Kotlovski Materijali i Opterecenja

2. KOTLOVSKI MATERIJALI I OPTEREENJA U EKSPLOATACIJI

Strana 13

2.2 Optereenja kotlovskih materijala u eksploataciji Kotlovski materijali su eksploataciji izloeni velikom broju razliitih vrsta optereenja, koja najee ne djeluju pojedinano nego u kombinaciji sa drugim vrstama optereenja. Poznavanje optereenja koja djeluju na materijal u eksploataciji je od izuzetnog znaaja, kako bi se moglo predvidjeti ponaanje materijala u datim uslovima, metalurka nestabilnost i opasnost od loma i havarija nakon odreenog vremenskog perioda. Optereenja se mogu generalno podijeliti u etiri grupe ovisno o vrsti dominantnog optereenja:

Termika optereenja, Mehanika optereenja, Hemijska-koroziona optereenja, i Triboloka optereenja.

2.2.1 Termika optereenja Za kotlovske materijale je karakteristian rad na povienim temperaturama, tako da termiko optereenje u kombinaciji sa ostalim tipovima optereenja ini jedno od osnovnih optereenja u eksploataciji. Sve komponente sistema kotla koje su pod pritiskom izloene su dejstvu toplote, kao i dejstvu pritiska vode ili vodene pare u cijevnom sistemu kotla, pa su samim tim izloeni i uticaju puzanja materijala.

Slika 2.6 Kriva puzanja Na prikazanoj krivoj puzanja, Slika 2.6, razlikuju se tri vremenska intervala puzanja:

U prvom intervalu puzanje se odvija nejednakom brzinom i to na poetku velikom, a pri kraju smanjenom brzinom,

U drugom intervalu brzina puzanja je u sutini konstantna i predstavlja stacionarno stanje puzanja, i

U treem intervalu brzina puzanja raste, vrstoa materijala se smanjuje i na kraju dolazi do loma.

Def

orm

acija

, %

Vrijeme, h

I II III


Strana 14

Puzanje materijala zapravo predstavlja termomehaniki tip optereenja obzirom da se u procesu puzanja materijal sporo plastino deformie pri statikom optereenju znatno niem od granice razvlaenja, a ova pojava je kod veine metala izraena pri povienim temperaturama. Oblik krive puzanja u pojedinim intervalima uglavnom zavisi od inteziteta optereenja (napona) i temperature. Vei naponi i vie temperature openito poveavaju brzinu puzanja i bre dovode do loma. Osnovna posljedica puzanja je promjena dimenzija (deformacija) nakon ega dolazi i do loma. Lom usljed puzanja nastaje mehanizmom stvaranja i rasta naprslina, pri emu se na granicama kristalnih zrna stvaraju mikropukotine ili pore koje se vremenom gomilaju, povezuju u lance i prelaze u makropukotine koje izlaze na povrinu metala. Na Slici 2.7 su prikazane pregrijake cijevi koje su doivjele lom usljed puzanja materijala.

Slika 2.7 Lom usljed puzanja

U sluaju da je materijal izloen temperaturama viim od maksimalno dozvoljenih na dui vremenski period (dani, sedmice, mjeseci) onda govorimo o dugotrajnom pregrijavanju materijala. Maksimalna dozvoljena temperatura u eksploataciji je u funkciji strukture materijala, tako da ovisno o sadraju legirajuih elemenata (npr. Cr, Mo) ona moe varirati. Ovaj tip optereenja je uzrok jednog broja havarija zbog toga to se materijalu smanjuju karakteristike vrstoe, pa se lom moe desiti i pri nominalnom pritisku sa porastom temperature. Efekat dugotrajnog pregrijavanja zavisi o temperaturi i vremenu pregrijavanja, kao i strukturi materijala. Ovom tipu optereenja su najee izloeni pregrijai, meupregrijai i isparivai, dok su zagrijai vode (ekonomajzeri) rijetko izloeni uticaju dugotrajnog pregrijavanja, [3]. Cijevi koje su posebno izloene pregrijavanju obino sadre znaajne depozite (naslage) materijala sa unutranje strane cijevi, imaju reducirano hlaenje, preveliki unos toplote sa plamene strane ili su u blizini gorionika. Oteenja i lomovi cijevi usljed dugotrajnog pregrijavanja se obino deavaju u relativno irokoj oblasti i obuhvataju vei broj cijevi, npr. cijevi isparivaa na priblino istoj visini kotla. Takoe treba istai da svaki oblik dugotrajnog pregrijavanja ima izraen uticaj i na proces puzanja materijala u smislu bre degradacije i skraenja ivotnog vijeka materijala u eksploataciji. Na Slici 2.8 je prikazan lom na cijevi izazvan viestrukim dugotrajnim pregrijavanjem.


Strana 15

Slika 2.8 Lom usljed dugotrajnog pregrijavanja Kao rezultat dugotrajnog pregrijavanja u nekim sluajevima materijal moe biti izloen i termikoj oksidaciji (izgaranju materijala). Prilikom termike oksidacije na unutranjim i vanjskim povrinama cijevi stvara se tanki, krti i tamni oksidni sloj koji sadri longitudinalne naprsline i pukotine. Naprsline se formiraju kao rezultat ekspanzije i kontrakcije cijevi izazvane deformacijama usljed pregrijavanja i/ili termikih napona. Ukoliko temperatura pree kritinu vrijednost za odreeni materijal u duem vremenskom periodu, proces termike oksidacije postaje intezivniji. Takoer, usljed cikline termike oksidacije moe doi do smanjenje debljine stijenke cijevi rezultujui na kraju lomom, kao to je prikazano na Slici 2.9.

Slika 2.9 Oksidni sloj izazvan termikom oksidacijom, [3] Kratkotrajno pregrijavanje ili termiki ok se deava kada se temperatura znatno povea iznad dozvoljenih vrijednosti u kraem vremenskom periodu, odnosno kada je materijal izloen naglim i velikim promjenama temperature. Ovakav vid optereenja moe izazvati lom materijala, posebno ako se termiki okovi ponavljaju u nekom vremenskom periodu. Pukotine koje nastaju na ovaj nain ire se kroz proces termikog zamora. Termiki zamor se javlja na komponentama koje su u eksploataciji izloene visokoj temperaturi usljed temperaturnih promjena koje izazivaju cikline termike napone koji mogu izazvati lom. Pri normalnim eksploatacionim uslovima termiki ok se ne deava esto, ali se moe desiti ukoliko radni parametri premae svoje dozvoljene vrijednosti. S druge strane, svako putanje u pogon i izlazak iz pogona kotla zapravo predstavlja jedan vid termikog oka materijala usljed velikih oscilacija temperatura.


Strana 16

Na Slici 2.10 je prikazan karakteristian izgled loma na cijevi usljed termikog oka materijala.

