Stale kotłowe – stale do pracy w podwyższonych temperaturach 10H2M (10CrM09-10, 1.7380), 13HMF (14MoV6-3, 1.7715), 15HM (13CrMo4-5, 1.7335), 25HM (25CrMo4, 1.7218), 21HMF (21CrMoV5-7), 26H2MF, 30H2MF (30CrMoV9, 31CrMoV9, 1.7707, 18519), 34HN3M, stal kotłowa wg norm PN, PN-EN, DIN, ASTM, GOST
Charakterystyka i Zastosowanie
Stal kotłowa to grupa stali, nazywana również stalami do pracy w podwyższonych temperaturach, przeznaczona do zastosowań w warunkach temperatury poniżej 600°C. Ich głównym obszarem wykorzystania są elementy maszyn i urządzeń w energetyce, takich jak:
- armatura kotłów i turbin,
- zbiorniki ciśnieniowe stosowane w przemyśle chemicznym i energetycznym,
- turbiny wodne, parowe i gazowe,
- wszelkie inne instalacje wymagające odporności na wysokie temperatury.
Podstawowymi dodatkami stopowymi w stalach kotłowych są:
- chrom – zwiększa odporność na utlenianie,
- molibden – poprawia wytrzymałość na pełzanie, co jest kluczowe w zastosowaniach wysokotemperaturowych.
Wymagania dla Stali Kotłowych
Urządzenia energetyczne (kotły, turbiny, armatura) pracują w ekstremalnych warunkach, co wymaga zastosowania materiałów o jakości znacznie przewyższającej stal ogólnego przeznaczenia. Stale te muszą charakteryzować się:
- odpornością na pełzanie, relaksację i zmęczenie cieplne,
- wysoką odpornością na korozję,
- odpowiednią trwałością mechaniczną w wysokich temperaturach,
- stabilnością wymiarową pod wpływem obciążeń termicznych.
Asortyment gatunków stali kotłowych oraz wyrobów hutniczych musi być zróżnicowany, aby sprostać różnym wymaganiom eksploatacyjnym.
Stale kotłowe – dobór gatunków
Wybór odpowiedniego gatunku stali zależy od specyfiki pracy urządzenia, warunków temperaturowych i mechanicznych oraz wymaganej trwałości eksploatacyjnej. Oprócz samego składu chemicznego, kluczowe znaczenie ma także:
- technologia wytapiania,
- sposób przeróbki plastycznej,
- zastosowane procesy obróbki cieplnej,
- jakość spawania oraz obróbki mechanicznej.
Wybór wyrobu hutniczego powinien uwzględniać zarówno jego konstrukcję, jak i docelowe warunki eksploatacyjne.
Stale kotłowe, podział według zastosowania
1. Stale na Małe Elementy Konstrukcyjne
Do małych części takich jak pręty kute, walcowane, odkuwki matrycowane i swobodnie kute (np. kołnierze i wieńce spawane do rur), a także łączniki rur kotłowych, stosuje się stale:
15, 20, 20G, K10, K18, St36K, St41K, St44K.
2. Stale na Armaturę i Osprzęt Rurociągów
W instalacjach rurociągowych oraz w elementach osprzętu kotłów i turbin stosuje się:
15HMF, 19G2, 16M, 15HM (13CrMo4-5), 12HMF, 13HMF (14MoV6-3, 1.7715), 10H2M (1.7380, 10CrMo9-10).
Te stale występują w postaci prętów kutych, walcowanych, odkuwek matrycowanych lub swobodnie kutych, współpracujących z rurami i blachami kotłowymi wykonanymi z tych samych gatunków.
3. Stale na Części Złączne
Do śrub, nakrętek, szpilek, podkładek, kołków, sworzni i innych elementów łączeniowych stosuje się:
25, 35, 45, 25HM (1.7218, 25CrMo4), 35HM (1.7220, 34CrMo4), 26H2MF, 21HMF (21CrMoV5-11, 21CrMoV5-7), 20HMFTB (stosowana sporadycznie do śrub i nakrętek).
4. Stale Kotłowe do Rurociągów Turbin Parowych
Rurociągi w turbinach parowych wykonuje się najczęściej z rur bez szwu ze stali:
13HMF (14MoV6-3), 15HM (13CrMo4-5), 10H2M (10CrMo9-10), 15HMF, 12HMF.
Właściwości Mechaniczne i Ograniczenia Temperaturowe
Temperatura pracy poszczególnych gatunków stali kotłowych jest uzależniona od składu chemicznego i udziału pierwiastków stopowych:
- Stale węglowe i niskostopowe (np. 20G) – maks. 450°C,
- Stale kotłowe stopowe (chromowe, molibdenowe) – w zakresie 450–540°C.
