として、従来、フィンチューブが用いられている。フィンチューブは、円筒状のチューブと、チューブの外面に設けられたフィンとを有する。フィンチューブでは、フィンによって表面積を大きくすることができるので、フィンチューブの外側を流れる排ガスの熱を効率よく吸収できる。 In HRSG, exhaust gas is allowed to flow outside the heat transfer tube, and steam is generated in the heat transfer tube using heat obtained from the exhaust gas. Conventionally, fin tubes have been used as HRSG heat transfer tubes. The fin tube has a cylindrical tube and fins provided on the outer surface of the tube. In the fin tube, since the surface area can be increased by the fin, the heat of the exhaust gas flowing outside the fin tube can be efficiently absorbed.
上記のようなフィンチューブとしては、チューブの外周部を圧延することによってフィンをチューブに一体に成形したタイプ(以下、一体成形タイプという。)、およびチューブの外面にフィンを溶接したタイプ(以下、溶接タイプという。)がある。一体成形タイプのフィンチューブでは、フィンとチューブとの境界部の強度を十分に確保できる。しかし、成形できるフィンの形状および材質に制限があり、フィンチューブの表面積の拡大に限界がある。 As the fin tube as described above, a type in which the fin is integrally formed with the tube by rolling the outer peripheral portion of the tube (hereinafter referred to as an integrally formed type), and a type in which the fin is welded to the outer surface of the tube (hereinafter referred to as the following). Called welding type). In the integrally formed fin tube, the strength of the boundary between the fin and the tube can be sufficiently secured. However, there are limitations on the shape and material of the fin that can be molded, and there is a limit to the expansion of the surface area of the fin tube.
一方、溶接タイプのフィンチューブでは、フィンをチューブとは別に成形できるので、フィンの形状および材質の自由度が大きい。このため、フィンチューブの表面積を大きくしやすく、熱の吸収効率を高くすることができる。例えば、特許文献1には、金属製のチューブおよび金属製のフィンを備えたフィンチューブが記載されている。特許文献1には、チューブの材料として、炭素鋼、モリブデン、ステンレス鋼等が使用され、フィンとして、軟鋼が使用されることが記載されている。
On the other hand, in the welded type fin tube, the fin can be formed separately from the tube, so that the flexibility of the shape and material of the fin is great. For this reason, it is easy to increase the surface area of the fin tube, and the heat absorption efficiency can be increased. For example,
コンバインドサイクル発電プラントの発電効率は、例えば、HRSGにおける蒸気の発生効率を高めることによって改善できる。HRSGにおける蒸気の発生効率は、伝熱管において排ガスから吸収する熱量を増やすことによって向上できる。そこで、近年、高温の排ガスを利用したHRSGの実用化が進められている。このようなHRSGでは、伝熱管は、例えば、500℃以上の高温環境化で使用されることになる。 The power generation efficiency of a combined cycle power plant can be improved, for example, by increasing the efficiency of steam generation in HRSG. The generation efficiency of steam in HRSG can be improved by increasing the amount of heat absorbed from the exhaust gas in the heat transfer tube. Therefore, in recent years, HRSG using high-temperature exhaust gas has been put into practical use. In such HRSG, the heat transfer tube is used in a high temperature environment of, for example, 500 ° C. or higher.
上述のように、溶接タイプのフィンチューブは、表面積を大きくしやすく、熱の吸収効率を高くすることができる。そのため、HRSGの伝熱管として溶接タイプのフィンチューブを用いた場合、発電プラントの発電効率をさらに向上させることができる。 As described above, the weld-type fin tube can easily increase the surface area and increase the heat absorption efficiency. Therefore, when a welding type fin tube is used as the heat transfer tube of HRSG, the power generation efficiency of the power plant can be further improved.
ところで、天然ガスを燃焼させてガスタービンで発電するプラントは,石炭を燃焼させて蒸気タービンで発電するプラントに比べて、プラントの始動時間が短い。このため、ガスタービンを用いるコンバインドサイクル発電プラントは、電力需要が多い時間帯だけ稼働させて電力需要が少ない時間帯は停止したり、平日だけ稼働させて休日は停止したりすることがある。このようにコンバインドサイクル発電プラントを運用することによって、無駄なく、電力需要に応えることができる。 By the way, a plant that burns natural gas and generates power using a gas turbine has a shorter start-up time than a plant that burns coal and generates power using a steam turbine. For this reason, a combined cycle power plant using a gas turbine may be operated only during a time period when the power demand is high and stopped during a time period when the power demand is low, or may be operated only during weekdays and stopped during a holiday. By operating the combined cycle power plant in this way, it is possible to meet the power demand without waste.
しかしながら、上記のように発電プラントの起動・停止を行うと、伝熱管の温度が大きく変動する。ここで、一般に、溶接タイプのフィンチューブでは、チューブおよびフィンの材質を自由に組み合わせることによって、目的とする性能(例えば、フィンチューブの使用環境に応じた性能)を得ることができる。しかしながら、チューブとフィンとを異なる材質にした場合には、チューブおよびフィンの熱膨張率に差が生じる。この場合、フィンおよびチューブが互いの熱変形を拘束し、チューブとフィンとの接合部に熱応力が発生する。このため、発電プラントの起動・停止が繰り返し行われると、フィンとチューブとの接合部に熱応力が繰り返し作用することになる。特に、500℃以上の高温環境化で伝熱管を使用する場合には、上記境界部に作用する熱応力も大きくなる。このため、フィンがチューブから剥離するおそれがある。 However, when the power plant is started / stopped as described above, the temperature of the heat transfer tube greatly fluctuates. Here, in general, in a welded type fin tube, a desired performance (for example, performance according to the use environment of the fin tube) can be obtained by freely combining the materials of the tube and the fin. However, when the tube and the fin are made of different materials, there is a difference in the coefficient of thermal expansion between the tube and the fin. In this case, the fin and the tube constrain each other's thermal deformation, and a thermal stress is generated at the joint between the tube and the fin. For this reason, when the power plant is repeatedly started and stopped, thermal stress repeatedly acts on the joint between the fin and the tube. In particular, when the heat transfer tube is used in a high temperature environment of 500 ° C. or higher, the thermal stress acting on the boundary portion also increases. For this reason, there exists a possibility that a fin may peel from a tube.
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、耐熱性および耐熱疲労性に優れたフィンチューブを提供することを目的としている。 The present invention has been made to solve such problems, and an object thereof is to provide a fin tube excellent in heat resistance and heat fatigue resistance.
本発明者らは、高温環境下で使用されるフィンチューブについて、耐熱性および耐熱疲労性を向上させるために鋭意研究を行った。その結果、以下の知見を得た。 The inventors of the present invention conducted extensive research to improve heat resistance and heat fatigue resistance of fin tubes used in high temperature environments. As a result, the following knowledge was obtained.
