1. Materiales de uso común

Las tuberías de calderas de USC generalmente emplean Aleaciones avanzadas a base de níquel, aceros inoxidables austeníticos, o aceros ferríticos/martensíticos de alta aleación. La elección del material depende de las condiciones de funcionamiento de los componentes, como los sobrecalentadores o los recolacos.. A continuación se muestran los materiales típicos utilizados.

1.1 Aleaciones a base de níquel

Las aleaciones a base de níquel son la opción preferida para las tuberías de calderas de 700 ℃ USC debido a su resistencia superior, resistencia a la oxidación, y resistencia a la corrosión a altas temperaturas.

• Calificaciones típicas:
  • Inconel 617 (US N06617): Contiene níquel, cromo, cobalto, y molibdeno, Adecuado para 700 ℃ y superior, con excelente resistencia a la fluencia y resistencia a la oxidación.
  • Inconel 740/740h: Diseñado específicamente para calderas de USC, que contiene níquel, cromo, cobalto, y titanio, ofreciendo alta resistencia a la fluencia y resistencia a la corrosión de las cenizas de carbón.
  • Aleación 263: Adecuado para alta temperatura, entornos de alta presión, particularmente para estructuras soldadas.
• Composición química (Ejemplo de Inconel 740H):

• Propiedades mecánicas (Ejemplo):
  • Resistencia a la tracción: ≥1000 MPa (temperatura ambiente); ≥600 MPa (700℃)
  • resistencia a la fluencia: ≥700 MPa (temperatura ambiente); ≥400 MPa (700℃)
  • Vida de arrastre: ≥100,000 horas a 700 ℃ 100 Estrés MPA
• Aplicaciones: Usado en sobrecalentadores y reproductores en las zonas de temperatura más altas, capaz de resistir el calor extremo y los gases corrosivos (p.ej., azufre- o gases de combustión que contienen cloro).

1.2 Aceros inoxidables austeníticos avanzados

Los aceros inoxidables austeníticos son adecuados para rangos de temperatura ligeramente más bajos (600–700 ℃), ofreciendo buena resistencia a la corrosión y procesabilidad, Aunque su resistencia a la fluencia es inferior a las aleaciones a base de níquel.

• Calificaciones típicas:
  • Super 304h (US S30432): Contiene 18CR-8NI con CU agregado, NB, y N para una mayor resistencia a la alta temperatura y resistencia a la oxidación.
  • HR3C (25CR-20NI-NB-N): Acero austenítico de alto cromo-níquel con excelente oxidación y resistencia a la corrosión de vapor.
  • TP347HFG: Versión de grano fino de TP347H, con resistencia a la fluencia mejorada.
• Composición química (Super 304H Ejemplo):

• Propiedades mecánicas (Ejemplo):
  • Resistencia a la tracción: ≥590 MPa (temperatura ambiente); ≥300 MPa (700℃)
  • resistencia a la fluencia: ≥235 MPa (temperatura ambiente); ≥150 MPa (700℃)
  • Vida de arrastre: 10,000–100,000 horas a 700 ℃ debajo 100 Estrés MPA
• Aplicaciones: Utilizado en zonas secundarias de alta temperatura para sobrecalentadores, recolectores, y tuberías de vapor.

1.3 Aceros ferríticos/martensíticos de alta aleación

Estos aceros se utilizan en áreas con temperaturas inferiores a 650 ℃, ofreciendo costos más bajos que las aleaciones a base de níquel o los aceros austeníticos, Pero su rendimiento a 700 ℃ es limitado, haciéndolos adecuados para zonas de transición.

• Calificaciones típicas:
  • P91 (ASTM A335 P91): 9Acero CR-1mo, Adecuado para 600–650 ℃ entornos.
  • P92 (ASTM A335 P92): Acero mejorado de 9CR-2W con W agregado, NB, y b, ofreciendo una mejor resistencia de fluencia que P91.
  • Marbn: Un nuevo acero martensítico de alto cromo con 9-12CR y agregado B, chapado en cobre, acercándose al límite de 700 ℃.
• Composición química (Ejemplo de P92):

• Propiedades mecánicas (Ejemplo):
  • Resistencia a la tracción: ≥620 MPa (temperatura ambiente); ≥350 MPa (650℃)
  • resistencia a la fluencia: ≥440 MPa (temperatura ambiente); ≥200 MPa (650℃)
  • Vida de arrastre: ~ 100,000 horas a 650 ℃ debajo 100 Estrés MPA
• Aplicaciones: Utilizado en tuberías de vapor principales, sobrecalentadores de baja temperatura, o recolacos.

