JPS59100301A - 石炭燃焼を含むプラント用ボイラチユ−ブ - Google Patents

石炭燃焼を含むプラント用ボイラチユ−ブ

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JPS59100301A
JPS59100301A JP20936582A JP20936582A JPS59100301A JP S59100301 A JPS59100301 A JP S59100301A JP 20936582 A JP20936582 A JP 20936582A JP 20936582 A JP20936582 A JP 20936582A JP S59100301 A JPS59100301 A JP S59100301A
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JP
Japan
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temperature
coal
boiler tube
tube
strength
Prior art date
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Pending
Application number
JP20936582A
Other languages
English (en)
Inventor
宇佐美 賢一
桐原 誠信
裕之 土井
浅野 長一
祐川 正之
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、石炭燃焼金言むプラント用ボイラチューブに
係り、特に燃焼ガスにより700〜800Cの鋼管表面
温度を得るための、高強度で耐高温腐食性を兼ね備えた
オーステナイト系合金で構成したボイラチューブに関す
る。
〔従来技術〕
従来の発磁プラント用ボイラチューブ材として、燃焼ガ
ス側のチューブ外装部の温度が600〜660Cでチュ
ーブ内蒸気温度が600tl?以下のIMO鋼の低合金
鋼が、高温側では5US304゜5US321並びにS
 US 347等のオーステナイト系ステンレス鋼が使
用されている。しかし、近年、資源、エネルギーの有効
利用の点からボイラ燃料として重油から石炭へ移行し、
発心効率面上等の理由から燃焼温度を上昇させ、蒸気温
度を650C程度とする高温高圧化が図られるすう勢に
ある。
一般に、燃焼温度が650〜660Cで蒸気温度が60
0Cの比較的高温側で使用されているオーステナイト系
ステンレス鋼も、さらに燃焼温度を700〜800Cま
で高め、蒸気温度を650C付近まで上昇させると著し
く耐腐食性が低下し、その温度で必要な許容引張応力も
満足できるものは得られない。また、ボイラも大型化及
び高圧化しており、万一チューブ内外面を問わず、燃焼
ガスや水蒸気岐化・並びに高温強度不足によってチュー
ブ材の破損が生じた場む、人的及び物理的損害は著しい
ものになる。したがって、従来から使用されているボイ
ラチューブ材ではその内外壁における耐食性ならびに尚
温強既が不充分となってきている。このことから高温尚
圧化に際しては、高温強度のみならず腐食に対する対米
も重要で、石炭焚ボイラにおける耐高温腐食性並びに高
温強度を兼備したボイラチューブ材の開発が強く望まれ
ている。
〔発明の目的〕
不発明の目的は、石炭撚v8を含むプラント用ボイラチ
ューブに係り、特に石炭焚発電プラントのチューブ外表
面温度を700〜800Cとし、内面蒸気温度を約65
0Cとし7ヒ場合のボイラチューブ材として、従来のオ
ーステナイト系ステンレス鋼より石炭燃焼ガスに対する
面部腐食が擾れ、かつ高温強度の高いオーステナイト系
合金を使用した石炭燃焼を含むプラント用ボイラチュー
ブを提供することにある。
本発明の第1は、重量でC:0.02〜0.15%。
Si : 0.5〜3.5%、Mn:2.0%以下、C
r:28〜32%、MO:0.5〜3.0%、Nb:0
.1〜0.5%、Ni:35〜45%を含み、塑性加工
によって製造されたシームレス管であって、実質的に全
オーステナイト組織を有する石炭燃焼を含むプラント用
ボイラチューブである。
本発明の第2は上記のチューブの組成に更にTi:0,
1〜0.5%及び/又はB : 0.002〜0.03
%を含むものである。
本発明の第3は上記のチューブの組成に更にT墓:0.
