Korrosions- und Aufkohlungsprozesse von Dampferzeugerwerkstoffen unter Berücksichtigung der Aschedepositionen

Corrosion and carburisation processes of boiler materials under consideration of ash deposits

  • Im Rahmen dieser Arbeit wurden Dampferzeuger-Werkstoffe mit Chromgehalten von 0,1 bis 12 Ma.-% hinsichtlich ihres Korrosionsverhaltens unter konventionellen und Oxyfuel-Betriebsbedingungen untersucht. Dabei stand neben der Gasphasenkorrosion auch die Korrosion unter Beteiligung von Aschedepositionen im Fokus der Untersuchungen. Die Auslagerung der Werkstoffe erfolgte durch eine kombinierte Versuchsanordnung aus Technikumanlage und einem eigens errichteten Labor-Korrosionsversuchsstand, wobei eine Gesamtauslagerungsdauer von 1.110 Stunden realisiert wurde. Dabei konnte das in der Technikumanlage begonnene Schichtwachstum im Labor-Korrosionsversuchsstand erfolgreich weitergeführt werden. Mit Hilfe der kombinierten Versuchsanordnung, insbesondere des Labor-Korrosionsversuchsstandes, konnten reale Betriebsbedingungen erfolgreich simuliert werden. Nach erfolgter Auslagerung in der Feuerungsanlage zeigten die Proben beginnende Korrosionserscheinungen an den Werkstoffoberflächen. Die Untersuchungsergebnisse der einzelnen WerkstoffprobenIm Rahmen dieser Arbeit wurden Dampferzeuger-Werkstoffe mit Chromgehalten von 0,1 bis 12 Ma.-% hinsichtlich ihres Korrosionsverhaltens unter konventionellen und Oxyfuel-Betriebsbedingungen untersucht. Dabei stand neben der Gasphasenkorrosion auch die Korrosion unter Beteiligung von Aschedepositionen im Fokus der Untersuchungen. Die Auslagerung der Werkstoffe erfolgte durch eine kombinierte Versuchsanordnung aus Technikumanlage und einem eigens errichteten Labor-Korrosionsversuchsstand, wobei eine Gesamtauslagerungsdauer von 1.110 Stunden realisiert wurde. Dabei konnte das in der Technikumanlage begonnene Schichtwachstum im Labor-Korrosionsversuchsstand erfolgreich weitergeführt werden. Mit Hilfe der kombinierten Versuchsanordnung, insbesondere des Labor-Korrosionsversuchsstandes, konnten reale Betriebsbedingungen erfolgreich simuliert werden. Nach erfolgter Auslagerung in der Feuerungsanlage zeigten die Proben beginnende Korrosionserscheinungen an den Werkstoffoberflächen. Die Untersuchungsergebnisse der einzelnen Werkstoffproben hinsichtlich des Korrosionsverhaltens ließen jedoch kaum Unterschiede zwischen höher und niedrig legierten Werkstoffen erkennen. Wie bei anderen Autoren konnte nur am Werkstoff mit 9-12 Ma.-% Chromgehalt (Werkstoff VM12SHC) Aufkohlung festgestellt werden. Dabei hat die Aufkohlungstiefe gegenüber den Proben nach 110 Stunden Auslagerungszeit unter allen Betriebsbedingungen zugenommen. Die werkstofftechnischen Analysen nach der Auslagerung im Labor-Korrosionsversuchsstand zeigte eine deutliche Abnahme großer Poren in den Oxidschichten. Die Anwesenheit von Aschedepositionen führt zur Ausbildung dickerer Oxidschichten. Ursache sind Reaktionen zwischen den gebildeten Oxidschichten und den angelagerten Aschepartikeln unter Ausbildung einer Reaktionsschicht. Die bei steigendem Chromgehalt in den Werkstoffen zu erwartende Abnahme der Korrosionsaktivität durch die Bildung einer schützenden Eisen-Chrom-Spinellschicht ist aufgrund der geringen Auslagerungstemperatur von 490°C nicht eingetreten. Mit Hilfe der in dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass bei niedrigen Temperaturen (T = 490°C) auch für Werkstoffe mit Chromgehalten von 0,1-6 Ma.-% Chrom konstante parabolische Wachstumsraten auftreten. Es konnten keine Vorteile im Hinblick auf geringere Korrosionsraten analysiert werden. Inwiefern die Werkstoffe bei der Temperatur von 490°C auch ein anormales Oxidationsverhalten aufweisen, könnte im Rahmen einer separaten Arbeit erforscht werden. Sowohl die berechneten als auch die gemessenen Abzehrungsraten an den untersuchten Werkstoffen liegen über den zu erwartenden, normalbedingten Abzehrungsraten, sind jedoch als nicht kritisch einzustufen. Für die realisierten Auslagerungsbedingungen (T = 490°C, p = 1 bar) ist unter Oxyfuel-Bedingungen, sowohl mit als auch ohne Aschedepositionen, keine erhöhte Korrosion feststellbar. Die ermittelten parabolischen Wachstumskonstanten weisen die gleiche Größenordnung wie die in der Literatur verfügbaren parabolischen Wachstumsraten auf. Dementsprechend befanden sich die untersuchten Korrosionsprozesse sich noch nicht in einem Langzeitgleichgewicht. Die untersuchten Werkstoffe wurden im Hinblick auf ihre Korrosionsbeständigkeit anhand der Untersuchungsergebnisse eingestuft. Darüber hinaus erfolgte unter Berücksichtigung der Beschaffungskosten für die untersuchten Werkstoffe eine Erweiterung in Form eines kommerziellen Rankings. Die Werkstoffe 13CrMo4-5 und 16Mo3 weisen das beste Preis- / Leistungsverhältnis auf. Diese Werkstoffe können unter den realisierten Bedingungen ohne Einschränkungen hinsichtlich der Lebensdauer und der Kosten eingesetzt werden. Der Werkstoff 10CrMo9-10 weist teilweise höhere Korrosionsraten als die Werkstoffe 7CrMoVTiB10-10 und VM12SHC auf, ist jedoch deutlich kostengünstiger zu beschaffen. Deshalb erfolgt im kommerziellen Ranking die Einordnung des Werkstoffes 10CrMo9-10 vor den Werkstoffen 7CrMoVTiB10-10 und VM12SHC.show moreshow less
