Verlag des Forschungszentrums Jülich

JUEL-3712
Thiele, Michael; Quadakkers, Wilhelm Joseph; Schubert, Florian; Nickel, Hubertus
Hochtemperaturkorrosion von ferritischen und austenitischen Stählen in simulierten Rauchgasen kohlebefeuerter Kraftwerke
114 S., 1999

In der vorliegenden Arbeit wurde das Korrosionsverhalten der drei 9% Cr-Stähle NF 616 (P 92), p 91 und E 911 in simulierten Rauchgasen kohlebefeuerter Kraftwerke untersucht. Zu Vergleichszwecken wurden zudem die konventionellen ferritischen Stähle X 20 CrMoV 12-1 und 10 CrMo 9-10, sowie der Austenit X 3 CrNiMoN 17-13 in das Untersuchungsprogramm aufgenommen. Der betrachtete Temperaturbereich lag zwischen 600 und 650°C.

Um das Langzeitverhalten bewerten und somit die zu erwartenden Standzeiten der Werkstoffe unter Betriebsbedingungen abschätzen zu können, betragen die Versuchszeiten bis zu 10000 h. Die in den einzelnen Stadien des Korrosionsprozesses wirkende Mechanismen wurden anhand von Kurzzeitversuchen (100 h) in Modellgasen ermittelt.

In Luft zeigen allen untersuchten Werkstoffe eine ausgesprochen gute Oxidations- beständigkeit. Deutlich andere Oxidationserscheinungen werden dagegen in den simulierten Rauchgasen beobachtet. Während die höherlegierten Stähle X 20 CrMoV 12-1 und X 3 CrNiMoN 17-13 auch unter diesen Bedingungen schützende Oxidschichten bilden, kommt es bei den 9% Cr -Stählen, insbesondere beim NF 616, zu einem stark beschleunigtem Korrosionsangriff.

Bei den zusätzlich durchgeführten Untersuchungen zum Einfluß von in Kraftwerken entstehenden Aschebelägen, konnte keine Erhöhung der Korrosionsrate festgestellt werden.

Ursache fur die im Vergleich zur Auslagerung in Luft sehr hohen Korrosionsraten der 9% Cr- Stähle in den simulierten Rauchgasen sind nicht primär die Komponenten HCl (0,01-0,001 Vol.%) und SO2 (0,1 Vol.%). Entscheidenden Einfluß auf das Korrosionsverhalten hat vielmehr der im Rauchgas enthaltene Wasserdampf (7-20 Vol.%).

Der Metallabtrag in den simulierten Rauchgasen beträgt fur die 9% Cr-Stähle bei 600°C etwa 0,08-0,11 mm/Jahr und bei 650°C 0,09-0,13 mm/Jahr. Für wasserdampffiihrende Rohre aus z.B. p 91, die zusätzlich dem Rauchgas ausgesetzt sind, ergibt sich bei 600°C und konservativer Abschätzung somit ein Wanddickenverlust von ca. 0,2 mm/Jahr.

In the present work the high temperature corrosion behaviour of three 9% Cr-steels in simulated coal combustion gases has been investigated. For comparison reason the conventional ferritic steels X 20 CrMoV 12-1 and 10 CrMo 9-10 as weIl as the austenitic X 3 CrNiMoN 17-13 were also incorporated in the research program. The temperature range considered is from 600 to 650°C.

To evaluate the long term behaviour and thus to estimate the corrosion resistance of the materials under operating conditions the duration of the experiments was up to 10000 h. The mechanisms determining the corrosion processes at the different stages was being analysed by short term experiments (100 h) in model gas atmospheres.

In air all investigated steels showed excellent oxidation properties, even during exposures of up to 10000 h. In the simulated coal combustion atmospheres, however, only the higher alloyed steels X 20 CrMoV 12-1 and X 3 CrNiMoN 17-13 appeared to form protective oxide scales. Under these conditions the 9% Cr-steels and especially the steel NF 616 showed a dramatic increase in corrosion rate compared to oxidation in air.

Ash deposits typical for coal power plants do not seem to have a significant influence on the corrosion process of the steels investigated within this research programme.

The tremendous difference in oxidation behaviour of the 9% Cr-steels in the combustion gases compared to that in air is not primarily related to the presence of HCI (0.01- 0.001 vol.%) and SO2 (0.1 vol.%). The oxidation process is mainly determined by the water vapour which is present in the coal combustion gases in concentrations ranging from 7 to more than 20 vol. %.

The material loss ofthe 9% Cr-steels in the simulated coal combustion gases was determined to be 0.08-0.11 mm/year at 600 and 0.09-0.13 mm/year at 650°C. Based on a conservative estimation for a water vapour leading tube of p 91 which is additionally exposed to the combustion gas a reduction in wall thickness of about 0.2 mm/year at 600°C has to be taken into account in component design.

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Letzte Änderung: 07.06.2022