Slika 2.10 Lom usljed termikog oka

2.2.2 Mehanika optereenja Komponente kotla su osim termikih optereenja izloeni i znaajnim mehanikim optereenjima koja mogu djelovati kao isto mehanika ili u sprezi sa nekim drugim vidom optereenja. Mehanika optereenja koja djeluju na komponente kotla, a koja se ujedno uzimaju u proraun prilikom projektovanja istih, openito moemo podijeliti u sljedee grupe, [4]:

Pritisak vode i vodene pare u cijevima, Optereenja izazvana promjenama pritiska ili temperature (promjenjiva optereenja), Teina svih komponenti pod pritiskom i njihov sadraj, zajedno sa depozitom npr.

pepela i praine, i Optereenja izazvana vezama izmeu sistema kotla sa ostalim komponentama.

Komponente kotla su izloene promjenjivim optereenjima kao rezultat oscilacija pritiska fluida u cijevima, vibracija ili turbulentnog toka fluida, posebno pri visokim brzinama toka. Gotovo sve komponente kotla su takoe izloene ciklinim promjenama pritiska i temperature pri ulasku i izlasku kotla iz pogona. Ukoliko pojedine komponente kotla pod pritiskom u eksploataciji doivljavaju znaajne promjene vrijednosti mehanikih optereenja onda su izloene zamoru. Zamor materijala predstavlja proces postepenog razaranja putem nastanka i razvoja naprsline do loma pod dejstvom promjenjivih optereenja koja su nia od statikih optereenja, a u najveem broju sluajeva u nastalom lomu nema vidljivih znakova plastine deformacije. Uzroci zamora materijala mogu biti:

Oscilacije u pritisku fluida, Oscilacije temperature (termiki zamor),


Strana 17

Ograniena ekspanzija i kontrakcija materijala, Vibracije, i Varijacija vanjskih optereenja.

Zamor materijala rezultuje iz plastinog deformisanja kristalnih zrna metala, [5]. Ako je plastino deformisanje ogranieno na mikroskopske regije, u inae elastino optereenoj komponenti, onda je velika vjerovatnoa da e se pojaviti naprslina na mjestu maksimalnog lokalnog napona i minimalne lokalne vrstoe u unutranjoj strukturi. Mikrostrukturni diskontinuiteti kao to su ukljuci, granice zrna i sl. su uobiajena mjesta za poetak nastanak naprslina. Do loma e doi samo u sluaju velikog broja ciklusa optereenja (visokociklini zamor) i obino nema makroskopskih obiljeja plastine deformacije. Sa druge strane, kada je plastino deformisanje prostranije, naprsline e se inicirati na vie diskonuiteta nakon manjeg broja ciklusa optereenja (niskociklini zamor) i bie vidljivo makroskopsko obiljeje plastine deformacije. Na Slici 2.11 prikazane su naprsline u presjeku cijevi izazvane zamorom materijala.

Slika 2.11 Naprsline izazvane zamorom materijala

Zamor materijala kotlovskih komponenti se obino ne javlja kao isto mehaniko optereenje, nego u sprezi sa drugim vrstama optereenja poput termikih i korozionih. Mehanike vibracije nisu jedini izvor ciklinih optereenja. Termiki gradijenti unutar komponente mogu prouzrokovati plastino deformisanje i ako se ovi gradijenti ponovljivo javljaju rezultujua ciklina deformacija moe uzrokovati lom, [6]. Ovaj proces je poznat kao termiki zamor. Naprslina usljed termikog zamora se inicira du povrine cijevi i napreduje prema unutranjosti, Slika 2.12. Orijentisana je normalno na povrinu, a moe biti pojedinana ili grupna. Komponente kotla mogu biti izloene i naponskoj koroziji ako su ispunjeni uslovi da su naponi koji vladaju u materijalu dovoljno visoki, a materijal se nalazi u koroziono agresivnoj sredini. Za ugljine elike u kotlu specifian korodent je natrijum hidroksid, dok je za nehrajue elike to natrijum hidroksid ili hloridi. U toku rasta naprsline izazvane naponskom


Strana 18

korozijom povrina metala je obino napadnuta veoma malo dok se jako lokalizovane naprsline rasprostiru kroz metalni presjek, Slika 2.13.

Slika 2.12 Naprsline usljed termikog zamora

Slika 2.13. Kaustina naponska korozija, [3]

2.2.3 Hemijsko-koroziona optereenja Energenti koji se koriste kao gorivo u kotlovima kao i voda koja se koristi za proizvodnju pare mogu sadravati razne hemijske elemente (npr. Na, Ca, Cu, K, Cl, S, Cr, Pb, Zn, Fe, Sn i Al) koji zavisno o temperaturi i prisustvu oksigena mogu stupati u hemijske reakcije rezultujui na kraju korozijom materijala. Korozijom se naziva proces razaranja metala usljed hemijskog ili elektrohemijskog dejstva sa okolnom sredinom. U kotlovskom postrojenju najee se susreu sljedei tipovi korozije:

Kaustina korozija, Korozija izazvana hidrogenom, Korozija izazvana oksigenom, Visokotemperaturna korozija, i Niskotemperaturna krozija.

Kaustina korozija podrazumijeva korozionu interakciju dovoljne koncetracije natrijum hidroksida (NaOH) sa metalom, uzrokujui odnoenje materijala sa unutranje strane cijevi. Osjetljivost elika na kaustinu koroziju je bazirana na injenici da oksidi eljeza korodiraju kako u niskom tako i u visokom pH okruenju. Supstance sa visokom pH vrijednou kao natrijum hidroksid (NaOH) rastvaraju eljezni oksid (Fe3O4) magnetit na povrini metala:

4NaOH+Fe3O4 2NaFeO2+Na2FeO2+2H2O.

Kada je povrinski sloj magnetita uklonjen, natrijum hidroksid moe reagovati direktno sa eljezom:

Fe+2NaOH Na2FeO2+H2.


Strana 19

Intezitet kaustine korozije zavisi o prisustvu natrijum hidroksida ili soli iji rastvor u vodi moe proizvesti baze, kao i o mehanizmu koncetracije obzirom da su ovi elementi rijetko prisutni u koncetraciji koja izaziva koroziju. Ovaj tip korozije se javlja na cijevima sa vodom u podrujima sa visokim toplotnim fluksom, na kosim ili horizontalnim cijevima i lokacijama ispod tekih depozita materijala.

Slika 2.14 Kaustina korozija ispod depozita materijala, [3]

Slika 2.15 Kaustina korozija du unutranje povrine cijevi

Na Slikama 2.14 i 2.15 prikazano je odnoenje materijala usljed kaustine korozije ispod unutranjeg depozita materijala i du unutranje povrine cijevi. Atomski hidrogen takoe moe uzrokovati pojavu korozije. Korozija ovog tipa se obino javlja u podrujima visokog toplotnog fluksa, ispod tekih depozita materijala u kosim i horizontalnim cijevima. Iskustvo pokazuje da se ovaj tip korozije rijetko javlja u komponentama kotla kod kojih je pritisak ispod 6,9 MPa, [3]. Pri rastvaranju eljeznih oksida npr. natrijum hidroksidom (NaOH) voda reaguje direktno sa eljezom pri emu se oslobaa atomski hidrogen:

4NaOH+Fe3O4 2NaFeO2+Na2FeO2+2H2O, 3Fe+4H2O Fe3O4+8H.