Części złączne w energetyce, oprócz wysokiej odporności na temperaturę, muszą dodatkowo cechować się:
- odpornością na relaksację,
- niską wrażliwością na działanie karbu,
- odpowiednią plastycznością przy powtórnym dokręcaniu,
- zdolnością do przenoszenia chwilowych, dużych obciążeń rozruchowych.
Podsumowanie
Stale kotłowe są kluczowym materiałem w energetyce i przemyśle chemicznym, gdzie odporność na wysoką temperaturę i trwałość mechaniczna są niezbędne. Wybór odpowiedniego gatunku zależy od rodzaju obciążeń, temperatury eksploatacyjnej oraz wymagań dotyczących odporności na korozję i pełzanie. W przypadku agresywnych środowisk, przy podwyższonych temperaturach, stosuje się także stale kwasoodporne, żaroodporne i żarowytrzymałe.
Stale te są niezastąpione w konstrukcjach turbin, kotłów i rurociągów parowych, gdzie bezpieczeństwo i niezawodność mają kluczowe znaczenie.
Stale na rury kotłowe i armaturę
rurociągów pary oraz materiały dodatkowe (np. na spoiwa) powinny spełniać nie tylko ogólne wymagania stawiane częściom turbin energetycznych, ale także powinny wykazywać:
— zdolność do odkształceń w warunkach długotrwałej pracy,
— odporność na zmiany temperatur i na chwilowe przekroczenia temperatur pracy,
— zadowalającą odporność na pełzanie,
— dużą jednorodność własności na długości rury,
— zadowalającą technologiczność w zakresie odkształcania, spawania, obróbki cieplnej przed i po spawaniu dla umożliwienia łatwego montażu i naprawy rurociągów.
Rurociągi kotłowe pary turbin ze stali w gatunkach 13HMF i 12HMF i mogą być przeznaczone do pracy przy temperaturach ok. 480-550°C, a ze stali 15HMF orientacyjnie do 550-580°C. Jeszcze inną grupę spośród stali przeznaczonej dla energetyki stanowią stale kotłowe pracujące głównie w turbinach, które są przeznaczone na części wirujące w postaci następujących wyrobów:
Dużych odkuwek swobodnie kutych do wyrobu:
— wałów wirnikowych turbin i zespołów turbinowo-prądnicowych, np. ze stali 45, 34HM, 35HM, 26H2MF,
— części wirników spawanych, np. ze stali 21HMF (21CrMoV5-7, 1.7709, 21CrMoV5-11, 1.8070)
— tarcz wirnikowych turbin, np. ze stali 20HM, 25HM czy 35HM – 34HM (1.7220, 34CrMo4).
Prętów kutych i walcowanych (kwadratowych, płaskich), odkuwek do wyrobu:
— łopatek turbinowych np. ze stali 15HM (łopatki te można również wykonać ze stali, 13HMF, 20MF
— części sterowniczych turbin, drągów, dźwigni, np. ze stali 20HM, 25HM (25CrMo4 ), 35HM (1.7220, 34CrMo4).
Blach do wyrobu:
— łopatek i tarcz kierowniczych turbin ze stali 15HM (tarcze i łopatki można również wykonać ze stali, 13HMF, 20MF). Istnieje jeszcze wiele gatunków stali, jakie mogą być użyte w energetyce do wytwarzania wymienionych wyrobów. Łopatki turbinowe mogą być np. wykonane również ze stali 1H13, 2H13, 15H11MF, 15H12WMF i innych, a wały wirnikowe ze stali 23H2MF, 32HN3M, 34HN3M, 36HNM, wirniki spawane również ze stali 22H2NM i innych.
Stale na wały wirnikowe
lub części wirników spawanych, oprócz podstawowych wymagań dotyczących części turbin energetycznych, powinny dodatkowo wykazywać:
— odpowiednio wysokie granice pełzania w temperaturze pracy, przy działaniu zarówno obciążeń statycznych, jak i dynamicznych,
— małą wrażliwość na działanie karbu, co wiąże się ze stosunkowo dużą wytrzymałością zmęczeniową, wymaganą dla stali przy temperaturze 20°C i podwyższonych temperaturach pracy,
— małą wrażliwość na pełzanie dynamiczne lub relaksację wywołane naprężeniem zmęczeniowym i na tzw. zmęczenie małą liczbą cykli,
— odporność na zmęczenie cieplne,
— dużą jednorodność własności w całej objętości odkuwki,
— zdolność do przenoszenia chwilowych dużych obciążeń rozruchowych.