  • Within the scope of this work steam generator materials with chromium contents from 0.1 to 12 Ma.-% were examined concerning its corrosion behaviour under conventional and Oxyfuel operating conditions. In addition to the gas phase corrosion the corrosion with participation of ash deposit is in the focus of investigation. The corroding of the materials occurred through a combined test arrangement from a furnace test rig and a specially established lab-corrosion test rig. A total aging time of 1110 hours was realized. The layer growth begun in the furnace test rig and could be continued in the lab-corrosion test rig successfully. With the help of the combined test arrangement, in particular of the lab-corrosion test rig, real operating conditions could be simulated successfully. After exposure in the furnace test rig the samples showed incipient corrosion on the material surfaces. However, the investigation results of the individual samples of material regarding the corrosion behavior revealed scarcely differences between higher and lowWithin the scope of this work steam generator materials with chromium contents from 0.1 to 12 Ma.-% were examined concerning its corrosion behaviour under conventional and Oxyfuel operating conditions. In addition to the gas phase corrosion the corrosion with participation of ash deposit is in the focus of investigation. The corroding of the materials occurred through a combined test arrangement from a furnace test rig and a specially established lab-corrosion test rig. A total aging time of 1110 hours was realized. The layer growth begun in the furnace test rig and could be continued in the lab-corrosion test rig successfully. With the help of the combined test arrangement, in particular of the lab-corrosion test rig, real operating conditions could be simulated successfully. After exposure in the furnace test rig the samples showed incipient corrosion on the material surfaces. However, the investigation results of the individual samples of material regarding the corrosion behavior revealed scarcely differences between higher and low alloyed materials. Only on material with 12 Ma-% chromium content (material VM12SHC) carburization was determined. In this case the carburization depth has increased compared to the samples after 110 hours of exposure time, under all operating conditions. The material analysis showed a marked decrease of large pores in the oxide layers after aging in the laboratory corrosion test rig. The presence of ash deposition leads to the formation of thicker oxide layers. This caused by reactions between the oxide layers formed and deposited ash particles to form a reaction layer. The expected decrease of the chromium activity at increasing chromium content through the formation of a protective iron-chromium spinel has not occurred due to the low operating temperature of 490°C. Constant parabolic growth rates were showed in this thesis also for materials a chromium content of 0.1-6 Ma-% at low temperatures (T = 490°C). No benefits were analyzed in terms of lower corrosion rates. To what extent the materials at the temperature of 490°C also exhibit an abnormal oxidation behavior could be explored as part of a separate work. Both the calculated and the measured material losts of the investigated materials exceed the expected material lost at normal conditions, but are classified as non-critical. No increased corrosion was detected at the realized operating conditions (T = 490°C, p = 1 bar) for the Oxyfuel conditions, both with and without ash deposition. The calculated parabolic growth constants have the same order of magnitude as parabolic growth rates available from literature. Accordingly, the investigated corrosion processes, were not yet in a long-term equilibrium. The examined materials were classified in view of her corrosion resistance with the help of the investigation results. In addition a commercial ranking of the examined materials was established considering the acquisition costs. The materials 13CrMo4-5 and 16Mo3 show the best price / achievement relation. These materials can be used under the realized conditions without restrictions concerning the life span and the costs. The material 10CrMo9-10 partially shows higher corrosion rates than the materials 7CrMoVTiB10-10 and VM12SHC but it is cheaper. Therefore the material 10CrMo9-10 is better than the materials 7CrMoVTiB10-10 and VM12SHC in the commercial ranking.show moreshow less

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Metadaten
Author: Lisk, Alexander
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus-29341
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing. Krautz, Hans-Joachim
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2013
Date of final exam:2013/11/19
Release Date:2013/12/03
Tag:Asche; Hochtemperaturkorrosion; Korrosion; Oxyfuel; Werkstoffe
Ash; Corrosion; High Temperature Corrosion; Materials; Oxyfuel
GND Keyword:Asche; Dampferzeuger; Korrosion; Oxyfuel-Verfahren; Werkstoff
Institutes:Fakultät 3 Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme / FG Kraftwerkstechnik
Institution name at the time of publication:Fakultät für Maschinenbau, Elektrotechnik und Wirtschaftsingenieurwesen (eBTU) / LS Kraftwerkstechnik