1〜0.5%及び/又はB:0.002〜0.03%と
、W:0.1〜1.0%、N:0.1%以下およびZr
:0.5%以下の少なくとも1種以上とを含むものであ
る。
以下、本発明を更に詳細に説明する。
石炭燃焼ガスによる高温腐食は、従来の重油燃焼ガスに
よる高温腐食と異なり、重油燃焼による高温腐食に対し
て優れた材料でも必ずしも石炭焚でも優れているとは限
らない。またチューブ外衣面温度が700〜800cに
上昇した場合の高温強゛度も、チューブ外表面温度が6
00〜650Cで使用されているS (JS304やS
[JS321鋼と同程度かそれ以上必要である。
以上のことから、特に篩部クリープ破断強度について、
700Cを基準とし、Ni当atと105時間のクリー
プ破断強度との関係を種々検討した結果、計算式が成シ
立ち、この式によりほぼそれぞれの温度でのオーステナ
イト系ステンレス鋼の強度を推定できることが明らかと
なった。
すなわち、Ni当量と破断強度との関係A=10X! 
X、=−39,97582+11.19903X10−
”T−8,08926X 10−’T2 \ B=10X2 X、 =−33,10778+ 8.7
4571 X 10 ”T−6,11821X10−’
T” C=10xs X、=−33,40885+ 8.74
572 x 10−2T−6,11822810−’T
2 D=10X4−84.I X4=−5,03123+ 
1.95876刈0〜2T−1,36329X 10”
’T2 の式(但し、σ=101時間破断強度推定値)に従うN
i量が35〜40%とするように調整される。一方、第
1図に示すように、700Cと800Cの10%C02
+1%SO2+5%02+残N、ガス中で300時間オ
ーステナイト系ステンレス鋼の耐食性を試験した結果、
充分な耐食性を有するにはCr量が700Cの場合約2
2〜25%程度以上、800Cの場合約30%程度必要
であることが判った。
燃焼側の耐食性は、実環境の場合特殊事情によシその条
件が変化することが予想されるので従来のボイラチュー
ブ材より高くする必要がらる。しかしCr単独では十分
な耐食性を得ることができない。このためCrの他にS
iを0.5%以上加える。第2図にSi量と腐食量との
関係を示す。
Cr及びSiはともにフェライト形式元素なので、S4
添加に伴うCr当量の増加は、N1当量の増加やその他
の元素の増減によってシームレスパイプに塑性加工でき
るように調整されなければならない。
一方、当然温度上昇による:刷部強度も重要となる。N
i−Cr系鋼のみでは強度が得られないため、高温強度
を高めるため、0.5〜&θ%のMoと0.1〜0.5
%のNbを添加し、それら元素によシ固溶強化、析出強
化により高温強度を改善することができる。
ボイラチューブは一般に溶接継手構造がとられることが
多いことから、この点も考慮する会費がある。本発明鋼
は28〜32%Cr−35〜45□ %NNIIIにMo、Nt)、さらにSLを添加すると
       1高温強度及び耐食性を向上させること
が明らかとなった。なお、オーステナイト組織に、フェ
ライトが混在すると高温でシグマ相の析出による脆化が
起るのでさけなければならない。そのためには、以下の
Ni当量とCr当量との式によりR4L、5ehaef
fer Diagramよυオーステナイト組織になる
よう調整しなければならない。
Ni当量−Ni(%)十(30XC(%)]−l−(0
,5XMn (%) )       −−−−−−(
2)Cr当1d−cr(%)+MO(%)+I: 1.
5XS i (%)〕+(0,5XNb (%)〕  
    ・・・・・・(3)本発明のオーステナイト合
金は重量%でC:0.02〜0.15%、Si:0.5
〜3.5%、Ni:37〜42%、Cr:29〜31%
、MO:0.5〜3%、 Nb : 0.1〜0.5%
、 M n 2%以下を含む全オーステナイト組織を有
するオーステナイト鋼が好ましい。
CはMo、Nb、等の炭化物形式元素と結付して粒内炭
化物を形成し、高温クリープ等の強度を大きくするが、
0.02%よシも少ないと効果が低く、0.15%を越
える含有量にすると粒界炭化物の析出による耐食性の低
下及び加工性溶接性に悪影響を及ぼすので住02〜0.
