Materiały wykorzystywane w przemyśle energetycznym, w tym w produkcji kotłów wysokowydajnych, odgrywają kluczową rolę w zapewnieniu niezawodności, efektywności oraz bezpieczeństwa pracy urządzeń. Współczesne technologie stawiają przed materiałami wyzwania związane z ekstremalnymi warunkami eksploatacji, takimi jak wysokie ciśnienie, temperatury czy działanie agresywnych mediów. W tej rzeczywistości stal kotłowa 13CrMo4-5 wyróżnia się jako jeden z najważniejszych materiałów konstrukcyjnych.

Kotły wysokowydajne wymagają materiałów o doskonałych właściwościach mechanicznych, termicznych i korozyjnych. Materiały te muszą sprostać intensywnym procesom cieplnym i ciśnieniowym, a także zapewnić długotrwałą pracę bez uszczerbku na ich właściwościach. Dodatkowo, trwałość i minimalne koszty utrzymania są istotne z punktu widzenia wydajności ekonomicznej systemów energetycznych. Stale kotłowe takie jak 13CrMo4-5 (1.7335, 15HM), dzięki swojemu unikalnemu składowi chemicznemu oraz zaawansowanym metodom obróbki cieplnej, spełniają te wymagania, stając się bazą dla wielu aplikacji w branży.

Charakterystyka stali kotłowej 13CrMo4-5 / 15HM

Skład chemiczny (zgodnie z normami PN, EN)

Stal 13CrMo4-5, 15HM, 1.7335, to stal kotłowa niskostopowa, charakteryzująca się dodatkiem chromu i molibdenu, które zapewniają jej wysoką wytrzymałość na wysokie temperatury i odporność na korozję w środowiskach o podwyższonej agresywności chemicznej. Typowy skład chemiczny zgodnie z normą EN 10028-2 przedstawia się następująco:

Pierwiastek Minimalna zawartość [%] Maksymalna zawartość [%]
Węgiel (C) 0,08 0,18
Krzem (Si) 0,35
Mangan (Mn) 0,40 0,70
Chrom (Cr) 0,70 1,10
Molibden (Mo) 0,45 0,65
Fosfor (P) 0,025
Siarka (S) 0,015
Azot (N) 0,012

Dopuszczalne są niewielkie różnice w zależności od szczegółowych wymagań norm lub zamówień.

Struktura mikrostrukturalna (ferrytyczno-perlityczna)

Stal 13CrMo4-5 charakteryzuje się ferrytyczno-perlityczną mikrostrukturą, która powstaje w wyniku odpowiedniego hartowania i odpuszczania. Struktura ta zapewnia kombinację:

  • Wytrzymałości mechanicznej: Ferrytyczna baza zapewnia dobre właściwości plastyczne, a perlityczne wtrącenia podwyższają twardość i odporność na ścieranie.
  • Odporności na pełzanie: Dzięki obecności molibdenu, stal wykazuje wysoką stabilność mechaniczną w temperaturach do 580°C.
  • Odporności na korozję: Dodatek chromu skutecznie zwiększa odporność na korozję atmosferyczną i utlenianie.

Klasyfikacja i oznaczenia w normach (PN, EN, AISI)

  • PN: Według polskich norm stal oznaczana jest jako 13CrMo4-5.
  • EN: W europejskiej klasyfikacji stal ta posiada oznaczenie 1.7335, zgodnie z normą EN 10028-2.
  • AISI: W systemie amerykańskim nie istnieje bezpośredni odpowiednik tej stali, ale najbliższym gatunkiem pod względem właściwości jest stal A387 Gr. 11.

Właściwości mechaniczne stali kotłowej 13CrMo4-5 1.7335

Wytrzymałość na rozciąganie i granica plastyczności

Stal 13CrMo4-5 charakteryzuje się wysoką wytrzymałością mechaniczną, która jest szczególnie istotna w środowiskach o podwyższonej temperaturze i ciśnieniu, typowych dla elementów kotłów. Typowe wartości zgodne z normą EN 10028-2 wynoszą:

  • Wytrzymałość na rozciąganie (Rm): 450–600 MPa (w zależności od grubości materiału i temperatury pracy).
  • Granica plastyczności (Re): min 280 MPa (dla próbek o grubości ≤16 mm, w temperaturze pokojowej).

W warunkach wysokotemperaturowych granica plastyczności zmniejsza się, jednak zachowuje wystarczające bezpieczeństwo dla długotrwałego użytkowania w instalacjach ciśnieniowych.

Twardość i odporność na pełzanie

  • Twardość: Stal 13CrMo4-5, 15HM, 1.7335 po odpowiedniej obróbce cieplnej osiąga twardość w zakresie 160–200 HB. Wartości te zapewniają odpowiednią odporność na zużycie ścierne i uszkodzenia mechaniczne.
  • Odporność na pełzanie: Dzięki obecności molibdenu i chromu stal wykazuje wyjątkową odporność na pełzanie (powolne odkształcenia plastyczne pod wpływem stałego obciążenia w wysokiej temperaturze). W temperaturze pracy do 580°C zapewnia stabilność strukturalną i długą żywotność, co jest kluczowe dla elementów kotłów pracujących w warunkach ciągłego obciążenia.