Natrijum hidroksid moe i sam reagovati sa eljezom, a kao rezultat reakcije oslobaa se hidrogen:

Fe+2NaOH Na2FeO2+2H. Atomski hidrogen difundira u elik i moe na granicama zrna ili ukljuaka u metalu da formira molekularni hidrogen ili reaguje sa eljeznim karbidima stvarajui metan:

Fe3C+4H CH4+3Fe. Poto molekularni hidrogen, kao ni metan, ne mogu difundirati kroz elik, ovi gasovi se akumuliraju primarno na granicama zrna.


Strana 20

Usljed dejstva napona u materijalu izazvanih pritiskom fluida u cijevi nastaju interkristalne mikronaprsline koje kasnije mogu dovesti do loma, Slika 2.16.

Slika 2.16 Lom usljed korozije hidrogenom, [3] Korozija uzrokovana oksigenom se obino javlja u kotlovima kada je kotao izvan pogona i najee na cijevima pregrijaa. Kada je kotao u pogonu ovaj tip optereenja moe djelovati na ekonomajzere. Korozija oksigenom djeluje na mjestima gdje materijal nema zatitni sloj eljeznog oksida magnetita, a izloen je vodi koja sadri oksigen. Npr. vlaga koja se kondenzuje na zidovima pregrijaa koji je izvan pogona e rastvoriti atmosferski oksigen. Naprsline na magnetitu su uzrokovane naponima nastalim pri kontrakciji pregrijaa koji se hladi do sobne temperature i na tim mjestima djeluje oksigen iz vlage:

2Fe+H2O+O2 Fe2O3 +2H. Ovakav tip korozije se dalje razvija kao rupiasta korozija ili piting, uzrokujui nastanak perforacija na cijevima, ili mjesta koncetracije napona kao pogodna mjesta za naponsku koroziju, zamor materijala i sl. Na Slikama 2.17 i 2.18 prikazan je piting na unutranjoj i vanjskoj povrini cijevi.

Slika 2.17 Piting na unutranjoj povrini

Slika 2.18 Piting na vanjskoj povrini

Visokotemperaturna korozija se obino javlja na dijelovima povrine pregrijaa i meupregrijaa u temperaturnom intervalu 566-732 C, [3]. Ovaj tip korozije se moe pojaviti kada se mijenja vrsta goriva, to moe uzrokovati nastanak hemijski agresivnog pepela. Za vrijeme sagorijevanja uglja, minerali u uglju su izloeni visokim temperaturama


Strana 21

prouzrokujui oslobaanje komponenti koje se kondenzuju na pepelu formirajui sloene alkalne sulfate kao to su K3Fe(SO4) i Na3Fe(SO)4. Obloge ljake prekrivaju vanjske povrine cijevi, Slika 2.19, izlaui materijal ispod depozita ubrzanoj oksidaciji. Oksidacija materijala dovodi do smanjenja debljine stijenke cijevi, Slika 2.20, i poveanje napona to zajedno sa povienom temperaturom moe dovesti do loma.

Slika 2.19 Visokotemperaturna korozija, [3]

Slika 2.20 Odnoenje materijala

na vanjskoj povrini Niskotemperaturna korozija se javlja na komponentama kotla ija je temperatura priblino 116-166C, ovisno o temperaturi kondenzacije sumporne kiseline, sadraja sumpor trioksida (SO3) i vodene pare u dimnim gasovima. Uzrokovana je kondenzacijom sumpornih kiselina, usljed sagorijevanja uglja koji sadri sumpor. Kondenzovana sumporna kiselina (H2SO4) stupa u reakciju sa eljezom i izaziva koroziju prema:

H2SO4+Fe FeSO4+H2.

Niskotemperaturnom korozijom najee su pogoene povrine cijevi zagrijaa vode (ekonomajzera) i zraka. Na Slici 2.21 prikazana je vanjska povrina cijevi zagrijaa vode koja je u eksploataciji bila izloena niskotemperaturnoj koroziji.

Slika 2.21 Niskotemperaturna korozija, [3]


Strana 22

2.2.4 Triboloka optereenja U triboloka optereenja kojima je izloen materijal pojedinih komponeti kotla ubrajamo eroziju i kavitaciju. Erozija materijala na vodenoj strani povrina cijevnog sistema komponenti kotla je relativno rijetka. Povremeno se deava kada diskontinuiteti na unutranjoj povrini ili vrsti strani objekti smjeteni unutar cijevi mogu poremetiti tok, poveati turbulenciju i izazvati odnoenje materijala. Erozija na plamenoj strani komponenti kotla ima najvei uticaj, a uzroci erozije se mogu podijeliti u etiri grupe:

Erozija izazvana duvaima gara, Erozija izazvana dejstvom vodene pare, Erozija izazvana pepelom, i Erozija izazvana padom ljake.

Moda i najei uzrok erozije su duvai gara. Obino duvai gara koji nisu propisno centrirani nanose velikom brzinom mlaz pare ili zraka koji sadri kapljice kondenzovane vode direktno na povrinu cijevi pregrijaa umjesto na prostor izmeu cijevi. Fizika abrazija i ubrzana oksidacija uzrokuju odnoenje materijala sa povrine cijevi, Slika 2.22. Ovaj tip erozije moe biti dodatno pojaan prisustvom pepela u mlazu pare, a esto vodi i do loma cijevi.

Slika 2.22 Erozija izazvana duvaima gara

Erozija izazvana dejstvom vodene pare se javlja u sluaju pucanja cijevi kada mlaz fluida velikom brzinom udara u povrinu susjedne cijevi. Pregrijai i meupregrijai su esto pogoeni ovim tipom erozije. Mehanizam degradacije je u sutini isti kao i u sluaju duvaa gara, mada je ovaj tip erozije lokalizovan obzirom da se nalazi u blizini cijevi koja je pukla. Ponekad, ako cijev koja curi nije lokalizovana onda moe doi do lanane reakcije, te dolazi do erozije na itavom nizu cijevi. Na Slici 2.23 prikazana je cijev koja je oteena usljed erozije izazvane dejstvom vodene pare.


Strana 23

Slika 2.23 Erozija izazvana dejstvom vodene pare

Erozija usljed dejstva pepela se deava u zagrijaima vode, pregrijaima i meupregrijaima, mada i druge cijevi mogu biti izloene, Slika 2.24. Poto je pepeo obino erozivniji kada je temperatura pepela nia, jer je pepeo tvri, ekonomajzeri su neto vie izloeni ovom tipu erozije. Direktan udar pepela o cijevi stvara veu eroziju nego pepeo koji klizi. Veliina, tvrdoa i sastav materije u pepelu takoer utie na efekat erozije. estice koje su vee od 0,025 mm i koje sadre veu koncetraciju aluminijuma i silicija su erozivnije zbog vee tvrdoe estica i vee kinetike energije, [3].