チューブ内に蒸気が発生している際には、チューブには、蒸気から受ける圧力(内圧)によって応力が作用している。したがって、高温環境下でフィンチューブを長時間使用する場合には、内圧に起因する応力がチューブに長時間作用し続けることになる。このため、チューブは、上記のような長時間作用し続ける応力に対する抵抗力(クリープ強度)を十分に備えている必要がある。すなわち、チューブには、高温環境下において十分なクリープ強度を発揮できる材料を用いる必要がある。 When steam is generated in the tube, stress is applied to the tube by pressure (internal pressure) received from the steam. Therefore, when the fin tube is used for a long time in a high temperature environment, the stress caused by the internal pressure continues to act on the tube for a long time. For this reason, the tube needs to have sufficient resistance (creep strength) against the stress that continues to act for a long time as described above. In other words, it is necessary to use a material that can exhibit sufficient creep strength in a high temperature environment for the tube.
上述したように、溶接タイプのフィンチューブを高温環境下で使用する場合には、フィンとチューブとの接合部に大きな熱応力が作用する。本発明者らの研究の結果、フィンの熱膨張率がチューブよりも低い場合には、高温環境下においてフィンとチューブとの境界部には、フィンとチューブとを互いに押しつける方向の応力が作用することが分かった。また、本発明者らの研究により、このような応力は、フィンの剥離にはあまり影響しないことが分かった。 As described above, when a welding type fin tube is used in a high temperature environment, a large thermal stress acts on the joint between the fin and the tube. As a result of the study by the present inventors, when the coefficient of thermal expansion of the fin is lower than that of the tube, stress in a direction in which the fin and the tube are pressed against each other acts on the boundary between the fin and the tube in a high temperature environment. I understood that. In addition, the inventors' research has shown that such stress does not significantly affect fin peeling.
一方、フィンの熱膨張率がチューブよりも高い場合には、フィンとチューブとの境界部において、チューブの半径方向、すなわちフィンをチューブから引き離す方向の応力が作用することが分かった。そして、この応力がフィンの剥離に大きく影響することが分かった。したがって、高温環境下でフィンの剥離を抑制するためには、上記境界部に作用するフィンをチューブから引き離す方向の応力を低減する必要がある。 On the other hand, when the coefficient of thermal expansion of the fin is higher than that of the tube, it has been found that stress in the radial direction of the tube, that is, the direction in which the fin is pulled away from the tube acts at the boundary between the fin and the tube. And it turned out that this stress has big influence on peeling of a fin. Therefore, in order to suppress the peeling of the fin in a high temperature environment, it is necessary to reduce the stress in the direction in which the fin acting on the boundary portion is separated from the tube.
500℃以上の高温環境下でフィンチューブを使用する場合には、フィンおよびチューブの強度は、常温で使用する場合に比べて低下する。これにより、500℃以上の環境下でフィンチューブを使用する場合には、500℃未満の環境下で使用する場合に比べてフィンの剥離が発生しやすくなる。したがって、フィンの剥離を防止するためには、特に500℃以上の高温環境下で上記のような応力(フィンをチューブから引き離す方向の力)の発生を抑制する必要がある。 When the fin tube is used in a high temperature environment of 500 ° C. or higher, the strength of the fin and the tube is lower than that at the normal temperature. Thereby, when using a fin tube in the environment of 500 degreeC or more, peeling of a fin becomes easy to generate | occur | produce compared with the case where it uses in an environment of less than 500 degreeC. Therefore, in order to prevent the peeling of the fin, it is necessary to suppress the generation of the stress (force in the direction of pulling the fin away from the tube) particularly in a high temperature environment of 500 ° C. or higher.
本発明者らの更なる研究の結果、フィンをチューブから引き離す方向の力(熱応力)が大きくなると、フィンおよびチューブが塑性変形することが分かった。そして、熱応力に起因するこの塑性変形が繰り返されると、いわゆる低サイクル疲労状態となり、フィンチューブの熱サイクルに対する疲労寿命が低下することが分かった。フィンチューブが上記のような低サイクル疲労状態となることを防止するためには、フィンおよびチューブが塑性変形しないように、フィンおよびチューブの変形を抑制する必要がある。 As a result of further studies by the present inventors, it has been found that when the force (thermal stress) in the direction of pulling the fin away from the tube increases, the fin and the tube are plastically deformed. And when this plastic deformation resulting from a thermal stress is repeated, it turns out that it will be in a so-called low cycle fatigue state, and the fatigue life with respect to the thermal cycle of a fin tube will fall. In order to prevent the fin tube from being in a low cycle fatigue state as described above, it is necessary to suppress the deformation of the fin and the tube so that the fin and the tube are not plastically deformed.
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、下記のフィンチューブを要旨とする。 The present invention has been completed based on the above findings, and the gist of the present invention is the following fin tube.
(1)チューブおよびフィンを備え、
前記チューブの化学組成が、質量%で、
C:0.03〜0.13%、
Si:0.5%以下、
Mn:0.1〜2%、
Ni:8〜15%、
Cr:15〜22%、
Cu:2〜6%、
Nb:0.3〜1.5%、
N:0.005〜0.2%、
B:0.0001〜0.2%、
残部:Feおよび不純物であり、
前記チューブおよび前記フィンの温度が500℃のときに下記の(i)式および(ii)式を満たす、フィンチューブ。
αf(Tf−T0)−αt(Tt−T0)≦σYt/Et ・・・ (i)
αf(Tf−T0)−αt(Tt−T0)≦σYf/Ef ・・・ (ii)
上記式において、
αfはフィンの熱膨張率(1/℃)を、
Tfはフィンの温度(℃)を、
T0は室温(℃)を、
αtはチューブの熱膨張率(1/℃)を、
Ttはチューブの温度(℃)を、
σYtはチューブの0.2%耐力(MPa)を、
Etはチューブのヤング率(MPa)を、
σYfはフィンの降伏応力(MPa)を、
Efはフィンのヤング率(MPa)を、それぞれ示す。
但し、フィンの材料が降伏現象を示さない場合には、σYfはフィンの0.2%耐力(MPa)を示す。
(1) It has a tube and fins,
The chemical composition of the tube is mass%,
C: 0.03-0.13%,
Si: 0.5% or less,
Mn: 0.1 to 2%,
Ni: 8-15%,
Cr: 15-22%,
Cu: 2 to 6%,
Nb: 0.3 to 1.5%,
N: 0.005 to 0.2%,
B: 0.0001-0.2%
Balance: Fe and impurities,
The fin tube which satisfy | fills the following (i) Formula and (ii) Formula when the temperature of the said tube and the said fin is 500 degreeC.
