FU9711 Blandingssvejsninger Slutrapport

Transkript

1 FU9711 Blandingssvejsninger Slutrapport ENERGI E2 A/S, Teglholmsgade 8, 2450 København SV 31. oktober 2004 CVR:

2 1. Indledning Af miljømæssige årsager er der et stigende ønske om at reducere CO 2 emission, hvilket blandt andet kan gennemføres ved fyring med CO 2 neutrale brændsler og ved anvendelse af kraftværkskedler med høj virkningsgrad. Dette stiller store krav til de anvendte materialers egenskaber, i særdeleshed krybe-, oxidations- og korrosionsegenskaber. Til anvendelse i biomasse fyrede kedler og til kedler med avancerede dampdata, er det fundet nødvendigt at anvende austenitiske rør til eksempelvis slutoverhedere. Tykvæggede komponenter, eksempelvis samlekasser og forbindelsesledninger, udføres dog i ferritiske materialer af hensyn til risikoen for termomekanisk udmattelse og uhensigtsmæssig høj termisk udvidelse. Disse materialevalg introducerer behovet for blandingssvejsninger mellem ferritiske og austenitiske materialer. 2. Baggrund I forbindelse med design og fremstilling af kraftværkskedler har der gennem adskillige årtier været anvendt blandingssvejsninger mellem forskellige ferritiske og ferritisk-martensitiske stål. En af de ofte undersøgte kombinationssømme er mellem 10CrMo9-10 og X20CrMoV12-1, hvor den betragtelige forskel i krom indhold (2.25Cr vs. 12Cr) medfører kulstofdiffusion. Der opstår derfor lokale zoner med reduceret kulstof indhold og reduceret styrke, henholdsvis øget udskillelse af karbider og reduceret duktilitet. Der er dog kun mindre forskelle i termisk udvidelse for disse materialer, hvilket begrænser omfanget af termomekaniske spændinger. Af hensyn til korrosions-, oxidations- og krybeegenskaber er ferritiske stål til overhedere praktisk begrænset til damptemperaturer på op til cirka 540 C, eller endnu lavere ved fyring med biomasse. Gennem målrettet materialeudvikling er der åbnet mulighed for stadigt stigende virkningsgrader gennem højere dampdata, og dette nødvendiggører anvendelsen af austenitiske overhedere. Dermed introduceres behovet for blandingssvejsninger mellem austenitiske og ferritiske materialer. Denne type blandingssvejsninger er lidt mere kompliceret end svejsninger mellem forskellige ferritiske stål, da visse egenskaber er markant forskellige for de aktuelle ståltyper: Indhold af krom. Markante forskelle i kromindhold og andre stærke karbiddannende elementer vil medføre kulstofdiffusion. For en typisk svejsning i 9Cr stål (eksempelvis T91) med nikkel baseret tilsats kan der forventes en lokal afkulning i det martensitiske materiale, der kan bringe kulstofindholdet under materialets specifikation. Samtidig kan der forekomme et lokalt bånd af karbider umiddelbart op til fusionslinien, der ved langtidspåvirkning kan initiere skader. 31. oktober

