DE3101174A1

DE3101174A1 - Waermetauscher

Info

Publication number: DE3101174A1
Application number: DE19813101174
Authority: DE
Inventors: Hans-Eugen Prof. Dr.-Ing. 6240 Königstein Bühler; Horst Dipl.-Ing. 6000 Frankfurt Kalfa
Original assignee: Brohltal-Deumag AG fur Feuerfeste Erzeugnisse
Current assignee: Brohltal-Deumag AG fur Feuerfeste Erzeugnisse
Priority date: 1981-01-16
Filing date: 1981-01-16
Publication date: 1982-08-05
Also published as: CA1167257A; JPS57137406A; EP0056603A1; ES8401529A1; DE3101174C2; US4435157A; BR8200206A; KR830009232A; ES508772A0

Description

peraturen über 1000 C transportiert werden. Im folgenden soll die Erfindung am Beispiel der Winderhitzer exemplarisch dargestellt werden.

Im Innenraum von Winderhitzern wird auf maximal 4 bar komprimierte Luft beim Durchgang durch einen feuerfesten Besatz, der auf Temperaturen von bis zu 1500 C aufgeheizt wurde, erwärmt. Die Luft erreicht bei diesem Vorgang annähernd die Temperatur der Feuerfestauskleidung. Der Stickstoffanteil der Luft setzt sich bei Temperaturen oberhalb von 1300°C merklich mit dem Sauerstoffanteil zu Stickoxiden um. Da es sich bei Feuerfestauskleidung und Isolierschicht um gasdurchlässige Systeme handelt, gelangt die im Innenraum des Winderhitzers vorliegende Gasmischung von Wasserdampf, Stickoxiden und nicht umgesetzter Luft bis hin zum Stahlmantel, an dem Temperaturen in der Nähe des Taupunktes des Gasgemisches vorliegen. Wird der Taupunkt der Gasraischung am Stahlmantel unterschritten, was im praktischen Einsatz an allen Abschnitten des Winderhitzers auftreten kann, so bildet sich ein Kondensat, das hohe Anteile an Nitrat- und/oder Nitritionen aufweist.

Aus der bisherigen Korrosionsforschung ist bekannt, daß zugspannungsbelastete Baustahlkonstruktionen bei Anwesenheit von nitrathaltigen Elektrolyten zur Anfälligkeit gegenüber Spannungsrißkorrosion neigen. Gerade großtechnische geschweißte Anlagen wie Winderhitzer sind bei innenseitig vorhandenen Nitratkondensaten aufgrund der hohen Schweißeigenspannungen und der zyklischen Betriebsart des Winderhitzers in Gas- und Heizphase durch die Spannungsrißkorrosion besonders gefährdet.

Die durch die Spannungsrißkorrosion verursachten Schaden sind nicht auf bestimmte Winderhitzerbauarten beschränkt und der Schadensablauf ist in vielen Fällen dadurch charakterisiert, daß die Rißerscheinungen nach den ersten Ortungen sehr schnell fortschreiten und Anzahl der Risse und Rißtiefe nach kurzer Zeit zum Sanieren der Anlage

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zwingen. Auf eine lange Inkubationsperiode folgt in der Regel eine kurze Rißperiode.

Es wurden bereits eine Reihe von Maßnahmen zur Vermeidung der Schaden ergriffen und am erfolgversprechendsten erschienen bisher eine Außenisolierung zur Verhinderung der Taupunktunterschreitung am Mantelblech oder das Einbringen von abdichtenden Folien oder Anstrichen an der Mantelinnenseite zu sein. Die Außenisolierung als bisher wirksamstes Mittel gegen Spannungsrißkorrosion hatte jedoch zur Folge, daß die Kondensation der nitrathaltigen Gasphase erst In Bereichen der nachgeschalteten Systeme erfolgte. Die Spannungsrißkorrosion kann mit dieser Methode also nicht vermieden, sondern nur örtlich verlagert werden.