α f (T f −T 0 ) −α t (T t −T 0 ) ≦ σ Yt / E t (i)
α f (T f −T 0 ) −α t (T t −T 0 ) ≦ σ Yf / E f (ii)
In the above formula,
α f is the coefficient of thermal expansion (1 / ° C.) of the fin,
T f is the temperature (° C.) of the fin,
T 0 is room temperature (° C.)
α t is the coefficient of thermal expansion (1 / ° C) of the tube,
T t is the tube temperature (° C),
σ Yt is the 0.2% proof stress (MPa) of the tube,
E t is the Young's modulus (MPa) of the tube,
σ Yf is the yield stress (MPa) of the fin,
E f represents the Young's modulus (MPa) of the fin, respectively.
However, when the fin material does not exhibit the yield phenomenon, σ Yf indicates the 0.2% proof stress (MPa) of the fin.
(2)前記チューブと前記フィンとが溶接されている、上記(1)のフィンチューブ。 (2) The fin tube according to (1), wherein the tube and the fin are welded.
(3)前記チューブと前記フィンとが異なる鋼材からなる、上記(1)または(2)のフィンチューブ。 (3) The fin tube according to (1) or (2), wherein the tube and the fin are made of different steel materials.
(4)フィンの熱膨張率がチューブの熱膨張率よりも高い、上記(1)から(3)までのいずれかのフィンチューブ。 (4) The fin tube according to any one of (1) to (3), wherein the fin has a higher coefficient of thermal expansion than the tube.
本発明によれば、チューブおよびフィンの熱膨張率に差があるフィンチューブを高温環境下で用いる場合でも、フィンの剥離を十分に抑制できる。 According to the present invention, even when a fin tube having a difference in thermal expansion coefficient between the tube and the fin is used in a high-temperature environment, peeling of the fin can be sufficiently suppressed.
以下、本発明について詳しく説明する。なお、後述する化学組成の説明において、各元素の含有量の「%」表示は「質量%」を意味する。 The present invention will be described in detail below. In the description of the chemical composition to be described later, “%” display of the content of each element means “mass%”.
1.フィンチューブの構造
図1は、本発明の一実施の形態に係るフィンチューブ10を示す断面図である。フィンチューブ10は、例えば、チューブ12およびフィン14を備える。チューブ12は、鋼材からなる。フィン14としては、種々の金属材料(例えば、耐熱鋼,ステンレス鋼等)を用いることができる。
1. Fin Tube Structure FIG. 1 is a cross-sectional view showing a
図1に示すように、本実施形態に係るフィンチューブ10では、円筒状のチューブ12の外周面に複数の環状のフィン14が設けられる。複数のフィン14は、チューブ12の軸方向に略等間隔で配置される。フィン14は、例えば溶接によって、チューブ12の外周面に接合される。なお、複数のフィン14の代わりに、チューブ12の外周面にらせん状のフィンを設けてもよい。
As shown in FIG. 1, in the
2.チューブ(鋼材)の化学組成
本発明においてチューブ12として用いられる鋼材の化学組成は次の通りである。
2. Chemical composition of tube (steel material) The chemical composition of the steel material used as the
C:0.03〜0.13%
Cは、チューブを高温環境下で使用する際に必要となる、引張強さおよびクリープ破断強度を確保するために有効な元素である。本発明では後述するように鋼材にNを含有させるため、C含有量は低めであってもよい。しかし、上記の効果を発揮させるためには、C含有量を0.03%以上とする必要がある。C含有量の好ましい下限は0.05%である。一方、C含有量が0.13%を超えると、溶体化後の未固溶炭化物量が過剰となり、延性および靭性等の機械的性質が劣化する。したがって、C含有量の上限は0.13%とする。C含有量の好ましい上限は0.12%である。
C: 0.03-0.13%
C is an element effective for securing the tensile strength and creep rupture strength required when the tube is used in a high temperature environment. In the present invention, since the steel material contains N as described later, the C content may be low. However, in order to exhibit the above effects, the C content needs to be 0.03% or more. The minimum with preferable C content is 0.05%. On the other hand, if the C content exceeds 0.13%, the amount of undissolved carbide after solutionization becomes excessive, and mechanical properties such as ductility and toughness deteriorate. Therefore, the upper limit of the C content is 0.13%. The upper limit with preferable C content is 0.12%.
Si:0.5%以下
Siは脱酸材として有効であり、かつ耐酸化性の向上に有効な元素である。しかし、Si含有量が0.5%を超えると、溶接性および熱間加工性が劣化する。また、後述するように本発明では鋼材にNを含有させる。このため、鋼材にSiを多量に含有させると、チューブを高温環境下で使用している際に析出する窒化物量が増加する。その結果、チューブの靭性および延性の低下を招く。したがって,Si含有量は0.5%以下とする。Si含有量の好ましい上限は0.3%である。
Si: 0.5% or less Si is an element effective as a deoxidizing material and effective in improving oxidation resistance. However, when the Si content exceeds 0.5%, weldability and hot workability deteriorate. Further, as described later, in the present invention, the steel material contains N. For this reason, when a steel material contains a large amount of Si, the amount of nitride deposited when the tube is used in a high temperature environment increases. As a result, the toughness and ductility of the tube are reduced. Therefore, the Si content is 0.5% or less. The upper limit with preferable Si content is 0.3%.
Mn:0.1〜2%
MnはSiと同様に脱酸作用を有する元素である。Mnはさらに、Sを固定して鋼材の熱間加工性を改善する作用を有する。これらの効果を得るためには、Mn含有量を0.1%以上とする必要がある。Mn含有量の好ましい下限は0.2%である。一方、Mn含有量が2%を超えると、σ相等の金属間化合物の析出を招いて、鋼材の高温強度および機械的性質が低下する。したがって、Mn含有量は2%以下とする。Mn含有量の好ましい上限は1.7%である。
Mn: 0.1 to 2%
Mn is an element having a deoxidizing action like Si. Furthermore, Mn has the effect | action which fixes S and improves the hot workability of steel materials. In order to obtain these effects, the Mn content needs to be 0.1% or more. A preferable lower limit of the Mn content is 0.2%. On the other hand, when the Mn content exceeds 2%, precipitation of intermetallic compounds such as σ phase is caused, and the high temperature strength and mechanical properties of the steel material are lowered. Therefore, the Mn content is 2% or less. The upper limit with preferable Mn content is 1.7%.