3 Termisk udvidelse. Der er en markant højere termisk udvidelse for austenitiske stål, hvilket introducerer meget høje termomekaniske spændinger ved temperaturændringer. Start og stop af anlægget vil derfor påføre svejsesamlingen termomekanisk udmattelse. Under drift overlejres dette med traditionel krybning, og der kan forventes en betragtelig krybetøjning i det ferritiske materiale, der besidder den laveste termiske udvidelse og typisk ringere krybeegenskaber. Varmeledningsevne. Forskelle i varmeledningsevne kan introducere yderligere termomekaniske spændinger, dog særligt i forbindelse med hedeflader eller under start og stop. For overheder rør med moderat godstykkelse og med blandingssvejsningen uden for røgvejen, vurderes dette spændingsbidrag kun sekundært. E-modulet for de aktuelle materialer har kun mindre differenser, men dette er dog med til at definere spændingsniveauet ved overgangene mellem de aktuelle materialer. Ved svejsning af to markant forskellige materialer vælges ofte et helt tredje tilsatsmateriale, som dels er kompatibelt med begge materialer, men også så det kan udligne de markante forskelle i for eksempel varmeudvidelseskoefficient. For austenit-ferrit svejsninger vælges typisk et nikkelbaseret tilsatsmateriale da det udviser de fornødne egenskaber, herunder en termisk varmeudvidelse som ligger mellem austenit og ferrit. Det kræves endvidere at begge grundmaterialer og tilsatsmaterialet kan opnå tilfredsstillende egenskaber når de gennemgår den specificerede varmebehandling. Indledende vurderinger har indikeret at der teoretisk kan opstå forskydningsspændinger på et niveau der er over 4 gange højere end de spændinger der hidrører fra indre overtryk. Kombinationen af så høje spændingsveksler ved de aktuelle temperaturer og metallurgisk forringet materiale, giver formodning om en betragtelig reduceret levetid for sådanne svejsesamlinger såfremt det er i forbindelse med cyklisk drift. Under projektering af Avedøreværket blok 2 blev det erkendt at der var behov for anvendelsen af austenitiske stål til slutoverhederne. På daværende tidspunkt var Vestkraft blok 3 (nu Esbjergværket) opført med austenitiske overhedere, og de jyske konvojanlæg var ligeledes under opførelse med austenitiske overhedere. Austenitiske overhedere har været anvendt gennem flere årtier, men der forelå meget begrænset erfaring og viden om cyklisk belastning af austenit-ferrit svejsninger ved dampafgangstemperaturer op til 600 C. Samtidigt med indstillingen til nærværende projekt blev der i tysk regi etableret et projekt vedrørende tilsvarende undersøgelser af blandingssvejsninger. Dette understreger den internationale fokus der var på disse problemstillinger. Begrænset adgang til styregruppen og projektets genererede viden, samt en meget ensidig projektplan med prøvninger begrænset til T91, E911 og , medvirkede til beslutningen om ikke at deltage i det pågældende projekt. 31. oktober

4 3. Projektbeskrivelse Projektet blev indstillet til ELKRAFT s Teknik- og Økonomiudvalg i Projektoplægget var at udtage cirka 0.1 kg/s højtryksdamp fra Avedøreværkets blok 1, og ved eltracing opvarme dette til 600 C. Den varme damp ledes gennem en teststrækning med blandingssvejsninger, og herefter gennem blænde til emrør. Blandingssvejsningerne skulle således påvirkes med termomekaniske spændinger hidrørende fra en reguleret temperatur og tryk cyklus der svarer til start og stop af ultra super kritiske anlæg. Teststrækningen formodes nedbrudt ved termomekanisk udmattelse overlejret med krybning. Under detailprojektering blev der behov for at gennemføre en række miljømæssige, driftsøkonomiske og sikkerhedsmæssige ændringer: Etablering af nye gallerier for optimeret placering på anlægget. Damp returneres til kold mellemoverheder. Dampkøler implementeres for at nedbringe damptemperatur til KMOH temperatur. Sikkerhedsventil implementeres på forsøgsanlægget. Begrænsningsblænde implementeres for at begrænse lækage strømning ved brud i teststrækning. Motordrevne afspærringsventiler implementeres for sikker afspærring af damp ved brud. Supplerende temperatur- og trykmålinger samt flowmåling implementeres af hensyn til sikkerhed og forbedret evaluering af forsøg. I flere faser af projektforløbet opstod der behov for modifikationer af forskellig karakter, nedenstående anføres enkelte af disse: Dampen til testanlægget blev oprindeligt taget fra en udluftningsledning på OH4, men afkølingen inden elkedlen medførte manglende evne til opnå den specificerede temperatur i teststrækningen. Udtaget blev herefter flyttet til friskdampledningen for at reducere afkøling ved en markant reduktion af forbindelsesledningens længde. Tilpasning af blænder. Tilpasning af dampkøler. Materialerne til teststrækningen med blandingssvejsninger blev udvalgt som de bedst egnede kandidatmaterialer til en moderne kraftværkskedel med høje dampdata og høj virkningsgrad, som også var aktuelle ved projekteringen af Avedøreværket blok 2. De valgte materialer fremgår af tabel 1, og teststrækningens sammensætning med detaljer om svejsningerne fremgår af bilag 3+4. Teststrækningen inkluderer ligeledes asymmetriske svejsefuger, baseret på en formodning om at et øget svejsevolumen med intermediære egenskaber vil reducere spændingsniveauet. Teststrækningen inkluderer desuden ensartede svejsninger mellem henholdsvis T91 og TP347HFG. Disse svejsninger indgår som referencer, idet disse svejsesamlinger ikke overlejres med termomekanisk udmattelse hidrørende fra forskellige termiske udvidelser. 31. oktober