Slika 2.24 Erozija usljed dejstva pepela, [3]

Slika 2.25 Kavitacija

Erozija izazvana padom ljake je rijetka, a javlja se na kosim cijevnim zidovima blizu dna velikih kotlova gdje se ljaka odvodi. Koliina ljake po jedinici povrine i tendencija ljake da padne definiu veliinu oteenja. Formiranje naslaga ljake je uobiajeno kod loita sa velikim povrinama, sa velikim ili malim brzinama dimnih gasova, kod sagorijevanja uglja sa velikim sadrajem natrija i hlorida, i sa niskom temperaturom dimnih gasova. Kavitacija se javlja na svim mjestima gdje se formiraju oblasti sa niskim pritiskom u vodi, Slika 2.25. Iznenadne promjene pritiska i turbulentni tok izazivaju kavitaciju. Oteenja se mogu desiti samo na mjestima gdje je voda u kontaktu sa povrinom cijevi. U procesu kavitacije formiraju se i nestaju mjehurii pare izazvani promjenom pritiska. Ti mjehurii brzo nestaju proizvodei mikromlaz koji udara na metalnu povrinu. Poto je potrebna manja energija da se formira mjehuri na postojeoj povrini, onda se najvei broj mjehuria upravo i formira na povrinama metala. Takoer, diskontinuiteti predstavljaju pogodna mjesta za formiranje mjehuria pare. Svaki mjehuri pri nestajanju proizvodi relativno malo oteenje, a vea oteenja su uoljiva nakon velikog broja ciklusa nastanka i nestanka ovih mjehuria.


Strana 24

2.3 Kotlovski materijali i mehanizmi degradacije materijala u eksploataciji

Postoji vie podjela elika prema razliitim principima, a jedna od uobiajenih je prema stepenu legiranja (hemijskom sastavu) i odgovarajuoj mikrostukturi materijala. Primjer jedne takve podjele je prikazana na Slici 26. Materijali za kotlovske elemente pod pritiskom jednoobrazno se nazivaju kotlovskim materijalima, [1]. Osnovno svojstvo ovih materijala je njihov poznat hemijski sastav i poznate mehanike osobine. Neki od kotlovskih materijala trebaju imati visoke mehanike osobine pri povienim temperaturama, ali ne svi, zavisno od temperature kojoj su izloeni. Meutim svaki kotlovski materijal mora imati poznate karakteristike to ga ini nekoliko puta skupljim od materijala slinih osobina trgovakog kvaliteta.

Slika 2.26 Podjela elika prema stepenu legiranja i mikrostrukturi, [7]

Legure za primjenu na povienim temperaturama se openito odnose na materijale koji pruaju dovoljnu vrstou, otpornost na uticaj okruenja i stabilnost unutar temperaturnog opsega 260-1200 C, [8]. Najee se koriste u prisustvu produkata sagorijevanja od strane

elici

Nelegirani ugljini elici

Niskougljini elici Srednjeugljini elici Visokougljini elici

Niskolegirani elici

Visokolegirani elici

Nehrajui elici

Toplootporni elici

elici otporni na habanje

Feritna

Feritno-perlitna

Perlitna

Martenzitna

Austenitna

Austenitno-feritna

Feritno-perlitna

Perlitna

Beinitna

Feritna

Austenitno-feritna

Semiaustenitna (precipitaciono ovravajui)

Dupleks

Feritna

Austenitna


Strana 25

izvora toplote kao to su loita, turbine i kotlovi elektrana. Da bi sauvali potrebnu vrstou pri ovakvim uslovima, imperativ je da njihova mikrostruktura ostane stabilna na visokim radnim temperaturama. Veliki opseg osobina koje se mogu razviti u elicima osigurao je njihov izbor za primjenu u visoko-temperaturnim postrojenjima.

2.3.1 Razvoj kotlovskih materijala Upotreba ugljinih elika u energetskim postrojenjima 1920-ih godina u SAD-u ograniavala je radne parametre pare, pritisak na 4 MPa i temperaturu na 370 C. Nakon toga, upotreba elika legiranih sa molibdenom omoguila je povienje radnih parametara pare, pritiska do 10 MPa i temperature do 480 C. Dalji razvoj Cr-Mo elika 1950-ih je omoguio da se radni parametri pare i dalje nastave poveavati, pritisak do 17 MPa i temperatura do 566 C. Od kasnih 1950-ih pa do 1965-e razvijene su elektrane sa veim kapacitetima kao odgovor na poveane zahtjeve za elektrinom energijom, pa su tako i radni pritisci i temperature rasli. U SAD-u, 1957-e poeo je sa radom blok Philo No. 6 Unit (125 MW) sa radnim parametrima pare, pritisak od 31 MPa i temperatura od 621 C, a 1960-e poeo je sa radom blok Eddystone No. 1 Unit (325 MW) sa do tada najviim radnim parametrima pare, pritisak od 34 MPa i temperatura od 649 C. Slino, u Evropi velike elektrane sa naprednim parnim ciklusima, Hls unit (85 MW, 29 MPa, 600 C) u Njemakoj i Drakelow No. 12 unit (375 MW, 24 MPa, 593 C) u UK su naruene kroz 1960-te godine, [9]. Meutim, zajedno sa poveenjem radnih parametara dolo je i do poveanja trokova projektovanja i odravanja energetskih postrojenja, kao i stalna potreba za unapreenjem materijala potrebnih za podizanje radne efikasnosti. Poveanje stvaranja ovih trokova je dalje kao krajnji rezultat imalo smanjenje radnih parametara pare u veini elektrana, pritiska na 24 MPa i temperature na 538 C. Ovi radni parametri pare, pritisak od 24 MPa pri temperaturi od 538 C na izlazu iz pregrijaa, se ujedno nazivaju i superkritinim, dok se za vie vrijednosti pritiska pare nazivaju ultra-superkritinim, [9]. Na Slici 2.27 prikazan je razvoj kotlovskih materijala pri emu se prati razvoj materijala kroz unapreenje vremenske vrstoe materijala R100.000/550. Vremenska vrstoa R100.000/550 predstavlja napon koji je potreban da izazove lom materijala nakon 100.000 radnih sati pri temperaturi od 550 C. Razvoj kotlovskih materijala za rad pri to viim radnim parametrima pare je kao posljedicu imao osim poveenja karakteristika vrstoe materijala i redukciju debljine stijenke cijevi, to ujedno predstavlja i znatnu utedu na teini konstrukcije kotla. Na Slici 2.28 prikazana su uporedno etiri razliita visokolegirana elika koji se koriste kao kotlovski materijali i debljine stijenke pri istim radnim parametrima pare, pritisku i temperaturi.