Ni:8〜15%
Niは、安定なオーステナイト組織を確保するための必須成分である。Niの最適含有量は、鋼中に含まれるCrおよびNb等のフェライト生成元素、ならびにCおよびN等のオーステナイト生成元素の含有量によって定まる。本発明においては、Ni含有量が8%未満では、オーステナイト組織の安定化が困難になる。したがって、Ni含有量は8%以上とする。Ni含有量の好ましい下限は8.5%である。一方、Ni含有量が15%を超えると、上記の効果が飽和して経済性が低下する。したがって、Ni含有量は15%以下とする。Ni含有量の好ましい上限は13%である。
Ni: 8-15%
Ni is an essential component for securing a stable austenite structure. The optimum Ni content is determined by the content of ferrite-forming elements such as Cr and Nb and austenite-generating elements such as C and N contained in the steel. In the present invention, if the Ni content is less than 8%, it becomes difficult to stabilize the austenite structure. Therefore, the Ni content is 8% or more. A preferable lower limit of the Ni content is 8.5%. On the other hand, if the Ni content exceeds 15%, the above effect is saturated and the economic efficiency is lowered. Therefore, the Ni content is 15% or less. A preferable upper limit of the Ni content is 13%.
Cr:15〜22%
Crは、高温環境下でのチューブの耐酸化性および耐食性を向上させるために必要な元素である。しかし、Cr含有量が15%未満では十分な効果が得られない。したがって、Cr含有量は15%以上とする。Cr含有量の好ましい下限は17%である。上記の効果はCr含有量の増加に伴い顕著になるが、Cr含有量が22%を超えると、オーステナイト組織が不安定になる。したがって、Cr含有量は22%以下とする。Cr含有量の好ましい上限は20%である。
Cr: 15-22%
Cr is an element necessary for improving the oxidation resistance and corrosion resistance of the tube in a high temperature environment. However, if the Cr content is less than 15%, a sufficient effect cannot be obtained. Therefore, the Cr content is 15% or more. A preferable lower limit of the Cr content is 17%. The above effect becomes remarkable as the Cr content increases, but when the Cr content exceeds 22%, the austenite structure becomes unstable. Therefore, the Cr content is 22% or less. The upper limit with preferable Cr content is 20%.
Cu:2〜6%
Cuは、高温環境下でのチューブの使用中に、微細なCu相としてオーステナイト母相に整合析出することによって、クリープ破断強度の向上に大きく寄与する。上記の効果を発揮させるには、Cu含有量を2%以上とする必要がある。Cu含有量の好ましい下限は2.5%である。一方、Cu含有量が6%を超えると、クリープ破断延性および加工性が劣化する。したがって、Cu含有量は6%以下とする。Cu含有量の好ましい上限は4.5%である。
Cu: 2 to 6%
Cu contributes greatly to the improvement in creep rupture strength by coherent precipitation as a fine Cu phase in the austenite matrix during use of the tube in a high temperature environment. In order to exhibit the above effects, the Cu content needs to be 2% or more. A preferable lower limit of the Cu content is 2.5%. On the other hand, when the Cu content exceeds 6%, creep rupture ductility and workability deteriorate. Therefore, the Cu content is 6% or less. The upper limit with preferable Cu content is 4.5%.
Nb:0.3〜1.5%
Nbは微細な炭窒化物の分散析出強化によりクリープ破断強度を向上させる作用を有する元素である。上記の効果を発揮させるためには、Nb含有量を0.3%以上とする必要がある。Nb含有量の好ましい下限は0.35%である。一方、Nb含有量が1.5%を超えると、鋼材の溶接性および加工性が劣化する。また、未固溶の炭窒化物量が過剰になり、鋼材の機械的性質が劣化する。したがって、Nb含有量は1.5%以下とする。Nb含有量の好ましい上限は1.3%である。
Nb: 0.3 to 1.5%
Nb is an element having an effect of improving creep rupture strength by dispersion precipitation strengthening of fine carbonitride. In order to exhibit the above effects, the Nb content needs to be 0.3% or more. The minimum with preferable Nb content is 0.35%. On the other hand, when the Nb content exceeds 1.5%, the weldability and workability of the steel material deteriorate. Moreover, the amount of undissolved carbonitride is excessive, and the mechanical properties of the steel material are deteriorated. Therefore, the Nb content is 1.5% or less. The upper limit with preferable Nb content is 1.3%.
N:0.005〜0.2%
NはCと同様に、引張強さおよびクリープ破断強度の向上に有効な元素である。しかし、N含有量が0.005%%未満では十分な効果を発揮させることができない。したがって、N含有量は0.005%以上とする。N含有量の好ましい下限は0.01%である。一方、N含有量が0.2%を超えると、窒化物の多量析出によって、時効後靭性が低下する。したがって、N含有量は0.2%以下とする。N含有量の好ましい上限は0.15%である。
N: 0.005 to 0.2%
N, like C, is an element that is effective in improving tensile strength and creep rupture strength. However, if the N content is less than 0.005%, a sufficient effect cannot be exhibited. Therefore, the N content is 0.005% or more. The minimum with preferable N content is 0.01%. On the other hand, if the N content exceeds 0.2%, the post-aging toughness decreases due to a large amount of precipitation of nitride. Therefore, the N content is 0.2% or less. The upper limit with preferable N content is 0.15%.
B:0.0001〜0.2%
Bは炭窒化物分散強化および粒界強化によって鋼材の高温強度を改善する作用を有する元素である。しかし、B含有量が0.0001%未満では十分な効果が得られない。したがって、B含有量は0.0001%以上とする。B含有量の好ましい下限は0.001%である。一方、B含有量が0.2%を超えると溶接性を劣化させる。したがって、B含有量は0.2%以下とする。B含有量の好ましい上限は0.1%である。
B: 0.0001 to 0.2%
B is an element having an effect of improving the high temperature strength of the steel material by carbonitride dispersion strengthening and grain boundary strengthening. However, if the B content is less than 0.0001%, a sufficient effect cannot be obtained. Therefore, the B content is 0.0001% or more. A preferable lower limit of the B content is 0.001%. On the other hand, if the B content exceeds 0.2%, the weldability is deteriorated. Therefore, the B content is 0.2% or less. The upper limit with preferable B content is 0.1%.
本発明に係るチューブ12として用いられる鋼材には、上記の成分のほか、必要に応じて下記に示すCo、Mo、W、Ti、V、Ca、Mg、ZrおよびREMのうちから選んだ1種以上を含有させることができる。
The steel material used as the
Co:0〜5%
CoはNiおよびCuと同様にオ−ステナイト生成元素であり、オーステナイト組織の安定性を高めてクリープ強度の向上に寄与する。しかしながら、Co含有量が5%を超えると、上記の効果が飽和して経済性が低下する。したがって、含有させる場合のCo含有量は5%以下とする。上記の効果を発揮させるためには、Co含有量を0.05%以上とすることが好ましい。
Co: 0 to 5%
Co is an austenite-forming element like Ni and Cu, and contributes to the improvement of creep strength by increasing the stability of the austenite structure. However, if the Co content exceeds 5%, the above effect is saturated and the economic efficiency is lowered. Therefore, the Co content when contained is 5% or less. In order to exhibit the above effects, the Co content is preferably 0.05% or more.