5 Ferritisk-martensitiske Austenitiske X20CrMoV12-1 TP347HFG T91 Esheete 1250 T92 Tabel 1: Materialer til teststrækningen Den endelige forsøgsopstilling giver mulighed for en fleksibel forsøgsplan, herunder: Hurtige trykveksler mellem 230 og 60 bar. Gennemføres ved ON-OFF regulering af testventil. Hurtige temperaturveksler mellem 540 og 600 C. Gennemføres ved ON-OFF regulering af elkedel, og kan ikke umiddelbart kombineres med samtidig trykveksel Langsomme temperaturveksler mellem eksempelvis 300 og 600 C. Gennemføres ved ON-OFF regulering af både testventil og elkedel kombineret med naturlig afkøling. Medfører ligeledes trykveksel. 4. Resultater Der er udført nogle simple aksesymmetriske finite element analyser af de to anvendte fugetyper, resultater er anført i bilag 5+6. Disse analyser viser lokale referencespændinger på over 400 MPa, hidrørende fra forskelle i termomekaniske egenskaber ved opvarmning til 600 C. Resultaterne viser at der forekommer høje spændinger for begge fugegeometrier, men at det generelle spændingsniveau i det ferritiske grundmateriale op mod fusionslinien er lavest for den symmetriske svejsefuge. Den gavnlige effekt at et stort svejsevolumen med intermediære egenskaber synes derfor ikke at være bekræftet. Alternativt bør det øgede svejsevolumen tilvejebringes på anden vis, eksempelvis ved en bred U-fuge eller 15 V-fuge med stor spalte. Sidstnævnte fygetyper er ikke behandlet i nærværende projekt. Der er opført et testanlæg som kan anvendes til afprøvning af svejsninger op til 600 C med mulighed for cyklisk belastning af både tryk og temperatur. På baggrund af det relativt store omfang af ændringer og modifikationer under projektering, opførelse og idriftsættelse har der været meget store forsinkelser i forhold til den oprindelige tidsplan. Den pågældende teststrækning med blandingssvejsninger er ved projektets formelle afslutning endnu ikke eksponeret for cyklisk belastning i henhold til projektplanen. Der foreligger derfor ingen testresultater. Der er ikke publiceret noget i relation til nærværende projekt. Detaljeret viden om levetidsvurdering af blandingssvejsninger udsat for cyklisk belastning vurderes fortsat som meget vigtig, hvorfor projektet vil fortsættes og afsluttes under projektledelse af ENERGI E oktober

6 5. Konklusion Projektet har været ramt af store forsinkelser i forhold til projektplanen, og der er således ikke foretaget eksponering af blandingssvejsninger ved cyklisk belastning. Der foreligger ingen eksperimentelle forsøgsresultater og der er ikke publiceret noget i relation til projektet. 31. oktober

7 Bilag 1 PI-diagram for testanlægget - med dampudtag fra OH4 udluftning.

8 Bilag 2 PI-diagram for testanlægget - med dampudtag friskdampledningen.

9 Bilag 3 Detailtegning af teststrækning.

10 Bilag 4 Karakteristiske data fra svejseprocedurer (WPAR/WPS).!! " # # $ $ %$ # $ $ %$! & 2, Fuge type I 2, Fuge type II

11 Bilag 5 Finite Element analyse af svejsefuge type I EVALUATE MATERIAL PROPERTIES FOR MATERIALS 1 TO 3 IN INCREMENTS OF 1 MATERIAL NUMBER = 1 EVALUATED AT TEMPERATURE OF EX = E+06 NUXY = ALPX = E-04 PRXY = REFT = MATERIAL NUMBER = 2 EVALUATED AT TEMPERATURE OF EX = E+06 NUXY = ALPX = E-04 PRXY = REFT = MATERIAL NUMBER = 3 EVALUATED AT TEMPERATURE OF EX = E+06 NUXY = ALPX = E-04 PRXY = REFT = Aksesymmetrisk model. Spændinger: Von Mise referencespænding.

12

13 Bilag 6 Finite Element analyse af svejsefuge type II EVALUATE MATERIAL PROPERTIES FOR MATERIALS 1 TO 3 IN INCREMENTS OF 1 MATERIAL NUMBER = 1 EVALUATED AT TEMPERATURE OF EX = E+06 NUXY = ALPX = E-04 PRXY = REFT = MATERIAL NUMBER = 2 EVALUATED AT TEMPERATURE OF EX = E+06 NUXY = ALPX = E-04 PRXY = REFT = MATERIAL NUMBER = 3 EVALUATED AT TEMPERATURE OF EX = E+06 NUXY = ALPX = E-04 PRXY = REFT = Aksesymmetrisk model. Spændinger: Von Mise referencespænding.

14