Strana 26

Slika 2.27 Razvoj kotlovskih materijala

X20CrMoV12-1 DIN 17175 X10CrMoVNb9-1 (P91) VdTV-Wbl.511/2 - 06.01 X11CrMoWVNb9-1-1 (E911) VdTV-Wbl.522/2 - 03.98 X10CrMoWVNb9-1-2 (P92/NF616) ECCC Data Sheets 1999

Slika 2.28 Uticaj razliitih kvaliteta elika na debljinu stijenke cijevi

Usvajanje superkritinih i ultra-superkritinih parametara pare kroz poveanje radne temperature i pritiska igraju kljunu ulogu u razvoju kotlovskih materijala sa odgovarajuim unaprijeenim osobinama prema optereenjima koja se javljaju u eksploataciji, posebno prema puzanju i termikoj oksidaciji. Iskustva sa austenitnim elicima su se pokazala nezadovoljavajuim u smislu ogranienja radne fleksibilnosti postrojenja. Klase elika legiranih sa 9-12 %Cr i feritno-martenzitnom strukturom danas pruaju najvei potencijal za kritine komponente u termoenergetskim postrojenjima, [10]. U Evropi su napori usmjereni ka razvoju novih kotlovskih materijala koncetrisani kroz program COST (European Co-operation in the field of Scientific and Technical Research). COST predstavlja dugoroni evropski program sa ciljem koordinacije istraivakih aktivnosti u brojnim podrujima nauke i tehnologije, a dijelovi programa koji se odnose na razvoj materijala za energetska postrojenja su, [11]:

1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000

0

50

100

150

200

250

15M

o3

13C

rMo4

-4

10C

rMo9

-10

12C

rMoV

4-3

14M

oV6-

3

X20

P91 E

911

15C

rMoV

5-10

P92

72 MPa za 10 godina

100 MPa za 60 godina

Vrijeme, godina

Vrem

ensk

a v

rstoa

R10

0.00

0/55

0, M

Pa

(za

100.

000h

pri

550

C)


Strana 27

1. COST 501 Advanced materials for power engineering components, High Efficiency, Low Emission Systems, u periodu od 1981. do 1997. godine, a koji je za cilj imao razvoj kotlovskih materijala ija se radna temperatura pare poveala sa tadanjih 535-565 C na 580-610 C. Kao rezultat razvijeni su elici za kotlovske cijevi legirane sa 9 %Cr: P91, P92 i E911, Slika 2.28.

2. COST 522 Power generation in the 21st century: ultra-efficient, low-emission

plant u periodu od 1997. do 2003. godine, a za cilj je imao dalje unapreenje kotlovskih materijala za temperature pare od 630 C kroz legiranje sa Co i B, te poveanim sadrajem Cr na 11 %.

3. COST 536 Alloy development for Critical Components of Environmental friendly

Power plant (ACCEPT) u periodu od 2003. do 2009. godine, a za cilj ima razvoj kotlovskih materijala bez Co i W, ali sa poveanim sadrajem B i optimiziranim sadrajem Cr od ~10,5 % za rad na temperaturama od 640-650 C.

Materijali koji su razvijeni kroz program COST su ve uvedeni u nekoliko evropskih elektrana i u budunosti e biti koriteni za termoelektrane koje su u fazi izgradnje. U Tabeli 2.1 je prikazan pregled nekih od evropskih standardizovanih elika za kotlove prema standardu EN 10216-2:2002, pri emu su podijeljeni u tri grupe prema stepenu legiranja, sa datim vrijednostima garantovane tehnike granice razvlaenja na razliitim temperaturama. Tabela 2.1 Pregled evropskih standardizovanih elika za kotlove, [12]

Kvalitet elika

Stepen legiranja

Tehnika granica teenja R0,2 u MPa za temperaturu u C 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600

P195GH Nelegirani 175 165 150 130 113 102 94 - - - - P235GH Nelegirani 198 187 170 150 132 120 112 108 - - - P265GH Nelegirani 226 213 192 171 154 141 134 128 - - - 16Mo3 Niskolegirani 243 237 224 205 173 159 156 150 146 - - 8MoB5-4 Niskolegirani 368 368 368 368 368 368 368 - - - - 14MoV6-3 Niskolegirani 282 276 267 241 225 216 209 203 200 197 - 10CrMo5-5 Niskolegirani 240 228 219 208 165 156 148 144 143 - - 13CrMo4-5 Niskolegirani 264 253 245 236 192 182 174 168 166 - - 10CrMo9-10 Niskolegirani 249 241 234 224 219 212 207 193 180 - - 11CrMo9-10 Niskolegirani 323 312 304 296 289 280 275 257 239 - - 15NiCuMoNb5-6-4 Niskolegirani 422 412 402 392 382 373 343 304 - - - X11CrMo5+I Visokolegirani 156 150 148 147 145 142 137 129 116 - - X11CrMo5+NT1 Visokolegirani 245 237 230 223 216 206 196 181 167 - - X11CrMo5+NT2 Visokolegirani 366 350 334 332 309 299 289 280 265 - - X11CrMo9-1+I Visokolegirani 187 186 178 177 175 171 164 153 142 120 - X11CrMo9-1+NT Visokolegirani 363 348 334 330 326 322 316 311 290 235 - X10CrMoVNb9-1 Visokolegirani 410 395 380 370 360 350 340 320 300 270 215 X20CrMoV11-1 Visokolegirani - - 430 415 390 380 360 330 290 250 - I Izotermalno aren NT Normalizovan i temperovan


Strana 28

2.3.2 Ugljini (nelegirani) elici Ugljini elici su najrasprostranjenije koriteni elici i pogodni su za primjenu u sluajevima kada su uslovi za stvaranje korozije ili oksidacije relativno blagi. Pod tim uslovima se mogu koristiti u kondezatorima, izmjenjivaima toplote, kotlovima i pregrijaima. iroka upotreba reflektuje relativno niske trokove, dobro ponaanje u eksploataciji i dobru zavarljivost. Osnovni nisko-ugljini kvaliteti elika sadre nominalno 0,15 %C i koriste se za razliite vrste cjevovoda. Srednje-ugljini kvaliteti sadre maksimalno 0,35 %C sa sadrajem mangana (0,30-1,06 %Mn) i koriste se takoe za cjevovode, cijevi, otkivke i odlivke. Za primjenu u eksploataciji pod uslovom niskih radnih napona ugljini nelegirani elici mogu se koristiti na temperaturama niim od 425 C, dok temperature do priblino 540 C mogu biti odrive samo za kratke periode, [8].