Mo:0〜5%
Moは、マトリックスに固溶して鋼材の高温でのクリープ強度の向上に寄与する元素である。しかしながら、Mo含有量が5%を超えると、上記の効果が飽和して経済性が低下する。また、オーステナイト組織の安定性を低下させ、鋼材の熱間加工性が劣化する。したがって、含有させる場合のMo含有量は5%以下とする。上記の効果を発揮させるためには、Mo含有量を0.05%以上とすることが好ましい。
Mo: 0 to 5%
Mo is an element that contributes to the improvement of the creep strength of the steel material at a high temperature by dissolving in the matrix. However, if the Mo content exceeds 5%, the above effect is saturated and the economic efficiency is lowered. Moreover, the stability of the austenite structure is lowered, and the hot workability of the steel material is deteriorated. Therefore, the Mo content in the case of inclusion is 5% or less. In order to exhibit the above effects, the Mo content is preferably 0.05% or more.
W:0〜5%
WはMoと同様に高温でのクリープ強度の向上に寄与する元素である。しかしながら、W含有量が5%を超えると、上記の効果が飽和して経済性が低下する。また、オーステナイト組織の安定性を低下させる。したがって、含有させる場合のW含有量は5%以下とする。上記の効果を発揮させるためには、W含有量を0.05%以上とすることが好ましい。
W: 0-5%
W, like Mo, is an element that contributes to the improvement of creep strength at high temperatures. However, if the W content exceeds 5%, the above effects are saturated and the economic efficiency is lowered. In addition, the stability of the austenite structure is reduced. Therefore, the W content in the case of inclusion is 5% or less. In order to exhibit the above effects, the W content is preferably 0.05% or more.
Ti:0〜0.5%
Tiは、CまたはNと結合して微細な炭化物または炭窒化物として粒内に析出することによって鋼材の高温でのクリープ強度の向上に寄与する元素である。しかしながら、Ti含有量が0.5%を超えると、鋼材のクリープ延性の低下を招く。したがって、含有させる場合のTi含有量は0.5%以下とする。上記の効果を発揮させるためには、Ti含有量を0.002%以上とすることが好ましい。
Ti: 0 to 0.5%
Ti is an element that contributes to the improvement of the creep strength of a steel material at a high temperature by combining with C or N and precipitating in the grains as fine carbides or carbonitrides. However, when the Ti content exceeds 0.5%, the creep ductility of the steel material is lowered. Therefore, when Ti is contained, the Ti content is 0.5% or less. In order to exhibit the above effects, the Ti content is preferably 0.002% or more.
V:0〜0.5%
VはTiと同様に微細な炭化物または炭窒化物を形成し、鋼材のクリープ強度に寄与する元素である。しかしながら、V含有量が0.5%を超えると、鋼材のクリープ延性の低下を招く。したがって、含有させる場合のV含有量は0.5%以下とする。上記の効果を発揮させるためには、V含有量を0.01%以上とすることが好ましい。
V: 0 to 0.5%
V, like Ti, is an element that forms fine carbides or carbonitrides and contributes to the creep strength of steel. However, when the V content exceeds 0.5%, the creep ductility of the steel material is lowered. Therefore, the V content when contained is 0.5% or less. In order to exhibit the above effects, the V content is preferably 0.01% or more.
Ca:0〜0.2%
Caは、鋼材の熱間加工性を改善する効果を有する元素である。しかしながら、Ca含有量が0.2%を超えると、CaおよびO(酸素)が結合して清浄性を著しく低下させ、鋼材の熱間加工性を劣化させる。このため、含有させる場合のCa含有量は0.2%以下とする。上記の効果を発揮させるためには、Ca含有量を0.0001%以上とすることが好ましい。
Ca: 0 to 0.2%
Ca is an element having an effect of improving the hot workability of the steel material. However, if the Ca content exceeds 0.2%, Ca and O (oxygen) are combined to significantly reduce the cleanliness and deteriorate the hot workability of the steel material. For this reason, when Ca is contained, the Ca content is 0.2% or less. In order to exhibit the above effects, the Ca content is preferably 0.0001% or more.
Mg:0〜0.2%
MgはCaと同様に、鋼材の熱間加工性を改善する効果を有する元素である。しかしながら、Mg含有量が0.2%を超えると、MgおよびO(酸素)が結合して清浄性を著しく低下させ、鋼材の熱間加工性を劣化させる。このため、含有させる場合のMg含有量は0.2%以下とする。上記の効果を発揮させるためには、Mg含有量を0.0001%以上とすることが好ましい。
Mg: 0 to 0.2%
Mg, like Ca, is an element that has the effect of improving the hot workability of steel. However, when the Mg content exceeds 0.2%, Mg and O (oxygen) are combined to significantly reduce the cleanliness and deteriorate the hot workability of the steel material. For this reason, Mg content in the case of making it contain shall be 0.2% or less. In order to exhibit the above effects, the Mg content is preferably 0.0001% or more.
Zr:0〜0.2%
Zrは粒界強化に寄与して鋼材のクリープ強度を向上させるとともに、Sを固着して鋼材の熱間加工性を改善する効果を有する元素である。しかしながら、Zr含有量が0.2%を超えると、鋼材の熱間加工性を劣化させる。このため、含有させる場合のZr含有量は0.2%以下とする。上記の効果を発揮させるためには、Zr含有量を0.0001%以上とすることが好ましい。
Zr: 0 to 0.2%
Zr is an element that contributes to grain boundary strengthening and improves the creep strength of the steel material, and has an effect of fixing S and improving the hot workability of the steel material. However, if the Zr content exceeds 0.2%, the hot workability of the steel material is deteriorated. For this reason, the Zr content in the case of inclusion is 0.2% or less. In order to exhibit the above effects, the Zr content is preferably 0.0001% or more.
REM:0〜0.2%
REM(希土類元素)は、鋼材の熱間加工性を改善する効果を有する元素である。しかしながら、REM含有量が0.2%を超えると、REMおよびO(酸素)が結合して清浄性を著しく低下させ、鋼材の熱間加工性を劣化させる。このため、含有させる場合のREM含有量は0.2%以下とする。上記の効果を発揮するためには、REM含有量を0.0001%以上とすることが好ましい。なお、REMとは、ランタノイドの15元素にYおよびScを合わせた17元素の総称である。本発明では、これらの17元素のうちの1種以上を鋼材に含有させることができる。REM含有量は、これらの元素の合計含有量を意味する。
REM: 0 to 0.2%
REM (rare earth element) is an element having an effect of improving the hot workability of a steel material. However, when the REM content exceeds 0.2%, REM and O (oxygen) are combined to remarkably reduce the cleanliness and deteriorate the hot workability of the steel material. For this reason, the REM content in the case of making it contain shall be 0.2% or less. In order to exhibit the above effect, the REM content is preferably 0.0001% or more. Note that REM is a general term for 17 elements including Y and Sc combined with 15 lanthanoid elements. In the present invention, one or more of these 17 elements can be contained in the steel material. The REM content means the total content of these elements.