15%としなければならない。特に強度及び耐食・注と
の関連から0.03〜0.10%が好ましい。
Siは0.5%金超えて添加すると顕著に耐食性を向上
させるが、その量が3.8%以上になると製造性及び加
工性を著しくそこないパイプの製造がきわめて困難にな
ると共に、フェライト相を析出するため0.5〜3.5
%でなければならない。
Crは石炭燃焼ガスによる高温腐食に対し極めて有効で
あり、充分な耐食性を得るになま700°では22〜2
5%Cr程度であるが、800Cでは27〜30%Cr
が必要となる。したがって、安全性やノ用工性等を考慮
し28〜32%Crが好ましい。
0.5〜3.0%のMOは石炭燃焼による高温腐食に悪
影響を与えることなく、オーステナイトマトリックスを
強化し、一部は炭化物として析出し高温強度金玉げると
ともに結晶粒界を強化させるが0.5%よりも少ないと
効果が低く、逆に3%を越えると加工性を著しく低下さ
せ、シグマ相の析出を容易にする。特に1乏2−5%が
好−ましい。
Nb又はI[rは炭化物として析出し、高温強度を上げ
るとともに延性を向上させる。この高温強度と延性をイ
0るためと溶接性および溶接欠陥の生成防止を考慮し特
にNb+−’piが0.6〜0.8%が望ましい。
NiはCrと共存して塑性加工を高めオーステナイト組
織乳安定に保つためには28%以上でなければならない
。ただし、現在、チューブ外表面が600〜660C程
度に加熱されるボイラチューブとして使用さ扛ているS
[JS304やS US347等のオーステナイト系ス
テンレス鋼管は熱応力を考慮して肉厚14mmで外径4
5m、内径17wRのものが使用されている。このチュ
ーブ径のものを700C〜800Cに加熱されるチュー
ブとして使用するには800Cで105時間のクリープ
破断強度が少なくとも4〜5Kg/−以上必要となる。
この強度から、前記(1)式によJNi当量としては4
0〜50%となる。し/jがって前記(2)式のNi当
量の式から計算すると、C及びMn量により必然的にN
i量は35〜45%となる。Ni量は特に好ましくは4
0〜45%である。
B添加は結晶粒界全署しく強化し、高温延性を得るのに
効果的であるが、0.001%程度ではあ−まり影響し
ない。しかし、B/Cの比が0,2以上になると溶接性
や加工性に悪影響を及ぼすためC量との関連から0.0
02〜0.03%とした。
WはNb、Tiと同じ炭化物形式元素で、高温強度、延
性を向上させるが、Nb、Ti量との関連から0.1〜
0.3%が好ましい。
Nは’l’i、zr等と化合し窒化物を形成し、結晶粒
の生成を防止するが、あまり多く添加すると加工性に悪
影響を示すので0,1%以下が良い。特に0.03〜0
.05%程度が好ましい。
7、rは結晶粒を微細化し、品温強度、延性を向上する
が、あマり多く入れると製造法に影響するので0.5%
以下でなければならない。特に0,01〜0.1%が好
ましい。
〔発明の実施例〕
第1表に実験に用いた試料の化学成分(重量%ンを示す
。試料は熱処理後研削加工し、最終表面を≠800エメ
リー紙で仕上げ、試験片とした。
熱処理としては、比較鋼1 (S08304)と比較鋼
2 (SUS321)は1050Cで30分保持後水冷
したつ比較11943 (Incoloy800 H)
と本発明鋼1〜18は1150Cで30分保持後水冷の
溶体化処理を施しだ。
第2表は試験片にNazSO4+NaCt(7: 3 
)を塗布し800Cの10%CO2+1%802+5%
02+へ、ガス中で100時開腐食した場合の腐食減量
を示す。
第2表から明らかなように本発明鋼は比較鋼1(SUS
304)および比較鋼2 (808321)より3倍以
上の耐1¥73温腐食性を示している。また、比較鋼3
 (Incoloy  800 )i )と比較しても
2倍以上も耐食性を示すことが判る。特に、本発明鋼の
耐食性に優れている原因を特にIncoloy 800
Hと比較すると、本発明鋼がAtを含まず耐食性に影響