2.3.3 Niskolegirani elici Niskolegirani elici legirani sa molibdenom (C Mo elici) sadre 0,50 %Mo i imaju sadraj ugljika od oko 0,20 %C. Ovi elici se koriste za izradu iste vrste opreme kao i ugljini nelegirani elici, ali u eksploataciji mogu podnijeti vea optereenja iz razloga to molibden poveava kratkotrajnu zateznu vrstou i smanjuje brzinu puzanja za dati napon i temperaturu. Ako postoji mogunost grafitizacije pod radnim uslovima, onda je maksimalna radna temperatura za C Mo elike oko 450 C, [8]. Niskolegirani elici legirani sa kromom i molibdenom (Cr Mo elici) otporni su na puzanje i obino imaju sadraj od 0,50-1,00 %Mo za poveanje vremenske granice puzanja, kao i sadraj kroma od 0,50-9,00 % radi poboljanja otpornosti na koroziju, plastinosti i otpornosti prema grafitizaciji. Mali procenti karbidotvornih elemenata kao to su vanadijum, niobijum i titan mogu se takoe dodavati radi precipitacionog ovravanja i/ili usitnjavanja zrna. Uticaj legirajuih elemenata na transformaciono ovravanje i zavarljivost su naravno dodatni faktori. Postoje tri osnovne grupe Cr Mo elika, [8]:

Cr Mo elici sa sadrajem: o 1,00 %Cr 0,50 %Mo i 1,25 %Cr 0,50 %Mo za temperature do 510 C, o 2,25 %Cr 1,00 %Mo za temperature do 580 C, o 5,00 %Cr 0,50 %Mo za temperature do 620 C, o 7,00 %Cr 0,50 %Mo i 9,00 %Cr 1,00 %Mo za temperature do 650 C.

Cr Mo V elici legirani i sa vanadijem, pruaju veu vremensku granicu puzanja i primjenjuju se tamo gdje dozvoljeni projektovani naponi mogu zahtijevati deformacije manje od 1 % kroz ivotni vijek komponenti koje rade na temperaturama do 540 C. Najei hemijski sastav je 1 %Cr, 1 %Mo i 0,25 %V.

Modifikovani Cr Mo elici koji sadre razne mikrolegirajue elemente kao to su vanadij, niobij, titan i bor, a koriste se za komponente sa debelim stijenkama u okruenju koje sadri hidrogen. Ovisno o kvalitetu ovi elici se mogu koristiti na temperaturama od 455-600 C.


Strana 29

2.3.4 Visokolegirani elici Kada otri zahtjevi okruenja u eksploataciji ne dozvoljavaju upotrebu ugljinih i niskolegiranih elika, onda se upotrebljavaju visokolegirani nehrajui elici. Poslije super-legura na bazi nikla, nehrajui elici daju najbolju kombinaciju otpornosti prema visokotemperaturnoj koroziji i visokotemperaturne vrstoe. Otpornost prema koroziji je esto prvi kriterij za izbor nehrajuih elika za odreenu primjenu. Meutim, vrstoa je takoe znaajan faktor u veini primjena na povienim temperaturama i moe ak biti kljuni faktor za izbor nehrajueg elika. Nehrajui elici koji se primjenjuju kada je viskotemperaturna vrstoa bitna jo se nazivaju i toplootporni elici, [13]. Toplootporni nehrajui elici imaju neto vei sadraj ugljika u odnosu na klasine nehrajue elike radi poveanja vrstoe na viim temperaturama. Toplootporni nehrajui elici se mogu podijeliti u etiri grupe prema strukturi: feritne, martenzitne, austenitne i precipitaciono ovravajue (semiaustenitni), a struktura je primarno odreena hemijskim sastavom. Krom, molibden i silicij su elementi koji prvenstveno utiu na nastanak feritne strukture, dok ugljik, nikl i nitrogen utiu na nastanak austenitne strukture. Krom (koji utie na nastanak feritne i martenzitne strukture), nikl i ugljik (koji utiu na nastanak austenitne strukture) su posebno vani za mikrostrukturu. Openito, visokolegirani elici sa znatnim sadrajem kroma su martenzitni ili feritni, elici legirani sa kromom i niklom su dupleks (-ferit u austenitnoj matrici) ili austenitni, dok su elici legirani sa niklom i kromom potpuno austenitni. Feritni elici imaju dobru otpornost prema oksidaciji na povienoj temperaturi, ali ne i izraene mehanike karakteristike vrstoe na visokim temperaturama. Zato se ove legure primarno koriste zbog dobre otpornosti prema koroziji. Jo jedan ograniavajui faktor za feritne nehrajue elike sa visokim sadrajem kroma je poveanje krtosti, odnosno smanjenje ilavosti nastankom -faze pri izlaganju visokim temperaturama, [8]. U poreenju sa austentnim elicima imaju veu toplotnu konduktivnost i manji koeficijent termikog irenja, tako da bolje podnose termike napone, te imaju dobru otpornost na termiki zamor. Martenzitni nehrajui elici koji su najee upotrebljavani za primjene na povienim temperaturama su tzv. 12 %Cr elici koji sadre molibden do 3% i/ili volfram do 3,5 % za veu vrstou na povienim temperaturama. Ostali elementi kao to su vanadij, niobij i nitrogen mogu se takoe dodavati u malim koliinama za dodatno poveanje vrstoe. Martenzitni 12 %Cr elici sa prethodno pomenutim legirajuim dodacima mogu se koristiti na temperaturama do 650 C, ali oni pruaju samo ogranienu vrstou iznad 540 C. isti (nelegirani) martenzitni elici se mogu koristiti samo na temperaturama do 400 C, [8].


Strana 30

Semiaustenitni precipitaciono i transformaciono ovravajui elik

Austenitnielici

Martenzitni i feritni elici

Nisko-ugljini

nelegirani elik

Temperatura, C

Vrem

ensk

a v

rstoa

R10

00, M

Pa

(za

1000

h)

Austenitni nehrajui elici su u osnovi legirani sa kromom i niklom. Ovi elici imaju najbolje karakteristike vrstoe za radne uslove preko 540 C, [8]. U svojoj strukturi obino imaju 5-20 % feritne strukture, to zavisi o sadraju nikla, kroma i ugljika. Ferit u austenitnoj strukturi ima pozitivan uticaj obzirom da smanjuje mogunost nastanka interkristalne korozije, ali negativno utie na ilavost. Austenitni nehrajui elici imaju bolja antikoroziona svojstva nego martenzitni ili feritni nehrajui elici, a takoe pokazuju i odlinu otpornost prema termikoj oksidaciji na povienim temperaturama. Precipitaciono ovravajui elici su legirani sa kromom i niklom koji im daju optimalnu kombinaciju osobina martenzitnih i austenitnih elika. Oni imaju sposobnost da kroz termiku obradu dobiju visoke karakteristike vrstoe kao i martenzitni elici, dok takoe imaju dobra antikoroziona svojstva kao i austenitni nehrajui elici. Visoke karakteristike vrstoe ovih elika postiu se kroz proces termike obrade kada dolazi do precipitacionog ovravanja martenzitne ili austenitne matrice. Ovravanje se postie dodavanjem jednog ili vie elemenata kao to su bakar, aluminij, titan, niobij ili molibden. Razlikuju se tri grupe precipitacionono ovravajuih elika, [14]:

Martenzitni, koji nakon termike obrade imaju martenzitnu strukturu. Semiaustenitni, koji nakon termike obrade zadravaju austenitnu strukturu, ali na vrlo

niskim temperaturama formiraju martenzitnu strukturu. Austenitni, koji nakon termike obrade zadravaju austenitnu strukturu.