本発明においてチューブ12として用いられる鋼材は、上記の元素を含有し、残部はFeおよび不純物からなる。「不純物」とは、鋼材を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等の原料その他の要因により混入する成分を意味する。
The steel material used as the
3.フィンの化学組成
フィン14として用いられる材料の化学組成について特に制限はないが、フィン14が鋼材からなる場合には、Crを10〜22%含有させることが好ましい。以下、その理由を説明する。
3. Although there is no restriction | limiting in particular about the chemical composition of the material used as the
例えば、フィンチューブ10をHRSGの伝熱管として使用する場合、フィン14は高温の排ガスに長時間曝されることになる。このため、フィン14が優れた耐酸化性および耐食性を備えていることが重要になる。フィン14の耐酸化性および耐食性の向上には、Crの添加が有効である。しかし、Cr含有量が10%未満では、耐酸化性および耐食性を十分に向上できない。したがって、フィン14として用いる鋼材のCr含有量は10%以上とする。Cr含有量の好ましい下限は10.5%である。一方、Cr含有量が22%を超えると、鋼材の加工性が低下する。したがって、フィン14として用いる鋼材のCr含有量は22%以下とする。Cr含有量の好ましい上限は21%とする。
For example, when the
4.フィンチューブの機械的特性
本発明においてチューブ12として用いられる鋼材は、降伏現象を示さない。一方、フィン14としては、降伏現象を示す材料を用いることもできるし、降伏現象を示さない材料を用いることもできる。
4). Mechanical properties of the fin tube The steel material used as the
本発明においては、チューブ12およびフィン14の材質が、少なくとも500℃の環境下(チューブ12およびフィン14の温度が500℃になる環境下)において、下記の(i)式および(ii)式を満たす。
αf(Tf−T0)−αt(Tt−T0)≦σYt/Et ・・・ (i)
αf(Tf−T0)−αt(Tt−T0)≦σYf/Ef ・・・ (ii)
なお、上記式において、
αfはフィンの熱膨張率(1/℃)を、
Tfはフィンの温度(℃)を、
T0は室温(℃)を、
αtはチューブの熱膨張率(1/℃)を、
Ttはチューブの温度(℃)を、
σYtはチューブの0.2%耐力(MPa)を、
Etはチューブのヤング率(MPa)を、
σYfはフィンの降伏応力(MPa)を、
Efはフィンのヤング率(MPa)を、それぞれ示す。
但し、フィンの材料が降伏現象を示さない場合には、σYfはフィンの0.2%耐力(MPa)を示す。また、降伏応力とは、下降伏点のことをいう。
また、室温とは、フィンチューブが加熱される前のフィンチューブの周囲の雰囲気の温度のことであり、一般に、20℃程度である。本実施形態では、上述の(i)および(ii)式において、室温は、例えば、20℃である。
In the present invention, the materials of the
α f (T f −T 0 ) −α t (T t −T 0 ) ≦ σ Yt / E t (i)
α f (T f −T 0 ) −α t (T t −T 0 ) ≦ σ Yf / E f (ii)
In the above formula,
α f is the coefficient of thermal expansion (1 / ° C.) of the fin,
T f is the temperature (° C.) of the fin,
T 0 is room temperature (° C.)
α t is the coefficient of thermal expansion (1 / ° C) of the tube,
T t is the tube temperature (° C),
σ Yt is the 0.2% proof stress (MPa) of the tube,
E t is the Young's modulus (MPa) of the tube,
σ Yf is the yield stress (MPa) of the fin,
E f represents the Young's modulus (MPa) of the fin, respectively.
However, when the fin material does not exhibit the yield phenomenon, σ Yf indicates the 0.2% proof stress (MPa) of the fin. Yield stress refers to the lower yield point.
The room temperature is the temperature of the atmosphere around the fin tube before the fin tube is heated, and is generally about 20 ° C. In the present embodiment, in the above formulas (i) and (ii), the room temperature is 20 ° C., for example.
なお、0.2%耐力、降伏応力およびヤング率は、例えば、JIS Z 2241に準拠した試験で求めることができ、熱膨張率は、例えば、JIS Z 2285に準拠した試験で求めることができる。 In addition, 0.2% yield strength, yield stress, and Young's modulus can be calculated | required by the test based on JISZ2241, for example, and a thermal expansion coefficient can be calculated | required by the test based on JISZ2285, for example.
上記の(i)式および(ii)式において、左辺は、チューブ12およびフィン14の熱膨張ひずみの差を表す。(i)式において右辺は、チューブ12の弾性変形域における最大ひずみを表し、(ii)式において右辺は、フィン14の弾性変形域における最大ひずみを表す。(i)式および(ii)式において左辺の値が正の場合は、フィン14の熱膨張がチューブ12の熱膨張よりも大きいことを意味する。この場合、チューブ12とフィン14との境界部には、フィン14をチューブ12から引き離す方向の応力(チューブ12の半径方向の応力)が作用する。(i)式および(ii)式において左辺の値が大きくなると、チューブ12およびフィン14が塑性変形してしまう。
In the above formulas (i) and (ii), the left side represents the difference in thermal expansion strain between the
ここで、チューブ12およびフィン14の境界部に作用する応力は、チューブ12およびフィン14の材質だけでなく、寸法および形状によっても変化する。しかし、チューブ12およびフィン14の材質、寸法および形状にかかわらず、上記境界部に作用する応力が計算上最大になるのは以下の場合である。すなわち、チューブ12とフィン14とで熱膨張に差がある場合に、その差を解消するためにチューブ12およびフィン14のうちの一方のみにひずみが生じている場合である。
Here, the stress acting on the boundary between the
本発明では、上記のような場合でもチューブ12およびフィン14の塑性変形を防止できるように、(i)式および(ii)式を規定している。具体的には、(i)式を満たすことによって、上記熱膨張差に基づくひずみがチューブ12のみに生じたとしても、チューブ12のひずみを弾性変形域内に抑制できる。また、(ii)式を満たすことによって、上記熱膨張差に基づくひずみがフィン14のみに生じたとしても、フィン14のひずみを弾性変形域内に抑制できる。したがって、本発明のフィンチューブ10では、500℃の高温環境下においても、チューブ12およびフィン14の塑性変形を防止できる。これにより、上記境界部に熱応力が繰り返し作用した場合でも、いわゆる低サイクル疲労状態となることを防止できる。すなわち、フィンチューブ10の耐熱性および耐熱疲労性を十分に確保できる。その結果、フィン14の剥離を十分に抑制できる。
In the present invention, the equations (i) and (ii) are defined so that the plastic deformation of the
なお、チューブ12およびフィン14の温度が550℃になるときに(i)式および(ii)式を満たすことが好ましく、600℃になるときに(i)式および(ii)式を満たすことがより好ましく、700℃になるときに(i)式および(ii)式を満たすことがさらに好ましい。
In addition, it is preferable to satisfy | fill Formula (i) and (ii) when the temperature of the
本発明は、チューブとフィンとが異なる材料からなるフィンチューブに好適に利用できる。特に、本発明は、フィンの熱膨張率がチューブの熱膨張率よりも高いフィンチューブにおいて優れた効果を発揮する。言い換えると、本発明は、上記のような高温環境下において、(i)式および(ii)式の左辺の値が0よりも大きくなるフィンチューブにおいて効果的に用いることができる。 The present invention can be suitably used for a fin tube made of a material in which the tube and the fin are different. In particular, the present invention exhibits an excellent effect in a fin tube in which the coefficient of thermal expansion of the fin is higher than the coefficient of thermal expansion of the tube. In other words, the present invention can be effectively used in a fin tube in which the value of the left side of equations (i) and (ii) is greater than 0 under the high temperature environment as described above.