Wały wirnikowe ze stali węglowych i niskostopowych
mogą pracować przy temperaturach orientacyjnie do 450°C, a ze stali stopowych w zakresie ok. 450-570°C, i to zależnie od stopowości stali.
O jakości eksploatacyjnej tarcz wirnikowych decydują przede wszystkim:
— własności wytrzymałościowe w temperaturze ok. 20°C,
— własności wytrzymałościowe w temperaturze pracy,
— mała wrażliwość na działanie karbu, co wiąże się ze stosunkowo dużą wytrzymałością zmęczeniową wymaganą dla stali w temperaturze 20°C i temperaturze pracy.
Temperatura pracy tarcz wirnikowych, zwykle w części niskoprężnej wirnika turbiny, nie przekracza ok. 400°C.
Oprócz ogólnego poziomu wymagań dla części turbin energetycznych, stale kotłowe na łopatki turbinowe powinny dodatkowo wykazywać:
— odpowiednio wysokie granice pełzania, zarówno przy działaniu obciążeń statycznych, jak i dynamicznych,
— dużą wytrzymałość zmęczeniową wymaganą dla stali w temperaturze 20°C i w podwyższonych temperaturach pracy,
— odporność na zmęczenie cieplne,
— małą skłonność do koncentracji naprężeń,
— zdolność wytrzymania krótkotrwałego przegrzania ponad temperaturę pracy,
— zdolność do przenoszenia chwilowych dużych obciążeń rozruchowych,
— wysoką odporność na kawitację, odporność na działanie korozji.
W turbinach średnio i wysokociśnieniowych,
w których temperatura pracy na wejściu dochodzi do ok. 500°C na łopatki wirnikowe mogą być stosowane stale kotłowe 20MF, 15HM (13CrMo4-5) i 13HMF (14MoV6-3), przy wyższych temperaturach pary na wejściu do ok. 540°C zaleca się stal 15H11MF, a w warunkach pracy do ok. 570°C stal 15H12WMF.
Warunki pracy i wysokie wymagania użytkowe (niezawodność i duża trwałość) zmuszają do zastosowania na wały wirnikowe, łopatki i tarcze turbin gatunków stali o wysokiej i najwyższej jakości.
Symbole gatunku stali według PN oznacza w kolejności: cyfra na początku średnia zawartość węgla w setnych częściach %,
następnie litery oznaczające
H – Chrom
G – Mangan
M – Molibden
F – Wanad
, jeśli występuje cyfra po literach, oznacza ona średnią zawartość danego składnika w %.
Np. gatunek 26H2MF oznacza stal o średniej zawartości węgla 0,26%, średniej zawartości chromu 2% ,oraz że stal zawiera
dodatek molibdenu i wanadu
15HM – stal kotłowa chromowo-molibdenowa 13CrMo4-5, 13CrMo4-4, 1.7335
25HM, 20HM – stal kotłowa chromowo-molibdenowa 25CrMo4, 1.7218, 25CrMoS4, 1.7258
10H2M -stal kotłowa chromowo-molibdenowa 10CrMo9-10, 1.7380
13HMF – stal kotłowa chromowo-molibdenowo-wanadowa 14MoV6-3, 1.7715
15NCuMNb stal kotłowa (K32Nb, 15NICuMoNb5-6-4, 1.6368)
21HMF – stal kotłowa chromowo-molibdenowo-wanadowa 21CrMoV5-7, 21CrMoV5-11
26H2MF – stal kotłowa chromowo-molibdenowo-wanadowa 24CrMo5-5
30H2MF – stal kotłowa chromowo-molibdenowo-wanadowa 30CrMoV9, 31CrMoV9, 1.7707, 18519
34HN3M – stal kotłowa chromowo-niklowo-molibdenowa
20HMFTB -stal kotłowa (20Ch1M1F1TR, 1.7729, 20CrMoVTiB4-10)
Zobacz również
stale wysokostopowe do pracy przy podwyższonych temperaturach
Pozostałe stale konstrukcyjne stopowe
stale konstrukcyjne stopowe do nawęglania
stal do azotowania
stal konstrukcyjna stopowa sprężynowa
stale konstrukcyjne stopowe łożyskowe
stal konstrukcyjna stopowa do ulepszania cieplnego
stal konstrukcyjna stopowa do pracy w podwyższonych temperaturach – stal kotłowa
Alfa-Tech oferuje rury kotłowe, blachy, pręty walcowane i kute ze stali kotłowych, oraz odkuwki swobodnie kute.