ASME A335 P9 Dökme tüpünün kömürle çalışan elektrik santrallerinin kazanlarında uygulanması

Kömürle çalışan enerji santrallerinde, özellikle aşırı verimlilik peşinde koşan gelişmiş ultra süperkritik ünitelerde, ASME A335 P9 çivili kanatlı boruların kullanımı, aşırı çalışma koşullarıyla başa çıkmak ve verimlilik engellerini aşmak için hassas bir mühendislik seçimidir. Modern yardımcı kazanlar, daha yüksek termal verimlilik elde etmek için sürekli olarak daha yüksek buhar parametreleri için çabalamakta, bu da yüksek sıcaklıklı kızdırıcı ve tekrar ısıtıcı bölgelerdeki metal duvar sıcaklıklarının sürekli olarak 580°C ile 650°C arasındaki kritik aralıkta olmasına ve aynı zamanda muazzam iç buhar basıncına dayanmasına neden olmaktadır. Bu ortam, malzeme üzerinde görünüşte çelişkili talepler sunmaktadır: Sürünme deformasyonuna karşı koymak için yeterli yüksek sıcaklık dayanımına sahip olmalı, kükürt içeren baca gazından kaynaklanan oksidasyon korozyonuna ve uçucu kül erozyonuna dayanmalı ve sık yük döngüsü ve başlatma/durdurmalara uyum sağlamak için termal yorulma direncine sahip olmalıdır. Bu kapsamlı zorlukla karşı karşıya kalan ASME A335 P9 malzemesi temel bir çözüm sunmaktadır. Standartlaştırılmış bir %9 krom-1 molibden ferritik alaşımlı çelik olarak, yaklaşık %9 krom içeriği, yaygın düşük alaşımlı çeliklere kıyasla üstün oksidasyon direnci sağlarken, molibden ilavesi yüksek sıcaklıklarda sürünme direncini önemli ölçüde artırır. Bu, yük taşıma kapasitesini 600°C'lik ana sıcaklık civarında olağanüstü hale getirerek, yüksek buhar parametrelerinin güvenli çalışmasını destekleyen temel iskeleti oluşturur.

Ancak, baca gazındaki geniş termal enerjiyi verimli bir şekilde yakalamak için tek başına sağlam bir basınç taşıyan boru yeterli değildir, çünkü kazanın gaz tarafındaki düşük konvektif ısı transfer katsayısı, genel verimliliği kısıtlayan ana darboğazdır. İşte tam da bu noktada çivili kanat yapısı belirleyici rolünü oynar. P9 çelik borunun dış duvarına çok sayıda sağlam, çivi benzeri kanat kaynaklanarak, bu tasarım baca gazı tarafındaki ısı transfer alanını birkaç katından on katına kadar genişletir, ısı transfer engelini zorla kırar ve yüksek dereceli termal enerjiyi borunun içindeki buhara verimli bir şekilde aktarır. Daha da önemlisi, bu çivili yapı, uçucu kül yüklü baca gazında benzersiz avantajlar sergiler: Geniş, engelsiz akış yolları kül kirlenmesine daha az eğilimlidir ve sağlam kaynak noktaları, tozun uzun süreli erozyonuna karşı etkili bir şekilde dayanır. P9 malzemenin doğal olarak iyi aşınma direnci ile birleştiğinde, bu, sert ortamlarda ısı eşanjörünün uzun süreli güvenilirliğini sağlar.

ASME A335 standardı, yüksek sıcaklık hizmeti için dikişsiz ferritik alaşımlı çelik boruları yönetir ve P9 sınıfı (%9Cr-1Mo), orta ila yüksek dereceli krom-molibden alaşımlı çeliği temsil eder.
P9, yaklaşık %9 Krom (Cr) ve %1 Molibden (Mo) içerir. Krom, yüksek sıcaklık oksidasyonunu ve korozyon direncini önemli ölçüde artırır; molibden, yüksek sıcaklık dayanımını ve sürünme direncini önemli ölçüde güçlendirir.
Standart, yalnızca kimyasal bileşimi değil, aynı zamanda ısıl işlem süreçlerinin (normalleştirme ve temperleme) ve mekanik özelliklerin (yüksek sıcaklıklarda minimum akma ve çekme dayanımı) belirtilmesi yoluyla, malzemenin hizmet sıcaklıklarındaki uzun süreli mikroyapısal kararlılığını ve yük taşıma kapasitesini garanti eder.

Modern ultra süperkritik ünitelerin buhar parametreleri 600-620°C ve 25-30 MPa ve üzerine çıkarılmış olup, kazan ısıtma yüzey malzemeleri için "üç yüksek" zorluk oluşturmaktadır: yüksek sıcaklık dayanımı, baca gazı korozyonuna karşı direnç ve termal yorulma direnci. P9'un fiziksel özellikleri hedeflenen çözümler sunar:

Yüksek sıcaklıklı kızdırıcı ve tekrar ısıtıcı gibi ana kazan bölümlerinde, P9 borularının yüksek sıcaklık dayanımı temeldir ve çivili kanat yapısı, bu temeli verimli ısı transfer kabiliyetine dönüştüren "yükseltici"dir.

• Temel Çelişki: Kazanın baca gazı tarafındaki düşük konvektif ısı transfer katsayısı, genel ısı değişimi verimliliğini sınırlayan darboğazdır.
• Çivili Kanat Çözümü:
  1. Yoğun çiviler kaynaklanarak, baca gazı tarafı ısı transfer alanı 8-15 kat genişletilir, yüksek dereceli termal enerjinin geri kazanım verimliliği güçlendirilir ve doğrudan kazan termal verimliliği artırılır.
  2. Çiviler arasındaki geniş kanallar ince kül tarafından kolayca tıkanmaz ve baca gazını türbülans oluşturmaya yönlendirebilir, kütle transferini artırır. Sağlam kaynaklı yapısı da savunmasız sarımlı veya gömülü kanatlardan üstündür, bu da onu yüksek hızlı, yüksek tozlu ortamlara daha uygun hale getirir.
  3. Kaynaklı çiviler, boru bankının baca gazı içindeki titreşime ve salınıma karşı direncini artırarak boruya etkili bir şekilde radyal destek ekler.

Enerji santrali verimliliği için çok önemli olan 580-650°C sıcaklık aralığında, yüksek sıcaklık dayanımı, P22 gibi daha ucuz düşük alaşımlı çeliklerin çok üzerindedir, maliyeti ise TP347H gibi gelişmiş östenitik paslanmaz çeliklerden önemli ölçüde düşüktür. 600°C sınıfı ultra süperkritik teknolojiye ulaşmak için en uygun maliyetli ve güvenilir olgun malzeme seçimidir.
Mükemmel termal yorulma performansı, bu tür ısıtma yüzeyleriyle donatılmış kazanların, yenilenebilir enerjinin payının arttığı enerji şebekeleri için hayati önem taşıyan, sık başlatma/durdurma ve derin yük döngüsüne daha iyi uyum sağlamasını sağlar.