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention more concretely, this invention is not limited to these Examples.
まず、下記の表1に示す化学組成を有する鋼材からなるチューブ(外径38mm、肉厚5.1mm)を3本用意した。また、表1に示す化学組成を有する鋼材からなるフィン1,2,3(厚さ1mm、高さ12.7mm)を用意した。チューブは、熱間押出により製管し、フィンは、冷間圧延により製造した。フィン1,2,3をそれぞれ、チューブの外周面にらせん状に溶接し、3本のフィンチューブを作製した。なお、本実施例においてフィン1,2,3として用いた鋼材は、降伏現象を示さない。
First, three tubes (outer diameter 38 mm, wall thickness 5.1 mm) made of steel materials having the chemical composition shown in Table 1 below were prepared. Further,
図2〜4に、チューブおよびフィン1,2,3の温度毎の0.2%耐力、ヤング率および熱膨張率を示す。0.2%耐力およびヤング率は、JIS Z 2241に準拠した試験で求め、熱膨張率は、JIS Z 2285に準拠した試験で求めた。また、下記の表2に、図2〜4に示した値に基づいて算出した(i)式および(ii)式の値を示す。以下、フィン1を備えたフィンチューブを本発明例1とし、フィン2を備えたフィンチューブを本発明例2とし、フィン3を備えたフィンチューブを比較例とする。表2に示すように、本発明例1,2のフィンチューブでは、500℃以上の条件下においても(i)式および(ii)式を満足したが、比較例のフィンチューブでは、500℃以上の条件下において(i)式および(ii)式を満足しなかった。
2 to 4 show the 0.2% proof stress, Young's modulus, and thermal expansion coefficient of the tube and
本発明例1,2および比較例のフィンチューブを熱サイクル試験に供した。熱サイクル試験では、炉内でフィンチューブを外面から加熱した。温度条件は、最高温度を620℃とし最低温度を100℃とした。試験サイクル数は3000回とした。1サイクルの時間は、50分とした。熱サイクル試験後に、チューブおよびフィンの状態を確認した。その結果、本発明例1,2および比較例ともに、酸化の程度は軽微であり、健全な状態を保っていた。 The fin tubes of Invention Examples 1 and 2 and Comparative Example were subjected to a thermal cycle test. In the thermal cycle test, the fin tube was heated from the outside in a furnace. The temperature conditions were a maximum temperature of 620 ° C. and a minimum temperature of 100 ° C. The number of test cycles was 3000. The cycle time was 50 minutes. After the heat cycle test, the condition of the tubes and fins was confirmed. As a result, in the inventive examples 1 and 2 and the comparative example, the degree of oxidation was slight and the sound state was maintained.
また、熱サイクル試験に供していないフィンチューブおよび熱サイクル試験後のフィンチューブを切断し、フィンとチューブとの溶接部の接合長さ(チューブの軸方向に平行な長さ)が、熱サイクル試験の前後でどのように変化したかを観察した。より具体的には、熱サイクル試験前の初期状態における接合長さ(初期値)に対して、熱サイクル試験後の接合長さがどの程度であるかを調べた。そして、熱サイクル試験後の接合長さが、熱サイクル試験前の接合長さの50%以上であるフィンチューブについて、優れた耐熱性および耐熱疲労性を有していると判断した。その結果、図5に示すように、本発明例1,2のフィンチューブでは、熱サイクル試験後の接合長さが、熱サイクル試験前の接合長さに対して80〜90%程度であった。すなわち、本発明例1,2のフィンチューブは、優れた耐熱性および耐熱疲労性を有していた。一方、比較例のフィンチューブでは、熱サイクル試験後の接合長さが、熱サイクル試験前の接合長さに対して約44%であった。すなわち、比較例のフィンチューブは、優れた耐熱性および耐熱疲労性を有していなかった。 Also, the fin tube not subjected to the thermal cycle test and the fin tube after the thermal cycle test are cut, and the joining length of the welded portion between the fin and the tube (the length parallel to the axial direction of the tube) is the thermal cycle test. We observed how it changed before and after. More specifically, it was examined how much the joining length after the thermal cycle test was relative to the joining length (initial value) in the initial state before the thermal cycle test. And it was judged that the fin tube whose joining length after a heat cycle test is 50% or more of the joining length before a heat cycle test has excellent heat resistance and heat fatigue resistance. As a result, as shown in FIG. 5, in the fin tubes of Invention Examples 1 and 2, the joining length after the thermal cycle test was about 80 to 90% with respect to the joining length before the thermal cycle test. . That is, the fin tubes of Invention Examples 1 and 2 had excellent heat resistance and heat fatigue resistance. On the other hand, in the fin tube of the comparative example, the joining length after the thermal cycle test was about 44% with respect to the joining length before the thermal cycle test. That is, the fin tube of the comparative example did not have excellent heat resistance and heat fatigue resistance.
上記の熱サイクル試験とは別に、有限要素法解析(FEM解析)を実施した。具体的には、上記の構成を有する本発明例1,2および比較例のフィンチューブについて、熱サイクルの負荷によって溶接部近傍に作用する熱応力を評価した。FEM解析では、フィンチューブ形状の対称性を考慮して、円周方向について全周の1/36(角度10°)の部分で、管軸方向についてフィン1ピッチ分の領域を対象としたモデルを用いて評価を行った。また、FEM解析では、チューブおよびフィンを室温(20℃)の初期状態から620℃まで加熱したときに生じる熱応力を評価した。
Separately from the above thermal cycle test, a finite element method analysis (FEM analysis) was performed. Specifically, for the fin tubes of the present invention examples 1 and 2 and the comparative example having the above-described configuration, the thermal stress acting on the vicinity of the welded portion due to the heat cycle load was evaluated. In the FEM analysis, considering the symmetry of the fin tube shape, a model targeting a region corresponding to one pitch of the fin in the tube axis direction at a portion of 1/36 (
FEM解析で得られた結果(応力分布)を図6に示す。なお、図6においては、チューブの半径方向、すなわちフィンをチューブから剥離させる方向の応力を正の値で示している。 The results (stress distribution) obtained by FEM analysis are shown in FIG. In FIG. 6, the stress in the radial direction of the tube, that is, the direction in which the fin is peeled from the tube is indicated by a positive value.