Bei allen bisher getroffenen Maßnahmen zur Vermeidung der Spannungsrißkorrosion ging man von der einseitigen Beeinflussung des Mechanismus der Spannungsrißkorrosion aus. Zum einen wurde versucht, den Elektrolyten aus dem Korrosionssystem zu entfernen (Abdichten durch Folien oder Anstriche und Außenisolierung zur Verhinderung der Taupunktunterschreitung) , zum anderen wurde versucht, Baustähle zu entwickeln, die aufgrund ihrer Legierungszusammensetzung eine genügende Beständigkeit gegenüber Spannungsrißkorrosion aufweisen. Der zuletzt beschriebene Weg wurde im Patent DE-OS 29 07 152 eingeschlagen. Durch die Erhöhung von Chrom- und Molybdängehalten und gleichzeitiger Absenkung des Kohlenstoffgehaltes unter Werte von 0,05 % wurde hierbei versucht, die Beständigkeit von Baustählen gegenüber Spannungsrißkorrosion zu erhöhon. Die labortechnische Ueberprüfung dieser Spezialleglerungen auf ihre Spanmmgsrißkorrosionsanfälligkeit wurde nach dem damaligen Stand der Technik in einer 60 «iigen Calcium-Nitrat-Lösung mit Zusatz von Ammoniumnitrat in einem statischen Korrosionsversuch durchgeführt. Heutige Erkenntnisse in der Korrosionsprüfung zeigen jedoch, daß weder das Korrosionsmedium noch die eingesetzte mechanische Prüfmethode dem

praktischen Belastungsfall im betrieblichen Einsatz entsprechen, so daß bei der Prüfung der im Patent aufgeführten Legierungen keine für die Praxis brauchbaren Ergebnisse erzielt wurden. In der DE-OS 29 07 152 sind Standzeiten bis zum Eintreten der Spannungsrißkorrosion von zweieinhalb Jahren für die Konstruktion aus diesen Speziallegierungen angegeben, was jedoch für die Betreiber von Winderhitzeranlagen auf keinen Fall akzeptable Zeiten sind. In diesem Bereich rechnet man vielmehr mit einer mittleren Lebensdauer der Aggregate von mindestens 10 bis 15 Jahren.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, durch einen komplexen Eingriff in alle drei Einflußgrößen der Spannungsrißkorrosion (Spannung, Werkstoff und Korrosionsmedium) die Anfälligkeit des Wärmetauscher gegenüber Spannungsrißkorrosion zu senken. Dies wird gemäß der Erfindung auf vorteilhafte Weise dadurch erreicht, daß eine Mantelblechtemperatur von 30 bis 50°C, vorzugsweise von 40°C und niedriger auftritt und daß als Mantelbleche chromfreier Baustahl mit Molybdänzusatz von 0,01 bis 2 Gewichtsprozent Verwendung findet, der unter schwingender, niederfrequenter Wechselbelastung eine hohe Beständigkeit gegenüber interkristalliner Spannungsrißkorrosion aufweist.