Na Slici 2.29 dat je uporedni prikaz visokolegiranih elika sa niskougljinim nelegiranim elikom, pri emu su uporeeni podaci o vremenskoj vrstoi za datu temperaturu.

Slika 2.29 Uporedni prikaz visokolegiranih elika, [13]


Strana 31

2.3.5 Uticaj legirajuih elemenanata Legirajui elementi imaju vanu ulogu za nastanak odreene mikrostukture toplootpornih elika, a samim tim odreuju i mehanike osobine takvih elika. U nastavku je dat pregled osnovnih legirajuih elemenata u toplootpornim elicima, [9]. Krom je osnovni legirajui element za toplootporne elike i poveanjem sadraja kroma poboljava se otpornost prema oksidaciji i koroziji. Iako krom ne pokazuje znaajan uticaj na vremensku granicu puzanja, vea vrstoa se postie za sadraj kroma od blizu 2 % i u intervalu 9-12 % u feritnim elicima, dok za sadraj kroma izmeu ovih podruja vrstoa opada. Molibden, volfram i renij su elementi korisni za rastvarajue ovravanje, a molibden i volfram se ve dugo koriste za toplootporne elike. Takoe, ovi elementi poveavaju vremensku granicu puzanja toplootpornih elika kada se dodaju u veim koliinama. Ako njihov sadraj pree odreenu granicu, usljed pojave precipitata -ferita i Laves faza dolazi do smanjenja vrstoe i ilavosti. Uticaj volframa na vremensku granicu puzanja je znatno manji u odnosu na molibden, a kombinovano dodavanje molibdena i volframa moe biti efikasno za poboljanje vrstoe. Renij poveava vremensku granicu puzanja ako se dodaje u sadraju 0,50 % i djeluje slino kao molibden i volfram. Vanadij, niobij, titan i tantal u kombinaciji sa ugljikom i/ili nitrogenom za stvaranje karbida, nitrida ili karbonitrida, koji fino i koherentno precipitiraju na feritnoj matrici, pokazuju znaajan uticaj na precipitaciono ovravanje. Izmeu ostalih, vanadij i niobij pokazuju posebno optimalan sadraj od oko 0,20 % i 0,05% respektivno, a uticaj njihovog kombinovanog dodavanja moe biti veliki. Ovo sugerie da su formiranja precipitata sastavljenih od vanadija i niobija pridrueni jedna drugim. Ugljik i nitrogen su -geni (austenitotvorni) elementi i korisni za spreavanje nastanka -ferita. Takoe, njihov sadraj je povezan sa precipitacijom krom-karbida i nitrida. Za ugljik posebno vai da ako sadraj prelazi 0,10 % vremenska granica puzanja se esto smanjuje i vjeruje se da bi trebao postojati optimalan sadraj saglasno tipu i sadraju karbidotvornih elemenata. Za nitrogen se pretpostavlja da je esencijalni element za poveanje vremenske granice puzanja u 9 %Cr elicima. Sadraj nitrogena je esto oko 0,05 % i vjeruje se da bi trebao postojati i optimalan sadraj u odnosu na nitridotvorne elementa kao to je bor. Bor poboljava tvrdou i poveava vrstou granicama zrna, a moe znaajno unaprijediti i vremensku granicu puzanja. Takoe, novije publikacije indiciraju da pokazuje efekat stabilizacije karbida. Nikl, bakar i kobalt su -geni (austenitotvorni) elementi, i ako se dodaju kao legirajui elementi oni spreavaju formiranje -ferita smanjenjem krom-ekvivalenta, ali takoe


Strana 32

smanjuju i temperaturu transformacije A1. Nivo smanjenja varira izmeu ovih elemenata, a promjene uzrokovane dodavanjem bakra i kobalta nisu vee od onih izazvanih niklom. Takoe, ako su dodati bakar i/ili kobalt moe se oekivati spreavanje formiranja -ferita, inei moguim visokotemperaturno temperovanje. Silicij formira ferit, dok mangan formira austenit. Ova djelovanja su kontradiktorna i smanjenjem sadraja oba elementa moe se poboljati vremenska granica puzanja. Takoe, silicij smanjuje ilavost stvarajui intermetalne faze, dok mangan mada koriten za poboljavanja ilavosti moe oslabiti visokotemperaturnu stabilnost feritne strukture smanjenjem temperaturu transformacije A1 na isti nain kao i nikl.

2.3.6 Mehanizmi degradacije materijala u eksploataciji Mikrostukturna degradacija materijala predstavlja mehanizam degradacije usljed promjene strukture materijala u eksploataciji, a koji moe dovesti do smanjenja karakteristika vrstoe i ilavosti materijala. Veoma je vano prepoznati takav vid degradacije materijala poto krajnji rezultat moe biti lom materijala. Napon, vrijeme, temperatura i uticaj okruenja mogu promijeniti metalurku strukturu materijala za vrijeme eksploatacije. Takve promjene mogu doprinijeti nastanku loma usljed smanjenja vrstoe materijala, ali neke strukturne promjene mogu i poveati vrstou. Ove strukturne promjene se nazivaju jo i metalurka nestabilnost i imaju uticaja na sve vrste lomova, a posebno na lomove izazvane naponskim stanjem u materijalu. Prelaz iz transkristalnog u interkristalni lom je primarno metalurki faktor u ponaanju materijala. Temperatura na kojoj se deava prelaz naziva se ekvi-kohezivna temperatura (ECT), [6]. Prelaz se deava iz razloga to se osobine u regionima na granicama kristalnih zrna razlikuju od onih u samim kristalnim zrnima. Na niskim temperaturama, regioni na granicama kristalnih zrna su jai nego sama zrna, pa su deformacije i lom transkristalni. Na viim temperaturama, granice kristalnih zrna su slabije nego zrna, a deformacija i lom su uveliko interkristalni. ECT temperatura varira sa izlaganjem vremenu i naponu. Za nie napone prelaz iz transkristalnog u interkristalni lom se deava na viim temperaturama, dok e se za vie vrijednosti napona prelaz desiti na niim temperaturama. esti oblici mikrostrukturnih promjena u eksploataciji i uzroci degradacije materijala su starenje, precipitacija sekundarnih faza (intermetalnih jedinjenja i karbida), naugljenienje i grafitizacija. Legure koje ovravaju starenjem su karakteristino nestabilne. Strukturno, one su u stanju prelaza u stabilno ravnoteno stanje. Kao posljedica, pod uslovima puzanja materijala, vjerovatno je da dodatno kretanje atoma usljed dejstva toplote i napona moe uzrokovati nastavak starenja rezultujui smanjenjem vrstoe. Obim i priroda ovih promjena e ovisiti o nekoliko faktora, ukljuujui stanje legure prije puzanja, temperaturu, napon i vrijeme


