Применение ASME A335 P9 в котлах угольных электростанций

В угольных электростанциях, особенно в передовых сверхсверхкритических установках, стремящихся к экстремальной эффективности, использование труб с приваренными штифтами из стали ASME A335 P9 представляет собой точный инженерный выбор для решения экстремальных рабочих условий и преодоления барьеров эффективности. Современные котлы непрерывно стремятся к более высоким параметрам пара для достижения большей тепловой эффективности, что приводит к температурам стенок металла в высокотемпературных пароперегревателях и пароподогревателях, постоянно находящимся в критическом диапазоне от 580°C до 650°C, при одновременном выдерживании огромного внутреннего давления пара. Эта среда предъявляет, казалось бы, противоречивые требования к материалу: он должен обладать достаточной высокотемпературной прочностью, чтобы противостоять деформации ползучести, выдерживать окислительную коррозию и эрозию от золы, содержащей серу, а также обладать устойчивостью к термической усталости, чтобы справляться с частыми циклами нагрузки и запусками/остановками. Столкнувшись с этой всеобъемлющей проблемой, материал ASME A335 P9 предоставляет фундаментальное решение. Являясь стандартизированной ферритной легированной сталью с 9% хрома и 1% молибдена, ее содержание хрома примерно 9% обеспечивает превосходную стойкость к окислению по сравнению с обычными низколегированными сталями, в то время как добавление молибдена значительно повышает ее стойкость к ползучести при высоких температурах. Это делает ее несущую способность выдающейся при ключевой температуре 600°C, формируя основной каркас, поддерживающий безопасную работу высоких параметров пара.

Однако одной только прочной трубы, выдерживающей давление, недостаточно для эффективного улавливания огромной тепловой энергии в дымовых газах, поскольку низкий коэффициент конвективного теплопереноса на газовой стороне котла является основным узким местом, ограничивающим общую эффективность. Именно здесь структура с приваренными штифтами играет свою решающую роль. Путем приварки многочисленных прочных штифтообразных ребер к внешней стенке стальной трубы P9, эта конструкция расширяет площадь теплопередачи на стороне дымовых газов в несколько или более десяти раз, решительно преодолевая барьер теплопередачи и эффективно передавая высококачественную тепловую энергию пару внутри трубы. Что еще более важно, эта штифтовая структура демонстрирует уникальные преимущества в дымовых газах, насыщенных золой: ее широкие, беспрепятственные пути потока менее подвержены загрязнению золой, а прочные точки сварки эффективно выдерживают длительную эрозию пылью. В сочетании с присущей материалу P9 хорошей износостойкостью это обеспечивает долгосрочную надежность теплообменного элемента в суровых условиях.

Стандарт ASME A335 регулирует бесшовные ферритные трубы из легированной стали для работы при высоких температурах, а марка P9 (9Cr-1Mo) представляет собой средне-высоколегированную хромомолибденовую сталь.
P9 содержит примерно 9% хрома (Cr) и 1% молибдена (Mo). Хром значительно повышает стойкость к окислению и коррозии при высоких температурах; молибден существенно повышает прочность и стойкость к ползучести при высоких температурах.
Стандарт обеспечивает не только химический состав, но и, посредством спецификации процессов термической обработки (нормализация и отпуск) и механических свойств (минимальный предел текучести и прочность на растяжение при повышенных температурах), гарантирует долгосрочную микроструктурную стабильность материала и несущую способность при рабочих температурах.

Параметры пара современных сверхсверхкритических установок были увеличены до 600-620°C и 25-30 МПа и выше, что создает «три высоких» проблемы для материалов нагревательной поверхности котла: высокотемпературная прочность, устойчивость к коррозии дымовых газов и устойчивость к термической усталости. Физические свойства P9 обеспечивают целевые решения:

В ключевых секциях котла, таких как высокотемпературный пароперегреватель и пароподогреватель, высокотемпературная прочность труб P9 является основой, а штифтовая структура является «усилителем», который преобразует эту основу в эффективную теплопередачу.

• Основное противоречие: Низкий коэффициент конвективного теплопереноса на стороне дымовых газов котла является узким местом, ограничивающим общую эффективность теплообмена.
• Решение с приваренными штифтами:
  1. Приваривая плотные штифты, он увеличивает площадь теплопередачи со стороны дымовых газов в 8-15 раз, мощно повышая эффективность утилизации высококачественной тепловой энергии и напрямую увеличивая тепловую эффективность котла.
  2. Широкие каналы между штифтами нелегко блокируются мелкой золой и могут направлять дымовые газы для создания турбулентности, усиливая массоперенос. Его прочная сварная конструкция также превосходит уязвимые навитые или встроенные ребра, что делает ее более подходящей для высокоскоростных условий с высоким содержанием пыли.
  3. Приваренные штифты эффективно добавляют радиальную опору к трубе, улучшая устойчивость трубного пучка к вибрации и раскачиванию в дымовых газах.

В диапазоне температур 580-650°C, который имеет решающее значение для эффективности электростанции, его высокотемпературная прочность намного превышает прочность более дешевых низколегированных сталей, таких как P22, в то время как его стоимость значительно ниже, чем у передовых аустенитных нержавеющих сталей, таких как TP347H. Это наиболее экономичный и надежный зрелый выбор материала для достижения сверхсверхкритической технологии класса 600°C.
Его превосходные характеристики термической усталости позволяют котлам, оснащенным такими нагревательными поверхностями, лучше адаптироваться к частым запускам/остановкам и глубокому циклу нагрузки, что жизненно важно для энергосистем с растущей долей возобновляемой энергии.