Da hohe Mantelblechtemperaturen zu einem beschleunigten Ablauf der Spannungsrißkorrosion führen, wenn es in bestimmten Bereichen des Winderhitzers zur Unterschreitung der Taupunkttemperatur gekommen ist, wird gemäß der Erfindung ein sinnvoller Einfluß auf den Parameter Korrosionsmedium ausgeübt. Versuche haben gezeigt, daß eine Temperaturabsenkung des Korrosionsmediums im dynamischen Korrosionsversuch auf 40°C die Beständigkeit der Mantelblechwerkstoffe erheblich erhöht. Deshalb soll die Mantelblechtemperatur durch eine zusätzliche Innenisolierung von den bisher üblichen 80 bis über 16O°C auf 40°C gesenkt werden.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht, darin, daß je nach Anwendungszweck zwei unterschiedliche Stahlgruppen für die Mantelbleche des Winderhitzers verwendet werden, die sich im wesentlichen durch den Legierungsgehalt an Kohlenstoff, Molybdän und durch die mechanischen Eigenschaften unterscheiden. Die eine Stahlgruppe enthält folgende Bestandteile: 0,005 bis 0,2 $ Kohlenstoff, 0,1 bis 1,5 °f> Silizium, 0,1 bis 2,0 # Mangan, höchstens 0,025 $> Phosphor, höchstens 0,025 # Schwefel, 0,1 bis 2,0 % Molybdän und der Rest aus Eisen und unvermeidlichen Verunreinigungen. Diese Stähle besitzen eine Bruchverlängerung von etwa 30 $ und sollten speziell für den Aufbau und die Konstruktion neuer Anlagen oder selbsttragender Doppelmäntel herangezogen werden. Als Beispiele für Stähle dieser Gruppe seien die Stähle 15Mo3 und i6Mo5 genannt. Die andere Stahlgruppe enthält folgende Bestandteile und zeichnet sich durch eine Bruchverlängerung von >. k0 ia aus: 0,005 bis 0,1 £ Kohlenstoff, Spuren Silizium, höchstens 0,4 $ Mangan, höchstens 0,15 $ Molybdän, höchstens 0,025 # Phosphor, höchstens 0,025 $> Schwefel, höchstens 0,007 $> Stickstoff, höchstens 0,2 # Titan und der Reat aus Eisen und unvermeidlichen Verunreinigungen. Diese Legierung ist vorzugsweise für Reparaturen geeignet, bei denen der alte Stahlmantel die Tragkonstruktion übernimmt und höhere Festigkeiten des Reparaturwerkstoffes nicht erforderlich sind.

Wärmetauscher, insbesondere Winderhitzer, sind im Betrieb einer zyklischen Belastung ausgesetzt. Die vom System einerseits und von der Verarbeitung des Werkstoffes andererseits im Bauwerk herrschenden Spannungen sind dadurch gekennzeichnet, daß das System bei Druckbelastung bzw. Druckentlastung eine Spannungs- bzw. Dehnungsandβrung erfährt, wobei die Größe der Dehngeschwindigkeit von entscheidender Bedeutung für den Mechanismus des Korrosionsprozesses ist. So werden in Hochtemperatur-Winderhitzern, die mit maximal h bar Druck gefahren werden, Dehngeschwindigkeiten

(\ 8 ι in der Größenordnung von 10 bis 10~ s~ gemessen. Diese Dehngeschwindigkeiten sind vom System vorgegeben, eine Aenderung von außen ist nicht möglich, sieht man davon ab, daß die DruckSchwankungen und damit die Dehnungsamplituden verringert werden können. Diese zyklische Belastung überlagert im Bauteil eine statische Grundeigenspannung, die als wesentliche Ursache die im Schweißnahtbereich auftretenden Eigenspannungen hat. Erfindungsgemäß wird daher angestrebt, die Schweißeigenspannungen im Werkstoff so niedrig wie möglich zu halten, indem bei artgleicher Schweißung eine Mehrlagen-Vergütungsschweißung dergestalt durchgeführt wird, daß das nach dem Schweißen entstehende Gefüge keine großen Härteunterschiede zwischen Grundwerkstoff und Schweißnahtbereich aufweist und damit eigenspannungsarm ist»

Die notwendige und sinnvolle Kombination von Belastung, Werkstoff und Elektrolyt wird erfindungsgemäß weiterhin dadurch gelöst, daß das Feuerfestmaterial so angeordnet und bemessen wird, daß die Temperaturen des Mantelbleches höchstens kO C bei beliebiger Kuppeltemperatur und beliebiger Bauform des Ofens, des Kessels oder des Hochtemperatur-Winderhitzers beträgt. Zur Aufrechterhaltung der vorgegebenen Temperatur des Mantelbleches von höchstens ^O C bei höherer Umgebungstemperatur kann eine Wasserberieselungsanlage am Wärmetauscher vorgesehen sein. Zur Verminderung der Wärmeeinwirkung durch Sonneneinstrahlung kann das Mantelblech erfindungsgemäß mit einer reflektierenden Schicht versehen sein.