Strana 33

izlaganja. Neke od najeih visokotemperaturnih legura koje ovravaju kao rezultat dekompozicije visoko prezasienih vrstih rastvora su i austenitni elici koji ne sadre jake karbidotvorne elemente i sekundarno ovravajui feritni elici, [6]. Topoloki gusto pakovane intermetalne faze, kao to su -faza i Laves faza, mogu se formirati u vidu precipitata na povienim temperaturama, [6]. Formiranje -faze moe biti veoma tetno obzirom na njen negativan uticaj na mehanike osobine, jer sniava ilavost materijala i otpornost prema koroziju. Intermetalna -faza obino se izluuje kao sekundarna faza kada je materijal izloen dugotrajnom zagrijavanju u temperaturnom opsegu od 540-900 C. Ova faza je sloeno intermetalno jedinjenje sistema Fe-Cr (i drugih legirajuih elemenata poput Ni i Mo) koje bitno utie na ilavost materijala i otpornost prema puzanju. Najee se izluuje du granica zrna -ferita i austenita, -ferita i austenita ili -ferita i -ferita. Za razliku od -faze koja ima tetragonalnu kristalnu reetku, Laves faza ima heksagonalnu kristalnu reetku i predstavlja sloeno intermetalno jedinjenje sistema Fe-Mo (i/ili drugih legirajuih elemenata poput Cr, Ni, Si, W itd.). Legiranje sa Mo i Si uzrokuje formiranje intermetalnih faza, tako da veina feritnih, feritno- austenitnih i austenitnih elika pokazuje sklonost ka njihovom formiranju. Intermetalne faze se formiraju najee u visokolegiranom feritu. U feritnim i feritno-austenitnim elicima, intermetalne faze se formiraju esto, ali se sa druge strane relativno lako rastvaraju arenjem. Za austenitne elike koji imaju nizak sadraj Cr i ne sadre Mo potrebno je dugo vrijeme za formiranje intermetalnih faza, pa su samim tim i manje skloni ka nastanku istih. Nedosljedan uticaj formiranja -faze na karakteristike vrstoe moe se pojaviti usljed istovremenog prisustva drugih faza kao to su karbidi. Oblik i distribucija karbida moe uticati na inicijaciju i propagaciju pukotine. Razliiti tipovi karbida se mogu nai u strukturi elika. Mada temperatura i napon utiu da se karbidi mogu nai unutar kristalnih zrna kao i po granicama zrna, uticaj karbida na granicama zrna je obino mnogo znaajniji faktor u promjeni ponaanja prema puzanju. Prisustvo karbida je neophodno za optimalna svojstva vrstoe na puzanje u polikristalnim materijalima, ali kao posljedica promjene njihovog oblika ili razgradnje i prelaza u druge oblike karbida, mogu biti izvori degradacije osobina, [6]. Na primjer, u igliastom obliku karbidi na granicama zrna ne djeluju kao otri zarezi koji mogu direktno uticati na radni vijek na povienim temperaturama, ali mogu smanjiti udarnu ilavost. Indirektno, strukturne promjene u blizini karbida mogu varirati karakteristike vrstoe. Karbidni filmovi formirani na granicama zrna mogu smanjiti ivotni vijek. Najee, karbidi i intermetalne faze ne djeluju neovisno i u stvari mogu ostvariti interakciju jedni sa drugima, kao i sa drugim precipitirajuim fazama.


Strana 34

Problem naugljenienja elika, posebno nehrajuih elika za poviene temperature, je uobiajen u mnogim komponentama koje su u eksploataciji izloene visokim temperaturama usljed dejstva loita. Difuzija ugljika u nehrajue elike rezultuje formiranjem dodatnih karbida. U naugljienom eliku Cr se kree prema karbidima, osiromaujui matricu preostalog materijala. Kako se ovaj proces odvija, relativni sadraj Fe i Ni u matrici raste. Na takav nain nastaju dva sloja, naugljieni i ne-naugljieni, sa razliitim gustinama i koeficijentima termikog irenja, to u sluaju ciklinog termikog optereenja generie visoke termike napone koji mogu prouzrokovati lom. Takoe, naugljenienje doprinosi padu ilavosti materijala radi velikog sadraja karbida, kao i ubrzanoj oksidaciji kroz osiromaenje sadraja Cr u matrici, a koji se vezao u Cr karbide, [6]. Na Slici 2.30a prikazana je tipina mikrostruktura nakon naugljenienja koja pokazuje masivne karbide u austenitnoj matrici, a na Slici 2.30b mikrostruktura istog elika prije naugljenienja. Masivni karbidi su formirani reakcijom ugljika sa Cr, to osiromauje matricu sa Cr u regionima uz karbide.

Slika 2.30 Uticaj naugljenienja na mikrostrukturu nehrajueg elika, [6] Grafitizacija je mikrostrukturna promjena koja se nekada deava u ugljinim i niskolegiranim elicima koji su izloeni umjerenim temperaturama za dui vremenski period, [5] Grafitizacija rezultuje dekompozicijom perlita u ferit i ugljik (grafit) i moe smanjiti ilavost materijala. Grafitni dijelovi koji su nasumice rasporeeni u strukturi uzrokuju samo umjeren gubitak vrstoe. Grafitizacija i formiranje nodularnih karbida su konkurentni mehanizmi dekompozicije perlita. Brzina dekompozicije je zavisna o temperaturi za oba mehanizma. Grafitizacija se obino deava na temperaturama ispod 550 C, dok se nodularni karbidi mogu oekivati na viim temperaturama. Na Slici 2.31 je prikazana mikrostruktura nelegiranog ugljinog elika, struktura je ferit i grafit sa tragovima preostalog nodularnog ugljika. U sluaju lanane grafitizacije karbidi eljeza koji su normalno prisutni u ugljinim i niskolegiranim elicima se raspadaju u grafitne nodule nakon produenog pregrijavanja iznad 427C, [3].


Strana 35

Slika 2.31 Grafitizirana struktura ugljinog nelegiranog elika, [5]

Grafitne nodule koje su distribuirane uniformno u materijalu rijetko uzrokuju lom. Meutim, nodule se ponekad veu zajedno formirajui ravni kavitacija ispunjenih grafitom i obino se formiraju na mjestima mikrostukturnih defekata, na mjestima hemijskih neistoa i du naponskih linija. Naponi generisani unutranjim pritiskom uzrokuju cijepanje metala du lanaca nodula. Takav lom je slian lomu izazvanom puzanjem, ali se u ovom sluaju mogu otkriti nagomilane grafitne nodule na ili blizu ivica loma.

Documents

Kotlovski Materijali i Opterecenja