Более высокие рабочие температуры на газовых и угольных электростанциях означают более высокую эффективность и, следовательно, меньшие выбросы CO2 на киловатт-час электроэнергии. Повышение температуры по своей сути ограничено. Материалы, используемые на электростанциях, как правило, стали, теряют свою прочность при повышении температуры и больше не могут выдерживать нагрузки в турбинах и трубопроводах. Кроме того, коррозия значительно увеличивается с повышением температуры. Поэтому поколения инженеров работали над дальнейшим совершенствованием сталей, чтобы при сегодняшних 9% хромистых сталях рабочие температуры составляли 615 ° C по сравнению с максимумом 300 ° C 100 лет назад.
Больше хрома в стали имеет свои преимущества и недостатки
Для дальнейшего повышения рабочей температуры требуется более высокое содержание хрома в стали. Элемент хром обладает приятным свойством формирования защитного слоя оксида хрома на поверхности стали, и чем эффективнее, чем выше содержание хрома, тем эффективнее. В результате улучшенная защита от коррозии позволяет не только повышать температуру, но и использовать биологические отходы и другие возобновляемые виды топлива, продукты сгорания которых могут быть очень агрессивными. «К сожалению, в настоящее время есть лошадиная нога, которая не позволяет использовать более высокое содержание хрома: замечательная прочность лучших жаропрочных сталей в настоящее время основана на тонко измельченных нитридных частицах», - объясняет профессор доктор. Герман Ридель, руководитель проекта Fraunhofer IWM. Атомы хрома могут мигрировать в эти частицы при рабочих температурах и, таким образом, превращать их в так называемую Z-фазу. За счет мелких нитридов образуются грубые частицы Z-фазы, которые бесполезны по прочности. «В существующих 9% хромистых сталях эта нежелательная конверсия занимает десятилетия, тогда как при содержании хрома 12% это приводит к недопустимому снижению прочности всего за один год», - говорит Ридель. Вот почему 12% хромистых сталей до сих пор не использовались на электростанциях, так как они рассчитаны на срок службы более десяти лет.в то время как содержание хрома составляет 12%, это приводит к недопустимому снижению прочности всего за один год », - говорит Ридель. Вот почему 12% хромистых сталей до сих пор не использовались на электростанциях, так как они рассчитаны на срок службы более десяти лет.в то время как содержание хрома составляет 12%, это приводит к недопустимому снижению прочности всего за один год », - говорит Ридель. Вот почему 12% хромистых сталей до сих пор не использовались на электростанциях, так как они рассчитаны на срок службы более десяти лет.
Картинная галерея
Хитрость: использование Z-фазы в качестве стабилизатора
«В проекте Z-Ultra мы поставили перед собой цель повлиять на рост крупнозернистой, хрупкой Z-фазы таким образом, чтобы она больше не вредила, а наоборот делала сталь более стабильной», - объясняет Ридель. «Мы искали и нашли составы сплавов и производственные процессы, которые очень тонко распределяют Z-фазу в стали - это приводит к долгосрочной стабильной структуре частиц», - говорит физик. Лучшие из семи вновь разработанных в проекте сплавов примерно на 30% прочнее, чем обычные 9% хромистые стали, имеют срок службы в 10 раз дольше при тех же условиях нагрузки и их коррозионная стойкость значительно выше.
Трубы, изготовленные из новых материалов, были испытаны в условиях, близких к условиям в перегревателе теплообменника электростанции: горячий пар внутри и едкие газы сгорания и частицы золы снаружи. Испытания показали, что коррозионные свойства материалов до 647 ° С все еще были очень хорошими. Защитные оксидные слои росли равномерно - снаружи толще, чем внутри. Некоторые трубы также были испытаны на реальных электростанциях. В то же время, они были сняты, проверены и снова использованы для долгосрочных испытаний на угольной электростанции.
«Чтобы продемонстрировать практическую пригодность, участвующий производитель стали выполнил большую 12-тонную ковку, потому что не только химический состав стали отвечает за свойства материала, но и процесс производства, в частности термообработка», объясняет Ридель. В конце концов, важно, что выдающиеся свойства материала сохраняются при сварке трубопроводов и других частей электростанции. Поэтому одной из основных задач проекта была разработка подходящих процессов сварки, вплоть до колец из большой кованой детали, в качестве модели для сварных роторов турбин.
Инструменты моделирования для целенаправленной разработки сплавов
При разработке точного состава новых сталей и параметров процесса ковки разработчики стали постоянно руководствовались атомистическим моделированием. Чтобы ускорить разработку материалов с помощью методов численного моделирования, ученые Fraunhofer IWM использовали атомистическое и термодинамическое моделирование для исследования таких вопросов, как «Как образуется Z-фаза?» Или «Что происходит во время производства и позже в работе» атомный масштаб? «Они специально исследовали поведение и влияние различных компонентов сплава и оптимизировали атомный состав сплава с его результатами. Например, можно сказать, на каком уровне углерода, азота,Ниобий или тантал - самый быстрый или самый медленный процесс превращения Z-фазы. Атомистическое моделирование внесло значительный вклад в выявление отдельных этапов в этом сложном процессе трансформации и понимание их взаимозависимостей и влияний.
Под руководством Института механики материалов им. Фраунгофера IWM, шесть других исследовательских институтов, а также производитель стали, оператор электростанции и инженерное консультирование из ЕС и из восточных стран-партнеров Украина, Грузия и Армения приняли участие в финансируемом ЕС проекте Z-Ultra. (Qui)
Файлы статей и ссылки на статьи
Ссылка: Больше новостей о сталях