本発明例1のフィンチューブではフィンの熱膨張率がチューブよりも低いので、図6に示すように、フィンとチューブとの境界部には、フィンとチューブとを互いに押しつける方向の応力(圧縮応力)が作用した。本発明例2のフィンチューブでは、フィンの熱膨張率がチューブよりも高いので、フィンとチューブとの境界部には、フィンをチューブから剥離させる方向の応力(引張応力)が作用した。しかし、境界部に作用する応力の絶対値は非常に小さかった。このように、本発明例1,2のフィンチューブでは、高温環境下において、フィンをチューブから剥離させる方向の力はほとんど働かなかった。一方、比較例のフィンチューブでは、フィンとチューブとの境界部に、フィンをチューブから剥離させる方向に大きな応力が作用した。 In the fin tube of Example 1 of the present invention, the coefficient of thermal expansion of the fin is lower than that of the tube. Therefore, as shown in FIG. 6, the stress in the direction in which the fin and the tube are pressed against each other (compressive stress) ) Acted. In the fin tube of the present invention example 2, since the thermal expansion coefficient of the fin is higher than that of the tube, a stress (tensile stress) in a direction in which the fin is peeled off from the tube acts on the boundary portion between the fin and the tube. However, the absolute value of the stress acting on the boundary portion was very small. As described above, in the fin tubes of Examples 1 and 2 of the present invention, the force in the direction in which the fins were peeled off from the tube hardly worked in a high temperature environment. On the other hand, in the fin tube of the comparative example, a large stress was applied to the boundary portion between the fin and the tube in the direction of peeling the fin from the tube.
以上の結果から、500℃以上の環境下において(i)式および(ii)式を満足する本発明例1,2のフィンチューブによれば、高温環境下において、フィンを剥離させる方向に作用する応力を抑制でき、優れた耐熱性および耐熱疲労性を確保できることが分かった。なお、実際の発電プラントでフィンチューブに加わる熱サイクル数は運用条件によって変わるが、上記の熱サイクル試験のような大きな温度変動が週1回加わるとすると、上記3000回の熱サイクルは発電プラントで約60年間に加えられる熱サイクルに相当する。したがって、本発明のフィンチューブであれば、このような長期間の使用に際しても、性能を損なうことなく使用することが可能である。 From the above results, according to the fin tubes of Examples 1 and 2 of the present invention that satisfy the expressions (i) and (ii) in an environment of 500 ° C. or higher, the fin tubes act in a direction in which the fins are peeled off in a high temperature environment. It was found that stress can be suppressed and excellent heat resistance and heat fatigue resistance can be secured. The number of heat cycles applied to the fin tube in an actual power plant varies depending on the operating conditions. However, if a large temperature fluctuation such as the above heat cycle test is applied once a week, the above 3000 heat cycles are performed in the power plant. This corresponds to a heat cycle applied for about 60 years. Therefore, the fin tube of the present invention can be used without impairing performance even during such long-term use.
本発明によれば、フィンチューブを高温環境下で用いる場合でも、フィンの剥離を十分に抑制できる。したがって、本発明に係るフィンチューブは、高温環境下で使用される伝熱管(例えば、HRSGの伝熱管)として好適に用いることができる。 According to the present invention, even when the fin tube is used in a high temperature environment, the peeling of the fin can be sufficiently suppressed. Therefore, the fin tube which concerns on this invention can be used suitably as a heat exchanger tube (for example, HRSG heat exchanger tube) used in a high temperature environment.
10 フィンチューブ
12 チューブ
14 フィン
10
Claims (3)
前記チューブの化学組成が、質量%で、
C:0.03〜0.13%、
Si:0.5%以下、
Mn:0.1〜2%、
Ni:8〜15%、
Cr:15〜22%、
Cu:2〜6%、
Nb:0.3〜1.5%、
N:0.005〜0.2%、
B:0.0001〜0.2%、
残部:Feおよび不純物であり、
前記チューブおよび前記フィンの温度が500℃のときに下記の(i)式および(ii)式を満たす、フィンチューブ。
αf(Tf−T0)−αt(Tt−T0)≦σYt/Et ・・・ (i)
αf(Tf−T0)−αt(Tt−T0)≦σYf/Ef ・・・ (ii)
上記式において、
αfはフィンの熱膨張率(1/℃)を、
Tfはフィンの温度(℃)を、
T0は室温(℃)を、
αtはチューブの熱膨張率(1/℃)を、
Ttはチューブの温度(℃)を、
σYtはチューブの0.2%耐力(MPa)を、
Etはチューブのヤング率(MPa)を、
σYfはフィンの降伏応力(MPa)を、
Efはフィンのヤング率(MPa)を、それぞれ示す。
但し、フィンの熱膨張率はチューブの熱膨張率よりも高く、フィンの材料が降伏現象を示さない場合には、σYfはフィンの0.2%耐力(MPa)を示す。 With tubes and fins,
The chemical composition of the tube is mass%,
C: 0.03-0.13%,
Si: 0.5% or less,
Mn: 0.1 to 2%,
Ni: 8-15%,
Cr: 15-22%,
Cu: 2 to 6%,
Nb: 0.3 to 1.5%,
N: 0.005 to 0.2%,
B: 0.0001-0.2%
Balance: Fe and impurities,
The fin tube which satisfy | fills the following (i) Formula and (ii) Formula when the temperature of the said tube and the said fin is 500 degreeC.
α f (T f −T 0 ) −α t (T t −T 0 ) ≦ σ Yt / E t (i)
α f (T f −T 0 ) −α t (T t −T 0 ) ≦ σ Yf / E f (ii)
In the above formula,
α f is the coefficient of thermal expansion (1 / ° C.) of the fin,
T f is the temperature (° C.) of the fin,
T 0 is room temperature (° C.)
α t is the coefficient of thermal expansion (1 / ° C) of the tube,
T t is the tube temperature (° C),
σ Yt is the 0.2% proof stress (MPa) of the tube,
E t is the Young's modulus (MPa) of the tube,
σ Yf is the yield stress (MPa) of the fin,
E f represents the Young's modulus (MPa) of the fin, respectively.
However, the coefficient of thermal expansion of the fin is higher than the coefficient of thermal expansion of the tube , and σ Yf indicates the 0.2% proof stress (MPa) of the fin when the material of the fin does not exhibit the yield phenomenon.
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