するγ′相tN、is  (At、Ti ))の析出が
なく、さらにCr量と8を量が高いことによる。
第3図は800CにおけるNI鼠と10″時間の破断時
間との関係を示す線区である。なお、本図は800Cで
1000時間の破断強度からI、3rs(3)Lit 
l ler パラメータを用いて整理したものである。
第3図からNO,1〜3の比較鋼(いずれもNi量が3
2%以下)の破断強度は5Kq/−以下であるが、NO
,1〜N0.18の本発明鋼(いずれもNi量が35%
以上)は5Kq/md2満足することが判る。
本発明鋼は、鋼管の引抜き作業時においても割れが発生
することなく、まだ700Cまでは60%の引張伸び率
を示し、温度上昇によって引張伸び率は直線的に増加し
、伸び率金示す。
〔発明の効果〕
以上のように本発明は石炭燃焼ボイラで問題となるチュ
ーブ外壁面の燃焼ガスに対して、従来鋼のS US30
4−やS O8321並びにIncoloy800 H
と比較して顕著にその耐高温腐食性が優れておシ、また
、soo’cでの10’時間のクリープ破断強度が高い
。また現在の燃焼チューブ表面温度が600〜660じ
で一成に使用さ扛ている肉厚14 rtrm 、外径4
5間、内径17mmのパイプ径と同じ形状のパイプを7
00〜5oocに加熱されるボイラチューブとして適用
できる。し7″こがって、特に発1プラント用ボイシチ
ューブとして発電効率を高めるという顕著な効果を有す
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は腐食減量と力8熱温度及びCr量と9関係を示
す線図、第2図は腐食減量とsi量との関係を示す線図
、第3図は5oocにおけるNi量と105時間時間ク
リープ破断強度ケ示す線図で・石1図 0     10     20     30   
  4、OCF 量  (γ・) 第2図 0     7      234 ir 6

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、重ifc : 0.02〜0.15%tSi:0.
    s〜3.5%、 Mn : 2.0%以F、Cr:2B
     〜32%。 Mo : 0.5〜3.0%、 N b : 0.1〜
    0.5%、Ni:35〜45%を含み、塑性加工によっ
    て製造されたシームレス管であって、実質的に全オース
    テナイト組織を有することを特徴とする石炭燃焼を含む
    プラント用ボイラチューブ。 Z 重iテc : 0.02〜0.15%、sに0.5
    〜3.5%、 Mn : 2.0%以下、Cr:28〜
    32%。 Mo : 0.5〜3.0%、 Nb : 0.1〜0
    .5%+N1=35〜45%lTi:0.1〜0.5及
    び/又はB:0.002〜0.03%を含み、塑性加工
    によって製造されたシームレス管で必って、実質的に全
    オーステナイト組織を有することを特徴とする石炭燃焼
    を含むプラント用ボイラテユ:ブ。 3、 重iテc : 0.02〜0.15%ISi:0
    .5〜3.5%、Mn:ZQ%以下、Cr:28〜32
    %。 M O: 0.5〜3.0%、 N b : 0.1〜
    0.5%lNi:35〜45%と、Ti:0,1〜0,
    5及紗/又はB:0.002〜0.03%と、who、
    1〜1.0%。 N;0.1%以下および7.r:0.5%以下の少なく
    とも1種とを含み、塑性加工によって製造されたシーム
    レス′aであって、実質的に全オーステナイト組織を有
    することを特徴とする石炭燃焼を含むプラント用ボイラ
    チューブ。
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Cited By (3)

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