2. Consideraciones de diseño para la selección de materiales

Al diseñar 700 ℃ tuberías de calderas USC, La selección de material debe equilibrar los siguientes factores:

1. Temperatura y presión de funcionamiento:
   • Zonas a 700 ℃ y arriba (p.ej., Recalentadores de vapor, recolectores) priorizar las aleaciones basadas en níquel (p.ej., Inconel 740h).
   • 600–700 ℃ Las zonas pueden usar aceros inoxidables austeníticos avanzados (p.ej., Super 304h, HR3C).
   • Zonas por debajo de 650 ℃ pueden usar P91, P92, o Marbn.
2. Resistencia a la fluencia:
   • La fuga es el modo de falla principal a 700 ℃. Las aleaciones a base de níquel y los aceros austeníticos avanzados ofrecen una vida útil significativamente más larga que los aceros ferríticos.
3. Resistencia a la oxidación y corrosión:
   • Los gases de combustión de alta temperatura que contienen azufre o cloro causan corrosión externa, mientras que la oxidación del lado de vapor es una preocupación. Aleaciones a base de níquel y aceros austeníticos de alto cromo (p.ej., HR3C) Excel en resistir la corrosión de las cenizas de carbón y la oxidación de vapor.
4. Costo y procesabilidad:
   • Las aleaciones a base de níquel son caras y difíciles de procesar y soldar, Adecuado para componentes críticos de alta temperatura.
   • Los aceros inoxidables austeníticos y P91/P92 son más rentables y más fáciles de soldar y procesar, Ideal para aplicaciones más amplias.
5. Soldabilidad:
   • Aleaciones a base de níquel (p.ej., Inconel 740h) Requerir procesos de soldadura especializados y materiales de relleno.
   • Los aceros austeníticos (p.ej., Super 304h) tener una buena soldadura pero requiere el control de la zona afectada por el calor.
   • P91/P92 requiere precalentamiento estricto y tratamiento térmico posterior a la soldado para evitar grietas.
6. Estabilidad a largo plazo:
   • Los materiales deben mantener la estabilidad microestructural durante la operación de alta temperatura a largo plazo, Evitar la formación de fase frágil (p.ej., fase σ) o crecimiento de grano.

3. Proceso de fabricación

El proceso de fabricación para las tuberías de calderas de 700 ℃ USC es fundamental para garantizar el rendimiento del material. Los pasos clave incluyen:

• Fabricación perfecta: Rolling en caliente o dibujo en frío asegura tuberías sin defectos sin imperfecciones de soldadura.
• Tratamiento térmico:
  • Aleaciones a base de níquel: Recocido de solución (1100–1200 ℃) seguido de envejecimiento para optimizar las fases de precipitados (p.ej., do’ fase).
  • Aceros inoxidables austeníticos: Tratamiento de solución (1050–1150 ℃) Para prevenir la corrosión intergranular.
  • Aceros ferríticos/martensíticos: La normalización de (1050–1100 ℃) y templado (750–800 ℃) para estabilizar la estructura martensítica.
• Tratamiento de superficie: Disparo de disparo o encinebido para eliminar la escala de óxido y mejorar la resistencia a la corrosión.
• tubo de aislamiento:
  • Análisis de composición química: Garantiza el cumplimiento de CR, Ni, Mes, y otras especificaciones de elementos.
  • Pruebas mecánicas: Incluye tensión a alta temperatura, arrastrarse, y pruebas de fatiga.
  • Pruebas no destructivas (END): Pruebas ultrasónicas y radiográficas para detectar defectos internos.
  • Prueba de corrosión a alta temperatura: Simula entornos de ceniza de carbón y vapor para verificar la resistencia a la corrosión.

4. Casos de aplicación típicos

• Proyecto Europeo AD700: Utilizado Inconel 617 e Inconel 740H para sobrecargadores y reproductores en calderas de 700 ℃ USC, Demostrando estabilidad a largo plazo.
• Programa de Japón A-USC: Empleado HR3C y Super 304H para sobrecalentadores, Combinado con P92 para zonas de temperatura baja, Lograr una alta eficiencia y bajas emisiones.
• China USC Power Plants: Algunas plantas usan HR3C y P92, con aleaciones a base de níquel (p.ej., Inconel 740h) siendo adoptado gradualmente.

5. Conclusión

El diseño de 700 ℃ Las tuberías de caldera de alta presión ultra supercrítica se basan principalmente en los siguientes materiales:

• Aleaciones a base de níquel (p.ej., Inconel 740h, 617): Ideal para las zonas de temperatura más altas (≥700 ℃), ofreciendo la mejor resistencia a la fluencia y la corrosión, pero a un alto costo.
• Aceros inoxidables austeníticos avanzados (p.ej., Super 304h, HR3C): Adecuado para zonas de 600–700 ℃, Proporcionar un equilibrio rentable con buena resistencia a la oxidación.
• Aceros ferríticos/martensíticos de alta aleación (p.ej., P91, P92): Utilizado en zonas por debajo de 650 ℃, rentable pero limitado en rendimiento de alta temperatura.

La selección de materiales debe considerar una temperatura específica, presión, ambiente de corrosión, y limitaciones de costos. Los rigurosos procesos de fabricación y el control de calidad son esenciales para garantizar el rendimiento de las tuberías. Las aleaciones a base de níquel son la tendencia futura para 700 ℃ y por encima de las calderas de USC, mientras que los aceros inoxidables austeníticos y los aceros martensíticos mejorados siguen siendo críticos para las zonas de transición.