Weiterhin wird erfindungsgemäß angestrebt, die Isolierschicht zwischen Feuerfestmaterial und Mantelblech so auszuführen, daß das durch die Isolierschicht diffundierende Gas oder der kondensierte Elektrolyt nicht in der Lage sind, Ionen aus dem Isolierwerkstoff herauszulösen, die eine anodische Polarisation des Mantelbleches durch Lösung im Elektrolyten bewirken. Zu nennen wären hier die Elemente

Calcium oder Natrium, die eine Potentialverschiebung zu anodischeren Potentialen des Systems bewirken.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung können aus der Zeichnung und der zugehörigen Beschreibung entnommen werden. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt:

Fig. 1 den Aufbau einer Schweißnaht und eine Tabelle mit Schweißdaten,

Fig. 2 eine graphische Darstellung des Härteprofils im Schweißbereich,

Fig. 3 eine graphische Darstellung des Spannungsverlaufes im Mantelblech bei Druckänderungen im Winderhitzer,

Fj.g. h eine graphische Darstellung des Einflusses des Molybdängehaltes der Mantelbleche auf die Standzeit und

Flg. 5 eine graphische Darstellung des Einflusses der Temperatur des Korrosionsmediums auf die Standzeit .

Fig. 1 enthält Beispiele für gute und schlechte Schweißungen, die gegenüber interkristalliner Spannungsrißkorrosion zu schnellen Schäden führen können bzw. andererseits eine hohe Standzeit aufweisen. Im Falle des StE 36 mit einem Härteunterschied zwischen Grundwerkstoff und Schweißnaht von 120 MV trat deutlich interkristalline Spannungsrißkorrosion im Schweißnahtbereich auf.

Bei geschweißten Proben aus I5M03 und einer Vergleichsprobe aus Stahl ASt kl werden maximal Härteunterschiede von 50 bis 60 MV geraessen, wie dies aus Fig. 2 hervorgeht. Es

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wird erfindungsgemäß angestrebt, die Schweißung so auszuführen, daß ein Härteunterschied zwischen Grundwerkstoff und Schweißnahtbereich von 50 bis 60 MV nicht überschritten wird.

Der Belastungsablauf nach Fig. 3 ist derart, daß einer statischen Eigenspannungsgrundlast, die variabel ist, eine dynamische Oberlast überlagert wird. Diese Belastung ist vom System vorgegeben und kann nicht verändert werden. Für die erfindungsgemäße Systemauswahl ist wesentlich, daß die Dehnrate des Systems beim Umschalten von Druck auf Entlastung bzw. umgekehrt in der Größenordnung zwischen

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1O~ und 1O~ a~ liegt. Bei einem zyklischen Belastungsvorgang mit kritischen Dehngeschwindigkeiten wurde ein deutlicher Einfluß des Molybdängehaltes auf die Empfindlichkeit gegenüber interkristalliner Spannungsrißkorrosion des Mantelbleches unter Bedingungen der dynamischen Belastung gefunden.

Den günstigen Einfluß von Molybdän auf die Standzeit dor erfindungsgemäßen Stähle bei konstanten Dehnraten von 3,3*ΙΟ"⁷ s~¹ für die Stähle H II, X67, 15Mo3 und 16Mo5 läßt Fig. h erkennen. Dabei wird die erfindungsgemäße Erhöhung der Standzeit mit steigendem Molybdängehalt deutlich sichtbar.

Die Entstehung stabiler passiver Schichten bei Stählen steht in enger Beziehung zu der Stahlzusammensetzung, insbesondere dem Gehalt an Molybdän. Aus diesem Grund ist Molybdän der wesentliche Bestandteil des erfindungsgemäßen Stahlblechs. Im Gegensatz zu dem Stahlblech nach der DE-OS 29 07 152, bei dem Chrom als wesentlicher Bestandteil angesehen wird, muß unter den vorgegebenen Bedingungen des Verfahrens durch dynamische und niederfrequente Belastung und konstanter Dehngeschwindigkeit festgestellt werden, daß die Anwesenheit von Chrom negative Folgen für die Anfälligkeit gegenüber interkristalliner Spannungsriß-

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korrosion hat. Derartige Stahlbleche weisen in Schweiß«- nahtbereichen eine Chromverarmung auf, die durch Zusatz von Kohlenstoff und Stickstoff abbindenden Elementen wie Niob verhindert werden kann. Diese Maßnahme der Chromabbindung und damit der Vermeidung einer Chromverarraung entfällt bei rein molybdänhaltigen Stählen.