Odporność na zmęczenie cieplne i korozję

  • Odporność na zmęczenie cieplne: Stal 13CrMo4-5 (1.7335)  posiada bardzo dobre właściwości w zakresie zmęczenia cieplnego, co oznacza, że jest w stanie wytrzymać wielokrotne cykle nagrzewania i chłodzenia bez powstawania pęknięć lub deformacji. Właściwości te wynikają z optymalnej struktury ferrytyczno-perlitycznej, która zapobiega powstawaniu naprężeń termicznych.
  • Odporność na korozję:
    • Obecność chromu (Cr) podnosi odporność na korozję atmosferyczną i utlenianie w wysokiej temperaturze.
    • Molibden (Mo) zwiększa odporność na korozję chemiczną, w tym działanie agresywnych mediów zawierających siarkowodór lub związki azotu, typowych dla przemysłu energetycznego.
    • Materiał zachowuje dobrą odporność na korozję wżerową, co jest istotne w środowiskach wodno-parowych.

Dzięki połączeniu tych właściwości stal kotłowa 13CrMo4-5, 15HM, 1.7335,  jest idealnym materiałem do zastosowań w produkcji kotłów o wysokiej sprawności, gdzie wymagana jest niezawodność i długa żywotność w trudnych warunkach eksploatacji.

4. Obróbka cieplna i spawalność

Zalecane procesy obróbki cieplnej

  1. Normalizowanie:
    • Cel: Uzyskanie jednorodnej mikrostruktury ferrytyczno-perlitycznej, poprawa właściwości mechanicznych oraz zwiększenie wytrzymałości i odporności na pełzanie.
    • Parametry: Proces przeprowadza się w temperaturze 920–960°C, po czym następuje chłodzenie powietrzem.
    • Efekt: Struktura normalizowana zapewnia optymalne właściwości dla dalszej obróbki cieplnej i użytkowania.
  2. Odpuszczanie:
    • Cel: Zmniejszenie naprężeń wewnętrznych, poprawa ciągliwości i odporności na zmęczenie cieplne.
    • Parametry: Przeprowadzane w temperaturze 650–720°C, w zależności od wymagań użytkowych.
    • Efekt: Poprawa trwałości w wysokich temperaturach oraz minimalizacja ryzyka pękania.

Warunki spawania

  1. Konieczność podgrzewania przed spawaniem:
    • Podgrzewanie materiału do temperatury 200–300°C przed spawaniem jest wymagane, aby zapobiec powstawaniu pęknięć zimnych i naprężeń spawalniczych.
    • Wpływa to na poprawę plastyczności w strefie wpływu ciepła.
  2. Obróbka cieplna po spawaniu:
    • Po spawaniu zaleca się przeprowadzenie odpuszczania w temperaturze 700–750°C, aby zredukować naprężenia spawalnicze i poprawić spójność mikrostrukturalną.
    • W niektórych przypadkach stosuje się również normalizowanie w celu przywrócenia pełnych właściwości mechanicznych.
  3. Proces spawania:
    • Do spawania stali 13CrMo4-5, 1.7335 najlepiej stosować metody MMA (Manual Metal Arc), TIG lub MIG/MAG z użyciem odpowiednich materiałów dodatkowych, takich jak elektrody lub druty stopowe z chromem i molibdenem.

5. Zastosowanie stali 13CrMo4-5, 15HM w produkcji kotłów

Kotły wysokotemperaturowe

  • Stal kotłowa 13CrMo4-5 jest szeroko stosowana w produkcji kotłów pracujących w temperaturach do 580°C.
  • Dzięki wysokiej odporności na pełzanie i korozję zapewnia niezawodność i trwałość kluczowych elementów, takich jak ściany komór spalania i powierzchnie grzewcze.

Rurociągi parowe i elementy ciśnieniowe

  • Wysoka wytrzymałość na rozciąganie i dobra odporność na zmęczenie cieplne czynią stal idealnym materiałem na rurociągi parowe transportujące parę o wysokim ciśnieniu i temperaturze.
  • Stosowana w produkcji zbiorników ciśnieniowych, głowic kotłów i kolektorów parowych.

Wymienniki ciepła i reaktory chemiczne

  • Dzięki odporności na działanie agresywnych mediów chemicznych stale kotłowe jak: 13CrMo4-5, 1.7335, 15HM, znajduje zastosowanie w wymiennikach ciepła oraz reaktorach chemicznych pracujących w wysokich temperaturach.
  • Stal wykazuje stabilność strukturalną w obecności gazów utleniających i siarkowych.

Elementy turbin parowych

  • Stal jest wykorzystywana w elementach turbin parowych, takich jak łopatki i obudowy, gdzie wymagana jest wysoka odporność na pełzanie i korozję w warunkach dynamicznych obciążeń.
  • Gwarantuje niezawodną pracę turbin w instalacjach energetycznych i przemysłowych.

Stale takie jak  13CrMo4-5, 1.7335 ,15HM są niezastąpionym materiałem w produkcji kotłów wysokotemperaturowych i innych elementów instalacji przemysłowych. W przemyśle energetycznym i chemicznym wybór odpowiedniego materiału, takiego jak stal 13CrMo4-5, ma kluczowe znaczenie dla bezpieczeństwa, efektywności i trwałości instalacji. Dzięki swoim unikalnym właściwościom stal ta nie tylko spełnia, ale często przewyższa wymagania dotyczące pracy w ekstremalnych warunkach, co czyni ją fundamentem nowoczesnych systemów energetycznych.

 

By Dawid