Der Einfluß der Temperatur wird aus Fig. 5 deutlich. Hier zeigt sich, daß bei Absenkung der Mantelblechtemperaturen auf Werte unter 50 C bei ebenfalls dynamischer Beanspruchung Standzeiten erreicht werden, wie sie in neutralem Medium mit Glycerin ebenfalls auftreten. Es liegt also in diesem Fall ein fast rein mechanisches Verhalten vor.

Frankfurt/M., 13.1.1981
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Karlsbader Str. 16

Anmelder: Firma Brohltal-Deumag AG, 5401 Urraitz/Bahnhof Titel; Wärmetauscher

Patentansprüche

1. Wärmetauscher,insbesondere Winderhitzer und nachgeschaltete Systeme, mit feuerfester Auskleidung, Isolierschicht und Stahlmantel, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierung so bemessen ist, daß eine Manteltemperatur von 30 bis 50°C, vorzugsweise von 4O°C und niedriger auftritt und daß als Mantelbleche chromfreier Baustahl mit Molybdänzusatz von 0,01 bis 2 Gewichtsprozent Verwendung findet, der unter schwingender, niederfrequenter Wechselbelastung eine hohe Beständigkeit gegenüber interkristalliner Spannungsrißkorrosion aufweist .

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Mantelblech aus 0,005 bie 0,2 i> Kohlenstoff, 0,1 bis 1,5 # Silizium, 0,1 bis 2,0 Mangan, höchstens 0,025 # Phosphor, höchstens 0,025 $> Schwefel, 0,1 bis 2,0 # Molybdän und der Rest aus Eisen und unvermeidlichen Verunreinigungen besteht.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Mantelblech aus 0,005 bis 0,1 io Kohlenstoff, Spuren Silizium, höchstens 0,k % Mangan, höchstens 0,025 # Phosphor, höchstens 0,025 # Schwefel, höchstens 0,15 i» Molybdän, höchstens 0,007 % Stickstoff, höchstens 0,2 # Titan und der Rest aus Eisen und unvermeidlichen Verunreinigungen besteht.

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k. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3» d a durch gekennzeichnet, daß das Mantelblech bei artgleicher Schweißung im Schweißnahtbereich ohne spannungsfreies Glühen nach dem Schweißen nicht zu Spannungsrißkorrosion neigt.

5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Feuerfestmaterial so angeordnet und bemessen ist, daß die Temperaturen des Mantelbleches höchsten 4O°C bei beliebigen Kuppeltemperaturen und beliebiger Bauform des Ofens, des Kessels oder des Hochtemperatur-Winderhitzers sind.

6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufrechterhai tung der vorgegebenen Temperatur des Mantelbleches von höchstens kO C bei höherer Umgebungstemperatur eine Wasserberieselungsanlage am Wärmetauscher vorgesehen ist.

7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennz e.i c h η e t , daß zur Verminderung von Sonneneinstrahlung das Mantelbelch mit einer reflektierenden Schicht versehen ist.

8. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschichten zur Einhaltung der Mantelblechtemperaturen von höchstens 50 C so zusammengesetzt sind, daß durch Kontakt mit dem Nitratelektrolyten keine Ionen gebildet werden, die eine anodische Polarisation der Mantelblechwand bewirken (z. B. Na oder Ca ).

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere Winderhitzer und nachgeschaltete Systeme, mit feuerfester Auskleidung, Isolierschicht und Stahlmantel. In einem solchen Wärmetauscher soll Luft mit Spitzenerwärmungstem-